Видеоурок по биологии «Белки»
Белки — это строительные материалы и живые нано-машины нашего тела. По сравнению с липидами и углеводами белки являются наиболее важными для организма.
Каждый из сотен тысяч разных белков обладает неповторимой пространственной структурой. И у каждого белка своя задача и функция. Есть белки костной и мышечной ткани, белки тканей кожи и мозга. Белки ферменты и рецепторы.
Если в организме отсутствует хотя бы один белок (например, белковый гормон инсулин), жизнь человека в опасности, так как инсулин оказывает многогранное влияние на обмен практически во всех тканях. Основное действие инсулина заключается в снижении концентрации глюкозы в крови.
Белки — это самые сложные молекулярные системы, имеющиеся в природе.
Кроме углерода, кислорода, водорода и азота в состав белков могут входить сера, фосфор, железо.
Белки построены из мономеров, которыми являются аминокислоты.
Среди двухсот известных аминокислот только 20 из них участвуют во внутриклеточном синтезе белков. Их называют протеиногенными или стандартными аминокислотами. Вопрос, почему именно эти 20 аминокислот стали «избранными», остаётся нерешённым. Не совсем ясно, чем эти аминокислоты оказались предпочтительнее других похожих.
Из 20 аминокислот, входящих в состав белков, может быть образовано вот такое число комбинаций различных белков, которые будут обладать совершенно одинаковым составом, но различным строением.
Все аминокислоты подразделяют на заменимые и незаменимые.
Заменимые аминокислоты синтезируются в организме человека, к ним относят: аланин, аргинин, аспарагин, аспарагиновую кислоту, глицин, глутамин, глутаминовую кислоту, пролин, серин, тирозин и цистеин.
Незаменимые аминокислоты в организме не синтезируются и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Это валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин. Содержатся они в основном в продуктах животного происхождения.
Для удобства названия аминокислот имеют общепринятые сокращения.
Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (─ ) с основными свойствами, другая —карбоксильной группой (─COOH) с кислотными свойствами. Часть молекулы, которая называется радикалом (в формулах она обычно обозначается большой латинской буквой R), у разных аминокислот имеет различное строение.
Аминокислоты соединяются между собой. Так образуется молекула, которая представляет собой пептид. Эта реакция называется (полимеризацией). В процессе полимеризации выделяется молекула воды, а освободившиеся электроны образуют ковалентную связь, которая получила название пептидной. Это связь между атомами углерода и азота.
Поскольку на одном конце дипептида находится свободная аминогруппа, а на другом — свободная карбоксильная группа, дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты.
Также белки могут состоять и из большого числа аминокислотных остатков. И, кроме того, каждая аминокислота может встречаться в белке несколько раз.
В состав белка может входить одна, две и более полипептидные цепи. Например, в молекуле инсулина — две цепи, а иммуноглобулины состоят из четырёх цепей.
Среди белков различают протеины, состоящие только из белков, и протеиды, содержащие не белковую часть. Например, гемоглобин.
Гемоглобин является сложным белком класса хромопротеинов, то есть в качестве небелкового компонента здесь выступает особая пигментная группа, содержащая железо, — гем
Гемоглобин человека является тетрамером, то есть состоит из четырёх субъединиц. У взрослого человека они представлены полипептидными цепями α1, α2, β1и β2.
Четвертичная структура гемоглобина придаёт ему способность регулировать присоединение и отщепление кислорода.
Гемоглобин является одним из основных белков, которыми питаются малярийные плазмодии — возбудители малярии. В эндемичных по малярии районах земного шара весьма распространены наследственные аномалии строения гемоглобина.
Эритроцит при этом приобретает форму серпа. Из-за этого малярийный плазмодий не проникает в эритроцит и не питается белком-гемоглобином. Изменение в форме эритроцита приводит к заболеванию ─ серповидноклеточной анемии.
Если белки состоят только из аминокислот, то их называют простыми.
Если в состав белков входят компоненты неаминокислотной природы, то такие белки относят к сложным.
Если в состав сложных белков входят углеводы, то их называют «гликопротеиды». Если входят липиды — то «липопротеиды», а если нуклеиновые кислоты — «нуклеопротеиды».
Именно строение белковых молекул определяет многообразие функций белков и их особую роль в жизненных процессах. Поэтому исследование структуры белков ─ самая важная стадия познания явлений, происходящих в живой клетке.
Белок можно выявить при помощи его денатурации. Денатурация — это утрата белковой молекулой своей первоначальной структуры.
Денатурация может возникать под воздействием нагревания (температуры), химических веществ (например, кислот, оснований, органических растворителей), обезвоживания, облучения и других факторов, в результате которых свойство белковых молекул резко изменяется.
Зажигаем спиртовку, наливаем в демонстрационную пробирку каллоидный раствор белка в дистиллированной воде. Закрепляем пробирку в держалке и осторожно нагреваем содержимое пробирки. Уже при небольшом нагревании хорошо видны изменения, происходящие в растворе. Он перестаёт быть прозрачным, появляется белый осадок. Это и есть свернувшийся белок. Температура (нагревание) вызывает свёртывание коллоидного раствора белка.
В пробирку с коллоидным раствором белка в дистиллированной воде добавляем разбавленный раствор азотной кислоты. Признак реакции — образование осадка. Белок денатурирован.
Третий опыт
Денатурация белка происходит и под действием растворов солей тяжёлых металлов. К раствору белка добавляем раствор сульфата меди. Признаком реакции является образование белого непрозрачного осадка. Это и есть денатурированный белок.
Обнаружив белок, мы ничего не можем сказать о его составе, структуре, свойствах. Что бы ответить на все эти вопросы, необходимо, прежде всего, выделить белок — получить его в чистом виде. Существует множество методов получения белков в чистом виде.
Процесс, обратный денатурации, при котором белки возвращают свою природную структуру, называется ренатурацией.
Уровни организации белковой молекулы
Молекулы белков могут принимать различные пространственные формы —конформации, которые представляют собой четыре уровня их организации.
Последовательное чередование различных аминокислотных звеньев в полипептидной цепи называется — первичной структурой белковой молекулы. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Молекула белка обладает определённой пространственной формой — это вторичная структура
Водородные связи фиксируют различные пространственные структуры. Хотя они и малопрочные, но из-за того, что их большое количество, — вторичная структура белка достаточно прочна. Части белковой молекулы могут организовываться в спираль или в другие виды вторичной структуры.
Третичная структура белка имеет вид клубка (глобулы). Третичная структура — это трёхмерная организация белковой молекулы. Она поддерживается водородными и дисульфидными (-S-S-) связями между остатками цисцеина (аминокислоты), а также гидрофобными взаимодействиями.
Существует и четвертичная структура белка. Однако она характерна не для всех молекул белка. Четвертичная структура возникает в результате соединения нескольких глобул в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови состоит из четырёх таких субъединиц.
Как вы уже поняли, белки многочисленны и многообразны. И у каждого белка своя задача и функция.
Структурная функция белков
Так как белки являются основой всех биологических мембран, они выполняют строительную функцию.
Белок коллаген — важный составной компонент соединительных тканей.
Эластин — эластичный компонент связок, стенок кровеносных сосудов.
Кератин — фибриллярный белок, обладающий механической прочностью, которая среди материалов биологического происхождения уступает лишь хитину. В основном из кератинов состоят роговые производные эпидермиса кожи — такие структуры, как волосы, ногти, рога, перья и роговой чехол, который покрывает клюв птиц.
Ферментативная функция белков
Ферменты — вещества белковой природы. Их молекулы состоят в основном из аминокислотных звеньев. Ферменты специфичны для каждого вещества. Основная функция их — это ускорение биохимических реакций организма, реакций распада и синтеза.
Они действуют в строго определённой последовательности. Почему так? Дело в том, что избирательность действия ферментов на разные химические вещества связана с их строением. Ферменты имеют специфические активные участки (центры), с которыми связываются субстраты.
Форма и химическое строение активного центра таково, что с ним могут связаться только определённые молекулы в силу их пространственного соответствия, они подходят друг к другу, как ключ к замку.
Связывание субстрата осуществляется именно в активном центре фермента. Одни ферментные системы направляют процессы биосинтеза. Этот процесс требует затрат энергии.
Другие ферментные системы регулируют распад и окисление веществ. При этих реакциях энергия выделяется.
На заключительном этапе химической реакции комплекс распадается с образованием конечных продуктов и свободного фермента.
Освободившийся при этом активный центр фермента может снова принимать новые молекулы вещества — субстрата.
Многие ферменты, как мы уже сказали, представлены белковыми молекулами. Другие состоят не только из белка, но и из небелкового соединения (кофермента). В качестве кофермента могут выступать различные вещества, но, как правило, это витамины и ионы металлов.
Отсутствие витамина в пище сначала приводит к недостаточному образованию кофермента, а без него не может работать (активироваться) соответствующий фермент. Поэтому скорость биохимической реакции, за которую отвечает этот фермент, значительно падает. Итогом этого становится нарушение обмена веществ.
Транспортная функция белков имеет важное значение. Так, гемоглобин переносит кислород из лёгких к клеткам других тканей.
В мышцах эту функцию выполняет белок миоглобин. Сывороточный альбумин крови способствует переносу липидов и жирных кислот, различных биологически активных веществ.
Белки-переносчики осуществляют перенос веществ через клеточные мембраны.
Специфические белки выполняют защитную функцию. Они предохраняют организм от вторжения чужеродных организмов и от повреждения.
Например, на проникновение в организм чужеродных белков реагирует иммунная система организма. Она бросает против них целую армию своих белков, так называемых антител. Антитела являются особым классом гликопротеинов, имеющихся на поверхности B-лимфоцитов в виде мембраносвязанных рецепторов.
При помощи антиген-связывающих участков антитела присоединяются к вирусам и бактериям, чужеродным белкам, препятствуя их размножению.
Ещё один важный белок нашего организма — интерферон — универсальный противовирусный белок.
Фибриноген и тромбин предохраняют организм от кровопотери, образуя тромб.
Многие живые существа для обеспечения защиты выделяют белки, называемые токсинами, которые в большинстве случаев являются сильными ядами.
Регуляторная функция белков присуща белкам-гормонам (регуляторам). Они регулируют различные физиологические процессы.
Например, наиболее известным гормоном является упомянутый выше инсулин, регулирующий содержание глюкозы в крови. При недостатке инсулина в организме возникает заболевание, известное как сахарный диабет.
Белки могут выполнять энергетическую функцию, являясь одним из источников энергии в клетке. При полном расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии.
Но в качестве источника энергии белки используются в последнюю очередь, после углеводов и жиров. Аминокислоты, высвобождающиеся при расщеплении белковых молекул, используются для построения новых белков.
Таким образом, роль белков огромна. Современная биология показала, что сходство и различие организмов определяются в конечном счёте набором белков. Чем ближе организмы друг к другу в систематическом положении, тем более сходны их белки.
Синтетическая биология: новые аминокислоты, новые белки | Научные открытия и технические новинки из Германии | DW
Первые в истории человечества искусственные постройки были сооружены, конечно же, из природных материалов — глины, древесины, камней. Сегодня строители располагают поистине необъятным ассортиментом искусственных материалов — от бетона и стали до пластмасс и стекла. Столь широкий выбор стройматериалов и связанные с ними новые возможности предопределили и изменения в архитектуре сооружений. Похоже, сходные метаморфозы ждут нас и в биологии.
Новые задачи требуют новых белков
Природа создала практически все живые организмы — от бактерии до человека — по одному рецепту: наследственная информация, закодированная в генах, определяет состав и последовательность синтеза белков в клетках. Именно белки, собственно, и являются основой жизни — по крайней мере, в той форме, в которой она существует на Земле. Белки же представляют собой высокомолекулярные органические вещества, состоящие преимущественно из аминокислот. Набор аминокислот, образующих белки, невелик: их всего 20, так что все гигантское многообразие свойств белковых молекул определяется лишь различными комбинациями этих аминокислот.
Так задумала природа. Однако эти рамки представляются некоторым исследователям слишком узкими. В их числе и Недилько Будиша (Nediljko Budiša), хорватский ученый, работающий в Германии, в Институте биохимии Общества Макса Планка в Мартинсриде близ Мюнхена: «Все живые организмы используют эти 20 основных кирпичиков для синтеза белков, — поясняет ученый. — Но природа не могла предусмотреть, что мы поставим перед собой какие-то новые цели и начнем развивать биотехнологии».
Это и побудило исследователя взяться за создание новых аминокислот — с тем, чтобы использовать их в качестве составных элементов новых белков. Он начал с того, что сконструировал две не существующие в природе аминокислоты, а затем ему удалось заставить бактерии производить белки, в состав которых вошли и эти самые искусственные субстанции. Сегодня ученый уже владеет богатым ассортиментом приемов, с помощью которых он может заставить бактерии встраивать в синтезируемые ими белки самые разные химические элементы, природой там отнюдь не предусмотренные.
Фторопласты, липазы и катализаторы
«Фтор — это элемент, который природа практически никогда не использовала, или использовала крайне редко, — говорит Недилько Будиша. — Так, в организме человека фтор содержится разве что в зубной эмали. Это связано, прежде всего, с тем, что фториды — кристаллические соединения, в форме которых фтор встречается в природе, — нерастворимы в воде. Между тем, за последние годы и десятилетия в мире сформировалось целое направление органической химии, занимающееся фторсодержащими соединениями. Это чрезвычайно перспективное направление, здесь уже имеются весьма значительные достижения. Если мы искусственно создадим фторсодержащую аминокислоту и встроим ее в белок, то такой белок может и в органических растворителях быть таким же активным, как в воде».
Химической промышленности такие фторсодержащие белки будут как нельзя более кстати. Ведь сегодня фторопласты, то есть полимеры, содержащие атомы фтора и обладающие поэтому высокой химической стойкостью, получают чисто химическим путем, используя метод электролиза. Между тем, в биореакторах синтез фторопластов был бы более экологичным и обходился бы дешевле, — уверен Недилько Будиша.
Еще один пример — это липазы, водорастворимые ферменты, помогающие расщеплять жиры. Они широко применяются в моющих средствах и стиральных порошках. Путем внедрения в состав этих ферментов целого ряда специальных, не существовавших ранее в природе, аминокислот исследователю удалось существенно повысить эффективность моющих средств.
«Если говорить о важных в промышленном отношении ферментах, то их эффективность — как, например, в случае с этими липазами, — можно повысить ни много ни мало в 10 раз, — подчеркивает Недилько Будиша. — Ну, скажем, в 10 раз уменьшить расход катализаторов, необходимых для поддержания технологических процессов. Ведь эти катализаторы чрезвычайно дороги, и вот появляется возможность повысить их эффективность в 10 раз».
То, что поначалу выглядело — а возможно, и было, — забавой, сегодня стало уже серьезной инновацией. Казалось бы, промышленность должна двумя руками ухватиться за эту разработку. Но не тут-то было, — сетует Недилько Будиша: «Сравнивая свою ситуацию с ситуацией моих американских коллег, я должен сказать, что немецкая промышленность не проявляет особого интереса к новым технологиям. Она берет только то, что полностью готово к внедрению и не требует никаких дополнительных капиталовложений».
Впрочем, 20-ти аминокислотам потребовалось 3,5 миллиарда лет на то, чтобы прочно занять свое место в составе белков. Ясно, что новичкам приходится туго.
Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Дарья Брянцева
Белки • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
В основе жизнедеятельности любого организма лежат химические процессы. В каждой клетке вашего тела происходят тысячи химических реакций, и совокупность этих реакций определяет вашу индивидуальность. В этой грандиозной химической системе важнейшую роль играют молекулы белков.
Давайте в начале нашей беседы о белках поговорим об их строении. При конструировании сложных молекул вы можете пойти двум путями: либо использовать систему модулей и собирать всевозможные крупные молекулы из небольшого числа структурных единиц, либо изготавливать каждую молекулу по индивидуальному плану. Вспомните старые и новые методы строительства. Раньше все элементы конструкции изготавливали только для одного здания, и в других зданиях они не встречались. В наше время такие здания (если их только можно отреставрировать) считаются очень красивыми и ценятся выше современных построек. Современный же метод строительства состоит в том, чтобы взять уже готовые однотипные детали, или модули (кирпичи, окна, двери), и собрать из них здание. Но и в такой системе, компонуя серийные детали по-разному, можно построить самые разнообразные сооружения. Аналогичный подход реализуется в живых системах — структурная сложность достигается за счет модульного принципа построения. Именно такой подход логичен с точки зрения теории эволюции, поскольку он позволяет последовательно усложнять структуры по мере появления новых модулей.
Основной структурной единицей белков являются аминокислоты. Молекулы этого класса имеют сходную структуру, немного различаясь в деталях. Они представляют собой цепочку атомов, на одном конце которой находится положительно заряженный ион водорода (Н+), а на другом — отрицательно заряженная гидроксильная группа (ОН–), состоящая из кислорода и водорода. От основной цепи ответвляются боковые группы, различные для разных аминокислот. В живых организмах насчитывается 21 аминокислота.
Из аминокислот строится белок. Этот процесс напоминает нанизывание бусинок на нить. При сближении двух аминокислот ион водорода (Н+) одной из них соединяется с ОН–-группой второй, и две аминокислоты связываются друг с другом с высвобождением молекулы воды. При этом возможны самые разные сочетания аминокислот. Последовательность аминокислот в «бусах» называется первичной структурой белка. Поскольку бусиной может быть любая из 21 аминокислоты, то даже для коротких белков существует огромное количество возможных вариантов первичной структуры. Например, существует более 10 триллионов способов собрать белок длиной всего в 10 аминокислот!
После того как определена первичная структура белка, под действием электростатических взаимодействий между различными боковыми группами аминокислот, а также между аминокислотами и окружающей их водой белок принимает сложную трехмерную форму. Для нас важнее всего белки, которые сворачиваются в сложные сферические структуры, поскольку именно они регулируют химические реакции в живых организмах. (Другие типы белков, например те, из которых состоят волосы и прочие структуры тела, имеют не такую форму.)
При взаимодействии сложных молекул между определенными атомами каждой из молекул образуется химическая связь. Одной лишь способности молекул к взаимодействию недостаточно для образования связи. Две молекулы должны сблизиться и принять такую ориентацию, при которой атомы, способные образовывать химические связи, могли бы состыковаться, как космические корабли на орбите. Поэтому трехмерная структура имеет первостепенное значение для химических процессов, идущих в живых организмах.
Трудно поверить, чтобы две сложные молекулы, предоставленные сами себе, случайным образом расположились бы в пространстве так, чтобы стало возможным их взаимодействие. Для протекания химической реакции с заметной скоростью необходимо участие молекул, называемых ферментами (см. Катализаторы и ферменты). Фермент притягивает обе молекулы к себе и придает им ориентацию, обеспечивающую взаимодействие. Как только взаимодействие произошло, фермент, выполнивший свою работу, высвобождается и может повторить эту операцию со следующей парой молекул.
Благодаря своей сложной структуре белки идеально справляются с ролью ферментов. Каждой первичной структуре соответствует определенная форма молекулы белка и, следовательно, определенная химическая реакция, которую этот белок катализирует. Во всех живых организмах первичная структура белка записана на молекуле ДНК (см. Центральная догма молекулярной биологии). Таким образом, ДНК держит под контролем весь организм, определяя спектр образующихся белков и, таким образом, возможные химические реакции.
В принципе, по первичной структуре белка можно было бы предсказать, какую форму будет иметь его молекула, а значит, предсказать и природу химической реакции, в которой этот белок будет участвовать. В действительности же эта проблема укладки белка настолько сложна, что пока ее невозможно вычислить даже при помощи лучших компьютеров и программного обеспечения. На сегодняшний день это одна из основных нерешенных проблем молекулярной биологии.
Биологи из МГУ выяснили, как начинает синтезироваться белок в живой клетке
Ученые из МГУ имени М.В.Ломоносова под руководством Сергея Дмитриева (НИИ физико-химической биологии имени А.Н. Белозерского МГУ) прояснили, как живая клетка решает, откуда начать синтез белка. Исследование было опубликовано в журнале Nucleic Acids Research (импакт-фактор 9.1).
Трудности перевода
Существенная доля нашей генетической информации, закодированной в ДНК, реализуется в живой клетке в виде белков. Для того, чтобы синтезировать нужный белок, эту информацию нужно перевести из последовательности нуклеотидов на язык аминокислот. Эта стадия преобразования называется трансляцией, и участвует в ней не ДНК, а матричная РНК — «временный носитель», на котором находится копия одного конкретного гена. Специальная молекулярная машина — рибосома — движется по матричной РНК и считывает тройки нуклеотидов, каждая из которых кодирует ту или иную аминокислоту.
Сложность заключается в том, что нуклеотиды матричной РНК просто следуют один за другим, и рибосома должна определить, с какого места ей необходимо начинать считывание. Если же первая тройка нуклеотидов будет выбрана неверно, рибосома начнет синтезировать неправильный белок, который окажется бесполезным или даже токсичным для клетки.
Сканирование и соскальзывание
«Для решения этой проблемы существует специальный механизм — рибосомное сканирование, — говорит Илья Теренин, соавтор работы. — Сначала малая субчастица рибосомы, нагруженная специальными белками, связывается с концом матричной РНК (которую можно сравнить с «ксерокопией» текста, записанного в ДНК: это как бы “инструкция” по сборке белковой молекулы). Затем рибосома начинает перемещаться по мРНК, «просматривая», как на конвейере, один за другим все встречающиеся ей тройки нуклеотидов. Как правило, в качестве точки старта используется тройка нуклеотидов «аденин-урацил-гуанин» (AUG). Когда рибосома находит его, она останавливается и начинает синтез белка. Ранее считалось, что обнаружение AUG — единственное и важнейшее событие, приводящее к началу синтеза с нужной точки, однако мы обнаружили, что это далеко не всегда так».
Когда малая субчастица встречает тройку нуклеотидов AUG, она может начать сборку белковой молекулы (инициировать трансляцию), а может и не начать. Это зависит от того, какой набор белков-помощников будет в ее распоряжении. Эти специальные белки так и называются — факторы инициации трансляции (сокращенно — eIF). Они имеют номера: так, у эукариот (организмов с ядром в клетке, к которым относимся и мы с вами) один из самых важных факторов — второй, или eIF2. Он вместе с транспортной РНК привозит первый «кирпичик» белка — аминокислоту метионин. В конце к малой субчастице рибосомы должна присоединиться еще и большая. Когда все компоненты есть в клетке в нужных количествах, происходит гидролиз (разложение) молекулы гуанозинтрифосфата (ГТФ), что и служит сигналом к началу трансляции. Молекула ГТФ связана с фактором трансляции eIF2, но сам eIF2 гидролизовать ГТФ не может — для этого ему нужен еще один белок-помощник, eIF5. Наличие eIF5 в необходимой концентрации как раз и определяет, гидролизуется ли ГТФ.
«Как оказалось, если гидролиза не произойдет, то малая субчастица проигнорирует стартовый кодон AUG и проскользнет дальше, как ни в чем не бывало. Мы назвали это слайдингом (от англ. sliding — “соскальзывание”)», — подводит итог Сергей Дмитриев.
Слайдинг по-семейному
Вышеизложенное можно попробовать объяснить следующей аналогией. Малая субчастица рибосомы — непоседливая младшая сестра в семье, которая в выходной встала раньше всех и хочет поиграть в конструктор — пособирать белок из аминокислот-деталек.
Большая субчастица — это старшая сестра, которая знает правила игры и умеет, в отличие от младшей, читать инструкцию по сборке красивых и сложных молекул, но устала за неделю и хочет выспаться. Она понимает, что младшая сестра будет плакать, если совсем не прийти к ней, и еще вчера пообещала с ней поиграть, поэтому поставила несколько будильников (троек нуклеотидов AUG).
Однако, как и все люди, которые ставят несколько будильников, она редко просыпается с первого раза, игнорируя сигнал AUG. Чтобы она проснулась и встала от очередного будильника, нужно успеть приготовить ее любимые блинчики на завтрак (гидролизовать ГТФ), которые своим запахом выманят соню из-под теплого одеяла. Папа (eIF2) тоже встает рано, он даже сходил в магазин за мукой (присоединил ГТФ), но печь блинчики он не умеет. Зато это умеет мама (eIF5), от которой и зависит успех всей затеи.
Таким образом, слайдинг — это игнорирование будильника. А когда все нужные факторы присутствуют, старшая сестра просыпается, ест и идет играть (собирать белки) с младшей сестрой.
Скользит и узнает
Открытие слайдинга опровергает устоявшееся мнение о том, что процесс выбора точки начала трансляции заканчивается на моменте распознавания точки старта синтеза. Решающим событием является не узнавание AUG, а гидролиз ГТФ.
Интересно, что примерно у половины матричных РНК стартовым кодоном является не первый AUG от конца молекулы, а второй, третий и даже более удаленный. До сих пор единственным объяснением этому было явление, именуемое в англоязычной литературе «leaky scanning» — при этом рибосома «проезжает» мимо первого AUG, не узнавая его. Однако leaky scanning требует, чтобы первый AUG находился в определенном нуклеотидном контексте, а это далеко не всегда так. Ученые показали, что возможно и другое объяснение: узнавание этих «преждевременных» AUG все-таки происходит, но после этого рибосома все равно оказывается на правильном стартовом кодоне благодаря открытому исследователями слайдингу.
Сложнейшая задача молекулярной биологии покорилась искусственному интеллекту
Более полувека ученые-биологи бились над проблемой предсказания трехмерной структуры белка по составляющим его аминокислотам. Хотя и решаемая, эта задача требовала огромных вычислительных ресурсов. Теперь же благодаря алгоритмам глубинного машинного обучения процесс, занимавший месяцы, может сократиться до пары недель или — на мощном оборудовании — нескольких часов.
Белковые молекулы — цепочки, составленные из аминокислот — представляют собой основу жизни и являются основным предметом изучения в молекулярной биологии, биохимии и многих областях медицины. Однако зная лишь формулу белка, предсказать варианты его взаимодействия с другими молекулами и клетками (а, значит, функции белка в организме) невозможно. Дело в том, что его свойства зависят от формы «укладки» полипептидной цепочки — а на эту форму влияет огромное число факторов. Например, гидрофобность, гидрофильность или электрический заряд составляющих белок аминокислот.
Решить так называемую задачу фолдинга («укладки») белка с достаточной точностью смогла последняя версия разработанного британской компанией DeepMind (принадлежит, наряду с Google, холдингу Alphabet) алгоритма AlphaFold. В компании накануне сообщили, что их разработку признали эффективной (точность предсказания — выше 90%) организаторы программы мониторинга исследований в области предсказания структуры белка (Critical Assessment of protein Structure Prediction, CASP).
Не имея способа быстро предсказывать пространственную структуру белка, ученые прибегали к сложным и дорогостоящим техникам — от спектроскопии ядерного магнитного резонанса до рентгеноструктурного анализа. Однако все они так или иначе подразумевали поиск решения методом проб и ошибок. Новый вычислительный инструмент позволит, в частности, гораздо быстрее находить лекарства от многих болезней или создавать белки-ферменты, которые смогут эффективно перерабатывать загрязняющие окружающую среду вещества.
Первую версию AlphaFold DeepMind представила в 2018-м году — уже тогда это решение лидировало по эффективности среди аналогов в предыдущем обзоре CASP. С тех пор алгоритм, основанный на глубинном обучении, был усовершенствован с учетом последних открытий в области биологии, физики и искусственного интеллекта. Тренировали его на доступных данных о примерно 170 000 белковых структур, а также базах данных о белках с известной последовательностью аминокислот, но неизвестной структурой.
Строение белков
Среди органических веществ белки, или протеины, — самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 — 80% сухой массы клетки.
Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами. Кроме углерода, кислорода, водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 1)
Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:
Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (—NH2) с основными свойствами, другая — карбоксильной группой (—COOH) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.
Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.
Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между —CO- и —NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль — вторичная структура белка.
Третичная структура — трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация — глобула. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.
Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.
Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки
Другие заметки по биологии
Лев Овчинников: главная радость — когда эксперимент показывает именно то, что предполагалось
Наукоград Пущино, центр биологических исследований Российской академии наук, основан в середине 1960-х годов исключительно как научный центр, и все его жители так или иначе связаны с наукой. Один из десяти институтов Пущино — Институт белка, где и работает в недавнем прошлом его директор Лев Овчинников, ведущий молекулярный биолог страны, академик РАН. В городе тишина, огромное количество зелени и масса свободных мест для парковки. Здание института приземистое, полуспрятано за деревьями и кажется необжитым.
При входе это ощущение усиливается, вспоминаются кадры из фильма «Чародеи»: огромный затемненный холл, пустота и звенящая тишина. Только потом в углу обнаруживается дежурная.
Через минуту спускается и интеллигентная помощница академика, чтобы провести меня к Льву Павловичу. «Вы бы куртку не снимали!» — советует она.
Но куртка уже висит на спинке стула. Скоро становится понятно, что совет был хорош: на улице плюс пять, а в здании — немногим больше. «Извините, денег для оплаты услуг котельной не перечислили, потому и сидим в холоде» — с этих слов и начинается интервью академика Овчинников.
Можно ли сравнить работу журналиста, который должен обеспечить мир проверенной информацией, с работой генома и как рибонуклеиновые кислоты «удостоверяются», что все идет как нужно, спрашиваю я. Вопрос явно ставит академика в тупик. «Провести такое сравнение не решаюсь,— говорит он.— Рибонуклеиновые кислоты сами «удостоверяться» не могут, все ли идет так, как нужно, это делают белки. Они в ответе и, если ситуация некритичная, все это редактируют, восстанавливают прежний смысл». И рассказывает, как это происходит в случае, если геном подвергается мутации.
По мнению Овчинникова, аналогию можно провести между работой журналиста и научного сотрудника, у них много общего. «И тот и другой должны дать объективную информацию для общества и коллег, а обнаружив ошибку, понять причины ее появления и по возможности ее устранить,— продолжает он.— На чем основывается научное исследование: в ходе работы появляются какие-то новые факты, которые не укладываются в общепринятые представления, и научный сотрудник должен эти факты опубликовать и попытаться их объяснить. Для этого обычно формулируются две альтернативные гипотезы, и нужно придумать эксперименты, которые исключили бы одну из них. Если мы что-то утверждаем, это означает, что пока нам не удалось опровергнуть эту гипотезу, и она уже рассматривается как теория. Эта теория может существовать до тех пор, пока и ее кто-нибудь не опровергнет».
«Наверное,— предполагает он,— как и у журналиста, у ученого есть своя точка зрения, пристрастия, иногда ему бывает трудно отказаться от старых представлений, и он может даже неосознанно интерпретировать полученные результаты под определенным углом. Бывает и прямой подлог, но крайне редко. Чтобы максимально избежать ошибок в постановке экспериментов и интерпретации их результатов, существует строгий контроль при публикации этих результатов в рецензируемых журналах — внешняя независимая экспертиза».
Начнем с простого, наивно спрашиваю я: как в современном представлении происходит синтез белка? Академик Овчинников отвечает: «Очень сложно. У меня 20 лекций студентам, 40 часов, и чтобы как-то это упростить? Тезисно: белок — длинная цепь, составленная из аминокислотных остатков. Связаны они пептидной связью. Когда белок синтезируется, при включении каждой следующей аминокислоты идет отщепление молекулы воды. Это суммарная реакция биосинтеза белка. Белки различаются длиной цепочки и последовательностью аминокислот, информация о них закодирована в ДНК генов и передается в виде копий матричной РНК, мРНК».
«Биосинтез белка требует энергии,— постепенно воодушевляется академик.— Поэтому параллельно идет гидролиз соединений, богатых энергией,— это аденозинтрифосфат, АТФ, и гуанозинтрифосфат, ГТФ. Образование полипептидной цепочки белка протекает в три этапа. На первом аминокислоты реагируют с АТФ и таким образом активируются. На втором этапе активированные аминокислоты переносятся на специфические адапторы, сохраняя свое активированное состояние. Адапторами являются небольшие молекулы транспортных РНК, тРНК. И активация, и перенос на тРНК катализируются ферментами. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, который узнает не только ее, но и ее тРНК. На третьем этапе происходит образование белковой цепочки согласно инструкции, записанной в мРНК. Этот процесс протекает в крупном комплексе, называемом рибосомой, при участии большого количества дополнительных белков. Рибосома связывает молекулу мРНК, протягивает ее через себя и выбирает в соответствии с информацией в мРНК нужные тРНК, связанные с аминокислотами. Кроме того, именно рибосома катализирует реакцию образования пептидной связи. На этой стадии нужна дополнительная энергия, которая поставляется молекулами ГТФ».
Ответ на якобы простой вопрос, в общем, обернулся лекцией. По ее окончании я попросил Льва Павловича объяснить, в чем разница между биохимией, молекулярной биологией и генетикой и, соответственно, академическими институтами с такими названиями. Обычному-то человеку кажется, что все они заняты примерно одним и тем же.
«Можно условно разделить эти области биологии, но, конечно, они сильно перекрывают одна другую,— начал академик Овчинников.— Биохимия — это химические реакции, катализируемые ферментами. Обычно в этом случае речь идет о малых молекулах. Молекулярная биология занимается структурой больших молекул: ДНК, РНК, белков и их комплексов. Эти структуры исследуются рентгеноструктурным анализом. Но при биосинтезе белка три реакции можно назвать биохимическими. Так что биосинтез белка — и биохимия, и молекулярная биология одновременно. Генетика изучает мутации, изменения в ДНК, которые потом передаются в РНК, это основное ее занятие. Генетическая инженерия — биотехнология, в которой гены ставятся в определенные плазмиды и экспрессируют (то есть синтезируют белки) в чужеродных клетках. Например, гены человека экспрессируют в клетках бактерии. Но в решении сложных комплексных задач принимают участие представители разных наук». Лев Овчинников соглашается, что все связано, переплетено и что деление достаточно условное, в коллективах институтов есть обычно специалисты всех направлений: и биологи, и химики, и физики, и математики. Условны и названия институтов, хотя что-то они все-таки отражают, говорит академик.
Почему бы тогда не объединить все эти институты, раз их работа взаимно переплетается или даже дублируется, задаю я, как мне кажется, логичный вопрос.
«А для чего нужно такое объединение? — удивляется академик.— Если работы взаимно переплетаются — очень хорошо, создается возможность для взаимовыгодной кооперации, а дублируются — крайне маловероятно, это невыгодно самим ученым. Если нам нужна совместная работа, то никаких проблем нет. Наша группа, например, работает в кооперации с Институтом экспериментальной и теоретической биофизики РАН и Институтом биофизики клетки РАН — мы ищем лекарства против болезни Альцгеймера и исследуем механизмы их воздействия; по исследованию раковых заболеваний и их терапии мы сотрудничаем и с Российским онкологическим научным центром им. Н. Н. Блохина, и с отделом онкологии и радиологии Государственного университета медицины и стоматологии, и с Вычислительным центром МГУ, и с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, и с Университетом французского города Эври; можно также упомянуть наше многолетнее сотрудничество с американскими и канадскими учеными и так далее. И такая кооперация не требовала и не требует от нас никакого формального объединения научных организаций».
«Громоздкие структуры очень малоподвижны в решении оперативных задач, для ученых лучше кооперация в проведении исследований. Нет проблем написать совместный проект, работать вместе, ничто не мешает этому»,— убеждает меня Овчинников. Но тут же и признает, что сейчас сложнее работать: «Раньше было проще: излагаешь в нескольких предложениях, что планируется делать, и отчитываешься тоже несколькими предложениями и опубликованными статьями. Теперь же требуется написать очень детализованный многостраничный план и многостраничные отчеты по строго регламентированной форме. Особенно это касается проектов под эгидой научных фондов. Но есть в нашей работе и радости. Главное — когда эксперимент показывает именно то, что вы ожидали получить». И академик Овчинников с воодушевлением рассказывает о последней такой радости: «Несколько недель назад у нас получено разрешение на выдачу американского патента по лекарственному средству от болезни Альцгеймера, и это произошло достаточно быстро, хотя часто патентные ведомства долго тянут».
Тут же речь зашла о болезни Альцгеймера вообще, и Лев Павлович посетовал, что до сих пор почти ничего не известно о причинах ее возникновения. Академик привел печальную статистику: по официальным зарубежным данным на 2018 год, в мире 50 млн больных болезнью Альцгеймера. В 2050 году, если не будет найден способ лечения, больных станет 152 млн человек. Очень велики социальные издержки этой болезни, продолжает Лев Овчинников: от появления ее первых симптомов до смерти больного в среднем проходит около семи лет, в течение которых человек беспомощен и требует, кроме лекарств, постоянного ухода.
Но самое страшное, конечно, что нет лекарств, говорит он: фармацевтические гиганты одно время взялись за их разработку, в США даже государство подключилось, было предложено около 300 разных препаратов, но в конце испытаний ни один препарат не прошел в качестве лекарства. «Чтобы сделать лекарство, нужно представлять механизм возникновения и развития заболевания,— объясняет причины неудач академик Овчинников.— Изучение активно идет, но оно еще далеко до завершения. Сейчас считается, что в развитии болезни Альцгеймера принимают участие два белка. Один из них — это мембранный белок APP, из которого при болезни Альцгеймера выщепляются определенные фрагменты, называемые амилоидными пептидами; эти пептиды агрегируют (склеиваются) и образуют внеклеточные фибриллы и бляшки. Бляшки можно увидеть в микроскоп и идентифицировать с помощью антител. Второй белок, который был назван тау-белком, находится внутри клеток. Он взаимодействует с белком тубулином, который образует нитевидные структуры клеточного скелета — микротрубочки. Микротрубочки непрерывно собираются и разбираются, а белок тау их стабилизирует и ускоряет процесс сборки. При болезни Альцгеймера тау-белок модифицируется, теряет взаимодействие с микротрубочками, уходит с них и агрегирует, образуя внутриклеточные конгломераты, а микротрубочки разрушаются, прерывая передвижение мРНК в нейронах. Таким образом, появление амилоидных пептидов и их агрегатов, а также агрегатов модифицированного тау-белка могут служить маркерами болезни Альцгеймера, а кроме того, сами они являются токсичными для нейронов и вызывают их гибель».
«Мы попытались использовать против болезни Альцгеймера белок, который получил название YB-1,— продолжает академик.— Это защитный многофункциональный белок. Мы показали на модельных мышах, в которых развиваются все описанные симптомы болезни Альцгеймера, что введение в них раствора белка YB-1 предотвращает или замедляет появление всех симптомов болезни, а именно предотвращается потеря памяти и гибель нейронов, уменьшается количество амилоидного пептида и амилоидных бляшек (а иногда они разрушаются и исчезают совсем) и агрегатов тау-белка. С французскими коллегами мы показали, что YB-1, подобно белку тау, взаимодействует с тубулином и стабилизирует микротрубочки, ускоряя их сборку. Таким образом, при Альцгеймере YB-1 может связываться с микротрубочками вместо белка тау и выполнять его функции».
На основе этих результатов была подана заявка «Применение белка YB-1 и его фрагментов для изготовления лекарственных средств при лечении болезни Альцгеймера» на российский и европейский патенты, а также на патент США. Российский патент получен, он вошел в 100 лучших изобретений России за 2015 год, а теперь и получено положительное решение на выдачу патента США, и завершается процедура рассмотрения европейской заявки, радуется академик.
И обнадеживает: Институт белка вместе с НИЦ «Курчатовский институт — ГосНИИ генетика» и институтом в Нижнем Новгороде в течение двух лет проводит доклинические испытания инновационного лекарственного средства на основе рекомбинантного белка YB-1 человека для лечения болезни Альцгеймера. «Через год они закончатся, и посмотрим на результат»,— говорит Лев Овчинников.
А я продолжаю простые вопросы: чем опасна генная инженерия? По мнению Овчинникова, когда с помощью генной инженерии производится продукт, белок (например, инсулин), который потом очищается, это очень хорошо. «Но когда это пища, то я старался бы ее не есть,— хмурится академик.— В ней содержится введенный ген, и это не так страшно, как то, что он находится в плазмиде, которая имеет способность встраиваться в разные участки генома. Причем встраивается туда, где ей захочется (как может и выходить оттуда), и я не исключаю, что может встроиться и в нашу ДНК, а потом прыгать, мигрировать, портить гены, и от этого становится как-то не по себе»
Не только это неприятно, предупреждает Лев Овчинников: экологи озабочены, что велика опасность сокращения видов, живущих на Земле. В связи с этим часто упоминается фирма Monsanto, рассказывает он, фактически эта фирма монополизировала производство посадочного материала, а чтобы бороться с сорняками, она вводит защитные гены в культивируемое растение, обеспечивает его избирательную устойчивость к определенному гербициду. Использование такого гербицида позволяет успешно бороться с сорняками, но способно уничтожать все живое, кроме культивируемого растения, беспокоится академик.
Тут Лев Павлович стал с теплотой говорить о своих учителях, академике Андрее Белозерском, основателе молекулярной биологии в СССР, академике Александре Спирине, основателе и многолетнем директоре Института белка РАН, и еще о многих зарубежных исследователях во Франции, США, Швеции, Швейцарии, Канаде, Бразилии и других, с кем связывала его совместная научная работа. Заговорили вновь об организации научного процесса, и я снова физически ощутил, как же холодно в помещении, а еще и сыро — за окном пошел дождь.
Лев Овчинников говорит: «Раньше деньги были у дирекции, теперь их у нее нет, приходят на коммуналку и на зарплату — все. Требуют объединиться. Кто-то соглашается, кто-то нет. Мы пока не соглашаемся. Главное для них — чтобы был единый бюджетополучатель, а на остальное им наплевать, и когда задают вопрос «Какая цель всего этого?», они отвечают: «Сверху требуют!» Кто-то когда-то сказал, что в России должно быть порядка 300 институтов… В общем, мы с этой реорганизацией столько проблем получили!»
«Раньше мы ездили за границу на стажировки и конференции по межгосударственным договорам,— вспоминает он, и голос его делается сух.— В последние годы я что-то не слышал о таких договорах. Вот и уезжает наша талантливая молодежь работать за границу. Один-два остаются, если удается выцарапать что-то из гранта. А так более 50 моих учеников сейчас живут за пределами России, кто-то уже стал профессором, у многих собственные лаборатории».
Ну теперь точно простой вопрос: есть ли свободное время и как академик его проводит? Лев Павлович наконец улыбается: «Я со студенческих лет активный турист. До первого курса я за пределы Московской области не выезжал, а после первого курса университета с другом поехал на Кавказ. Мы поднимались на Абхазский хребет с пастухами, прошлись по долине реки Кодори. На следующий год опять были горы и очень легкомысленная подготовка: легкая палатка, спальных мешков не было, и ночевка в горах на высоте более 4 тыс. метров на перевале Базардюзю была жесткой. С той поездки на руке у меня на всю жизнь остался шрам от раны в качестве сувенира. Потом началась череда сплавов на байдарках по северным и сибирским рекам, и тоже с приключениями. Так всю жизнь я и путешествую. Правда, последний раз сплавлялся несколько лет назад, сейчас предпочитаю турпоездки за границу: годы берут свое, а так много интересного в мире. Очень люблю Индию».
В этот момент открылась дверь, и худощавый юноша потихоньку пробрался к компьютеру, стоящему в углу. «А это моя надежда — Дмитрий Лябин, есть еще Ира Елисеева»,— с улыбкой сказал академик. Я подумал, что, если ситуация с наукой не изменится, они тоже окажутся за границей, и попросил Дмитрия: «Не уезжайте!» Но он только втянул голову в плечи и что-то искал в компьютере.
Мы с Львом Павловичем двинулись к выходу, по дороге в приоткрытые двери я увидел, как в лабораториях сидят за работой ученые, и решил, что не такой уж необжитой этот дом, просто наука не любит суеты.
Владимир Александров, группа «Прямая речь», Коммерсантъ Приложения
Ссылка на оригинал статьи
Array ( [und] => Array ( [0] => Array ( [value] =>Наукоград Пущино, центр биологических исследований Российской академии наук, основан в середине 1960-х годов исключительно как научный центр, и все его жители так или иначе связаны с наукой. Один из десяти институтов Пущино — Институт белка, где и работает в недавнем прошлом его директор Лев Овчинников, ведущий молекулярный биолог страны, академик РАН. В городе тишина, огромное количество зелени и масса свободных мест для парковки. Здание института приземистое, полуспрятано за деревьями и кажется необжитым.
При входе это ощущение усиливается, вспоминаются кадры из фильма «Чародеи»: огромный затемненный холл, пустота и звенящая тишина. Только потом в углу обнаруживается дежурная.
Через минуту спускается и интеллигентная помощница академика, чтобы провести меня к Льву Павловичу. «Вы бы куртку не снимали!» — советует она.
Но куртка уже висит на спинке стула. Скоро становится понятно, что совет был хорош: на улице плюс пять, а в здании — немногим больше. «Извините, денег для оплаты услуг котельной не перечислили, потому и сидим в холоде» — с этих слов и начинается интервью академика Овчинников.
Можно ли сравнить работу журналиста, который должен обеспечить мир проверенной информацией, с работой генома и как рибонуклеиновые кислоты «удостоверяются», что все идет как нужно, спрашиваю я. Вопрос явно ставит академика в тупик. «Провести такое сравнение не решаюсь,— говорит он.— Рибонуклеиновые кислоты сами «удостоверяться» не могут, все ли идет так, как нужно, это делают белки. Они в ответе и, если ситуация некритичная, все это редактируют, восстанавливают прежний смысл». И рассказывает, как это происходит в случае, если геном подвергается мутации.
По мнению Овчинникова, аналогию можно провести между работой журналиста и научного сотрудника, у них много общего. «И тот и другой должны дать объективную информацию для общества и коллег, а обнаружив ошибку, понять причины ее появления и по возможности ее устранить,— продолжает он.— На чем основывается научное исследование: в ходе работы появляются какие-то новые факты, которые не укладываются в общепринятые представления, и научный сотрудник должен эти факты опубликовать и попытаться их объяснить. Для этого обычно формулируются две альтернативные гипотезы, и нужно придумать эксперименты, которые исключили бы одну из них. Если мы что-то утверждаем, это означает, что пока нам не удалось опровергнуть эту гипотезу, и она уже рассматривается как теория. Эта теория может существовать до тех пор, пока и ее кто-нибудь не опровергнет».
«Наверное,— предполагает он,— как и у журналиста, у ученого есть своя точка зрения, пристрастия, иногда ему бывает трудно отказаться от старых представлений, и он может даже неосознанно интерпретировать полученные результаты под определенным углом. Бывает и прямой подлог, но крайне редко. Чтобы максимально избежать ошибок в постановке экспериментов и интерпретации их результатов, существует строгий контроль при публикации этих результатов в рецензируемых журналах — внешняя независимая экспертиза».
Начнем с простого, наивно спрашиваю я: как в современном представлении происходит синтез белка? Академик Овчинников отвечает: «Очень сложно. У меня 20 лекций студентам, 40 часов, и чтобы как-то это упростить? Тезисно: белок — длинная цепь, составленная из аминокислотных остатков. Связаны они пептидной связью. Когда белок синтезируется, при включении каждой следующей аминокислоты идет отщепление молекулы воды. Это суммарная реакция биосинтеза белка. Белки различаются длиной цепочки и последовательностью аминокислот, информация о них закодирована в ДНК генов и передается в виде копий матричной РНК, мРНК».
«Биосинтез белка требует энергии,— постепенно воодушевляется академик.— Поэтому параллельно идет гидролиз соединений, богатых энергией,— это аденозинтрифосфат, АТФ, и гуанозинтрифосфат, ГТФ. Образование полипептидной цепочки белка протекает в три этапа. На первом аминокислоты реагируют с АТФ и таким образом активируются. На втором этапе активированные аминокислоты переносятся на специфические адапторы, сохраняя свое активированное состояние. Адапторами являются небольшие молекулы транспортных РНК, тРНК. И активация, и перенос на тРНК катализируются ферментами. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, который узнает не только ее, но и ее тРНК. На третьем этапе происходит образование белковой цепочки согласно инструкции, записанной в мРНК. Этот процесс протекает в крупном комплексе, называемом рибосомой, при участии большого количества дополнительных белков. Рибосома связывает молекулу мРНК, протягивает ее через себя и выбирает в соответствии с информацией в мРНК нужные тРНК, связанные с аминокислотами. Кроме того, именно рибосома катализирует реакцию образования пептидной связи. На этой стадии нужна дополнительная энергия, которая поставляется молекулами ГТФ».
Ответ на якобы простой вопрос, в общем, обернулся лекцией. По ее окончании я попросил Льва Павловича объяснить, в чем разница между биохимией, молекулярной биологией и генетикой и, соответственно, академическими институтами с такими названиями. Обычному-то человеку кажется, что все они заняты примерно одним и тем же.
«Можно условно разделить эти области биологии, но, конечно, они сильно перекрывают одна другую,— начал академик Овчинников.— Биохимия — это химические реакции, катализируемые ферментами. Обычно в этом случае речь идет о малых молекулах. Молекулярная биология занимается структурой больших молекул: ДНК, РНК, белков и их комплексов. Эти структуры исследуются рентгеноструктурным анализом. Но при биосинтезе белка три реакции можно назвать биохимическими. Так что биосинтез белка — и биохимия, и молекулярная биология одновременно. Генетика изучает мутации, изменения в ДНК, которые потом передаются в РНК, это основное ее занятие. Генетическая инженерия — биотехнология, в которой гены ставятся в определенные плазмиды и экспрессируют (то есть синтезируют белки) в чужеродных клетках. Например, гены человека экспрессируют в клетках бактерии. Но в решении сложных комплексных задач принимают участие представители разных наук». Лев Овчинников соглашается, что все связано, переплетено и что деление достаточно условное, в коллективах институтов есть обычно специалисты всех направлений: и биологи, и химики, и физики, и математики. Условны и названия институтов, хотя что-то они все-таки отражают, говорит академик.
Почему бы тогда не объединить все эти институты, раз их работа взаимно переплетается или даже дублируется, задаю я, как мне кажется, логичный вопрос.
«А для чего нужно такое объединение? — удивляется академик.— Если работы взаимно переплетаются — очень хорошо, создается возможность для взаимовыгодной кооперации, а дублируются — крайне маловероятно, это невыгодно самим ученым. Если нам нужна совместная работа, то никаких проблем нет. Наша группа, например, работает в кооперации с Институтом экспериментальной и теоретической биофизики РАН и Институтом биофизики клетки РАН — мы ищем лекарства против болезни Альцгеймера и исследуем механизмы их воздействия; по исследованию раковых заболеваний и их терапии мы сотрудничаем и с Российским онкологическим научным центром им. Н. Н. Блохина, и с отделом онкологии и радиологии Государственного университета медицины и стоматологии, и с Вычислительным центром МГУ, и с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, и с Университетом французского города Эври; можно также упомянуть наше многолетнее сотрудничество с американскими и канадскими учеными и так далее. И такая кооперация не требовала и не требует от нас никакого формального объединения научных организаций».
«Громоздкие структуры очень малоподвижны в решении оперативных задач, для ученых лучше кооперация в проведении исследований. Нет проблем написать совместный проект, работать вместе, ничто не мешает этому»,— убеждает меня Овчинников. Но тут же и признает, что сейчас сложнее работать: «Раньше было проще: излагаешь в нескольких предложениях, что планируется делать, и отчитываешься тоже несколькими предложениями и опубликованными статьями. Теперь же требуется написать очень детализованный многостраничный план и многостраничные отчеты по строго регламентированной форме. Особенно это касается проектов под эгидой научных фондов. Но есть в нашей работе и радости. Главное — когда эксперимент показывает именно то, что вы ожидали получить». И академик Овчинников с воодушевлением рассказывает о последней такой радости: «Несколько недель назад у нас получено разрешение на выдачу американского патента по лекарственному средству от болезни Альцгеймера, и это произошло достаточно быстро, хотя часто патентные ведомства долго тянут».
Тут же речь зашла о болезни Альцгеймера вообще, и Лев Павлович посетовал, что до сих пор почти ничего не известно о причинах ее возникновения. Академик привел печальную статистику: по официальным зарубежным данным на 2018 год, в мире 50 млн больных болезнью Альцгеймера. В 2050 году, если не будет найден способ лечения, больных станет 152 млн человек. Очень велики социальные издержки этой болезни, продолжает Лев Овчинников: от появления ее первых симптомов до смерти больного в среднем проходит около семи лет, в течение которых человек беспомощен и требует, кроме лекарств, постоянного ухода.
Но самое страшное, конечно, что нет лекарств, говорит он: фармацевтические гиганты одно время взялись за их разработку, в США даже государство подключилось, было предложено около 300 разных препаратов, но в конце испытаний ни один препарат не прошел в качестве лекарства. «Чтобы сделать лекарство, нужно представлять механизм возникновения и развития заболевания,— объясняет причины неудач академик Овчинников.— Изучение активно идет, но оно еще далеко до завершения. Сейчас считается, что в развитии болезни Альцгеймера принимают участие два белка. Один из них — это мембранный белок APP, из которого при болезни Альцгеймера выщепляются определенные фрагменты, называемые амилоидными пептидами; эти пептиды агрегируют (склеиваются) и образуют внеклеточные фибриллы и бляшки. Бляшки можно увидеть в микроскоп и идентифицировать с помощью антител. Второй белок, который был назван тау-белком, находится внутри клеток. Он взаимодействует с белком тубулином, который образует нитевидные структуры клеточного скелета — микротрубочки. Микротрубочки непрерывно собираются и разбираются, а белок тау их стабилизирует и ускоряет процесс сборки. При болезни Альцгеймера тау-белок модифицируется, теряет взаимодействие с микротрубочками, уходит с них и агрегирует, образуя внутриклеточные конгломераты, а микротрубочки разрушаются, прерывая передвижение мРНК в нейронах. Таким образом, появление амилоидных пептидов и их агрегатов, а также агрегатов модифицированного тау-белка могут служить маркерами болезни Альцгеймера, а кроме того, сами они являются токсичными для нейронов и вызывают их гибель».
«Мы попытались использовать против болезни Альцгеймера белок, который получил название YB-1,— продолжает академик.— Это защитный многофункциональный белок. Мы показали на модельных мышах, в которых развиваются все описанные симптомы болезни Альцгеймера, что введение в них раствора белка YB-1 предотвращает или замедляет появление всех симптомов болезни, а именно предотвращается потеря памяти и гибель нейронов, уменьшается количество амилоидного пептида и амилоидных бляшек (а иногда они разрушаются и исчезают совсем) и агрегатов тау-белка. С французскими коллегами мы показали, что YB-1, подобно белку тау, взаимодействует с тубулином и стабилизирует микротрубочки, ускоряя их сборку. Таким образом, при Альцгеймере YB-1 может связываться с микротрубочками вместо белка тау и выполнять его функции».
На основе этих результатов была подана заявка «Применение белка YB-1 и его фрагментов для изготовления лекарственных средств при лечении болезни Альцгеймера» на российский и европейский патенты, а также на патент США. Российский патент получен, он вошел в 100 лучших изобретений России за 2015 год, а теперь и получено положительное решение на выдачу патента США, и завершается процедура рассмотрения европейской заявки, радуется академик.
И обнадеживает: Институт белка вместе с НИЦ «Курчатовский институт — ГосНИИ генетика» и институтом в Нижнем Новгороде в течение двух лет проводит доклинические испытания инновационного лекарственного средства на основе рекомбинантного белка YB-1 человека для лечения болезни Альцгеймера. «Через год они закончатся, и посмотрим на результат»,— говорит Лев Овчинников.
А я продолжаю простые вопросы: чем опасна генная инженерия? По мнению Овчинникова, когда с помощью генной инженерии производится продукт, белок (например, инсулин), который потом очищается, это очень хорошо. «Но когда это пища, то я старался бы ее не есть,— хмурится академик.— В ней содержится введенный ген, и это не так страшно, как то, что он находится в плазмиде, которая имеет способность встраиваться в разные участки генома. Причем встраивается туда, где ей захочется (как может и выходить оттуда), и я не исключаю, что может встроиться и в нашу ДНК, а потом прыгать, мигрировать, портить гены, и от этого становится как-то не по себе»
Не только это неприятно, предупреждает Лев Овчинников: экологи озабочены, что велика опасность сокращения видов, живущих на Земле. В связи с этим часто упоминается фирма Monsanto, рассказывает он, фактически эта фирма монополизировала производство посадочного материала, а чтобы бороться с сорняками, она вводит защитные гены в культивируемое растение, обеспечивает его избирательную устойчивость к определенному гербициду. Использование такого гербицида позволяет успешно бороться с сорняками, но способно уничтожать все живое, кроме культивируемого растения, беспокоится академик.
Тут Лев Павлович стал с теплотой говорить о своих учителях, академике Андрее Белозерском, основателе молекулярной биологии в СССР, академике Александре Спирине, основателе и многолетнем директоре Института белка РАН, и еще о многих зарубежных исследователях во Франции, США, Швеции, Швейцарии, Канаде, Бразилии и других, с кем связывала его совместная научная работа. Заговорили вновь об организации научного процесса, и я снова физически ощутил, как же холодно в помещении, а еще и сыро — за окном пошел дождь.
Лев Овчинников говорит: «Раньше деньги были у дирекции, теперь их у нее нет, приходят на коммуналку и на зарплату — все. Требуют объединиться. Кто-то соглашается, кто-то нет. Мы пока не соглашаемся. Главное для них — чтобы был единый бюджетополучатель, а на остальное им наплевать, и когда задают вопрос «Какая цель всего этого?», они отвечают: «Сверху требуют!» Кто-то когда-то сказал, что в России должно быть порядка 300 институтов… В общем, мы с этой реорганизацией столько проблем получили!»
«Раньше мы ездили за границу на стажировки и конференции по межгосударственным договорам,— вспоминает он, и голос его делается сух.— В последние годы я что-то не слышал о таких договорах. Вот и уезжает наша талантливая молодежь работать за границу. Один-два остаются, если удается выцарапать что-то из гранта. А так более 50 моих учеников сейчас живут за пределами России, кто-то уже стал профессором, у многих собственные лаборатории».
Ну теперь точно простой вопрос: есть ли свободное время и как академик его проводит? Лев Павлович наконец улыбается: «Я со студенческих лет активный турист. До первого курса я за пределы Московской области не выезжал, а после первого курса университета с другом поехал на Кавказ. Мы поднимались на Абхазский хребет с пастухами, прошлись по долине реки Кодори. На следующий год опять были горы и очень легкомысленная подготовка: легкая палатка, спальных мешков не было, и ночевка в горах на высоте более 4 тыс. метров на перевале Базардюзю была жесткой. С той поездки на руке у меня на всю жизнь остался шрам от раны в качестве сувенира. Потом началась череда сплавов на байдарках по северным и сибирским рекам, и тоже с приключениями. Так всю жизнь я и путешествую. Правда, последний раз сплавлялся несколько лет назад, сейчас предпочитаю турпоездки за границу: годы берут свое, а так много интересного в мире. Очень люблю Индию».
В этот момент открылась дверь, и худощавый юноша потихоньку пробрался к компьютеру, стоящему в углу. «А это моя надежда — Дмитрий Лябин, есть еще Ира Елисеева»,— с улыбкой сказал академик. Я подумал, что, если ситуация с наукой не изменится, они тоже окажутся за границей, и попросил Дмитрия: «Не уезжайте!» Но он только втянул голову в плечи и что-то искал в компьютере.
Мы с Львом Павловичем двинулись к выходу, по дороге в приоткрытые двери я увидел, как в лабораториях сидят за работой ученые, и решил, что не такой уж необжитой этот дом, просто наука не любит суеты.
Владимир Александров, группа «Прямая речь», Коммерсантъ Приложения
Ссылка на оригинал статьи
[summary] =>…спускается интеллигентная помощница академика, чтобы провести меня к Льву Павловичу. «Вы бы куртку не снимали!» — советует она.
Коммерсантъ об академике Льве Павловиче Овчинникове.
[format] => full_html [safe_value] =>Наукоград Пущино, центр биологических исследований Российской академии наук, основан в середине 1960-х годов исключительно как научный центр, и все его жители так или иначе связаны с наукой. Один из десяти институтов Пущино — Институт белка, где и работает в недавнем прошлом его директор Лев Овчинников, ведущий молекулярный биолог страны, академик РАН. В городе тишина, огромное количество зелени и масса свободных мест для парковки. Здание института приземистое, полуспрятано за деревьями и кажется необжитым.
При входе это ощущение усиливается, вспоминаются кадры из фильма «Чародеи»: огромный затемненный холл, пустота и звенящая тишина. Только потом в углу обнаруживается дежурная.
Через минуту спускается и интеллигентная помощница академика, чтобы провести меня к Льву Павловичу. «Вы бы куртку не снимали!» — советует она.
Но куртка уже висит на спинке стула. Скоро становится понятно, что совет был хорош: на улице плюс пять, а в здании — немногим больше. «Извините, денег для оплаты услуг котельной не перечислили, потому и сидим в холоде» — с этих слов и начинается интервью академика Овчинников.
Можно ли сравнить работу журналиста, который должен обеспечить мир проверенной информацией, с работой генома и как рибонуклеиновые кислоты «удостоверяются», что все идет как нужно, спрашиваю я. Вопрос явно ставит академика в тупик. «Провести такое сравнение не решаюсь,— говорит он.— Рибонуклеиновые кислоты сами «удостоверяться» не могут, все ли идет так, как нужно, это делают белки. Они в ответе и, если ситуация некритичная, все это редактируют, восстанавливают прежний смысл». И рассказывает, как это происходит в случае, если геном подвергается мутации.
По мнению Овчинникова, аналогию можно провести между работой журналиста и научного сотрудника, у них много общего. «И тот и другой должны дать объективную информацию для общества и коллег, а обнаружив ошибку, понять причины ее появления и по возможности ее устранить,— продолжает он.— На чем основывается научное исследование: в ходе работы появляются какие-то новые факты, которые не укладываются в общепринятые представления, и научный сотрудник должен эти факты опубликовать и попытаться их объяснить. Для этого обычно формулируются две альтернативные гипотезы, и нужно придумать эксперименты, которые исключили бы одну из них. Если мы что-то утверждаем, это означает, что пока нам не удалось опровергнуть эту гипотезу, и она уже рассматривается как теория. Эта теория может существовать до тех пор, пока и ее кто-нибудь не опровергнет».
«Наверное,— предполагает он,— как и у журналиста, у ученого есть своя точка зрения, пристрастия, иногда ему бывает трудно отказаться от старых представлений, и он может даже неосознанно интерпретировать полученные результаты под определенным углом. Бывает и прямой подлог, но крайне редко. Чтобы максимально избежать ошибок в постановке экспериментов и интерпретации их результатов, существует строгий контроль при публикации этих результатов в рецензируемых журналах — внешняя независимая экспертиза».
Начнем с простого, наивно спрашиваю я: как в современном представлении происходит синтез белка? Академик Овчинников отвечает: «Очень сложно. У меня 20 лекций студентам, 40 часов, и чтобы как-то это упростить? Тезисно: белок — длинная цепь, составленная из аминокислотных остатков. Связаны они пептидной связью. Когда белок синтезируется, при включении каждой следующей аминокислоты идет отщепление молекулы воды. Это суммарная реакция биосинтеза белка. Белки различаются длиной цепочки и последовательностью аминокислот, информация о них закодирована в ДНК генов и передается в виде копий матричной РНК, мРНК».
«Биосинтез белка требует энергии,— постепенно воодушевляется академик.— Поэтому параллельно идет гидролиз соединений, богатых энергией,— это аденозинтрифосфат, АТФ, и гуанозинтрифосфат, ГТФ. Образование полипептидной цепочки белка протекает в три этапа. На первом аминокислоты реагируют с АТФ и таким образом активируются. На втором этапе активированные аминокислоты переносятся на специфические адапторы, сохраняя свое активированное состояние. Адапторами являются небольшие молекулы транспортных РНК, тРНК. И активация, и перенос на тРНК катализируются ферментами. Каждая аминокислота активируется своим ферментом, который узнает не только ее, но и ее тРНК. На третьем этапе происходит образование белковой цепочки согласно инструкции, записанной в мРНК. Этот процесс протекает в крупном комплексе, называемом рибосомой, при участии большого количества дополнительных белков. Рибосома связывает молекулу мРНК, протягивает ее через себя и выбирает в соответствии с информацией в мРНК нужные тРНК, связанные с аминокислотами. Кроме того, именно рибосома катализирует реакцию образования пептидной связи. На этой стадии нужна дополнительная энергия, которая поставляется молекулами ГТФ».
Ответ на якобы простой вопрос, в общем, обернулся лекцией. По ее окончании я попросил Льва Павловича объяснить, в чем разница между биохимией, молекулярной биологией и генетикой и, соответственно, академическими институтами с такими названиями. Обычному-то человеку кажется, что все они заняты примерно одним и тем же.
«Можно условно разделить эти области биологии, но, конечно, они сильно перекрывают одна другую,— начал академик Овчинников.— Биохимия — это химические реакции, катализируемые ферментами. Обычно в этом случае речь идет о малых молекулах. Молекулярная биология занимается структурой больших молекул: ДНК, РНК, белков и их комплексов. Эти структуры исследуются рентгеноструктурным анализом. Но при биосинтезе белка три реакции можно назвать биохимическими. Так что биосинтез белка — и биохимия, и молекулярная биология одновременно. Генетика изучает мутации, изменения в ДНК, которые потом передаются в РНК, это основное ее занятие. Генетическая инженерия — биотехнология, в которой гены ставятся в определенные плазмиды и экспрессируют (то есть синтезируют белки) в чужеродных клетках. Например, гены человека экспрессируют в клетках бактерии. Но в решении сложных комплексных задач принимают участие представители разных наук». Лев Овчинников соглашается, что все связано, переплетено и что деление достаточно условное, в коллективах институтов есть обычно специалисты всех направлений: и биологи, и химики, и физики, и математики. Условны и названия институтов, хотя что-то они все-таки отражают, говорит академик.
Почему бы тогда не объединить все эти институты, раз их работа взаимно переплетается или даже дублируется, задаю я, как мне кажется, логичный вопрос.
«А для чего нужно такое объединение? — удивляется академик.— Если работы взаимно переплетаются — очень хорошо, создается возможность для взаимовыгодной кооперации, а дублируются — крайне маловероятно, это невыгодно самим ученым. Если нам нужна совместная работа, то никаких проблем нет. Наша группа, например, работает в кооперации с Институтом экспериментальной и теоретической биофизики РАН и Институтом биофизики клетки РАН — мы ищем лекарства против болезни Альцгеймера и исследуем механизмы их воздействия; по исследованию раковых заболеваний и их терапии мы сотрудничаем и с Российским онкологическим научным центром им. Н. Н. Блохина, и с отделом онкологии и радиологии Государственного университета медицины и стоматологии, и с Вычислительным центром МГУ, и с Институтом химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения РАН, и с Университетом французского города Эври; можно также упомянуть наше многолетнее сотрудничество с американскими и канадскими учеными и так далее. И такая кооперация не требовала и не требует от нас никакого формального объединения научных организаций».
«Громоздкие структуры очень малоподвижны в решении оперативных задач, для ученых лучше кооперация в проведении исследований. Нет проблем написать совместный проект, работать вместе, ничто не мешает этому»,— убеждает меня Овчинников. Но тут же и признает, что сейчас сложнее работать: «Раньше было проще: излагаешь в нескольких предложениях, что планируется делать, и отчитываешься тоже несколькими предложениями и опубликованными статьями. Теперь же требуется написать очень детализованный многостраничный план и многостраничные отчеты по строго регламентированной форме. Особенно это касается проектов под эгидой научных фондов. Но есть в нашей работе и радости. Главное — когда эксперимент показывает именно то, что вы ожидали получить». И академик Овчинников с воодушевлением рассказывает о последней такой радости: «Несколько недель назад у нас получено разрешение на выдачу американского патента по лекарственному средству от болезни Альцгеймера, и это произошло достаточно быстро, хотя часто патентные ведомства долго тянут».
Тут же речь зашла о болезни Альцгеймера вообще, и Лев Павлович посетовал, что до сих пор почти ничего не известно о причинах ее возникновения. Академик привел печальную статистику: по официальным зарубежным данным на 2018 год, в мире 50 млн больных болезнью Альцгеймера. В 2050 году, если не будет найден способ лечения, больных станет 152 млн человек. Очень велики социальные издержки этой болезни, продолжает Лев Овчинников: от появления ее первых симптомов до смерти больного в среднем проходит около семи лет, в течение которых человек беспомощен и требует, кроме лекарств, постоянного ухода.
Но самое страшное, конечно, что нет лекарств, говорит он: фармацевтические гиганты одно время взялись за их разработку, в США даже государство подключилось, было предложено около 300 разных препаратов, но в конце испытаний ни один препарат не прошел в качестве лекарства. «Чтобы сделать лекарство, нужно представлять механизм возникновения и развития заболевания,— объясняет причины неудач академик Овчинников.— Изучение активно идет, но оно еще далеко до завершения. Сейчас считается, что в развитии болезни Альцгеймера принимают участие два белка. Один из них — это мембранный белок APP, из которого при болезни Альцгеймера выщепляются определенные фрагменты, называемые амилоидными пептидами; эти пептиды агрегируют (склеиваются) и образуют внеклеточные фибриллы и бляшки. Бляшки можно увидеть в микроскоп и идентифицировать с помощью антител. Второй белок, который был назван тау-белком, находится внутри клеток. Он взаимодействует с белком тубулином, который образует нитевидные структуры клеточного скелета — микротрубочки. Микротрубочки непрерывно собираются и разбираются, а белок тау их стабилизирует и ускоряет процесс сборки. При болезни Альцгеймера тау-белок модифицируется, теряет взаимодействие с микротрубочками, уходит с них и агрегирует, образуя внутриклеточные конгломераты, а микротрубочки разрушаются, прерывая передвижение мРНК в нейронах. Таким образом, появление амилоидных пептидов и их агрегатов, а также агрегатов модифицированного тау-белка могут служить маркерами болезни Альцгеймера, а кроме того, сами они являются токсичными для нейронов и вызывают их гибель».
«Мы попытались использовать против болезни Альцгеймера белок, который получил название YB-1,— продолжает академик.— Это защитный многофункциональный белок. Мы показали на модельных мышах, в которых развиваются все описанные симптомы болезни Альцгеймера, что введение в них раствора белка YB-1 предотвращает или замедляет появление всех симптомов болезни, а именно предотвращается потеря памяти и гибель нейронов, уменьшается количество амилоидного пептида и амилоидных бляшек (а иногда они разрушаются и исчезают совсем) и агрегатов тау-белка. С французскими коллегами мы показали, что YB-1, подобно белку тау, взаимодействует с тубулином и стабилизирует микротрубочки, ускоряя их сборку. Таким образом, при Альцгеймере YB-1 может связываться с микротрубочками вместо белка тау и выполнять его функции».
На основе этих результатов была подана заявка «Применение белка YB-1 и его фрагментов для изготовления лекарственных средств при лечении болезни Альцгеймера» на российский и европейский патенты, а также на патент США. Российский патент получен, он вошел в 100 лучших изобретений России за 2015 год, а теперь и получено положительное решение на выдачу патента США, и завершается процедура рассмотрения европейской заявки, радуется академик.
И обнадеживает: Институт белка вместе с НИЦ «Курчатовский институт — ГосНИИ генетика» и институтом в Нижнем Новгороде в течение двух лет проводит доклинические испытания инновационного лекарственного средства на основе рекомбинантного белка YB-1 человека для лечения болезни Альцгеймера. «Через год они закончатся, и посмотрим на результат»,— говорит Лев Овчинников.
А я продолжаю простые вопросы: чем опасна генная инженерия? По мнению Овчинникова, когда с помощью генной инженерии производится продукт, белок (например, инсулин), который потом очищается, это очень хорошо. «Но когда это пища, то я старался бы ее не есть,— хмурится академик.— В ней содержится введенный ген, и это не так страшно, как то, что он находится в плазмиде, которая имеет способность встраиваться в разные участки генома. Причем встраивается туда, где ей захочется (как может и выходить оттуда), и я не исключаю, что может встроиться и в нашу ДНК, а потом прыгать, мигрировать, портить гены, и от этого становится как-то не по себе»
Не только это неприятно, предупреждает Лев Овчинников: экологи озабочены, что велика опасность сокращения видов, живущих на Земле. В связи с этим часто упоминается фирма Monsanto, рассказывает он, фактически эта фирма монополизировала производство посадочного материала, а чтобы бороться с сорняками, она вводит защитные гены в культивируемое растение, обеспечивает его избирательную устойчивость к определенному гербициду. Использование такого гербицида позволяет успешно бороться с сорняками, но способно уничтожать все живое, кроме культивируемого растения, беспокоится академик.
Тут Лев Павлович стал с теплотой говорить о своих учителях, академике Андрее Белозерском, основателе молекулярной биологии в СССР, академике Александре Спирине, основателе и многолетнем директоре Института белка РАН, и еще о многих зарубежных исследователях во Франции, США, Швеции, Швейцарии, Канаде, Бразилии и других, с кем связывала его совместная научная работа. Заговорили вновь об организации научного процесса, и я снова физически ощутил, как же холодно в помещении, а еще и сыро — за окном пошел дождь.
Лев Овчинников говорит: «Раньше деньги были у дирекции, теперь их у нее нет, приходят на коммуналку и на зарплату — все. Требуют объединиться. Кто-то соглашается, кто-то нет. Мы пока не соглашаемся. Главное для них — чтобы был единый бюджетополучатель, а на остальное им наплевать, и когда задают вопрос «Какая цель всего этого?», они отвечают: «Сверху требуют!» Кто-то когда-то сказал, что в России должно быть порядка 300 институтов… В общем, мы с этой реорганизацией столько проблем получили!»
«Раньше мы ездили за границу на стажировки и конференции по межгосударственным договорам,— вспоминает он, и голос его делается сух.— В последние годы я что-то не слышал о таких договорах. Вот и уезжает наша талантливая молодежь работать за границу. Один-два остаются, если удается выцарапать что-то из гранта. А так более 50 моих учеников сейчас живут за пределами России, кто-то уже стал профессором, у многих собственные лаборатории».
Ну теперь точно простой вопрос: есть ли свободное время и как академик его проводит? Лев Павлович наконец улыбается: «Я со студенческих лет активный турист. До первого курса я за пределы Московской области не выезжал, а после первого курса университета с другом поехал на Кавказ. Мы поднимались на Абхазский хребет с пастухами, прошлись по долине реки Кодори. На следующий год опять были горы и очень легкомысленная подготовка: легкая палатка, спальных мешков не было, и ночевка в горах на высоте более 4 тыс. метров на перевале Базардюзю была жесткой. С той поездки на руке у меня на всю жизнь остался шрам от раны в качестве сувенира. Потом началась череда сплавов на байдарках по северным и сибирским рекам, и тоже с приключениями. Так всю жизнь я и путешествую. Правда, последний раз сплавлялся несколько лет назад, сейчас предпочитаю турпоездки за границу: годы берут свое, а так много интересного в мире. Очень люблю Индию».
В этот момент открылась дверь, и худощавый юноша потихоньку пробрался к компьютеру, стоящему в углу. «А это моя надежда — Дмитрий Лябин, есть еще Ира Елисеева»,— с улыбкой сказал академик. Я подумал, что, если ситуация с наукой не изменится, они тоже окажутся за границей, и попросил Дмитрия: «Не уезжайте!» Но он только втянул голову в плечи и что-то искал в компьютере.
Мы с Львом Павловичем двинулись к выходу, по дороге в приоткрытые двери я увидел, как в лабораториях сидят за работой ученые, и решил, что не такой уж необжитой этот дом, просто наука не любит суеты.
Владимир Александров, группа «Прямая речь», Коммерсантъ Приложения
Ссылка на оригинал статьи
[safe_summary] =>…спускается интеллигентная помощница академика, чтобы провести меня к Льву Павловичу. «Вы бы куртку не снимали!» — советует она.
Коммерсантъ об академике Льве Павловиче Овчинникове.
) ) )1.12: Белки — Биология LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Белки
- Структура белка
- Функции белков
- Белки и диета
- Резюме
- Узнать больше
- Узнать больше I
- Узнать больше II
- Обзор
Вы можете сказали, что белки полезны для вас.Вам они нравятся?
Белки в пище. Для вас они могут не выглядеть аппетитно (или могут), но они обеспечивают хороший запас аминокислот, строительных блоков белков. Белки выполняют множество важных функций: от транспортировки, передачи сигналов, приема и катализирования до хранения, защиты и обеспечения движения. Где вы берете аминокислоты, необходимые для того, чтобы ваши клетки могли вырабатывать собственные белки? Если вы не можете его приготовить, вы должны его съесть.
Белки
Белок — это органическое соединение, состоящее из небольших молекул, называемых аминокислотами .В белках живых организмов обычно содержится 20 различных аминокислот. Маленькие белки могут содержать всего несколько сотен аминокислот, тогда как большие белки могут содержать тысячи аминокислот. Самые большие известные белки — это тайтины, обнаруженные в мышцах, которые состоят из более чем 27 000 аминокислот.
Общая структура аминокислот. Эта модель показывает общую структуру всех аминокислот. Только боковая цепь R варьируется от одной аминокислоты к другой. Например, в аминокислоте глицине боковая цепь представляет собой просто водород (H).Напротив, у глутаминовой кислоты боковая цепь представляет собой CH 2 CH 2 COOH. Различные боковые цепи придают аминокислотам разные химические свойства. Порядок аминокислот вместе со свойствами аминокислот определяет форму белка, а форма белка определяет функцию белка. КЛЮЧ: H = водород, N = азот, C = углерод, O = кислород, R = вариабельная боковая цепь
Структура белка
Когда аминокислоты связываются вместе, они образуют длинную цепь, называемую полипептидом .Белок состоит из одной или нескольких полипептидных цепей. Белок может иметь до четырех уровней структуры. Самый низкий уровень, первичная структура белка, — это последовательность аминокислот. Более высокие уровни структуры белка описаны на рис. ниже. Сложная структура различных белков придает им уникальные свойства, которые необходимы им для выполнения различных функций в живых организмах. Вы можете узнать больше о структуре белка, просмотрев анимацию по следующей ссылке: http: // www.stolaf.edu/people/giannini/flashanimat/proteins/protein%20structure.swf.
Структура белка. Структура белка начинается с его последовательности аминокислот. Что определяет вторичную структуру белка? Каковы два типа вторичной структуры белка?
Функции белков
Белки играют важную роль в живых организмах. Некоторые белки помогают клеткам сохранять свою форму (структурные белки), некоторые, такие как соединительные и моторные белки, составляют мышечные ткани, а некоторые транспортируют элементы в клетки и из них (транспортные белки).Некоторые белки действуют как сигналы, а другие белки принимают эти сигналы. Ферменты — это белки, которые ускоряют химические реакции в клетках. Другие белки — это антитела , которые связываются с чужеродными веществами, такими как бактерии, и нацелены на их разрушение. Третьи белки несут сообщения или транспортируют материалы. Например, красные кровяные тельца человека содержат белок под названием гемоглобин , который связывается с кислородом. Гемоглобин позволяет крови переносить кислород от легких к клеткам по всему телу.Модель молекулы гемоглобина показана на рис. ниже.
Молекула гемоглобина. Эта модель представляет собой белок гемоглобин. Фиолетовая часть молекулы содержит железо. Железо связывается с молекулами кислорода.
Короткое видео с описанием функции белков можно посмотреть на http://www.youtube.com/watch?v=T500B5yTy58 (4:02).
«Когда вы рассматриваете функций белков в организме, сосредотачивается на следующих концепциях:
- количество белка в каждой клетке,
- роли различных типов белков.«
Белки и диета
Белки в рационе необходимы для жизни. При переваривании пищи пищевые белки расщепляются на составляющие их аминокислоты. Затем клетки могут использовать эти компоненты для создания новых белков. Люди способны синтезировать все, кроме восьми из двадцати обычных аминокислот. Эти восемь аминокислот, называемые незаменимыми аминокислотами , необходимо употреблять с пищей. Как и пищевые углеводы и липиды, пищевые белки также могут расщепляться, чтобы обеспечить клетки энергией.
Резюме
- Белки — это органические соединения, состоящие из аминокислот.
- Белок может иметь до четырех уровней структуры. Сложная структура различных белков придает им уникальные свойства.
- Ферменты — это белки, ускоряющие биохимические реакции в клетках. Антитела — это белки, нацеленные на уничтожение патогенов.
Узнать больше
Используйте эти ресурсы, чтобы ответить на следующие вопросы.
Узнать больше I
- Приведите 3 примера белков.
- Что определяет первичную структуру белка?
- Что определяет функцию белка?
- Как можно нарушить конформацию белка?
Узнать больше II
- Сколько различных белков содержится в клетке?
- Какую функцию рецепторные белки и структурные белки выполняют в нервных клетках?
- Какая информация используется для создания отдельного белка?
- В какой части клетки производятся белки?
Обзор
- Белки сделаны из ____________.
- Что определяет первичную структуру белка?
- Укажите две функции белков.
- Что такое ферменты?
- Опишите роль гемоглобина.
белков | Биология для майоров I
Опишите структуру и функции белков
Белки представляют собой полимеры аминокислот. Каждая аминокислота содержит центральный атом углерода, водород, карбоксильную группу, аминогруппу и переменную группу R.Группа R указывает, к какому классу аминокислот она принадлежит: электрически заряженные гидрофильные боковые цепи, полярные, но незаряженные боковые цепи, неполярные гидрофобные боковые цепи и особые случаи.
Белки имеют разные «слои» структуры: первичный, вторичный, третичный, четвертичный.
Белки выполняют в клетках самые разные функции. Основные функции включают действие в качестве ферментов, рецепторов, транспортных молекул, белков, регулирующих экспрессию генов, и так далее. Ферменты — это биологические катализаторы, которые ускоряют химическую реакцию без постоянных изменений.У них есть «активные центры», где связывается субстрат / реагент, и они могут быть либо активированы, либо ингибированы (конкурентные и / или неконкурентные ингибиторы).
Цели обучения
- Продемонстрировать знакомство с мономерными единицами белков: аминокислоты
- Определите различные слои структуры белка
- Определить несколько основных функций белков
Аминокислоты
Белки являются одними из наиболее распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным набором функций среди всех макромолекул.Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными; они могут служить для транспортировки, хранения или перепонки; или они могут быть токсинами или ферментами. Каждая клетка в живой системе может содержать тысячи белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Однако все они представляют собой полимеры из аминокислот и , расположенных в линейной последовательности.
Рис. 1. Аминокислоты имеют центральный асимметричный углерод, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и боковая цепь (R-группа).
Аминокислоты — это мономеры, из которых состоят белки. Каждая аминокислота имеет одинаковую фундаментальную структуру, которая состоит из центрального атома углерода, также известного как альфа ( α ) углерода, связанного с аминогруппой (Nh3), карбоксильной группой (COOH) и атомом водорода. . Каждая аминокислота также имеет другой атом или группу атомов, связанных с центральным атомом, известную как группа R (рис. 1).
Название «аминокислоты» происходит от того факта, что они содержат как аминогруппу, так и карбоксильную кислотную группу в своей основной структуре.Как уже упоминалось, в белках присутствует 20 аминокислот. Десять из них считаются незаменимыми аминокислотами для человека, потому что человеческий организм не может их производить, и они получают из пищи.
Для каждой аминокислоты группа R (или боковая цепь) отличается (рис. 2).
Практический вопрос
Рис. 2. В белках обычно встречаются 20 общих аминокислот, каждая из которых имеет свою R-группу (вариантная группа), которая определяет его химическую природу.
Какие категории аминокислот вы ожидаете найти на поверхности растворимого белка, а какие — внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в липидный бислой?
Показать ответПолярные и заряженные аминокислотные остатки (остаток после образования пептидной связи) с большей вероятностью будут обнаружены на поверхности растворимых белков, где они могут взаимодействовать с водой, и неполярные (например.g., боковые цепи аминокислот) с большей вероятностью будут обнаружены внутри, где они изолированы от воды. В мембранных белках неполярные и гидрофобные боковые цепи аминокислот связаны с гидрофобными хвостами фосфолипидов, в то время как полярные и заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют с полярными головными группами или с водным раствором. Однако бывают исключения. Иногда положительно и отрицательно заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют друг с другом внутри белка, а полярные или заряженные боковые цепи аминокислот, которые взаимодействуют с лигандом, могут быть обнаружены в кармане связывания лиганда.
Химическая природа боковой цепи определяет природу аминокислоты (то есть, является ли она кислотной, основной, полярной или неполярной). Например, аминокислота глицин имеет атом водорода в качестве группы R. Аминокислоты, такие как валин, метионин и аланин, неполярны или гидрофобны по природе, тогда как аминокислоты, такие как серин, треонин и цистеин, полярны и имеют гидрофильные боковые цепи. Боковые цепи лизина и аргинина заряжены положительно, поэтому эти аминокислоты также известны как основные аминокислоты.Пролин имеет группу R, которая связана с аминогруппой, образуя кольцеобразную структуру. Пролин является исключением из стандартной структуры анимокислоты, поскольку его аминогруппа не отделена от боковой цепи (рис. 2).
Аминокислоты представлены одной заглавной буквой или трехбуквенным сокращением. Например, валин обозначается буквой V или трехбуквенным символом val. Так же, как некоторые жирные кислоты необходимы для диеты, некоторые аминокислоты также необходимы. Они известны как незаменимые аминокислоты, а у людей они включают изолейцин, лейцин и цистеин.Незаменимые аминокислоты относятся к тем, которые необходимы для построения белков в организме, но не производятся организмом; Какие аминокислоты являются незаменимыми, варьируется от организма к организму.
Рис. 3. Образование пептидной связи — это реакция синтеза дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой входящей аминокислоты. При этом выделяется молекула воды.
Последовательность и количество аминокислот в конечном итоге определяют форму, размер и функцию белка.Каждая аминокислота присоединена к другой аминокислоте ковалентной связью, известной как пептидная связь, которая образуется в результате реакции дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа входящей аминокислоты объединяются, высвобождая молекулу воды. Полученная связь является пептидной связью (рис. 3).
Продукты, образованные такими связями, называются пептидами. По мере того, как к этой растущей цепи присоединяется больше аминокислот, полученная цепь называется полипептидом. Каждый полипептид имеет свободную аминогруппу на одном конце.Этот конец называется N-концом или амино-концом, а другой конец имеет свободную карбоксильную группу, также известную как C или карбоксильный конец. Хотя термины полипептид и белок иногда используются взаимозаменяемо, полипептид технически представляет собой полимер аминокислот, тогда как термин белок используется для полипептида или полипептидов, которые объединились вместе, часто имеют связанные непептидные простетические группы, имеют различную форму. , и имеют уникальную функцию. После синтеза (трансляции) белков большинство белков модифицируются.Они известны как посттрансляционные модификации. Они могут подвергаться расщеплению, фосфорилированию или могут потребовать добавления других химических групп. Только после этих модификаций белок становится полностью функциональным.
Эволюционное значение цитохрома c
Цитохром c является важным компонентом цепи переноса электронов, частью клеточного дыхания, и обычно он находится в клеточной органелле, митохондрии. Этот белок имеет простетическую группу гема, и центральный ион гема попеременно восстанавливается и окисляется во время переноса электрона.Поскольку роль этого важного белка в производстве клеточной энергии имеет решающее значение, за миллионы лет он очень мало изменился. Секвенирование белков показало, что существует значительная гомология аминокислотной последовательности цитохрома с среди различных видов; другими словами, эволюционное родство можно оценить путем измерения сходства или различий между последовательностями ДНК или белков различных видов.
Ученые определили, что цитохром с человека содержит 104 аминокислоты.Для каждой молекулы цитохрома с от разных организмов, которая была секвенирована на сегодняшний день, 37 из этих аминокислот появляются в одном и том же положении во всех образцах цитохрома с. Это указывает на то, что, возможно, был общий предок. При сравнении последовательностей белков человека и шимпанзе различий в последовательностях не обнаружено. Когда сравнивали последовательности человека и макаки-резуса, единственное обнаруженное различие заключалось в одной аминокислоте. В другом сравнении секвенирование человека и дрожжей показывает разницу в 44-м положении.
Структура белка
Как обсуждалось ранее, форма белка имеет решающее значение для его функции. Например, фермент может связываться со специфическим субстратом в сайте, известном как активный сайт. Если этот активный центр изменяется из-за локальных изменений или изменений в общей структуре белка, фермент может быть неспособен связываться с субстратом. Чтобы понять, как белок приобретает свою окончательную форму или конформацию, нам необходимо понять четыре уровня структуры белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.
Первичная структура
Уникальная последовательность аминокислот в полипептидной цепи — это ее первичная структура. Например, инсулин поджелудочной железы имеет две полипептидные цепи, А и В, и они связаны между собой дисульфидными связями. N-концевой аминокислотой A-цепи является глицин, а C-концевой аминокислотой — аспарагин (рис. 4). Последовательности аминокислот в цепях A и B уникальны для инсулина.
Рис. 4. Инсулин бычьей сыворотки — это белковый гормон, состоящий из двух пептидных цепей: A (длиной 21 аминокислота) и B (длиной 30 аминокислот).В каждой цепи первичная структура обозначена трехбуквенными сокращениями, которые представляют названия аминокислот в порядке их присутствия. Аминокислота цистеин (cys) имеет сульфгидрильную (SH) группу в качестве боковой цепи. Две сульфгидрильные группы могут реагировать в присутствии кислорода с образованием дисульфидной (S-S) связи. Две дисульфидные связи соединяют цепи A и B вместе, а третья помогает цепи A свернуться в правильную форму. Обратите внимание, что все дисульфидные связи имеют одинаковую длину, но для ясности показаны разные размеры.
Уникальная последовательность каждого белка в конечном итоге определяется геном, кодирующим этот белок. Изменение нуклеотидной последовательности кодирующей области гена может привести к добавлению другой аминокислоты к растущей полипептидной цепи, вызывая изменение структуры и функции белка. При серповидно-клеточной анемии цепь гемоглобина β (небольшая часть которой показана на рисунке 5) имеет единственную аминокислотную замену, вызывающую изменение структуры и функции белка.
Рис. 5. Бета-цепь гемоглобина имеет длину 147 остатков, однако единственная аминокислотная замена приводит к серповидно-клеточной анемии. В нормальном гемоглобине аминокислота в седьмом положении — глутамат. В серповидно-клеточном гемоглобине этот глутамат заменен валином.
В частности, аминокислота глутаминовая кислота заменена валином в цепи β . Примечательно, что молекула гемоглобина состоит из двух альфа-цепей и двух бета-цепей, каждая из которых состоит примерно из 150 аминокислот.Таким образом, молекула содержит около 600 аминокислот. Структурное различие между нормальной молекулой гемоглобина и молекулой серповидноклеточных клеток — что резко снижает продолжительность жизни — состоит в одной из 600 аминокислот. Что еще более примечательно, так это то, что эти 600 аминокислот кодируются тремя нуклеотидами каждая, и мутация вызвано одним изменением основания (точечной мутацией), 1 из 1800 оснований.
Рис. 6. В этом мазке крови, визуализированном при 535-кратном увеличении с помощью светлопольной микроскопии, серповидные клетки имеют форму полумесяца, а нормальные клетки имеют форму диска.(кредит: модификация работы Эда Усмана; данные шкалы от Мэтта Рассела)
Из-за этого изменения одной аминокислоты в цепи молекулы гемоглобина образуют длинные волокна, которые искажают двояковогнутые или дискообразные эритроциты и принимают форму полумесяца или «серпа», что закупоривает артерии (рис. 6). Это может привести к множеству серьезных проблем со здоровьем, таких как одышка, головокружение, головные боли и боли в животе у людей, страдающих этим заболеванием.
Вторичная структура
Локальная укладка полипептида в некоторых областях приводит к вторичной структуре белка.Наиболее распространены листовые структуры α -спираль и β -гофрированные листы (рис. 7). Обе структуры представляют собой структуру α -спираль — спираль, форма которой удерживается водородными связями. Водородные связи образуются между атомом кислорода в карбонильной группе одной аминокислоты и другой аминокислотой, которая находится на четыре аминокислоты дальше по цепи.
Рис. 7. α-Спираль и β-складчатый лист — это вторичные структуры белков, которые образуются из-за образования водородных связей между карбонильной и аминогруппой в основной цепи пептида.Некоторые аминокислоты имеют склонность к образованию α-спирали, а другие — к образованию β-складчатого листа.
Каждый виток альфа-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка. Группы R (вариантные группы) полипептида выступают из -спиральной цепи . В листе с складками β «складки» образованы водородными связями между атомами в основной цепи полипептидной цепи. Группы R прикреплены к атомам углерода и проходят выше и ниже складок складки.Гофрированные сегменты выровнены параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуются между частично положительным атомом азота в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе основной цепи пептида. Спиральные структуры α и складчатые листы β обнаружены в большинстве глобулярных и волокнистых белков, и они играют важную структурную роль.
Третичная структура
Уникальная трехмерная структура полипептида — это его третичная структура (рис. 8).Эта структура частично обусловлена химическими взаимодействиями в полипептидной цепи. Прежде всего, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа групп R, присутствующих в задействованных аминокислотах, может противодействовать образованию водородных связей, описанных для стандартных вторичных структур. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Когда происходит сворачивание белка, гидрофобные группы R неполярных аминокислот лежат внутри белка, тогда как гидрофильные группы R лежат снаружи.Первые типы взаимодействий также известны как гидрофобные взаимодействия. Взаимодействие между боковыми цепями цистеина образует дисульфидные связи в присутствии кислорода, единственную ковалентную связь, образующуюся во время сворачивания белка.
Рис. 8. Третичная структура белков определяется множеством химических взаимодействий. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.
Все эти взаимодействия, слабые и сильные, определяют окончательную трехмерную форму белка.Когда белок теряет свою трехмерную форму, он может больше не функционировать.
Четвертичная структура
В природе некоторые белки образованы из нескольких полипептидов, также известных как субъединицы, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру. Слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет комбинацию водородных и дисульфидных связей, из-за которых он в основном собирается в шар.Инсулин начинается как отдельный полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности в присутствии посттрансляционной модификации после образования дисульфидных связей, которые удерживают вместе оставшиеся цепи. Шелк (волокнистый белок), однако, имеет складчатую листовую структуру β , которая является результатом водородных связей между различными цепями.
Четыре уровня структуры белка (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) показаны на рисунке 9.
Рисунок 9.На этих иллюстрациях можно увидеть четыре уровня белковой структуры. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)
Денатурация и сворачивание белка
Каждый белок имеет свою уникальную последовательность и форму, которые удерживаются вместе за счет химических взаимодействий. Если белок подвержен изменениям температуры, pH или воздействию химикатов, структура белка может измениться, потеряв свою форму без потери своей первичной последовательности в так называемой денатурации.Денатурация часто обратима, поскольку первичная структура полипептида сохраняется в процессе, если денатурирующий агент удаляется, позволяя белку возобновить свою функцию. Иногда денатурация необратима, что приводит к потере функции. Одним из примеров необратимой денатурации белка является жарка яйца. Белок альбумина в жидком яичном белке денатурируется при помещении на горячую сковороду. Не все белки денатурируются при высоких температурах; например, бактерии, которые выживают в горячих источниках, содержат белки, которые функционируют при температурах, близких к температуре кипения.Желудок также очень кислый, имеет низкий pH и денатурирует белки как часть процесса пищеварения; однако пищеварительные ферменты желудка в этих условиях сохраняют свою активность.
Сворачивание белка имеет решающее значение для его функции. Первоначально считалось, что сами белки ответственны за процесс сворачивания. Только недавно было обнаружено, что часто они получают помощь в процессе сворачивания от белков-помощников, известных как шапероны (или шаперонины), которые связываются с целевым белком во время процесса сворачивания.Они действуют, предотвращая агрегацию полипептидов, составляющих полную структуру белка, и отделяются от белка, как только целевой белок сворачивается.
Чтобы получить дополнительную информацию о белках, просмотрите этот анимационный ролик под названием «Биомолекулы: белки».Функция белков
Основные типы и функции белков перечислены в таблице 1.
| Таблица 1. Типы и функции белков | ||
|---|---|---|
| Тип | Примеры | Функции |
| Пищеварительные ферменты | Амилаза, липаза, пепсин, трипсин | Помощь в переваривании пищи за счет катаболизма питательных веществ до мономерных единиц |
| Транспорт | Гемоглобин, альбумин | Переносит вещества в крови или лимфе по всему телу |
| Строительный | Актин, тубулин, кератин | Создавать различные структуры, такие как цитоскелет |
| Гормоны | Инсулин, тироксин | Координировать деятельность различных систем организма |
| Оборона | Иммуноглобулины | Защитить организм от инородных патогенов |
| Сокращение | Актин, миозин | Эффект сокращения мышц |
| Хранилище | Запасные белки бобовых, яичный белок (альбумин) | Обеспечить питание на ранних этапах развития зародыша и проростка |
Два специальных и распространенных типа белков — это ферменты и гормоны. Ферменты , которые вырабатываются живыми клетками, являются катализаторами биохимических реакций (например, пищеварения) и обычно представляют собой сложные или конъюгированные белки. Каждый фермент специфичен для субстрата (реагента, который связывается с ферментом), на который он действует. Фермент может помочь в реакциях разложения, перегруппировки или синтеза. Ферменты, которые расщепляют свои субстраты, называются катаболическими ферментами, ферменты, которые строят более сложные молекулы из своих субстратов, называются анаболическими ферментами, а ферменты, влияющие на скорость реакции, называются каталитическими ферментами.Следует отметить, что все ферменты увеличивают скорость реакции и, следовательно, считаются органическими катализаторами. Примером фермента является амилаза слюны, которая гидролизует свою субстратную амилозу, компонент крахмала.
Гормоны — это химические сигнальные молекулы, обычно небольшие белки или стероиды, секретируемые эндокринными клетками, которые контролируют или регулируют определенные физиологические процессы, включая рост, развитие, метаболизм и размножение. Например, инсулин — это белковый гормон, который помогает регулировать уровень глюкозы в крови.
Белки имеют разную форму и молекулярную массу; некоторые белки имеют глобулярную форму, тогда как другие имеют волокнистую природу. Например, гемоглобин — это глобулярный белок, а коллаген, обнаруженный в нашей коже, — это волокнистый белок. Форма белка имеет решающее значение для его функции, и эта форма поддерживается многими различными типами химических связей. Изменения температуры, pH и воздействие химикатов могут привести к необратимым изменениям формы белка, что приведет к потере функции, известной как денатурация.Все белки состоят из 20 одних и тех же аминокислот по-разному.
Вкратце: Белки
Белки — это класс макромолекул, которые выполняют широкий спектр функций для клетки. Они помогают метаболизму, обеспечивая структурную поддержку и действуя как ферменты, переносчики или гормоны. Строительными блоками белков (мономеров) являются аминокислоты. Каждая аминокислота имеет центральный углерод, связанный с аминогруппой, карбоксильной группой, атомом водорода и R-группой или боковой цепью.Существует 20 обычно встречающихся аминокислот, каждая из которых отличается по группе R. Каждая аминокислота связана со своими соседями пептидной связью. Длинная цепь аминокислот известна как полипептид.
Белки разделены на четыре уровня: первичный, вторичный, третичный и (необязательно) четвертичный. Первичная структура — это уникальная последовательность аминокислот. Локальное сворачивание полипептида с образованием таких структур, как спираль α и складчатый лист β , составляет вторичную структуру.Общая трехмерная структура — это третичная структура. Когда два или более полипептида объединяются, чтобы сформировать полную структуру белка, такая конфигурация известна как четвертичная структура белка. Форма и функция белка неразрывно связаны; любое изменение формы, вызванное изменениями температуры или pH, может привести к денатурации белка и потере функции.
Проверьте свое пониманиеОтветьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе.В этой короткой викторине , а не засчитываются в вашу оценку в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.
Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.
Структура белка | Изучайте науку в Scitable
Строительными блоками белков являются аминокислоты, которые представляют собой небольшие органические молекулы, состоящие из альфа (центрального) атома углерода, связанного с аминогруппой, карбоксильной группы, атома водорода и вариабельного компонента, называемого боковой цепью (см. Ниже). ).Внутри белка несколько аминокислот связаны вместе пептидными связями , тем самым образуя длинную цепь. Пептидные связи образуются в результате биохимической реакции, которая извлекает молекулу воды, поскольку она соединяет аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой соседней аминокислоты. Линейная последовательность аминокислот в белке считается первичной структурой белка.
Белки состоят из набора всего из двадцати аминокислот, каждая из которых имеет уникальную боковую цепь.Боковые цепи аминокислот имеют разный химический состав. Самая большая группа аминокислот имеет неполярные боковые цепи. Некоторые другие аминокислоты имеют боковые цепи с положительными или отрицательными зарядами, в то время как другие имеют полярные, но незаряженные боковые цепи. Химический состав боковых цепей аминокислот имеет решающее значение для структуры белка, потому что эти боковые цепи могут связываться друг с другом, чтобы удерживать длину белка в определенной форме или конформации. Боковые цепи заряженных аминокислот могут образовывать ионные связи, а полярные аминокислоты способны образовывать водородные связи.Гидрофобные боковые цепи взаимодействуют друг с другом посредством слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Подавляющее большинство связей, образованных этими боковыми цепями, нековалентны. Фактически, цистеины — единственные аминокислоты, способные образовывать ковалентные связи, что они и делают со своими конкретными боковыми цепями. Из-за взаимодействий боковых цепей последовательность и расположение аминокислот в конкретном белке определяют, где в этом белке происходят изгибы и складки (рис. 1).
Рис. 1. Взаимосвязь между боковыми цепями аминокислот и конформацией белка
Определяющим признаком аминокислоты является ее боковая цепь (вверху, синий кружок; внизу, все цветные кружки).Когда аминокислоты соединяются серией пептидных связей, они образуют полипептид, другое слово для обозначения белка. Затем полипептид сворачивается в определенную конформацию в зависимости от взаимодействий (пунктирные линии) между его боковыми аминокислотными цепями.
Рисунок 2: Структура белка бактериородопсина
Бактериородопсин — это мембранный белок бактерий, который действует как протонный насос.Его форма важна для его функции. Общая структура белка включает как альфа-спирали (зеленый), так и бета-листы (красный).
Первичная структура белка — его аминокислотная последовательность — управляет складыванием и внутримолекулярным связыванием линейной аминокислотной цепи, что в конечном итоге определяет уникальную трехмерную форму белка. Водородная связь между аминогруппами и карбоксильными группами в соседних областях белковой цепи иногда вызывает определенные паттерны сворачивания.Известные как альфа-спирали и бета-листы , эти стабильные паттерны сворачивания составляют вторичную структуру белка. Большинство белков содержат несколько спиралей и листов в дополнение к другим менее распространенным образцам (рис. 2). Совокупность образований и складок в единой линейной цепи аминокислот, иногда называемой полипептидом , составляет третичную структуру белка . Наконец, четвертичная структура белка относится к тем макромолекулам с множеством полипептидных цепей или субъединиц.Окончательная форма, принятая вновь синтезированным белком, обычно является наиболее энергетически выгодной. Когда белки сворачиваются, они тестируют множество конформаций, прежде чем достичь своей окончательной формы, которая является уникальной и компактной. Сложенные белки стабилизируются тысячами нековалентных связей между аминокислотами. Кроме того, химические силы между белком и его непосредственным окружением способствуют формированию и стабильности белка. Например, белки, которые растворены в цитоплазме клетки, имеют на своей поверхности гидрофильные (водолюбивые) химические группы, тогда как их гидрофобные (водоотталкивающие) элементы имеют тенденцию скрываться внутри.Напротив, белки, которые вставлены в клеточные мембраны, имеют на своей поверхности некоторые гидрофобные химические группы, особенно в тех областях, где поверхность белка подвергается воздействию липидов мембраны. Однако важно отметить, что полностью свернутые белки не замораживаются. Скорее, атомы в этих белках остаются способными совершать небольшие движения.
Несмотря на то, что белки считаются макромолекулами, они слишком малы, чтобы их можно было визуализировать даже в микроскоп.Итак, ученые должны использовать косвенные методы, чтобы выяснить, как они выглядят и как сложены. Наиболее распространенный метод, используемый для изучения структуры белков, — это рентгеновская кристаллография . С помощью этого метода твердые кристаллы очищенного белка помещаются в пучок рентгеновских лучей, и картина отклоненных рентгеновских лучей используется для прогнозирования положений тысяч атомов в кристалле белка.
Что такое белок? Биолог объясняет
Примечание редактора: Натан Альгрен — доцент кафедры биологии в Университете Кларка.В этом интервью он подробно объясняет, что такое белки, как они производятся, а также широкий спектр функций, которые они выполняют в организме человека.
Натан Альгрен объясняет, что делают белки в нашем организме.Что такое белок?
Белок — это основная структура, которая встречается во всем живом. Это молекула. И главное в белке — это то, что он состоит из более мелких компонентов, называемых аминокислотами. Мне нравится думать о них как о бусинах разного цвета.Каждая бусинка представляет собой аминокислоту, представляющую собой более мелкие молекулы, содержащие атомы углерода, кислорода, водорода и иногда атомы серы. Итак, белок — это, по сути, цепочка, состоящая из этих маленьких отдельных аминокислот. Есть 22 разных аминокислоты, которые вы можете комбинировать по-разному.
Белок обычно не существует в виде цепочки, но на самом деле складывается в определенную форму, в зависимости от порядка и того, как эти разные аминокислоты взаимодействуют друг с другом. Эта форма влияет на то, что белок делает в нашем организме.
Откуда берутся аминокислоты?
Аминокислоты в нашем организме поступают из пищи, которую мы едим. Мы также производим их в нашем теле. Например, другие животные производят белки, а мы их едим. Наше тело берет эту цепочку и разбивает ее на отдельные аминокислоты. Затем он может преобразовать их в любой белок, который нам нужен.
После того, как белки расщепляются на аминокислоты в пищеварительной системе, они попадают в наши клетки и как бы плавают внутри клетки, как эти маленькие отдельные шарики в нашей аналогии.А внутри клетки ваше тело в основном связывает их вместе, чтобы вырабатывать белки, необходимые вашему организму.
Мы можем производить около половины необходимых нам аминокислот самостоятельно, а остальные мы должны получать из пищи.
Что делают белки в нашем организме?
Ученые точно не уверены, но большинство из них согласны с тем, что в нашем теле около 20 000 различных белков. Некоторые исследования предполагают, что их может быть даже больше. Они выполняют множество функций — от некоторых метаболических преобразований до удержания ваших клеток вместе и заставляя ваши мышцы работать.
Их функции делятся на несколько широких категорий. Один структурный. Ваше тело состоит из множества различных структур — представьте себе струнные структуры, шарики, якоря и т. Д. Они образуют вещество, которое скрепляет ваше тело. Коллаген — это белок, который придает структуру вашей коже, костям и даже зубам. Интегрин — это белок, который обеспечивает гибкие связи между вашими клетками. Ваши волосы и ногти состоят из протеина, называемого кератином.
Еще одна важная роль, которую они берут на себя, — это биохимия — то, как ваше тело выполняет определенные реакции в вашей клетке, такие как расщепление жиров или аминокислот.Помните, я сказал, что наше тело расщепляет белок из пищи, которую мы едим? Даже эту функцию выполняют такие белки, как пепсин. Другой пример — гемоглобин — белок, переносящий кислород в крови. Итак, они проводят эти особые химические реакции внутри вас.
Белки также могут обрабатывать сигналы и информацию, например белки циркадных часов, которые отслеживают время в наших клетках, но это несколько основных категорий функций, которые белки выполняют в клетке.
Почему белок часто ассоциируется с мышцами и мясом?
Различные продукты имеют разное содержание белка. В таких растениях, как пшеница и рис, много углеводов, но они менее богаты белком. Но в мясе вообще больше белка. Для создания мышц вашего тела требуется много белка. Вот почему белок часто ассоциируется с употреблением мяса и наращиванием мышечной массы, но на самом деле белки участвуют в гораздо большем, чем это.
[ Получите максимум удовольствия от разговора каждые выходные. Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку.]
Структурная биология
Как ученые используют белковые структуры для разработки новых лекарств?
Лекарства обычно действуют, блокируя или поддерживая активность определенных белков в организме. Используя подход, называемый «разработка лекарств на основе структуры», ученые могут создать шаблон для белка и использовать его для создания новых лекарств. Они начинают с компьютерной модели структуры белка, которую они хотят изучать.Например, компьютерная модель позволит исследователям изучить, как два белка работают вместе. Затем, если ученые захотят отключить один белок, они попытаются создать молекулу, которая блокирует или изменяет это взаимодействие.
Какой пример лекарства, разработанного с использованием структурной разработки лекарств?
Исследователи использовали дизайн лекарств на основе структуры для разработки некоторых препаратов против ВИЧ. Протеаза ВИЧ — это фермент, который поддерживает жизнь вируса. Знание его структуры позволило исследователям определить виды молекул, которые могут остановить работу протеазы ВИЧ.Ученые использовали компьютерные модели для точной настройки молекул, которые могли бы остановить производство вирусов. Эта работа привела к созданию лекарств, называемых ингибиторами протеазы.
Как ученые определяют структуру белка?
Исследователи используют несколько методов визуализации для определения структуры белков и других сложных молекул. Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) позволяет ученым «видеть» отдельные белки, а также более крупные структуры, такие как молекулярные комплексы (группы белков, которые объединяются и функционируют как единое целое), вирусы или органеллы (специализированные структуры внутри клетки, которые выполнять определенные функции).Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) также позволяют исследователям просматривать белки. На сегодняшний день исследователи использовали эти методы, чтобы разгадать структуру более 122 000 белков. Банк данных о белках хранит эти структуры и дает ученым доступ к ним.
Что такое крио-ЭМ и как оно работает?
В крио-ЭМ исследователи быстро замораживают клетку, вирус, молекулярный комплекс или другую структуру, так что молекулы воды не успевают образовать кристаллы.Это сохраняет образец в его естественном состоянии. Ученые используют электронный микроскоп, чтобы взорвать замороженный образец электронным лучом. Это создает двумерную проекцию образца на цифровом детекторе. Создавая сотни проекций образца под разными углами, а затем вычисляя среднее значение этих углов, ученые создают трехмерную модель его структуры. Последние достижения в области крио-ЭМ позволяют получать детализированные изображения белков и других биологических структур, включая более крупные структуры, такие как комплексы РНК-белок.
Белки | Основы биологии
Белки — это строительные блоки жизни. Они жизненно важны для нашего существования и присутствуют в каждом организме на Земле.
Белки — это наиболее распространенные молекулы, обнаруживаемые в клетках. Фактически, они составляют больше сухого вещества клетки, чем липиды, углеводы и все другие молекулы вместе взятые.
Белок состоит из одной или нескольких полипептидных цепей, и каждая полипептидная цепь построена из более мелких молекул, называемых «аминокислотами». Всего существует 20 аминокислот, которые можно упорядочить в триллионы и триллионы различных способов для создания белков, выполняющих огромное количество функций.
Белки на самом деле являются наиболее структурно сложными молекулами, известными биологии.
Функции белков
Белки бывают самых разнообразных форм и выполняют широкий спектр функций. Примеры белков включают ферменты, антитела и некоторые гормоны, которые помогают ускорить химические реакции, защищают от болезней и регулируют активность клеток.
Белки также играют роль в движении, структурной поддержке, хранении, связи между клетками, пищеварении и транспортировке веществ по телу.
Движение
Моторные белки, такие как миозин и динеины, обладают способностью преобразовывать химическую энергию в движение. Миозин — это белок, содержащийся в мышцах, который вызывает сокращение мышечных волокон в мышцах.
Динеины обеспечивают движение жгутиков. Жгутики — это длинные тонкие структуры, прикрепленные к внешней стороне определенных клеток, таких как сперматозоиды, и отвечают за их подвижность.
Структура и поддержка
Многие белки обеспечивают структурную поддержку определенных частей организма.Например, кератин — это белок, содержащийся во внешних слоях кожи, который делает кожу сильным защитным слоем для внешнего мира. Кератин также является структурным белком, из которого состоят волосы, рога и ногти.
Сотовая связь
Клетки взаимодействуют с окружающей средой и другими клетками. Рецепторные белки в клеточной мембране получают сигналы извне клетки и передают сообщения в клетку. Как только сигнал попадает в клетку, он обычно передается между несколькими белками, прежде чем достигнет своего конечного пункта назначения (также чаще всего белка).
Пищеварение
Пищеварение обеспечивается, как вы уже догадались, белками. Ферменты — это белки, которые стимулируют пищеварение, ускоряя химические реакции.
Пищеварение — это расщепление пищи из крупных нерастворимых молекул на более мелкие, которые могут растворяться в воде. Поскольку более мелкие молекулы растворимы в воде, они могут попадать в кровь и переноситься по телу.
Пищеварительные ферменты — это ферменты, ответственные за расщепление молекул пищи на более мелкие водорастворимые молекулы.Вот некоторые примеры пищеварительных белков:
- Амилаза — фермент в слюне, расщепляющий крахмал на растворимые сахара
- Липаза — расщепляет жиры и другие липиды
- Пепсин — расщепляет белки в пище
Транспорт кислорода
Гемоглобин — еще один чрезвычайно важный белок для животных, таких как млекопитающие и птицы. Это белок крови, который связывается с кислородом, чтобы кислород мог транспортироваться по телу.
Гемоглобин содержит атом железа.Химическая структура гемоглобина вокруг атома железа позволяет кислороду связываться с железом и затем высвобождаться в ткани, лишенные кислорода.
Как видите, белки чрезвычайно важны для здорового функционирования организма. Большинство примеров, которые я использовал, являются белками животного происхождения, но белки не менее важны для других форм жизни, таких как растения, грибы и бактерии.
Строительные блоки белков
Аминокислоты являются строительными блоками белков.Всего в природе существует 20 различных аминокислот. Аминокислоты могут связываться друг с другом самыми разными способами, создавая разные белки.
Химическая структура аминокислот — ключ к тому, почему белки стали основой жизни. Аминокислота состоит из карбоксильной группы (химическая структура -COOH), аминогруппы (-NH₂) и боковой цепи, состоящей в основном из углерода и водорода.
Сайдчейн часто называют группой R. Различия в группе R — это то, что отличает 20 аминокислот друг от друга.
В зависимости от структуры группы R аминокислота может быть водорастворимой (полярной), нерастворимой в воде (неполярной) или содержать положительный или отрицательный заряд. Эти характеристики, в свою очередь, влияют на поведение аминокислот при соединении и влияют на общую форму и функцию белка.
Все 20 аминокислот необходимы для хорошего здоровья. Если в организме мало одной из 20 аминокислот, определенные белки не могут быть построены, и потеря их функций вызовет проблемы со здоровьем для организма.
Некоторые аминокислоты могут быть созданы организмом с использованием других молекул, в то время как другие аминокислоты должны быть получены из пищи. Аминокислоты, которые необходимо употреблять в пищу, известны как «незаменимые аминокислоты», потому что они являются неотъемлемой частью здорового питания. Аминокислоты, которые может производить наш организм, известны как «заменимые аминокислоты».
Полипептиды
Полипептид представляет собой цепочку аминокислот и является простейшей формой белка. Аминокислоты связываются вместе, образуя длинные линейные цепи, длина которых может составлять более 2000 аминокислот.
Порядок, в котором аминокислоты связаны друг с другом, определяет окончательную форму и структуру полипептидной цепи. Белок будет содержать один полипептид или несколько полипептидов, связанных вместе с образованием больших сложных белков.
Аминокислоты связаны между собой между аминогруппой (-NH one) одной аминокислоты и карбоксильной группой (-COOH) второй аминокислоты.
Поскольку две аминокислоты связываются вместе, два иона водорода удаляются из аминогруппы, а кислород удаляется из карбоксильной группы.Аминогруппа и карбоксильная группа связываются вместе, и в качестве побочного продукта образуется молекула воды. Связь известна как «пептидная связь».
Соединение нескольких аминокислот вместе пептидными связями создает основу полипептида с группой R, отходящей от каждой аминокислоты. Как упоминалось ранее, каждая группа R из 20 аминокислот имеет свою уникальную структуру и химические свойства. Структура и химические свойства (такие как реакционная способность и температура кипения) полипептида и, в конечном итоге, белка определяются уникальной последовательностью групп R, которые отходят от основной цепи полипептида.Когда группы R притягиваются или отталкиваются друг от друга, полипептидная цепь изгибается и скручивается в белок уникальной формы.
Структура белка
Белки имеют четыре уровня структуры, все из которых мы уже упоминали на этой странице. Эти четыре уровня известны как первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белка.
Первичная структура
Первичная структура — это определенная последовательность аминокислот, то есть порядок, в котором они связаны друг с другом.Точный порядок связывания аминокислот определяется информацией, хранящейся в генах.
Посредством процессов, называемых транскрипцией и трансляцией, ДНК предоставляет клеткам всю необходимую информацию для создания точной первичной структуры для тысяч различных белков. Первичная структура определяет вторичную и третичную структуры белков.
Вторичная структура
Вторичная структура белка образована водородными связями между атомами вдоль основной цепи полипептидной цепи.
Помня, что каждая аминокислота имеет карбоксильную группу и аминогруппу, небольшой отрицательный заряд кислорода карбоксильной группы образует слабую связь с небольшим положительным зарядом атома водорода аминогруппы другой аминокислоты. Водородные связи слабые, но многие из них создают достаточно прочности, чтобы влиять на форму полипептидной цепи.
Водородные связи заставляют основную цепь полипептида складываться и скручиваться в две возможные формы — α-спираль и β-складчатые листы.Спираль α (греческая буква «альфа») представляет собой спираль, похожую на двойную спираль известной цепи ДНК, но только с одной спиралью, и образована водородными связями между каждой четвертой аминокислотой. Спираль α обычна в структурных белках, таких как кератин.
Складчатые листы β (греческая буква «бета») образуются, когда водородные связи возникают между двумя или более соседними полипептидными цепями и являются обычными для глобулярных белков (см. Ниже в разделе «Типы белков»).
Третичная структура
Третичная структура — это окончательная форма, которую принимает полипептидная цепь, и определяется группами R.Притяжение и отталкивание между различными группами R изгибает и складывает полипептид, создавая окончательную трехмерную форму белка.
Четвертичная структура
Не все белки имеют четвертичную структуру. Четвертичная структура возникает только тогда, когда несколько полипептидных цепей объединяются вместе с образованием большого сложного белка. В таких случаях каждый полипептид называют «субъединицей».
Гемоглобин является примером белка с четвертичной структурой. У большинства животных гемоглобин состоит из четырех глобулярных субъединиц.
Типы белков
Существует четыре основных типа белков. Наиболее известны глобулярные белки. Остальные три типа белков — это волокнистые, мембранные и неупорядоченные белки.
Глобулярные белки
Глобулярные белки — это любой белок, имеющий сферическую форму в своей третичной структуре. К ним относятся многие ферменты, антитела и белки, такие как гемоглобин.
Глобулярные белки растворимы в воде и создаются за счет притяжения и отталкивания различных R-групп водой.Полярные R-группы аминокислот в белках растворимы в воде, а неполярные R-группы нерастворимы в воде. Глобулярные белки образуются потому, что неполярные группы R прячутся во внутренних частях белка, а полярные группы R располагаются на внешней поверхности, которая подвергается воздействию окружающей воды.
Волокнистые белки
Волокнистые белки представляют собой удлиненные белки, не имеющие какой-либо третичной структуры. Вместо того, чтобы изгибаться и складываться с образованием глобулярного белка, волокнистые белки остаются в своей линейной вторичной структуре.Часто они являются важными структурными и поддерживающими белками.
Волокнистые белки нерастворимы в воде и часто имеют повторяющиеся структуры аминокислот вдоль их полипептидной цепи. Примеры волокнистых белков включают коллаген, кератин и шелк.
Мембранные белки
Мембранный белок — это любой белок, обнаруженный внутри или прикрепленный к клеточной мембране. Это уникальные белки из-за уникальной среды, в которой они существуют.
Клеточные мембраны состоят из двойного слоя фосфолипидов.Внутренние части клеточной мембраны неполярны, а внешние — полярны. Чтобы мембранные белки успешно существовали через клеточную мембрану, они должны содержать определенные неполярные и полярные участки.
Неупорядоченные белки
Открытие неупорядоченных белков в начале 2000-х годов бросило вызов историческому мышлению о белках. До этого считалось, что функция белка зависит от его фиксированной трехмерной структуры. Однако неупорядоченные белки не имеют упорядоченной структуры своей формы.
Некоторые белки могут быть полностью неструктурированными, в то время как другие частично структурированы с определенными неструктурированными участками. Другие белки обладают способностью существовать как неупорядоченные белки только для образования фиксированной структуры после связывания с другими молекулами.
Последний раз редактировалось: 23 апреля 2016 г.
БЕСПЛАТНЫЙ 6-недельный курс
Введите свои данные, чтобы получить доступ к нашему БЕСПЛАТНО 6-недельному вводному курсу электронной почты по биологии.
Узнайте о животных, растениях, эволюции, древе жизни, экологии, клетках, генетике, областях биологии и многом другом.
Успех! Письмо с подтверждением было отправлено на адрес электронной почты, который вы только что указали. Проверьте свою электронную почту и убедитесь, что вы щелкнули ссылку, чтобы начать наш 6-недельный курс.
Системы сборки белков в естественной и синтетической биологии | BMC Biology
Хайман А.А., Вебер К.А., Джуличер Ф. Разделение жидких и жидких фаз в биологии. Annu Rev Cell Dev Biol. 2014; 30: 39–58.
Артикул CAS Google Scholar
Харви Ж., Чен И, Ярош Д.Ф. Наследование на основе белков: эпигенетика за пределами хромосомы. Mol Cell. 2018; 69 (2): 195–202.
Артикул CAS Google Scholar
Якобсон CM, Ярош Д.Ф. Организация биохимии в пространстве и времени с помощью прионоподобной самосборки. Curr Opin Systems Biol. 2018; 8: 16–24.
Артикул Google Scholar
Mitrea DM, Kriwacki RW.Фазовое разделение в биологии; функциональная организация высшего порядка. Передача сигналов Cell Commun. 2016; 14: 1.
Артикул CAS Google Scholar
Уилсон С.Дж., Боммариус А.С., Чемпион Ю.А., Чернофф Ю.О., Линн Д.Г., Паравасту А.К., Лян С., Се М.С., Хемстра Дж. М.. Биомолекулярные сборки: переход от наблюдения к прогнозируемому дизайну. Chem Rev.2018; 118 (24): 11519–74.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Tompa P, Schad E, Tantos A, Kalmar L. Внутренне неупорядоченные белки: новые специалисты по взаимодействию. Curr Opin Struct Biol. 2015; 35: 49–59.
Артикул CAS Google Scholar
Banjade S, Wu Q, Mittal A, Peeples WB, Pappu RV, Rosen MK. Консервативный междоменный линкер способствует разделению фаз мультивалентного адапторного белка Nck. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2015; 112 (47): E6426–35.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Ли П., Банджаде С., Ченг Х.С., Ким С., Чен Б., Го Л., Ллагуно М., Холлингсворт СП, Кинг Д.С., Банани С.Ф. и др. Фазовые переходы в сборке поливалентных сигнальных белков. Природа. 2012. 483 (7389): 336–40.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Banjade S, Rosen MK. Фазовые переходы поливалентных белков могут способствовать кластеризации мембранных рецепторов. eLife. 2014; 3: e04123. https: // doi.org / 10.7554 / eLife.04123.
Molliex A, Temirov J, Lee J, Coughlin M, Kanagaraj AP, Kim HJ, Mittag T, Taylor JP. Разделение фаз за счет доменов низкой сложности способствует сборке стрессовых гранул и вызывает патологическую фибрилляцию. Клетка. 2015. 163 (1): 123–33.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Мартин Э. У., Миттаг Т. Взаимосвязь последовательности и разделения фаз в белковых областях низкой сложности.Биохимия. 2018; 57 (17): 2478–87.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Brangwynne CP, Tompa P, Pappu RV. Полимерная физика внутриклеточных фазовых переходов. Nat Phys. 2015; 11 (11): 899–904.
Артикул CAS Google Scholar
Лин YH, Forman-Kay JD, Chan HS. Теории зависимого от последовательности фазового поведения биомолекулярных конденсатов.Биохимия. 2018; 57 (17): 2499–508.
Артикул CAS Google Scholar
Бойнаемс С., Альберти С., Фавзи Н.Л., Миттаг Т., Полимениду М., Руссо Ф., Шимковиц Дж., Шортер Дж., Волозин Б., Ван ден Бош Л. и др. Фазовое разделение белков: новый этап в клеточной биологии. Trends Cell Biol. 2018. 28 (6): 420–35.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Holehouse AS, Pappu RV. Функциональные последствия внутриклеточных фазовых переходов. Биохимия. 2018; 57 (17): 2415–23.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Альберти С., Гладфельтер А., Миттаг Т. Соображения и проблемы при изучении разделения фаз жидкость-жидкость и биомолекулярных конденсатов. Клетка. 2019; 176 (3): 419–34.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Банани С.Ф., Ли ХО, Хайман А.А., Розен М.К. Биомолекулярные конденсаты: организаторы клеточной биохимии. Nat Rev Mol Cell Biol. 2017; 18 (5): 285–98.
Артикул CAS Google Scholar
Brangwynne CP, Mitchison TJ, Hyman AA. Активное жидкоподобное поведение ядрышек определяет их размер и форму в ооцитах Xenopus laevis. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2011; 108 (11): 4334–9.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Brangwynne CP, Eckmann CR, Courson DS, Rybarska A, Hoege C, Gharakhani J, Julicher F, Hyman AA. Гранулы зародышевой линии P представляют собой жидкие капли, которые локализуются за счет контролируемого растворения / конденсации. Наука. 2009. 324 (5935): 1729–32.
Артикул CAS Google Scholar
Kroschwald S, Maharana S, Mateju D, Malinovska L, Nuske E, Poser I, Richter D, Alberti S. Беспорядочные взаимодействия и белковые дезагрегазы определяют материальное состояние стресс-индуцируемых гранул РНП.eLife. 2015; 4: e06807.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Zhu L, Brangwynne CP. Ядерные тела: зарождающаяся биофизика нуклеоплазматических фаз. Curr Opin Cell Biol. 2015; 34: 23–30.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Ферик М., Вайдья Н., Хармон Т.С., Митреа Д.М., Чжу Л., Ричардсон Т.М., Кривацки Р.В., Паппу Р.В., Брангвинн С.П.Сосуществующие жидкие фазы лежат в основе субкомпартментов ядрышек. Клетка. 2016; 165 (7): 1686–97.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Рибак Дж. А., Катански С. Д., Кир-Скотт Дж. Л., Пилипенко Е. В., Ройек А. Е., Сосник Т. Р., Драммонд Д. А.. Фазовое разделение, вызванное стрессом, — это адаптивная, эволюционно настроенная реакция. Клетка. 2017; 168 (6): 1028–40 e1019.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Cid-Samper F, Gelabert-Baldrich M, Lang B, Lorenzo-Gotor N, Ponti RD, Severijnen LAWFM и др. Интегративное исследование конденсатов белок-РНК идентифицирует каркасные РНК и выявляет участников синдрома тремора / атаксии, связанного с ломкой Х-хромосомой. Cell Rep.2018; 25: 3422-3434.e7. https://doi.org/10.1016/j.celrep.2018.11.076.
Пак Ч.В., Косно М., Хоулхаус А.С., Падрик С.Б., Миттал А., Али Р., Юнус А.А., Лю Д.Р., Паппу Р.В., Розен М.К. Детерминанты последовательности внутриклеточного фазового разделения путем комплексной коацервации неупорядоченного белка.Mol Cell. 2016; 63 (1): 72–85.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Лин YH, Forman-Kay JD, Chan HS. Последовательно-специфическое разделение фаз полиамфолита в безмембранных органеллах. Phys Rev Lett. 2016; 117 (17): 178101.
Артикул CAS Google Scholar
Ван Дж., Чой Дж. М., Холхаус А.С., Ли Х.О., Чжан Х, Янель М., Махарана С., Леметр Р., Позняковский А., Дрехсел Д. и др.Молекулярная грамматика, определяющая движущие силы для фазового разделения прионоподобных РНК-связывающих белков. Клетка. 2018; 174 (3): 688–99 e616.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Болдуин А.Дж., Ноулз Т.П., Тарталья Г.Г., Фицпатрик А.В., Девлин Г.Л., Шаммас С.Л., Ваудби, Калифорния, Моссуто М.Ф., Михан С., Гра С.Л. и др. Метастабильность нативных белков и феномен образования амилоида. J Am Chem Soc.2011. 133 (36): 14160–3.
Артикул CAS Google Scholar
Гринвальд Дж, Рик Р. Биология амилоида: структура, функция и регуляция. Структура. 2010. 18 (10): 1244–60.
Артикул CAS Google Scholar
Ландрам Э., Ветцель Р. Биофизические основы зависимости от длины повтора образования полиглутаминового амилоида. J Biol Chem. 2014. 289 (15): 10254–60.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Ноулз Т.П., Ваудби, Калифорния, Девлин Г.Л., Коэн С.И., Агуцци А., Вендрусколо М., Терентьев Е.М., Велланд М.Э., Добсон К.М. Аналитическое решение кинетики сборки ломающейся нити. Наука. 2009. 326 (5959): 1533–7.
Артикул CAS Google Scholar
Хан Т., Кандола Т.С., Ву Дж., Венкатесан С., Кеттер Е., Ланге Дж. Дж., Родригес Гама А., Бокс А, Унру Дж. Р., Кук М. и др.Количественная оценка нуклеации in vivo раскрывает физическую основу прионоподобного фазового поведения. Mol Cell. 2018; 71 (1): 155–68 e157.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Нараянан А., Мериин А., Эндрюс Дж. О., Спилле Дж. Х., Шерман М. Ю., Сиссе II. Механизм фазового перехода первого рода лежит в основе агрегации белков в клетках млекопитающих. eLife. 2019; 8: e39695. https://doi.org/10.7554/eLife.39695.
Maurer-Stroh S, Debulpaep M, Kuemmerer N, Lopez de la Paz M, Martins IC, Reumers J, Morris KL, Copland A, Serpell L, Serrano L et al. Изучение детерминант последовательности амилоидной структуры с использованием оценочных матриц, специфичных для положения. Нат Методы 2010; 7 (3): 237–242.
Goldschmidt L, Teng PK, Riek R, Eisenberg D. Идентификация амилома, белков, способных образовывать амилоидоподобные фибриллы. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2010; 107 (8): 3487–92.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Ноулз Т.П., Бюлер М.Дж. Наномеханика функциональных и патологических амилоидных материалов. Nat Nanotechnol. 2011; 6 (8): 469–79.
Артикул CAS Google Scholar
Tanaka M, Collins SR, Toyama BH, Weissman JS. Физическая основа того, как прионные конформации определяют фенотипы штаммов. Природа. 2006. 442 (7102): 585–9.
Артикул CAS Google Scholar
Петкова А.Т., Лепман Р.Д., Го З., Яу В.М., Маттсон М.П., Тайко Р. Самораспространяющийся полиморфизм на молекулярном уровне в бета-амилоидных фибриллах болезни Альцгеймера. Наука. 2005. 307 (5707): 262–5.
Артикул CAS Google Scholar
Мукерджи А., Моралес-Шейхинг Д., Батлер П.С., Сото С. Диабет 2 типа как болезнь неправильного связывания белков. Тенденции Мол Мед. 2015; 21 (7): 439–49.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Lachmann HJ, Hawkins PN. Системный амилоидоз. Curr Opin Pharmacol. 2006; 6 (2): 214–20.
Артикул CAS Google Scholar
Буксбаум Дж. Н., Линке Р. П.. Молекулярная история амилоидозов. J Mol Biol. 2012. 421 (2–3): 142–59.
Артикул CAS Google Scholar
Ярош Д.Ф., Хурана В. Спецификация физиологических и болезненных состояний с помощью различных белков и конформаций белков.Клетка. 2017; 171 (5): 1001–14.
Артикул CAS Google Scholar
Scheckel C, Aguzzi A. Прионы, прионоиды и нарушения неправильного свертывания белков. Nat Rev Genet. 2018; 19 (7): 405–18.
Артикул CAS Google Scholar
Ноулз Т.П., Вендрусколо М, Добсон СМ. Состояние амилоида и его связь с заболеваниями неправильного свертывания белков. Nat Rev Mol Cell Biol.2014; 15 (6): 384–96.
Артикул CAS Google Scholar
Прусинер СБ. Новые белковые инфекционные частицы вызывают скрейпи. Наука. 1982, 216 (4542): 136–44.
Артикул CAS Google Scholar
Прусинер СБ. Прионы представляют собой новые инфекционные патогены, вызывающие скрейпи и болезнь Крейтцфельдта-Якоба. BioEssays. 1986. 5 (6): 281–6.
Артикул CAS Google Scholar
Shorter J, Lindquist S. Прионы как адаптивные каналы памяти и наследования. Nat Rev Genet. 2005. 6 (6): 435–50.
Артикул CAS Google Scholar
Викнер РБ. [URE3] как измененный белок URE2: доказательства наличия аналога приона в Saccharomyces cerevisiae. Наука. 1994. 264 (5158): 566–9.
Артикул CAS Google Scholar
Холмс BB, Diamond MI.Прионоподобные свойства тау-белка: важность внеклеточного тау как терапевтической мишени. J Biol Chem. 2014. 289 (29): 19855–61.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Джексон Г.С., Хоссу Л.Л., Пауэр А, Хилл А.Ф., Кенни Дж., Сайбил Х., Крейвен С.Дж., Уолто Дж. П., Кларк А.Р., Коллиндж Дж. Обратимое преобразование мономерного прионного белка человека между нативной и фибрилогенной конформациями. Наука.1999. 283 (5409): 1935–7.
Артикул CAS Google Scholar
Каганович Д., Копито Р., Фридман Дж. Неправильно свернутые белки распределяются между двумя отдельными отсеками контроля качества. Природа. 2008. 454 (7208): 1088–95.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Чен Б., Рецлафф М., Роос Т., Фридман Дж. Клеточные стратегии контроля качества белка.Cold Spring Harb Perspect Biol. 2011; 3 (8): а004374.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Franzmann TM, Jahnel M, Pozniakovsky A, Mahamid J, Holehouse AS, Nuske E, Richter D, Baumeister W, Grill SW, Pappu RV, et al. Фазовое разделение прионного белка дрожжей способствует адаптации клеток. Наука. 2018; 359 (6371): eaao5654.
Артикул CAS Google Scholar
Brown JC, Lindquist S. Унаследованный переключатель в использовании источника углерода, вызванный необычным прионом дрожжей. Genes Dev. 2009. 23 (19): 2320–32.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Робертс Б.Т., Викнер РБ. Наследственная активность: прион, размножающийся путем ковалентной аутоактивации. Genes Dev. 2003. 17 (17): 2083–7.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Majumdar A, Cesario WC, White-Grindley E, Jiang H, Ren F, Khan MR, Li L, Choi EM, Kannan K, Guo F, et al. Критическая роль амилоидоподобных олигомеров Drosophila Orb2 в сохранении памяти. Клетка. 2012. 148 (3): 515–29.
Артикул CAS Google Scholar
Стефан Дж.С., Фиорити Л., Ламба Н., Колнаги Л., Карл К., Деркач И.Л., Кандел ER. Белок CPEB3 — это функциональный прион, который взаимодействует с актиновым цитоскелетом.Cell Rep. 2015; 11 (11): 1772–85.
Артикул CAS Google Scholar
Si K, Kandel ER. Роль функциональных прионоподобных белков в сохранении памяти. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016; 8 (4): a021774.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Yuan AH, Hochschild A. Бактериальный глобальный регулятор образует прион. Наука.2017; 355 (6321): 198–201.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Crow ET, Li L. Недавно идентифицированные прионы у почкующихся дрожжей и их возможные функции. Semin Cell Dev Biol. 2011; 22 (5): 452–9.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Викнер РБ. Новый прион контролирует несовместимость слияния грибковых клеток.Proc Natl Acad Sci U S. A. 1997. 94 (19): 10012–4.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Saupe SJ. Прион [Het-s] Podospora anserina и его роль в гетерокарионной несовместимости. Semin Cell Dev Biol. 2011; 22 (5): 460–8.
Артикул CAS Google Scholar
Антонец К.С., Нижников А.А. Амилоиды и прионы в растениях: факты и перспективы.Прион. 2017; 11 (5): 300–12.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Чакраборти С., Каятекин С., Ньюби Г.А., Мендилло М.Л., Ланкастер А., Линдквист С. Люминидепенденс (LD) представляет собой белок арабидопсиса с прионным поведением. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2016; 113 (21): 6065–70.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Чернова Т.А., Киктев Д.А., Романюк А.В., Шанкс Дж. Р., Лаур О, Али М., Гош А., Ким Д., Ян З., Манг М. и др. Короткоживущий актин-ассоциированный белок дрожжей образует метастабильный прион в ответ на тепловой стресс. Cell Rep., 2017; 18 (3): 751–61.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Suzuki G, Shimazu N, Tanaka M. Прион дрожжей Mod5 способствует приобретенной лекарственной устойчивости и выживанию клеток в условиях стресса окружающей среды.Наука. 2012. 336 (6079): 355–9.
Артикул CAS Google Scholar
Викнер РБ, Шевмейкер Ф.П., Бейтман Д.А., Эдскес Х.К., Горьковский А, Даяни Ю., Безсонов Э.Е. Прионы дрожжей: структура, биология и системы обращения с прионами. Microbiol Mol Biol Rev.2015; 79 (1): 1–17.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Альберти С., Халфманн Р., Кинг О, Капила А., Линдквист С.Систематический обзор идентифицирует прионы и освещает особенности последовательности прионогенных белков. Клетка. 2009. 137 (1): 146–58.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Сайфитдинова А.Ф., Нижников А.А., Лада А.Г., Рубель А.А., Магомедова З.М., Игнатова В.В., Инге-Вечтомов С.Г., Галкин А.П. [NSI (+)]: новый неменделирующий детерминант супрессора бессмыслицы у Saccharomyces cerevisiae. Курр Жене. 2010. 56 (5): 467–78.
Артикул CAS Google Scholar
Харби Д., Харрисон П.М. Сети взаимодействия прионных, прионогенных и прионоподобных белков у почкующихся дрожжей и их роль в регуляции генов. PLoS One. 2014; 9 (6): e100615.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Халфманн Р., Райт Дж. Р., Альберти С., Линдквист С., Рексач М. Образование прионов дрожжевым нуклеопорином GLFG.Прион. 2012; 6 (4): 391–9.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Патель Б.К., Гэвин-Смит Дж., Либман С.В. Глобальный транскрипционный корепрессорный белок Cyc8 дрожжей может размножаться как прион. Nat Cell Biol. 2009. 11 (3): 344–34.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Либман С.В., Чернов Ю.О.Прионы в дрожжах. Генетика. 2012; 191 (4): 1041–72.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
MacLea KS, Ross ED. Стратегии выявления новых прионов в дрожжах. Прион. 2011; 5 (4): 263–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Вульф М.А., Сенаторе А., Агуцци А. Биологическая функция клеточного прионного белка: обновленная информация.BMC Biol. 2017; 15 (1): 34.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Цай Х, Чен Дж, Сюй Х, Лю С., Цзян QX, Халфманн Р., Чен З. Прионоподобная полимеризация лежит в основе передачи сигнала при противовирусной иммунной защите и активации инфламмасом. Клетка. 2014. 156 (6): 1207–22.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Франклин Б.С., Боссаллер Л., Де Нардо Д., Рэттер Дж. М., Штутц А., Энгельс Г., Бренкер С., Нордхофф М., Мирандола С. Р., Аль-Амуди А. и др. Адаптер ASC обладает внеклеточной и «прионоидной» активностью, которая способствует распространению воспаления. Nat Immunol. 2014; 15 (8): 727–37.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Нан Х, Чен Х, Туите М.Ф., Сюй Х. Фактор вирусной экспрессии ведет себя как прион. Nat Commun. 2019; 10 (1): 359.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Хоу Ф, Сун Л., Чжэн Х, Скауг Б., Цзян QX, Чен З. MAVS образует функциональные прионоподобные агрегаты для активации и распространения противовирусного врожденного иммунного ответа. Клетка. 2011. 146 (3): 448–61.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Inoue Y, Kawai-Noma S, Koike-Takeshita A, Taguchi H, Yoshida M.Дрожжевой прионный белок New1 может разбивать амилоидные фибриллы Sup35 на фрагменты АТФ-зависимым образом. Гены Клетки. 2011. 16 (5): 545–56.
Артикул CAS Google Scholar
Чакраборти С., Байерс Дж. С., Джонс С., Гарсия Д. М., Бхуллар Б., Чанг А., Ше Р., Ли Л., Фремин Б., Линдквист С. и др. Внутренне неупорядоченные белки приводят к появлению и наследованию биологических признаков. Клетка. 2016; 167 (2): 369–81 e312.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Викнер РБ. Дрожжевые и грибковые прионы. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2016; 8 (9): a023531.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Michelitsch MD, Weissman JS. Перепись регионов, богатых глутамином / аспарагином: значение для их консервативной функции и предсказание новых прионов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2000. 97 (22): 11910–5.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Espinosa Angarica V, Ventura S, Sancho J. Обнаружение предполагаемых прионных последовательностей в полных протеомах с использованием вероятностных представлений Q / N-богатых доменов. BMC Genomics. 2013; 14: 316.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Cascarina SM, Ross ED. Прионы дрожжей и прионоподобные белки человека: особенности последовательности и методы прогнозирования. Cell Mol Life Sci. 2014. 71 (11): 2047–63.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Lancaster AK, Nutter-Upham A, Lindquist S, King OD. PLAAC: веб-приложение и приложение командной строки для идентификации белков с прионоподобным аминокислотным составом. Биоинформатика. 2014; 30 (17): 2501–2.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Чернов Ю.О., Линдквист С.Л., Оно Б., Инге-Вечтомов С.Г., Либман С.В. Роль шаперонного белка Hsp104 в распространении прионоподобного фактора дрожжей [psi +].Наука. 1995. 268 (5212): 880–4.
Артикул CAS Google Scholar
Halfmann R, Jarosz DF, Jones SK, Chang A, Lancaster AK, Lindquist S. Прионы являются обычным механизмом фенотипического наследования у диких дрожжей. Природа. 2012. 482 (7385): 363–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Диас-Авалос Р., Кинг С.Й., Уолл Дж., Саймон М., Каспар Д.Л.Штаммоспецифическая морфология прионных амилоидных фибрилл дрожжей. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2005; 102 (29): 10165–70.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Toyama BH, Kelly MJ, Gross JD, Weissman JS. Структурная основа вариантов прионного штамма дрожжей. Природа. 2007. 449 (7159): 233–7.
Артикул CAS Google Scholar
Uptain SM, Sawicki GJ, Caughey B., Lindquist S. Штаммы [PSI (+)] отличаются своей эффективностью опосредованного прионами конформационного преобразования. EMBO J. 2001; 20 (22): 6236–45.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Агуцци А. Распознавание штаммов прионов с помощью клеточной биологии и органической химии. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2008; 105 (1): 11–2.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Скотт М., Фостер Д., Миренда С., Сербан Д., Куфаль Ф, Валчли М., Торчиа М., Грот Д., Карлсон Г., ДеАрмонд С. Дж. И др. Трансгенные мыши, экспрессирующие прионный белок хомяка, продуцируют видоспецифичную инфекционность скрепи и амилоидные бляшки. Клетка. 1989. 59 (5): 847–57.
Артикул CAS Google Scholar
Танака М., Чиен П., Набер Н., Кук Р., Вайсман Дж. С.. Конформационные вариации инфекционного белка определяют различия штаммов прионов.Природа. 2004. 428 (6980): 323–8.
Артикул CAS Google Scholar
Гош Р., Донг Дж., Уолл Дж., Фредерик К.К. Амилоидные фибриллы, воплощающие отличительные фенотипы прионов дрожжей, обладают разнообразной морфологией. FEMS Yeast Res. 2018; 18 (6). DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/foy059.
Бейтман Д.А., Викнер РБ. Прион [PSI +] существует как динамическое облако вариантов. PLoS Genet. 2013; 9 (1): e1003257.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Frederick KK, Debelouchina GT, Kayatekin C, Dorminy T., Jacavone AC, Griffin RG, Lindquist S. Отчетливые штаммы прионов определяются структурой амилоидного ядра и динамикой сайта связывания шаперона. Chem Biol. 2014. 21 (2): 295–305.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Soto C, Pritzkow S. Неправильная укладка белков, агрегация и конформационные штаммы при нейродегенеративных заболеваниях. Nat Neurosci.2018; 21 (10): 1332–40.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Лопес-Отин С., Бласко М.А., Партридж Л., Серрано М., Кремер Г. Признаки старения. Клетка. 2013. 153 (6): 1194–217.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Groenning M. Способ связывания тиофлавина Т и других молекулярных зондов в контексте текущего состояния амилоидных фибрилл.J Chem Biol. 2010; 3 (1): 1–18.
Артикул Google Scholar
Buell AK, Galvagnion C, Gaspar R, Sparr E, Vendruscolo M, Knowles TP, Linse S, Dobson CM. Условия раствора определяют относительную важность процессов зародышеобразования и роста в агрегации альфа-синуклеина. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2014; 111 (21): 7671–6.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Navarro S, Ventura S. Флуоресцентный краситель ProteoStat для обнаружения и различения внутриклеточных амилоидоподобных агрегатов в Escherichia coli. Biotechnol J. 2014; 9 (10): 1259–66.
Артикул CAS Google Scholar
Halfmann R, Lindquist S. Скрининг агрегации амилоида с помощью полуденатурирующего электрофореза в детергент-агарозном геле. J Vis Exp. 2008; 17: 838.
Google Scholar
Sunde M, Serpell LC, Bartlam M, Fraser PE, Pepys MB, Blake CC. Общая структура ядра амилоидных фибрилл по данным синхротронной дифракции рентгеновских лучей. J Mol Biol. 1997. 273 (3): 729–39.
Артикул CAS Google Scholar
Tycko R. Исследования структуры амилоидных фибрилл методом твердотельного ЯМР. Annu Rev Phys Chem. 2011; 62: 279–99.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Lu JX, Qiang W, Yau WM, Schwieters CD, Meredith SC, Tycko R. Молекулярная структура бета-амилоидных фибрилл в ткани мозга при болезни Альцгеймера. Клетка. 2013. 154 (6): 1257–68.
Артикул CAS Google Scholar
Frederick KK, Michaelis VK, Corzilius B, Ong TC, Jacavone AC, Griffin RG, Lindquist S. ЯМР с повышенной чувствительностью выявляет изменения в структуре белка в клеточной среде. Клетка. 2015; 163 (3): 620–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Fawzi NL, Ying J, Torchia DA, Clore GM. Кинетика обмена мономера бета-амилоида на олигомер с помощью ЯМР-релаксации. J Am Chem Soc. 2010. 132 (29): 9948–51.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Эфтехарзаде Б., Пиаи А., Кьеза Г., Мунгиану Д., Гарсия Дж., Пиераттелли Р., Фелли И.С., Сальвателла Х. Контекст последовательности влияет на структуру и поведение агрегирования тракта PolyQ. Biophys J. 2016; 110 (11): 2361–6.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Theillet FX, Binolfi A, Bekei B, Martorana A, Rose HM, Stuiver M, Verzini S, Lorenz D, van Rossum M, Goldfarb D, et al. Структурное нарушение мономерного альфа-синуклеина сохраняется в клетках млекопитающих. Природа. 2016; 530 (7588): 45–50.
Артикул CAS Google Scholar
Kaminski CF, Kaminski Schierle GS.Исследование агрегации амилоидных белков методами оптического сверхразрешения: от пробирки до моделей болезни. Нейрофотоника. 2016; 3 (4): 041807.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Гремер Л., Шольцель Д., Шенк С., Рейнарц Е., Лабан Дж., Равелли РБГ, Туше М., Лопес-Иглесиас С., Хойер В., Хайзе Н. и др. Структура фибрилл бета-амилоида (1-42) с помощью криоэлектронной микроскопии. Наука. 2017; 358 (6359): 116–9.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Герреро-Феррейра Р., Тейлор Н. М., Мона Д., Ринглер П., Лауэр М. Е., Рик Р., Бричги М., Штальберг Х. Крио-ЭМ структура фибрилл альфа-синуклеина. eLife. 2018; 7: e36402. https://doi.org/10.7554/eLife.36402.
Dine E, Toettcher JE. Оптогенетическая реконструкция для определения формы и функции безмембранных органелл. Биохимия.2018; 57 (17): 2432–6.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Heilemann M, van de Linde S, Schuttpelz M, Kasper R, Seefeldt B, Mukherjee A, Tinnefeld P, Sauer M. Флуоресцентная визуализация с субдифракционным разрешением с использованием обычных флуоресцентных зондов. Angew Chem. 2008. 47 (33): 6172–6.
Артикул CAS Google Scholar
Камински Ширле Г.С., ван де Линде С., Эрдели М., Эсбьорнер Е.К., Кляйн Т., Риз Е., Бертончини К.В., Добсон С.М., Зауэр М., Камински К.Ф. Измерения in situ формирования и морфологии внутриклеточных бета-амилоидных фибрилл с помощью флуоресцентной визуализации сверхвысокого разрешения. J Am Chem Soc. 2011. 133 (33): 12902–5.
Артикул CAS Google Scholar
Ньюби Г.А., Кирьяков С., Халлакли Е., Каятекин С., Цветков П., Манкузо С. П., Боннер Дж. М., Гессен В. Р., Чакраборти С., Маногаран А. Л. и др.Генетический инструмент для отслеживания агрегатов белков и контроля наследования прионов. Клетка. 2017; 171 (4): 966–79 e918.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Pereira M, Tome D, Domingues AS, Varanda AS, Paulo C, Santos MAS, Soares AR. Сенсорный анализ на основе флуоресценции, который отслеживает общую агрегацию белка в клетках человека. Biotechnol J. 2018; 13 (4): e1700676.
Артикул CAS Google Scholar
Zeng Y, Jones AM, Thomas EE, Nassif B, Silberg JJ, Segatori L. Репрессор расщепленной транскрипции, который связывает растворимость белка с ортогональной генетической цепью. ACS Synthetic Biol. 2018; 7 (9): 2126–38.
Артикул CAS Google Scholar
Сондерс Дж. К., Янг Л. М., Мейхуд Р. А., Джексон М. П., Ревилл С. Д., Фостер Р. Дж., Смит Д. А., Эшкрофт А. Е., Броквелл Д. Д., Рэдфорд С. Е.. Платформа in vivo для выявления ингибиторов агрегации белков.Nat Chem Biol. 2016; 12 (2): 94–101.
Артикул CAS Google Scholar
Холмс Д.Л., Ланкастер А.К., Линдквист С., Халфманн Р. Наследственное ремоделирование многоклеточности дрожжей с помощью экологически чувствительного приона. Клетка. 2013. 153 (1): 153–65.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Du Z, Park KW, Yu H, Fan Q, Li L.Недавно идентифицированный прион, связанный с фактором ремоделирования хроматина Swi1 в Saccharomyces cerevisiae. Нат Жене. 2008. 40 (4): 460–5.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Talarek N, Maillet L, Cullin C., Aigle M. Прион [URE3] не сохраняется среди видов Saccharomyces. Генетика. 2005. 171 (1): 23–34.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Сатпуте-Кришнан П., Серио TR. Ремоделирование прионного белка приводит к немедленному переключению фенотипа. Природа. 2005. 437 (7056): 262–5.
Артикул CAS Google Scholar
Hofmann J, Vorberg I. Жизненный цикл цитозольных прионов. Прион. 2013; 7 (5): 369–77.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Cho WK, Spille JH, Hecht M, Lee C, Li C, Grube V, Cisse II.Кластеры медиатора и РНК-полимеразы II объединяются в зависимые от транскрипции конденсаты. Наука. 2018; 361 (6400): 412–5.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Boija A, Klein IA, Sabari BR, Dall’Agnese A, Coffey EL, Zamudio AV, Li CH, Shrinivas K, Manteiga JC, Hannett NM, et al. Факторы транскрипции активируют гены за счет способности их доменов активации к разделению фаз. Клетка.2018; 175 (7): 1842–55 e1816.
Артикул CAS Google Scholar
Ли Дж., МакКуэйд Т., Симер А.Б., Напечниг Дж., Мориваки К., Сяо Ю.С., Дамко Е., Мокин Д., Уолц Т., Макдермотт А. и др. Некросома RIP1 / RIP3 образует функциональный сигнальный комплекс амилоида, необходимый для запрограммированного некроза. Клетка. 2012; 150 (2): 339–50.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Dick MS, Sborgi L, Ruhl S, Hiller S, Broz P. Образование филаментов ASC служит механизмом усиления сигнала для инфламмасом. Nat Commun. 2016; 7: 11929.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Caudron F, Barral Y. Суперсборка Whi3 кодирует память об обманчивых встречах одиночных клеток во время ухаживания дрожжей. Клетка. 2013. 155 (6): 1244–57.
Артикул CAS Google Scholar
Судхакаран И. П., Рамасвами М. Консолидация долговременной памяти: роль РНК-связывающих белков с прионоподобными доменами. RNA Biol. 2017; 14 (5): 568–86.
Артикул Google Scholar
Ким И., Фурман С.М., Манхарт С.М., Алани Э., Финкельштейн И.Дж. Внутренне неупорядоченные области регулируют как каталитическую, так и некаталитическую активность комплекса репарации ошибочного спаривания MutLalpha. Nucleic Acids Res. 2019; 47 (4): 1823–35.
CAS PubMed Google Scholar
Карпентер К., Белл Р. Б., Юнус Дж., Амон А., Берховиц Л. Е.. Опосредованный фосфорилированием клиренс амилоидоподобных ансамблей в мейозе. Dev Cell. 2018; 45 (3): 392–405 e396.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Guillen-Boixet J, Buzon V, Salvatella X, Mendez R. CPEB4 регулируется во время клеточного цикла посредством ERK2 / Cdk1-опосредованного фосфорилирования и его сборки в жидкие капельки. eLife. 2016; 5: e19298.https://doi.org/10.7554/eLife.19298.
Berchowitz LE, Kabachinski G, Walker MR, Carlile TM, Gilbert WV, Schwartz TU, Amon A. Регулируемое образование амилоидоподобного репрессора трансляции регулирует гаметогенез. Клетка. 2015; 163 (2): 406–18.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Халфманн Р., Линдквист С. Эпигенетика в крайнем случае: прионы и наследование экологических черт.Наука. 2010. 330 (6004): 629–32.
Артикул CAS Google Scholar
Хниш Д., Шринивас К., Янг Р.А., Чакраборти А.К., Шарп П.А. Модель разделения фаз для контроля транскрипции. Клетка. 2017; 169 (1): 13–23.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Sabari BR, Dall’Agnese A, Boija A., Klein IA, Coffey EL, Shrinivas K, Abraham BJ, Hannett NM, Zamudio AV, Manteiga JC, et al.Конденсация коактиватора на суперэнхансерах связывает разделение фаз и контроль генов. Наука. 2018; 361 (6400): eaar3958.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Лу Х, Ю. Д., Хансен А. С., Гангули С., Лю Р., Хекерт А., Дарзак Х, Чжоу К. Механизм разделения фаз для С-концевого гиперфосфорилирования РНК-полимеразы II. Природа. 2018; 558 (7709): 318–23.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Larson AG, Elnatan D, Keenen MM, Trnka MJ, Johnston JB, Burlingame AL, Agard DA, Redding S, Narlikar GJ. Формирование жидких капель с помощью HP1alpha предполагает роль разделения фаз в гетерохроматине. Природа. 2017; 547 (7662): 236–40.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Стром А.Р., Емельянов А.В., Мир М, Федоров Д.В., Дарзак Х., Карпен Г.Х. Разделение фаз приводит к образованию домена гетерохроматина.Природа. 2017; 547 (7662): 241–5.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Canzio D, Liao M, Naber N, Pate E, Larson A, Wu S., Marina DB, Garcia JF, Madhani HD, Cooke R, et al. Конформационный переключатель в HP1 освобождает автоингибирование, чтобы управлять сборкой гетерохроматина. Природа. 2013. 496 (7445): 377–81.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Weber SC, Brangwynne CP. Получение РНК и белка в фазе. Клетка. 2012. 149 (6): 1188–91.
Артикул CAS Google Scholar
Sheu-Gruttadauria J, MacRae IJ. Фазовые переходы в сборке и функции miRISC человека. Клетка. 2018; 173 (4): 946–57 e916.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Харрисон А.Ф., Шортер Дж.РНК-связывающие белки с прионоподобными доменами в условиях здоровья и болезней. Биохим Дж. 2017; 474 (8): 1417–38.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Jain A, Vale RD. Фазовые переходы РНК при нарушениях повторной экспансии. Природа. 2017; 546 (7657): 243–7.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Wu H, Fuxreiter M.Структура и динамика ансамблей высшего порядка: амилоидов, сигнаносом и гранул. Клетка. 2016; 165 (5): 1055–66.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Лю Б., Гао С. Регулирование активации MAVS посредством посттрансляционных модификаций. Curr Opin Immunol. 2018; 50: 75–81.
Артикул CAS Google Scholar
Чернова Т.А., Чернов Ю.О., Уилкинсон К.Д. Прионная память о тепловом стрессе у дрожжей. Прион. 2017; 11 (3): 151–61.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Si K, Choi YB, White-Grindley E, Majumdar A, Kandel ER. Аплизия CPEB может образовывать прионоподобные мультимеры в сенсорных нейронах, которые способствуют долгосрочному облегчению. Клетка. 2010. 140 (3): 421–35.
Артикул CAS Google Scholar
Fioriti L, Myers C, Huang YY, Li X, Stephan JS, Trifilieff P, Colnaghi L, Kosmidis S, Drisaldi B, Pavlopoulos E, et al. Сохранение памяти на основе гиппокампа требует синтеза белка, опосредованного прионоподобным белком CPEB3. Нейрон. 2015; 86 (6): 1433–48.
Артикул CAS Google Scholar
Тайдмерс Дж., Мадариага М.Л., Линдквист С. Переключение прионов в ответ на стресс окружающей среды. PLoS Biol. 2008; 6 (11): e294.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Halfmann R, Alberti S, Lindquist S. Прионы, гомеостаз белков и фенотипическое разнообразие. Trends Cell Biol. 2010. 20 (3): 125–33.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Lancaster AK, Bardill JP, True HL, Masel J. Скорость спонтанного появления дрожжевого приона [PSI +] и его значение для эволюции свойств эволюционируемости системы [PSI +].Генетика. 2010. 184 (2): 393–400.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
March ZM, King OD, Shorter J. Прионоподобные домены в качестве эпигенетических регуляторов, каркасов для субклеточной организации и драйверов нейродегенеративных заболеваний. Brain Res. 1647; 2016: 9–18.
Google Scholar
Newby GA, Lindquist S. Клетки-пионеры, созданные прионом [SWI +], могут способствовать диспергированию и ауткроссингу у дрожжей.PLoS Biol. 2017; 15 (11): e2003476.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
True HL, Lindquist SL. Прион дрожжей обеспечивает механизм генетической изменчивости и фенотипического разнообразия. Природа. 2000. 407 (6803): 477–83.
Артикул CAS Google Scholar
Griswold CK, Masel J. Сложные адаптации могут стимулировать эволюцию конденсатора [PSI], даже при реалистичных показателях пола дрожжей.PLoS Genet. 2009; 5 (6): e1000517.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
True HL, Берлин I, Lindquist SL. Эпигенетическая регуляция трансляции выявляет скрытые генетические вариации, приводящие к возникновению сложных признаков. Природа. 2004. 431 (7005): 184–7.
Артикул CAS Google Scholar
Ньюби Г.А., Линдквист С. Скрытые благословения: биологические преимущества прионоподобных механизмов.Trends Cell Biol. 2013; 23 (6): 251–9.
Артикул CAS Google Scholar
Ярош Д.Ф., Ланкастер А.К., Браун Дж.С.С., Линдквист С. Эволюционно законсервированный прионоподобный элемент превращает дикие грибы из специалистов в области метаболизма в специалистов широкого профиля. Клетка. 2014. 158 (5): 1072–82.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Goncharoff DK, Du Z, Li L.Краткий обзор приона Swi1- [SWI +]. FEMS Yeast Res 2018; 18 (6). DOI: https://doi.org/10.1093/femsyr/foy061.
Флеминг Э., Юань А.Х., Хеллер Д.М., Хохшильд А. Бактериальный генетический анализ обнаруживает образование прионов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2019; 116 (10): 4605–10.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Халил А.С., Коллинз Дж. Дж. Синтетическая биология: приложения достигли совершеннолетия.Nat Rev Genet. 2010. 11 (5): 367–79.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Bashor CJ, Collins JJ. Понимание биологической регуляции через синтетическую биологию. Анну Рев Биофиз. 2018; 47: 399–423.
Артикул CAS Google Scholar
Пурник П.Е., Вайс Р. Вторая волна синтетической биологии: от модулей к системам.Nat Rev Mol Cell Biol. 2009. 10 (6): 410–22.
Артикул CAS Google Scholar
Brophy JA, Voigt CA. Принципы проектирования генетических схем. Нат методы. 2014; 11 (5): 508–20.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Nandagopal N, Elowitz MB. Синтетическая биология: интегральные генные схемы. Наука. 2011. 333 (6047): 1244–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Cameron DE, Bashor CJ, Collins JJ. Краткая история синтетической биологии. Nat Rev Microbiol. 2014; 12 (5): 381–90.
Артикул CAS Google Scholar
Nielsen AA, Der BS, Shin J, Vaidyanathan P, Paralanov V, Strychalski EA, Ross D, Densmore D, Voigt CA. Автоматизация проектирования генетических схем.Наука. 2016; 352 (6281): aac7341.
Артикул CAS Google Scholar
Ян Дж., Ян Р., Рой А., Сюй Д., Пуассон Дж., Чжан Ю. Пакет I-TASSER: прогнозирование структуры и функции белка. Нат методы. 2015; 12 (1): 7–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Xu D, Zhang Y. Сборка структуры белка ab initio с использованием непрерывных фрагментов структуры и оптимизированного силового поля, основанного на знаниях.Белки. 2012. 80 (7): 1715–35.
CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Ся X. Биоинформатика и клетка: современные вычислительные подходы в геномике, протеомике и транскриптомике. Чам: Springer International; 2018.
Книга. Google Scholar
Хеффернан Р., Паливал К., Лайонс Дж., Дехзанги А., Шарма А., Ван Дж., Саттар А., Ян Ю., Чжоу Ю.Улучшение предсказания вторичной структуры, локальных углов скелета и доступной для растворителя площади поверхности белков с помощью итеративного глубокого обучения. Научный доклад 2015; 5: 11476.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Сюэ Б., Данбрак Р.Л., Уильямс Р.В., Дункер А.К., Уверский В.Н. PONDR-FIT: мета-предсказатель изначально неупорядоченных аминокислот. Biochim Biophys Acta. 2010. 1804 (4): 996–1010.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Tartaglia GG, Pawar AP, Campioni S, Dobson CM, Chiti F, Vendruscolo M. Прогнозирование склонных к агрегации областей в структурированных белках. J Mol Biol. 2008. 380 (2): 425–36.
Артикул CAS Google Scholar
Afsar Minhas FUA, Ross ED, Ben-Hur A. Аминокислотный состав позволяет прогнозировать прионную активность. PLoS Comput Biol. 2017; 13 (4): e1005465.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Vernon RM, Chong PA, Tsang B, Kim TH, Bah A, Farber P, Lin H, Forman-Kay JD. Контакты Pi-pi — это игнорируемая функция белка, имеющая отношение к разделению фаз. eLife. 2018; 7: e31486. https://doi.org/10.7554/eLife.31486.
Bolognesi B, Lorenzo Gotor N, Dhar R, Cirillo D, Baldrighi M, Tartaglia GG, Lehner B. Зависимое от концентрации разделение жидкой фазы может вызвать токсичность при повышенной экспрессии белка. Cell Rep. 2016; 16 (1): 222–31.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Sondheimer N, Lindquist S. Rnq1: эпигенетический модификатор функции белка у дрожжей. Mol Cell. 2000. 5 (1): 163–72.
Артикул CAS Google Scholar
Du Z. Сложность и значение прионных доменов дрожжей. Прион. 2011; 5 (4): 311–6.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Quiroz FG, Chilkoti A.Эвристика последовательностей для кодирования фазового поведения во внутренне неупорядоченных белковых полимерах. Нат материалы. 2015; 14 (11): 1164–71.
Артикул CAS Google Scholar
Саймон Дж. Р., Кэрролл, штат Нью-Джерси, Рубинштейн М., Чилкоти А., Лопес Г. П.. Программирование молекулярной самосборки внутренне неупорядоченных белков, содержащих последовательности низкой сложности. Nat Chem. 2017; 9 (6): 509–15.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Бойнаемс С., Холхаус А.С., Вайнхардт В., Ковач Д., Ван Линдт Дж., Ларабелл С., Ван ден Бош Л., Дас Р., Томпа П.С., Паппу Р.В. и др. Спонтанные движущие силы приводят к образованию конденсатов белок-РНК с сосуществующими фазами и сложными свойствами материала. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2019; 116 (16): 7889–98.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Като М., Хан Т.В., Се С., Ши К., Ду Икс, Ву Л.К., Мирзаи Х., Голдсмит Э.Д., Лонггуд Дж., Пей Дж. И др.Бесклеточное образование гранул РНК: домены последовательности низкой сложности образуют динамические волокна внутри гидрогелей. Клетка. 2012. 149 (4): 753–67.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Toombs JA, Petri M, Paul KR, Kan GY, Ben-Hur A, Ross ED. Дизайн de novo синтетических прионных доменов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2012; 109 (17): 6519–24.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Taglialegna A, Lasa I, Valle J. Амилоидные структуры как матриксы биопленок. J Bacteriol. 2016; 198 (19): 2579–88.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Glass DS, Riedel-Kruse IH. Набор инструментов синтетической бактериальной клеточной адгезии для программирования многоклеточных морфологий и паттернов. Клетка. 2018; 174 (3): 649–58 e616.
Артикул CAS Google Scholar
Чжун С., Гарри Т., Ченг А.А., Дауни Дж., Дэн З., Стульц С.М., Лу Т.К. Прочные подводные клеи на основе самосборных мультибелковых нановолокон. Nat Nanotechnol. 2014. 9 (10): 858–66.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Секер Ю.О., Чен А.Ю., Читорик Р.Дж., Лу Т.К. Синтетический биогенез бактериальных амилоидных наноматериалов с настраиваемыми неорганическими и органическими интерфейсами и электропроводностью.ACS Synthetic Biol. 2017; 6 (2): 266–75.
Артикул CAS Google Scholar
Халил А.С., Лу Т.К., Башор С.Дж., Рамирес К.Л., Пайенсон, Северная Каролина, Джунг Дж. К., Коллинз Дж. Дж. Основа синтетической биологии для программирования функций транскрипции эукариот. Клетка. 2012; 150 (3): 647–58.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Башор С.Дж., Патель Н., Чубей С., Бейзави А., Кондев Дж., Коллинз Дж. Дж., Халил А.С..Комплексная обработка сигналов в синтетических генных цепях с использованием кооперативных регуляторных сборок. Наука. 2019; 364 (6440): 593–7.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Кеунг А.Дж., Башор С.Дж., Кириаков С., Коллинз Дж.Дж., Халил А.С. Использование целевых регуляторов хроматина для создания комбинаторной и пространственной регуляции транскрипции. Клетка. 2014. 158 (1): 110–20.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Elowitz MB, Leibler S. Синтетическая осцилляторная сеть регуляторов транскрипции. Природа. 2000. 403 (6767): 335–8.
Артикул CAS Google Scholar
Stricker J, Cookson S, Bennett MR, Mather WH, Tsimring LS, Hasty J. Быстрый, надежный и настраиваемый генератор синтетических генов. Природа. 2008. 456 (7221): 516–9.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Gaber R, Lebar T, Majerle A, Ster B, Dobnikar A, Bencina M, Jerala R. Конструируемые ДНК-связывающие домены позволяют создавать логические схемы в клетках млекопитающих. Nat Chem Biol. 2014; 10 (3): 203–8.
Артикул CAS Google Scholar
Чавес А., Шейман Дж., Вора С., Прюитт Б.В., Таттл М., Прюитт Б.В., Лин С., Киани С., Гусман С.Д., Виганд Д.Д. и др. Высокоэффективное транскрипционное программирование с участием Cas9. Нат методы. 2015; 12 (4): 326–8.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Gersbach CA, Perez-Pinera P. Активация человеческих генов белками цинковых пальцев, эффекторами, подобными активаторам транскрипции, и CRISPR / Cas9 для генной терапии и регенеративной медицины. Мнение экспертов Терапевтические цели. 2014; 18 (8): 835–9.
Артикул CAS Google Scholar
Piatek A, Mahfouz MM.Направленная регуляция генома с помощью синтетических программируемых регуляторов транскрипции. Crit Rev Biotechnol. 2017; 37 (4): 429–40.
Артикул CAS Google Scholar
Gaj T, Gersbach CA, Barbas CF 3rd. Методы геномной инженерии на основе ZFN, TALEN и CRISPR / Cas. Trends Biotechnol. 2013. 31 (7): 397–405.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Мацуура С., Оно Х, Кавасаки С., Куанг Ю., Фудзита Ю., Сайто Х. Логические вычисления на основе синтетической РНК в клетках млекопитающих. Nat Commun. 2018; 9 (1): 4847.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Leisner M, Bleris L, Lohmueller J, Xie Z, Benenson Y. МикроРНК схемы для транскрипционной логики. Методы Мол биол. 2012; 813: 169–86.
Артикул CAS Google Scholar
Nissim L, Wu MR, Pery E, Binder-Nissim A, Suzuki HI, Stupp D, Wehrspaun C, Tabach Y, Sharp PA, Lu TK. Иммуномодулирующие генные цепи на основе синтетической РНК для иммунотерапии рака. Клетка. 2017; 171 (5): 1138–50 e1115.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Wroblewska L, Kitada T, Endo K, Siciliano V, Stillo B, Saito H, Weiss R. Синтетические цепи млекопитающих с РНК-связывающими белками для доставки только РНК.Nat Biotechnol. 2015; 33 (8): 839–41.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Грюнберг Р., Серрано Л. Стратегии синтетической биологии белков. Nucleic Acids Res. 2010. 38 (8): 2663–75.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Дарингер Н.М., Дудек Р.М., Шварц К.А., Леонард Дж. Модульная внеклеточная сенсорная архитектура для разработки устройств на основе клеток млекопитающих.ACS Synthetic Biol. 2014; 3 (12): 892–902.
Артикул CAS Google Scholar
Башор CJ, Helman NC, Yan S, Lim WA. Использование инженерных взаимодействий каркаса для изменения динамики передачи сигналов пути киназы MAP. Наука. 2008. 319 (5869): 1539–43.
Артикул CAS Google Scholar
Томпсон К.Э., Башор С.Дж., Лим В.А., Китинг А.Е. Набор инструментов взаимодействия белков SYNZIP: спецификации гетероспецифических доменов взаимодействия спиральной спирали in vitro и in vivo.ACS Synthetic Biol. 2012; 1 (4): 118–29.
Артикул CAS Google Scholar
Chen Z, Boyken SE, Jia M, Busch F, Flores-Solis D, Bick MJ, Lu P, VanAernum ZL, Sahasrabuddhe A, Langan RA, et al. Программируемый дизайн ортогональных гетеродимеров белков. Природа. 2019; 565 (7737): 106–11.
Артикул CAS Google Scholar
Гао XJ, Chong LS, Kim MS, Elowitz MB.Программируемые белковые цепи в живых клетках. Наука. 2018; 361 (6408): 1252–8.
Артикул CAS Google Scholar
Cella F, Wroblewska L, Weiss R, Siciliano V. Разработка белок-белковых устройств для многослойной регуляции трансляции мРНК с использованием ортогональных протеаз в клетках млекопитающих. Nat Commun. 2018; 9 (1): 4392.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Гордли Р.М., Уильямс Р.Э., Башор С.Дж., Тоетчер Дж. Э., Ян С., Лим ВА. Инженерное динамическое управление переключением клеточных судеб с использованием синтетических фосфо-регулонов. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2016; 113 (47): 13528–33.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Ферреон Дж.К., Джайн А., Чой К.Дж., Цой П.С., Маккензи К.Р., Юнг С.И., Ферреон А.С. Ацетилирование не способствует разделению фаз тау. Int J Mol Sci. 2018; 19 (5): E1360.
Артикул CAS Google Scholar
Boulay G, Sandoval GJ, Riggi N, Iyer S, Buisson R, Naigles B, Awad ME, Rengarajan S, Volorio A, McBride MJ, et al. Специфичное для рака перенацеливание комплексов BAF с помощью прионоподобного домена. Клетка. 2017; 171 (1): 163–78 e119.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Monahan Z, Ryan VH, Janke AM, Burke KA, Rhoads SN, Zerze GH, O’Meally R, Dignon GL, Conicella AE, Zheng W, et al.Фосфорилирование домена низкой сложности FUS нарушает разделение фаз, агрегацию и токсичность. EMBO J. 2017; 36 (20): 2951–67.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Нотт Т.Дж., Петсалаки Э., Фарбер П., Джервис Д., Фусснер Э., Плоховец А., Краггс Т.Д., Базет-Джонс Д.П., Поусон Т., Форман-Кей Д.Д. и др. Фазовый переход неупорядоченного белка nuage генерирует экологически чувствительные безмембранные органеллы.Mol Cell. 2015; 57 (5): 936–47.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Дрисальди Б., Колнаги Л., Фиорити Л., Рао Н., Майерс С., Снайдер А. М., Мецгер Д. Д., Тарасов Дж., Константинов Е., Фрейзер П. Е. и др. SUMOylation — это тормозящее ограничение, которое регулирует прионоподобную агрегацию и активность CPEB3. Cell Rep. 2015; 11 (11): 1694–702.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Giessen TW, Silver PA. Инженерная фиксация углерода с помощью искусственных белковых органелл. Curr Opin Biotechnol. 2017; 46: 42–50.
Артикул CAS Google Scholar
Шин И., Берри Дж., Паннуччи Н., Хаатая М.П., Тоетчер Дж. Э., Брангвинн С.П. Пространственно-временной контроль внутриклеточных фазовых переходов с помощью активируемых светом опто-капель. Клетка. 2017; 168 (1–2): 159–71 e114.
Артикул CAS Google Scholar
Reinkemeier CD, Girona GE, Lemke EA. Конструкторские безмембранные органеллы позволяют переназначать кодоны выбранных мРНК у эукариот. Наука. 2019; 363 (6434): eaaw2644.
Артикул CAS Google Scholar
Giessen TW. Инкапсулины: микробные нанокомпоненты с применением в биомедицине, нанобиотехнологиях и материаловедении. Curr Opin Chem Biol. 2016; 34: 1–10.
Артикул CAS Google Scholar
Tamura A, Fukutani Y, Takami T, Fujii M, Nakaguchi Y, Murakami Y, Noguchi K, Yohda M, Odaka M. Упаковка гостевых белков в нанокомпартмент инкапсулина из Rhodococcus erythropolis N771. Biotechnol Bioeng. 2015; 112 (1): 13–20.
Артикул CAS Google Scholar
Паттерсон Д.П., Шварц Б., Уотерс Р.С., Гедеон Т., Дуглас Т. Инкапсуляция ферментного каскада внутри вирусоподобной частицы бактериофага P22. ACS Chem Biol.2014; 9 (2): 359–65.
Артикул CAS Google Scholar
Гарднер Т.С., Кантор С.Р., Коллинз Дж. Дж. Конструирование генетического переключателя на Escherichia coli. Природа. 2000. 403 (6767): 339–42.
Артикул CAS Google Scholar
Inniss MC, Silver PA. Создание синтетической памяти. Curr Biol. 2013; 23 (17): R812–6.
Артикул CAS Google Scholar
Перселл О., Лу Т.К. Синтетические аналоговые и цифровые схемы для сотовых вычислений и памяти. Curr Opin Biotechnol. 2014; 29: 146–55.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Аджо-Франклин С.М., Друбин Д.А., Эскин Дж. А., Джи Е.П., Ландграф Д., Филлипс И., Сильвер ПА. Рациональный дизайн памяти в эукариотических клетках. Genes Dev. 2007. 21 (18): 2271–6.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Burrill DR, Inniss MC, Boyle PM, Silver PA. Синтетические схемы памяти для отслеживания судьбы клеток человека. Genes Dev. 2012. 26 (13): 1486–97.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Park M, Patel N, Keung AJ, Khalil AS. Инженерная эпигенетическая регуляция с использованием синтетических модулей чтения-записи. Клетка. 2019; 176 (1-2): 227–38 e220.
Артикул CAS Google Scholar
Хэм Т.С., Ли СК, Кислинг Д.Д., Аркин А.П. Разработка и создание переключателя двойной инверсии-рекомбинации для наследуемой последовательной генетической памяти. PLoS One. 2008; 3 (7): e2815.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Farzadfard F, Lu TK. Синтетическая биология. Геномно закодированная аналоговая память с точной записью ДНК in vivo в популяциях живых клеток. Наука. 2014; 346 (6211): 1256272.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Сиути П., Язбек Дж., Лу Т.К. Синтетические схемы, объединяющие логику и память в живых клетках. Nat Biotechnol. 2013. 31 (5): 448–52.
Артикул CAS Google Scholar
Тан З., Лю ДР. Записываемая аналоговая запись нескольких событий в клетках бактерий и млекопитающих. Наука. 2018; 360 (6385): eaap8992.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Bonnet J, Subsoontorn P, Endy D. Перезаписываемое хранение цифровых данных в живых клетках посредством инженерного контроля направленности рекомбинации. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2012; 109 (23): 8884–9.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Келлершон Н., Лоран М. Прионные болезни: динамика инфекции и свойства бистабильного перехода. Biophys J. 2001; 81 (5): 2517–29.
Артикул CAS PubMed PubMed Central Google Scholar
Wang L, Walker BL, Iannaccone S, Bhatt D, Kennedy PJ, Tse WT. Бистабильные переключатели контролируют память и пластичность клеточной дифференцировки. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2009; 106 (16): 6638–43.
Артикул PubMed PubMed Central Google Scholar
Esvelt KM, Smidler AL, Catteruccia F, Church GM. Относительно РНК-управляемых генов для изменения диких популяций.
