В чем белки не участвуют: Белки не участвуют: а) в переносе кислорода б) в движении в) в защите организма от инфекций

Наследственная информация записана не только в ДНК

В 50-х годах XX века были сделаны важнейшие открытия в области биологии: было разгадано строение главной молекулы жизни – молекулы ДНК. Принципы работы генетического конструктора выглядели гениально простыми и логичными, и не менее чем на полвека определили развитие биологии, практически став биологической догмой. Однако, как показывают последние исследования, детали генетического конструктора гораздо разнообразнее и сложнее, чем предполагалось прежде. О новейших исследованиях в области хранения и передачи наследственной информации рассказывает доктор биологических наук, сотрудник Палеонтологического Института РАН Александр Марков.

Классическая генетика

Классические представления о механизмах генетического наследования сложились в 50-60-е годы в результате серии великих открытий, которые сделали молекулярные биологи. Прежде всего это – расшифровка структуры ДНК и расшифровка генетического кода. То есть стало ясно, что наследственная информация записана в молекулах ДНК в виде последовательности из четырех «букв» – нуклеотидов. Эта информация переписывается с ДНК на РНК, а потом уже копия гена используется как инструкция для синтеза белка. Белки делают всю основную работу в нашем организме. Они определяют все его строение и все его функции. И каждые три буквы генетического кода кодируют аминокислоту, а белки состоят из аминокислот. Эти открытия породили некую эйфорию среди биологов, показалось, что тайна жизни разгадана. И это привело к некоторой догматизации открытых механизмов. И стало считаться общепризнанным, что наследственная информация записана в молекулах ДНК только так, что эта информация передается по цепочке от ДНК, то есть от генов, через РНК к белкам. А в обратном направлении – от белков к ДНК информация идти не может. Единственный способ возникновения наследственных изменений – это случайные ошибки при копировании молекул ДНК или мутации.

И такие представления оказались очень полезными, очень продуктивными для развития науки и привели к взрывному развитию молекулярной биологии. Но в процессе исследований постепенно стало выясняться, что на самом деле исходная схема была слишком упрощена и что на самом деле все гораздо сложнее и не так однозначно. Оказалось, что, во-первых, наследственные изменения возникают не только в результате случайных мутаций. Во-вторых, наследственная информация передается не только по этой однонаправленной цепочке. И, наконец, третье, что наследственная информация может быть записана не только в ДНК. Вот это три основных пункта, о которых хотелось бы сказать.

«Сознательные» мутации

Наследственные изменения возникают не только за счет случайных мутаций. В некоторых случаях изменения генов имеют вполне осмысленный, можно сказать целенаправленный характер. Яркий пример – это так называемая конверсия генов, которая происходит, в частности, у болезнетворных бактерий.

У гонококка – возбудителя гонореи – есть поверхностный белок, по которому его узнают клетки иммунной системы. Когда бактерии попадают в организм, клетки иммунной системы учатся распознавать этот поверхностный белок гонококка. И когда научатся, размножатся лимфоциты с соответствующими рецепторами, которые начинают этот гонококк уничтожать. А гонококк берет и «сознательно» меняет ген своего поверхностного белка, чтобы его перестали узнавать. У него есть ген поверхностного белка, а, кроме того, в геноме есть несколько неработающих копий этого гена, немного отличающихся друг от друга. И время от времени происходит следующее: какой-то фрагмент работающего гена заменяется фрагментом одной из нерабочих копий, и таким образом ген становится немножко другим, белок становится немножко другим, лимфоциты перестают его узнавать. В результате иммунитет против гонореи образуется с большим трудом или вообще не образуется.

Другой пример неслучайных изменений – встречается у бактерий как реакция на стресс: они повышают скорость мутирования. То есть когда, например, кишечная палочка попадает в стрессовую обстановку, она начинает производить специально такие белки, которые при копировании ДНК совершают гораздо больше ошибок, чем обычно. То есть они сами повышают скорость мутирования. Это, вообще говоря, шаг рискованный, в благоприятных условиях этого лучше не делать, потому что среди возникающих мутаций подавляющее большинство вредных или бесполезных. Но если уже все равно погибать, то бактерии этот механизм включают.

Другой путь передачи информации: от РНК к ДНК

Наследственная информация передается не только по той цепочке, которая изначально была постулирована ДНК – РНК – белок. Во-первых, было обнаружено явление так называемой обратной транскрипции, то есть информация может переписываться, например, у некоторых вирусов, с РНК на ДНК, то есть в обратную сторону. Оказалось, что это достаточно распространенный процесс. В геноме человека тоже есть соответствующий фермент и в результате обратной транскрипции с молекулы РНК идет переписывание в геном, в ДНК некоторой информации.

Как это происходит? В РНК попадает какая-то информация, которой нет в ДНК. На том этапе, когда информация существует в форме РНК, происходит активное редактирование этой информации, появляется редактор. Иногда ее редактируют белки, а иногда сама РНК сама себя редактирует.

Обычно у всех высших организмов гены состоят из многих кусочков, то есть это не сплошная последовательность ДНК, где записана структура белка, но она разрезана на кусочки, и между ними вставлены более-менее длинные куски ДНК, которые не кодируют белок. Они называются интроны. При редактировании РНК могут происходить различные изменения. Например, кодирующие участки могут склеиваться в разном порядке. И при этом все настолько сложно, что эти вырезаемые кусочки РНК – это активные молекулы, которые активно участвуют во всех процессах, они регулируют активность в каких-то других генах, они регулируют редактирование РНК, своих, других. То есть все запутано в сложнейший клубок взаимодействий.

Скажем, мы берем текст и вырезаем какие-то ненужные слова и выбрасываем в корзину. Теперь представьте себе, что эти ненужные слова вылезли из корзины, лезут обратно в книгу, начинают копошиться, менять какие-то слова, сами куда-то встраиваться. Вопреки классической схеме выяснилось, что РНК – очень активное действующее лицо во всех этих информационных процессах.

Такая отредактированная РНК может быть переписана обратно в ДНК и таким образом в какой-то степени может происходить наследование приобретенных признаков. Потому что, вид который принимает в конечном итоге зрелая РНК – это в определенном смысле приобретенный признак, он может быть переписан обратно в ДНК и тогда в ДНК появляется ретро-псевдоген. И таких ретро-псевдогенов в человеческом геноме полным-полно.

Носителем наследственной информации может быть не только ДНК

Наследственная информация, как выясняется, может быть записана не только в ДНК, а так же, по-видимому, и в РНК. В 2005-2006 году появился ряд статей в самых уважаемых научных журналах, где приводятся результаты экспериментов, в которых просто совершенно вопиющим образом нарушаются законы классической генетики. Взяли мышей, у мышей есть такой ген под названием Kit, он выполняет много разных функций и, том числе, от него зависит окраска. В экспериментальных целях была изготовлена мутантно-измененная версия этого гена «Kit минус». Каждый ген у мышей, у человека имеется в двух экземплярах, один от отца, другой – от матери. Мыши с генотипом «Kit минус-минус» просто погибают. Мыши с генотипом «Kit плюс-минус» имеют белые лапки и белый хвостик, а мыши «Kit плюс-плюс» имеют нормальную серую окраску. И по законам классической генетики, если мы берем мышей плюс-минус, то мы должны получить в потомстве следующее распределение: четверть мышей будут иметь генотип минус-минус и просто умрут сразу, четверть мышей будут иметь генотип плюс-плюс и, соответственно, нормальную окраску и половина, 50% будут иметь генотип плюс-минус и, соответственно, будут иметь белые лапки и хвост. Это еще в школе изучаемые закономерности Менделя.

А в итоге почему-то получили, что у 95% выживших мышат белые лапки и хвост. Как это могло произойти? Стали смотреть генотип, благо сейчас это достаточно нетрудно сделать. И оказалось, что с генотипом все в порядке, четверть мышат имеют генотип плюс-плюс и должны иметь нормальную окраску, однако они имели белые лапы и хвост. То есть получается, что у этих мышей нет гена белолапости и белохвостости, а признак есть. Откуда берется признак, если нет гена? То есть стало ясно, что в данном случае наследственная информация передается не через ДНК, потому что в ДНК записано одно, а видим мы другое. Что же тогда, если не ДНК передает этот признак? Естественно, подозрение в первую очередь пало на РНК. Выделили из мышей с генотипом плюс-минус ту РНК, которая считывается с мутантной копии гена. Эти фрагменты ввели в яйцеклетку дикой мыши, у которой никогда в роду никаких белохвостых не было. В результате получился белохвостый и белолапый мышонок. То есть, очевидно, эта РНК, которая попадает от родителей или специально вводится, эта мутантная РНК каким-то образом воздействует на нормальную РНК, которая считывается с нормального гена. Мутантная РНК делает из нормальной РНК ненормальную, и это передается по наследству.

В эксперименте с мышами было показано, что в некоторых случаях наследственная информация может передаваться через РНК. Таким образом становится ясно, что работа с информацией в живых клетках гораздо более сложно организована, чем предполагали классики генетики.

Вирусолог рассказал о новом способе попадания коронавируса в легкие

Фото: Москва 24/Антон Великжанин

Доктор биологических наук Алексей Аграновский сообщил, что инфекция коронавируса может попадать в легкие разными способами благодаря механизму «ключ-замок». В таком взаимодействии может участвовать не только белок ACE, через который коронавирус, как уже доказали, попадает в легкие, но и другие белки.

Новый способ попадания COVID-19 в легкие человека зафиксировали ученые из Китая. Основным путем распространения вируса в организме считается белок АСЕ2, но результаты исследований показали, что проникать в легкие и бронхи инфекция может благодаря ферменту AXL.

Этот фермент отвечает за многие физиологические процессы, включая выживание клеток, их дифференциацию и иммунные ответы. Ученые сделали вывод, что отключение AXL снижает инфекцию SARS-CoV-2 в первичных эпителиальных клетках легких.

Доктор биологических наук Алексей Аграновский в диалоге с Москвой 24 подтвердил, что рецептор ACE2, который находится в клетках слизистой оболочки человека, является главным местом прикрепления определенного участка белка-шипа коронавируса. «Это как взаимодействие ключ-замок», – отметил вирусолог.

Аграновский объяснил, что исследователи нашли новые белки, которые способствуют проникновению вируса, и такое возможно. «Рецептор необязательно состоит из одного белка ACE. Возможно, там принимают участие и другие наши белки и клетки. Очевидно, это белки, которые открыли китайские ученые», – сообщил эксперт.

Алексей Аграновский

доктор биологических наук

Кроме того, вирусолог не исключил возможность проникновения вируса в организм человека другими, пока не исследованными путями. «Могут быть другие белки, которые участвуют в этом процессе. Клеточные белки, белки клеток эпителия легких. Это надо изучать. Там могут быть особенности: на слизистой одна история по клеточному составу, а в легких – несколько другая», – отметил Аграновский.

При этом вирусолог подчеркнул, что сама структура вируса вряд ли может изменяться. «Не думаю, что конфигурация вируса может быть разной. Вирус относительно клетки просто устроен: он не перестраивается специально под легкие. Его оружие – это мутация, изменение белка-шипа и других поверхностных белков, чтобы лучше добиться своей нехорошей цели. Но он не может так капитально перестраиваться», – заключил Аграновский.

Читайте также

Гипотиреоз и гипертиреоз: симтомы и различия

Гипотиреоз и гипертиреоз.

Данные заболевания являются серьезными патологиями щитовидной железы, которые нарушают не только работу данного органа, но и других систем организма. Заболевания отличаются между собой, поэтому очень важно правильно распознать болезнь, чтобы грамотно назначить терапию и устранить симптомы нарушения.

Гипотиреоз

Состояние щитовидной железы, при котором происходит снижение выработки гормонов.

Причинами такого недуга могут быть:

• • Удаление части органа;
• • Аутоиммунное поражение;
• • Неспособность усваивать йод;
• • Генетическое нарушение.

Когда щитовидная железа здорова, она обеспечивает организм определенным количеством секрета. Если часть железы из-за болезни не участвует в синтезе, то вырабатываемых гормонов становится меньше.

В случае аутоиммунного поражения клетки иммунитета атакуют орган, тем самым разрушая тироциты. Это негативно сказывается на работе органа, что и приводит к нарушениям щитовидной железы.

При врожденных нарушениях, ферменты, которые участвуют в синтезе белка, имеют дефект, из за которого йод не усваивается полностью. Это служит причиной того, что гормоны получаются неполноценными (не функционируют должным образом).

Различают три формы нарушения. Первая вызвана заболеванием органа Вторая- при нарушении деятельности гипофиза. Третья форма, связана с деятельностью гипоталамуса.

Симптомы

Первичная стадия гипотиреоза встречается почти у каждого человека, однако, человек обычно не знает о патологии (из-за отсутствия симптомов). На первой стадии процесса может наблюдаться снижение настроения, апатия, снижение работоспособности. На фоне страсса, в котором обычно находится современный человек, такие симптомы не настораживают. по окончанию первой стадии появляются отеки на лице, сухость и шелушение кожи, изменение речи (на несколько тонов ниже), ухудшается слух, возникают боли в суставах, дискомфорт в грудной клетке, слабость в мышцах. Перечень симптомов очень широк, при их появлении необходимо обратиться к врачу для диагностики.

Гипертиреоз

Гипертиреоз это состояние, обратное гипотиреозу. Симптомы заболевания сильно отличаются, как и механизм развития болезни. В основе лежит гиперфункция щитовидной железы, говоря простым языком — вырабатывает слишком много гормонов. Попадая в кровь с избытком, они вызывают симптомы отравления, а метаболизм ускоряется в несколько раз.

Тиреотоксикоз — комплекс симптомов, который связан с серьезным нарушением здоровья.

Причинами такого недуга могут быть:

• • Длительный прием гормональных препаратов;
• • Различные отклонения щитовидной железы;
• • Переизбыток йода;
• • Другие причины.

Когда вам назначают гормональные средства, нужно четко соблюдать все рекомендации к применению и дозировки, иначе вы можете ввести свой организм в состояние искусственного гипертиреоза. Онкологическое поражение железы, диффузный токсический зоб и нарушение Пламмера также провоцируют чрезмерный синтез гормонов.

Среди других причин следует отметить: онкологическое поражение яичников, гипофиза, побочные действия лекарственных препаратов. Отклонению способствует депрессия, стресс, беременность.

Симптомы

В отличие от гипотиреоза, симптомы гипертиреоза заметны с самого начала. Это возбудимость, агрессивность, перепады настроения. Существуют и другие признаки: рассеянное внимание, нарушение сна, подверженность панике. При ощупывании наблюдается увеличение железы, из за чего часто возникает затруднение при глотании.

Отличия гипо от гипертиреоза:

• • Учащение пульса, повышенное сердцебиение;
• • Нарушение зрения;
• • Снижение веса при хорошем аппетите;
• • Перебои в менструальном цикле;
• • Потливость.

На фоне интоксикации организм пытается освободиться от избытка опасного вещества. Увеличивается сердцебиение, глазное яблоко увеличивается в объеме (происходит затруднение его вращения, а также появляется слезоточивость).

Из-за ускорения метаболизма, усвоение питательных веществ происходит быстрее, поэтому человек теряет вес, даже когда есть в привычном режиме. Для женщин это часто оборачивается трудностями в зачатии или прерыванием беременности.

Гипертиреоз и гипотиреоз взаимосвязаны — они могут сменять друг друга как различные стадии аутоиммунного процесса.

Как мы уже упомянули, возможен переход от одного состояния к другому. Часто наблюдается ситуация, когда гипертиреоз переходит в гипофункцию (после усиленной выработки гормонов, происходит их замедленная выработка). На протяжении жизни человек может переносить несколько различных заболеваний щитовидной железы.

В случае когда гипотиреоз переходит в обратный процесс, это означает, что в организме активно стали вырабатываться антитела, и произошло переключение на другой аутоиммунный процесс.

При первых признаках нарушения деятельности вашего организма, следует обратиться к врачу-эндокринологу. В нашей многопрофильной клинике в Москве «Sante Clinic» работают опытные врачи эндокринологи. Обратившись к нам вы убережете себя от очередей, утомительного ожидания и невнимательного отношения. Мы находимся рядом с метро Полежаевская, Хорошёво и Октябрьское поле. Ждем вас в Sante Clinic.

Эндокринология

В России систематизировали основные структуры некодирующей РНК — Наука

МОСКВА, 25 августа. /ТАСС/. Сотрудник Московского физико-технического института (МФТИ) систематизировал и описал функции основных структур некодирующей РНК, которая участвует в регуляции синтеза белка, а также может ускорять биохимические процессы в клетке. Результаты работы опубликованы в журнале Biochemistry, сообщила в среду пресс-служба вуза.

«Некодирующая РНК в клетке входит в некоторые важные органеллы, регулирует синтез белков, ускоряет отдельные реакции и участвует в других биологически важных процессах. Часто функционирование некодирующих РНК обеспечивается устойчивыми взаимодействиями нуклеотидов одной или нескольких молекул РНК. Биоинформатик из МФТИ и Института математических проблем биологии РАН описал известные структуры некодирующих РНК, связанных с аденином», — говорится в сообщении.

ДНК хранит информацию о нужных для функционирования клетки белках. При считывании этой информации образуются промежуточные молекулы — матричные РНК, по которым впоследствии и строится белок. Однако далеко не вся ДНК хранит последовательности именно белков, например почти 98% генома человека не кодируют белки. По части некодирующей ДНК синтезируются некодирующие молекулы РНК.

В настоящее время ученым известно, что эти молекулы, как правило, участвуют в регуляции синтеза белка, составляют большую часть рибосомы и выполняют ее функции. Также некодирующие РНК ускоряют некоторые биохимические процессы в клетке, в том числе могут подавлять производство белка. На этом эффекте основана работа одного из лекарств от редкого генетического заболевания — спинально-мышечной атрофии.

ДНК и некоторые участки РНК представляют собой двунитевые молекулы или части молекул, закрученные в спираль. Образующие молекулу нити расположены несимметрично относительно оси спирали, поэтому образуются малая и большая бороздки — меньший и больший, чем 180 градусов, угол между нитями. В малые бороздки некоторых некодирующих РНК встраиваются аденины — одно из четырех азотистых оснований в нуклеиновой кислоте в ДНК — из той же или другой молекулы РНК. Структуры РНК со связанным аденином называются А-минорами, а несколько идущих подряд А-миноров — мотивом А-минор.

Определение A-миноров

В новой работе старший преподаватель кафедры алгоритмов и технологий программирования МФТИ Евгений Баулин систематизировал имеющиеся структуры А-миноров и мотивов А-минор, описал их геометрию и функции. Ученый выделил две основных группы А-миноров, различающихся расстоянием вдоль последовательности РНК между тремя участвующими во взаимодействии нуклеотидами.

В структурах из первой группы они расположены близко, из второй — удалены друг от друга. Все обнаруженные ранее структуры А-миноров, как отмечают в МФТИ, можно разделить по этим двум группам и по типам взаимодействия в группах. Благодаря этой классификации можно быстро определять вид А-минора или мотива А-минора и пользоваться уже известными их свойствами.

«В настоящее время определяющие А-миноры программы и описания используют далеко не все существующие данные. К сожалению, такой подход упускает из виду многие неканонические A-миноры. Нет сомнений в том, что с экспоненциально растущим числом разрешенных трехмерных структур различных молекул РНК список функционально важных взаимодействий A-минор также будет быстро расти. Следовательно, необходимо разработать расширенные программы для описания различных типов A-миноров и для определения взаимодействий A-миноров с другими мотивами РНК», — сказал Баулин, слова которого приводится в сообщении.

Ученые обнаружили неожиданное сходство мозга и яичек

Яички и мозг человека практически идентичны по составу белков и имеют схожие принципы работы, сообщают португальские ученые. По-видимому, именно это становится причиной одновременных патологий мозга и репродуктивной системы у мужчин. Женский мозг, впрочем, имеет ту же степень сходства с яичками.

Более ранние исследования выявили связь между болезнями мозга и сексуальной дисфункцией у мужчин, а также между уровнем интеллекта и качеством спермы. Причины этого не были ясны до конца, однако новые данные, похоже, приоткрывают завесу тайны.

Ученые из Авейрусского университета сравнили белки в 33 типах тканей, включая ткани сердца, кишечника, шейки матки, яичников и плаценты, и обнаружили, что

тестикулы и мозг имеют более 13 тыс. общих белков. Также у мозга и яичек оказалось больше всего общих генов, регулирующих экспрессию этих белков.

«Из 14 315 белков, образующих протеом (совокупность всех белков — «Газета.Ru».) мозга, и 15 687 белков, образующих протеом тестикул, 13 442 встречаются в обоих типах тканей, — пишут авторы работы, опубликованной в журнале Royal Society Open Biology. — Мозг и яички содержат наибольшее количество общих белков по сравнению с другими тканями человеческого тела».

Большинство общих белков участвуют в экзоцитозе (механизме клеточных выделений), развитии тканей и межклеточной коммуникации.

Результаты не слишком удивили исследователей. Несмотря на разные задачи,

мозг и яички имеют много общего в принципах работы. Оба органа потребляют очень много энергии, поэтому для образования и поддержки и нейронов, и гоноцитов (половых клеток) нужны специальные клетки. Кроме того, и нейроны, и клетки семенников имеют общую функцию — выделять определенные вещества (нейромедиаторы в первом случае и мужские половые гормоны — во втором).

В нейронах экзоцитоз приводит к росту аксонов и дендритов, сперматозоидам же он позволяет сливаться с яйцеклеткой.

Кроме того, из-за высокой активности клетки и мозга, и яичек подвержены окислительному стрессу. Он может приводить к поражению клеток и тканей, поэтому мозг защищен гематоэнцефалическим барьером, а яички — гематотестикулярным.

Также у сперматозоидов есть рецепторы к глутамату, глицину, гаммааминомасляной кислоте и другим нейромедиаторам, к которым восприимчивы и нейроны.

«Человеческий нейрон и сперматозоид — очень разные клетки, однако они имеют несколько общих молекулярных особенностей, и огромное количество белков оказались общими для обоих типов клеток, — отмечают исследователи. — Понимание этих сходств и их последствий весьма интересно для научного сообщества».

Процесс, в результате которого такие разные органы обрели общие черты, исследователи сравнивают с конвергентной эволюцией. При ней у разных животных, эволюционировавших в сходных условиях, развиваются похожие особенности. Так мозг и яички, обладая схожим механизмом работы, обрели множество общих белков и генов.

Сходство человеческого мозга и яичек можно объяснить биохимической конвергенцией и участием в сходных процессах, заключают ученые. Обнаруженное сходство может иметь важное клиническое значение — общие белки могут быть связаны с одновременным нарушением функций и мозга, и яичек. Более глубокое изучение роли этих белков поможет в понимании особенностей развития патологий и поиска стратегий борьбы с ними.

«Это малоизученная тема, и необходимо прояснить связь между этими тканями, что позволит понять причины дисфункций, влияющие на мозг и яички одновременно, а также разработать более совершенные методы борьбы с этими дисфункциями», — пишут исследователи.

Хотя исследователи рассматривали сходства между мозгом и яичками с точки зрения поддержки мужского здоровья, мозг женщин имеет ту же степень сходства протеома, что и мужской.

Общий набор генов в тканях мозга и яичек также может говорить о том, что оба этих органа играют роль в видообразовании человека в ходе эволюции. Косвенно на это указывает, в частности, конкуренция сперматозоидов за оплодотворение яйцеклетки и тот факт, что самцы, рожденные от скрещивания животных разных видов, часто менее фертильны — это накладывает на вид репродуктивные ограничения, позволяющие ему держаться в определенных генетических рамках. Однако то, как все эти факторы связаны между собой и как их можно использовать в клинической практике, еще предстоит изучить.

Как минские добровольцы участвуют в испытаниях российской вакцины от COVID-19 — Российская газета

Как минские добровольцы участвуют в испытаниях российской вакцины от коронавируса

Клинические испытания вакцины, разработанной учеными НИЦЭМ имени Николая Гамалеи, стартовали в Беларуси две недели назад. За это время желающих первыми испробовать на себе действие «Спутника-V» набралось более четырех тысяч. И заявки от добровольцев продолжают поступать.

О том, что белорусы будут участвовать в научном эксперименте, договорились президенты Владимир Путин и Александр Лукашенко. После того как действие препарата будет изучено, вакцину станут применять массово. Как проходят исследования, узнала наш корреспондент.

Вероника Валентиновна работает учителем истории в школе Минска. Когда услышала о том, что начались испытания вакцины от COVID-19, не раздумывая, решила записаться в добровольцы. Позвонила в поликлинику, прошла обследование.

После того как выяснилось, что противопоказаний к введению вакцины нет, учительницу пригласили на прием.

— В любом деле кто-то должен быть первым, — говорит она с улыбкой. — А я, как наставник, обязана «сеять разумное, доброе, вечное». Тем более не стоит забывать и о главном принципе педагогики — учить детей на личном примере.

Пока Вероника подписывает договор, заместитель главврача по оргмедработе 14-й центральной районной поликлиники Партизанского района Минска Захар Кулаковский рассказывает, что мотивы к участию в исследовании самые разные. Кто-то хочет помочь науке, кто-то идет на эксперимент, чтобы защититься от вируса.

— Препарат протестируют в восьми медучреждениях страны, в том числе в шести поликлиниках Минска, — говорит Захар Кулаковский. — Все они после регистрации «Спутника V» получили статус исследовательских центров. Стать добровольцем могут мужчины и женщины от 18 до 60 лет, которые подходят по состоянию здоровья.

Захар Кулаковский отмечает важный нюанс: ни живой, ни убитый коронавирус SARS-CoV-2, вызывающий заболевание COVID-19, при получении вакцины не использовался и в состав не входит. Поэтому ни введенный препарат, ни вырабатываемый в ответ белок не способны вызвать у человека это заболевание.

Договор подписан — можно готовиться к вакцинированию. Вероника Валентиновна не скрывает, что немного волнуется.

— Как и перед любым уколом, немного страшно, — признается она по пути в процедурный.

Пациентку приглашают в кабинет для вакцинации. Медсестра наполняет шприц и легким движением руки делает укол. Вероника прижимает место «комариного укуса» обычной ваткой. Вот и вся процедура.

Исследование является двойным слепым. Это означает, что ни пациент, ни врач не будут знать, какой именно препарат получит пациент — вакцину или плацебо. Внешне они ничем не отличаются. Тем не менее в случае проявления проблем со здоровьем врач-исследователь имеет возможность выяснить, какой именно препарат был введен, чтобы принять необходимые меры.

Введение вакцины или плацебо проходит в два этапа: на первом вводится первый компонент. Второй компонент — на 21-й день. Компоненты отличаются входящими в состав активными веществами. Это сделано для усиления иммунной защиты организма.

На следующий день после введения вакцины предстоит осмотр у терапевта, либо с врачом можно просто созвониться. Пациент ведет специальный дневник, в котором записывает все изменения своего самочувствия. Несколько ограничений — первое время стоит воздержаться от прививки от гриппа. Ранку нельзя мочить и чесать.

— Полчаса после введения вакцины человек находится под наблюдением, а потом — обычная жизнь, ничего особенного, — говорит доктор. — Все обследования проводятся до вакцинации. Мы проверяем добровольца на наличие ВИЧ-инфекции, гепатитов, сифилиса. Исследуем, употребляет ли человек наркотики и алкоголь. Берем мазок на коронавирус и кровь на антитела к COVID-19. Женщинам — тест на беременность. После этого осмотр терапевта и последующая вакцинация. Через три недели — повторная ревакцинация.

Пациент видится с врачом на 42-й день после введения вакцины, на 90-й, 120-й и 180-й. После этого кровь человека, прошедшего вакцинацию, замораживается и отправляется на анализ, чтобы проверить наличие антител к коронавирусу.

Во время клинических испытаний белорусские и российские врачи будут изучать состояние пациентов после введения тестируемого препарата. На основании исследований сделают заключение о безопасности вакцины.

прямая речь

Дмитрий Пиневич, и.о. министра здравоохранения Беларуси:

— Несмотря на то что эффект от вакцины доказан клинически, препарат мы будем оценивать с точки зрения возникновения побочных эффектов. По данным отчетов, литературы и нашего тесного взаимодействия с российской стороной, побочных действий не зафиксировано. Но мы хотели бы в этом убедиться сами. Для вакцинации будут отобраны 100 человек. Лекарственный препарат введут только 75 пациентам, остальным 25 — плацебо. Планируется, что после исследований Беларусь первой получит российскую вакцину от коронавируса.

Инфографика «РГ» / Антон Переплетчиков

Хотите знать больше о Союзном государстве? Подписывайтесь на наши новости в социальных сетях.

Новаторская генная терапия предотвратила слепоту у 12-летней девочки

Впервые в Испании команда профессионалов из Госпиталя Сант Жоан де Деу в Барселоне вылечила 12-летнюю девочку с помощью генной терапии Luxturna от компании Novartis, которая родилась с наследственной дистрофией сетчатки, из-за которой пациентке угрожала полная слепота.

Перед лечением девочка, которая родилась с очень низким зрением, постепенно теряла его и сохранила только 3%. Проведение терапии позволило замедлить прогрессирование заболевания, улучшило центральное зрение до 10% и, особенно, периферическое зрение (например, способность передвигаться в сумерках и темноте).

До сих пор не существовало лечения для борьбы с этим заболеванием, и люди, которые страдали от него, в конечном итоге полностью теряли зрение. Теперь Ноа больше нет необходимости читать шрифт Брайля, так как она может читать текст, написанный 16 шрифтом, а также может безопасно передвигаться в сумерках.

Полученная пациенткой терапия содержит активное вещество voretigen neparvovec, которое действует на ген RPE65, один из генов, мутировавших при некоторых наследственных дистрофиях сетчатки. Этот ген отвечает за кодирование белка, который помогает преобразовывать свет, попадающий в глаз, в электрические сигналы, которые передаются в мозг и создают изображения, которые мы видим. Когда ген RPE65 имеет патогенную мутацию, белок не работает должным образом, и зрительный цикл прерывается.

Ген RPE65 участвует только в двух заболеваниях, которые входят в группу наследственных дистрофий сетчатки: в некоторых врожденных амаврозах Лебера и некоторых пигментных ретинитах. Генная терапия Luxturna показана только при дистрофиях сетчатки, вторичных по отношению к мутациям в гене RPE65.

Для того, чтобы терапия была эффективной, также важно, чтобы у пациента была мутация в обеих копиях гена — отца и матери, и чтобы у него все еще оставались функциональные клетки сетчатки во время лечения; это значит, что должно сохраняться зрение.

Что такое терапия Luxturna?

Терапия состоит из генетической модификации непатологического вируса для введения функциональной копии гена RPE65, который, оказавшись в глазу пациента, заменяет мутировавший ген, получает доступ к еще живым клеткам сетчатки, кодирует здоровый белок RPE65 и активизирует визуальный цикл.

Генетически модифицированный вирус вводят пациенту путем инъекции под сетчатку глаза. Вмешательство, которое длится примерно 45 минут, сначала проводится на одном глазу, а через неделю повторяется на другом.

Из-за чрезвычайной сложности вмешательства и большой точности, которая для него требуется, медицинская бригада, которая лечила Ноа, сначала провела предварительную симуляцию на искусственном глазу. Это моделирование было включено в Каталог передовой практики Novartis.

Luxturna — единственная авторизованная генная терапия наследственных дистрофий сетчатки. Офтальмолог, лечивший Ноа, Жауме Катала из Отделения офтальмологии Госпиталя Сант Жоан де Деу Барселона, подчеркивает важность этого достижения, которое «вселяет надежду и открывает двери для открытия в будущем аналогичных методов лечения других заболеваний дистрофии сетчатки, в которых участвуют другие гены. Описано более 250 генов, участвующих в дистрофиях».

Отделение по наследственным дистрофиям сетчатки Сант Жоан де Деу — Госпиталь Bellvitge

Госпиталь Сант Жоан де Деу в Барселоне является ведущим центром по лечению наследственных дистрофий сетчатки. Вместе с Госпиталем Bellvitge и ассоциацией Es Retina было создано первое в Каталонии отделение, специализирующееся на лечении этой патологии у детей и взрослых.

В настоящее время в отделении находятся около 1000 больных как из Каталонии, так и из Испании. В настоящее время отделение занимается созданием сети медицинской помощи для пациентов с наследственными дистрофиями сетчатки с постепенным включением госпиталей Каталонии и Испании для улучшения их диагностики, последующего наблюдения и лечения.

Когда фермент не является белком? | Особенность

Один из первых принципов, которым учат изучающих биохимию элементарных школ, состоит в том, что ферменты — катализаторы, которые могут в миллионы раз ускорять химические реакции в живых системах — являются белками. Это, безусловно, верно для подавляющего большинства ферментов, но это упрощение — точно так же, как традиционное утверждение центральной догмы молекулярной биологии (ДНК создает из РНК белок) является упрощением. Удивительное открытие, сделанное в 1982 году, что молекулы РНК сами по себе могут обладать каталитической активностью, впервые доказало, что нуклеиновые кислоты — это больше, чем просто пассивные носители информации.Теперь мы знаем, что катализ РНК необходим для жизни; мы понимаем химический механизм многих из этих «рибозимов» и начали их реконструировать и конструировать, первоначально в основном в качестве исследовательских инструментов, но с прицелом на применение в качестве переключателей и биосенсоров и, в конечном итоге, в качестве терапевтических средств.

Открытие рибозимов раз и навсегда показало, что РНК является центральным участником жизни клетки.

Томас Чех из Университета Колорадо в США первым открыл молекулу РНК с ферментативной активностью.В конце 1970-х он только что открыл свою лабораторию в Колорадо и изучал процессинг нуклеиновых кислот и экспрессию генов у простейших, живущих в прудах, под названием Tetrahymena thermophila . Он заметил, что молекулы РНК этого малоизвестного организма можно разрезать на части или сращивать, если их изолировать в пробирке. «Мы потратили год на поиск белков, участвующих в этой реакции сплайсинга. Поскольку это было настолько быстро и специфично, что его нужно было катализировать с помощью фермента, и, конечно, мы знали, что «все ферменты — это белки», — говорит он.«Нам потребовалось много времени, чтобы понять, что белка не существует, а катализатором была сама РНК. Загрязнение белка Tetrahymena может быть ответственным за реакцию.

Чех также был ответственен за создание названия «рибозим», когда он организовал в своей лаборатории конкурс, чтобы назвать молекулу, которую они обнаружили. «Несколько предложений, которые мы использовали для названия Tetrahymena .Я выбрал более общий «рибозим», но пошел на риск, потому что наш был единственным известным примером. Мы бы выглядели довольно глупо, если бы он оказался единственным примером или, возможно, обнаружен только у простейших », — объясняет он. Конечно, эти опасения оказались беспочвенными: вторая каталитическая РНК была открыта, когда Сидни Альтман из Йельского университета в США показал, что каталитическая часть РНК-белкового комплекса, обнаруженного у бактерий, РНКаза P, на самом деле была нуклеиновой кислотой. .

Чех и Альтман разделили Нобелевскую премию по химии 1989 года за эти открытия, и теперь мы знаем о рибозимах, которые участвуют во многих различных биохимических процессах: в основном, но не только, в процессинге РНК.«Открытие рибозимов раз и навсегда показало, что РНК является центральным участником жизни клетки, и привело к растущему интересу к РНК и получению еще нескольких Нобелевских премий», — говорит Чех.

Возьмите к нему молоток

Так называемые рибозимы «головки молотка» — названные в честь предполагаемого сходства между ранними двухмерными диаграммами их структуры и акулой — катализируют сайт-специфическое расщепление молекул РНК. Впервые они были обнаружены в середине 1980-х годов у крошечных вирусоподобных патогенов растений, называемых вироидами, но теперь известно, что они встречаются повсюду в природе, в том числе у людей.Структура этих довольно малых РНК и химия простой реакции, которую они катализируют, теперь очень хорошо изучены. Их естественная функция, строго говоря, вовсе не «катализ»: последовательность РНК-мишени расщепляется изомеризацией фосфодиэфирной связи, а сам рибозим потребляется в результате реакции. Первоначально предполагалось, что для этой реакции требуется ион двухвалентного металла, так же как фермент металлопротеиназы требует цинка, но теперь считается, что эти ионы в основном участвуют в стабилизации каркасов РНК.

Рибозимы типа «головка молотка» по своей природе цис-действующие: то есть их естественная активность заключается в расщеплении и, следовательно, в инактивации самих себя. Поскольку это довольно маленькие и простые молекулы, их относительно легко сконструировать для расщепления внешних субстратов (действует trans ). Кроме того, рибозим в форме головки молотка состоит из консервативного центрального каталитического ядра с двумя «плечами», которые распознают последовательность РНК, подлежащую расщеплению, поэтому довольно просто создать рибозим для расщепления определенной последовательности путем изменения нуклеотидов в плечах.

Несколько групп используют эту технику для создания рибозимов, распознающих и расщепляющих определенные последовательности РНК, как для выяснения молекулярных механизмов in vivo, так и для биотехнологических приложений. Матасора Фукуда и его группа из Университета Фукуока в Японии используют его, чтобы понять некоторые механизмы, участвующие в редактировании РНК. Это название получили процессы, которые изменяют химию оснований в РНК во время или после их транскрипции из ДНК. Редактирование РНК аденозина в инозин (A-to-I), как следует из названия, включает дезаминирование аденина с образованием другого пурина, гипоксантина (инозин является нуклеозидом гипоксантина).Поскольку аденозин расшифровывается как гуанин, он может изменять последовательность белка, когда он встречается в областях, кодирующих белок, и регулирует множество биологических процессов.

Фукуда и его сотрудники использовали общий факт, что рибозимы в форме головки молотка могут расщеплять базовую последовательность UAA, но не UGA (U: урацил; A: аденин; G: гуанин), и сходство между гуанозином и инозином для создания структуры рибозима, которая расщепляет сайт-мишень для редактирования РНК, только если не была произведена замена A-to-I.Затем они создали библиотеку рибозимов, содержащих этот центральный мотив, расширенный с каждой стороны случайными последовательностями, и выбрали наиболее стабильный и, следовательно, наиболее активный из них для дальнейшего тестирования. «Этот рибозим расщепляет неотредактированные последовательности РНК, но не отредактированные, но он был полностью активен только при более высоких концентрациях магния, чем те, которые встречаются в клетках», — говорит Фукуда. «Создание рибозима, который работает при физиологических концентрациях соли, потребует дальнейшей модификации». Аберрации в редактировании РНК A-to-I наблюдались при нескольких заболеваниях, и Фукуда надеется, что в один прекрасный день с использованием аналогичных методов могут быть созданы новые методы лечения, нацеленные на нуклеиновые кислоты. .Однако пока не ясно, являются ли эти отклонения причиной или следствием заболевания. «Первые применения этих методов, вероятно, станут новыми инструментами для исследований в области молекулярной биологии», — добавляет Фукуда.

Первыми приложениями, вероятно, будут инструменты для молекулярной биологии

Роберт Пенчовски из Софийского университета в Болгарии использует аналогичный подход для создания рибозимов, которые обнаруживают и реагируют на присутствие определенных небольших молекул. Аптамер — это короткая последовательность нуклеиновой кислоты или небольшой белок, который связывается с данной молекулярной мишенью.Большинство аптамеров являются синтетическими, а аллостерические рибозимы — те, которые активны только с лигандом, связанным за пределами каталитического домена, — могут быть созданы путем слияния РНК-аптамера, содержащего сайт связывания, например, с каталитическим рибозимом в форме головки молотка.

Penchovsky использовал компьютерное моделирование для создания молекул этого типа, в которых рибозим меняет конформацию между активным и неактивным состояниями в ответ на теофиллин, пурин, который химически подобен кофеину. «Эти простые рибозимы могут действовать как ворота молекулярной логики с функцией ДА логической логики, если связывание теофиллина активирует рибозим, и функция НЕ, если связывание дезактивирует его», — говорит Пенчовски.«Я также могу разработать олигонуклеотид-чувствительные рибозимы, которые действуют как логические элементы И и ИЛИ, и аналогичные биосенсорные системы уже использовались в высокопроизводительных скрининговых массивах для открытия антибактериальных лекарств». Есть и другие потенциальные применения этой технологии в молекулярных вычислениях и антибиотиках. дизайн, и Penchovsky ищет промышленных сотрудников для их дальнейшего развития.

Рибосома

Рибозимы «Голова молотка» — это довольно маленькие, легко поддающиеся обработке молекулы, которые можно относительно легко синтезировать.Однако есть и другие биологически важные рибозимы, которые находятся прямо на другом конце макромолекулярного спектра. Рибосома, «молекулярная машина», которая катализирует синтез белка и присутствует во всех живых клетках, имеет две субъединицы, которые объединяются только во время синтеза белка, и каждая субъединица включает множество молекул белка и РНК. Когда была опубликована первая структура большой субъединицы с высоким разрешением, задействованные исследователи, Том Стейтц и его группа из Йельского университета, прокомментировали, что белки присутствуют повсюду на поверхности субъединицы, кроме активного центра, где происходит образование пептидной связи и где она контактирует. малая субъединица ».Стейтц и его сотрудники пришли к выводу, что очень неожиданно именно молекулы РНК были главным образом, если не исключительно, вовлечены в синтез пептидов, а белки действовали как «скрепки», чтобы удерживать их на месте. Они установили, что рибосома — это рибозим.

Венки Рамакришнан из Лаборатории молекулярной биологии MRC в Кембридже, Великобритания, разделил Нобелевскую премию по химии 2009 года за исследования рибосомы вместе со Стейтцем и Адой Йонат из Института Вейцмана в Израиле.Он посвятил много недавних исследований пониманию механизма, посредством которого рибосома распознает три нуклеотида, которые образуют «стоп-кодон», прекращает синтез белка и высвобождает вновь образованный белок. Стандартный генетический код использует три стоп-кодона, UAA, UGA и UAG, и замечательные структурные исследования Рамакришнана, в которых использовались электронная микроскопия, а также кристаллография, показали, как эукариотический белок, известный как фактор высвобождения, может, будучи связанным с рибосомой, использовать основание стекинг и водородная связь для распознавания этих триплетов оснований, но не других.Интересно, что это тоже можно сравнить с логическим вентилем, в данном случае вентилем И-НЕ с G, представленным 1, а A — 0. Любая комбинация этих двух нуклеотидов, кроме ‘GG’ (’11’) в положения второго и третьего кодона будут сигнализировать о прекращении синтеза белка.

Эти и другие открытия показывают, что молекулы РНК способны катализировать полный минимальный набор химических реакций, необходимых для жизни, и это привело к теории происхождения жизни, названной «миром РНК».Это говорит о том, что, поскольку молекулы РНК способны самовоспроизводиться и сочетать ДНК-подобную функцию хранения информации с белковоподобной функцией химического катализа, вся жизнь на Земле могла развиться из примитивных «организмов», состоящих только из РНК. . «Невозможно доказать эту теорию, поскольку не существует молекулярных окаменелостей, но вся информация, которую мы накопили о рибозимах и РНК, предполагает, что это не только возможно, но и вероятно», — говорит Чех.

Обретение контроля

Невозможно даже представить себе в ближайшее время ученых, создающих рибозим, который по своей структуре и функциям был бы таким же сложным, как рибосома.Но исследователи уже работают с натуральными рибосомами, чтобы незаметно изменить их свойства. Первоначально это было ограничено их неспособностью контролировать, какие из имеющихся больших и малых рибосомных субъединиц будут образовывать активные комплексы. Однако теперь несколько групп, включая Джейсона Чина из Лаборатории молекулярной биологии MRC, Александра Манкина из Университета Иллинойса и Майкла Джуэтта из Северо-Западного университета в США, показали, что можно создать полностью ортогональные рибосомы с субъединицами, которые были соединены ковалентными линкерами и все еще каталитически активны.

Манкин, Джуэтт и их команды разработали «привязанную» рибосому, в которой к одному РНК-компоненту каждой из большой и малой субъединиц рибосомы E. coli присоединены два полиаденозиновых нуклеотида. «Эти линкеры должны быть достаточно длинными, чтобы гарантировать, что субъединицы могут производить весь спектр конформационных изменений, необходимых для синтеза белка, но достаточно короткими, чтобы предотвратить связывание любой субъединицы с другой рибосомой», — объясняет Манкин.«Один восьминуклеотидный и один девятинуклеотидный линкер работают очень хорошо». Эти рибосомы, называемые Ribo-T, могут катализировать синтез белка в клетках E. coli , даже если там нет рибосом дикого типа, хотя бактерии без рибосомы дикого типа растут вдвое медленнее. «Мы используем Ribo-T для дальнейшего изучения механизма синтеза белка, и мы сможем создавать привязанные рибосомы с необычными функциями, в конечном итоге даже заставляя их синтезировать другие полимеры, помимо белков», — добавляет Джеветт.

Рибосома — не единственная большая молекулярная машина, которая, как было показано, является рибозимом. Гены большинства эукариот содержат некодирующие сегменты, называемые интронами, которые необходимо удалить из транскрибируемой информационной РНК, прежде чем они достигнут рибосомы. Этот процесс, в котором РНК расщепляется в начале и в конце каждого интрона, а затем повторно соединяются кодирующие белок последовательности экзонов, называется сплайсингом, а комплекс белок-РНК, который катализирует эту реакцию, является сплайсосомой. Он состоит из пяти небольших молекул РНК, белковых комплексов и ионов магния, и опять же, каталитическая единица формируется из РНК и стабилизируется белками и ионами.Структура РНК-компонента сплайсосомы очень похожа на структуру рибозима гораздо меньшего размера, самосплайсингового интрона группы II, который находится в геномах всех организмов. «Белки стабилизируют структуру интронов группы II и усиливают их активность, хотя они не являются необходимыми для катализа», — объясняет Киёси Нагаи из лаборатории молекулярной биологии MRC. «Недавние структурные исследования сплайсосомы выявили еще большее сходство между сплайсосомой и самосплайсинговыми интронами группы II, что указывает на возможное общее эволюционное происхождение.’

Изучение структуры и функций больших и малых рибозимов уже привело к появлению многих новых идей в области молекулярной биологии и молекулярных структур с новым химическим составом и функциями. Они, несомненно, будут играть все более важную роль в формирующейся дисциплине синтетической биологии.

Клэр Сансом, научный писатель из Лондона, Великобритания

Структура ДНК, репликация и эукариотический хроматин Структура>

белков | Микробиология

Цели обучения

• Опишите фундаментальную структуру аминокислоты
• Опишите химическую структуру белков
• Обобщить уникальные характеристики белков

В начале этой главы был описан знаменитый эксперимент, в котором ученые синтезировали аминокислот в условиях, имитирующих те, что присутствуют на Земле, задолго до эволюции жизни в том виде, в каком мы ее знаем.Эти соединения способны связываться друг с другом практически в любом количестве, давая молекулы практически любого размера, которые обладают широким спектром физических и химических свойств и выполняют множество функций, жизненно важных для всех организмов. Молекулы, полученные из аминокислот, могут функционировать как структурные компоненты клеток и субклеточных образований, как источники питательных веществ, как резервуары для хранения атомов и энергии, а также как функциональные виды, такие как гормоны, ферменты, рецепторы и транспортные молекулы.

Аминокислоты и пептидные связи

Рисунок 1.

Аминокислота представляет собой органическую молекулу, в которой атом водорода, карбоксильная группа (–COOH) и аминогруппа (–NH ₂ ) связаны с одним и тем же атомом углерода, так называемым α углерод . Четвертая группа, связанная с α-углеродом, варьируется среди различных аминокислот и называется остатком или боковой цепью , представленной в структурных формулах буквой R .Остаток — это мономер, образующийся при объединении двух или более аминокислот и удалении молекул воды. Первичная структура белка, пептидная цепь, состоит из аминокислотных остатков. Уникальные характеристики функциональных групп и R групп позволяют этим компонентам аминокислот образовывать водородные, ионные и дисульфидные связи, а также полярные / неполярные взаимодействия, необходимые для образования вторичных, третичных и четвертичных белковых структур. Эти группы состоят в основном из углерода, водорода, кислорода, азота и серы в форме углеводородов, кислот, амидов, спиртов и аминов.Несколько примеров, иллюстрирующих эти возможности, представлены на Рисунке 1.

Аминокислоты могут химически связываться вместе посредством реакции группы карбоновой кислоты одной молекулы с аминогруппой другой. Эта реакция образует пептидную связь и молекулу воды и является еще одним примером синтеза дегидратации (рис. 2). Молекулы, образованные путем химического связывания относительно небольшого количества аминокислот (примерно 50 или меньше), называются пептидами , и для обозначения этих чисел часто используются префиксы: дипептидов (две аминокислоты), трипептиды (три аминокислоты). кислоты) и т. д.В более общем смысле обозначается приблизительное количество аминокислот: олигопептидов образуются путем соединения примерно до 20 аминокислот, тогда как полипептидов синтезируются примерно из 50 аминокислот. Когда количество связанных вместе аминокислот становится очень большим или когда несколько полипептидов используются в качестве строительных субъединиц, образующиеся макромолекулы называются белками . Непрерывно изменяющаяся длина (количество мономеров) этих биополимеров , наряду с разнообразием возможных R групп на каждой аминокислоте, позволяет практически неограниченное разнообразие типов белков, которые могут быть образованы.

Рис. 2. Образование пептидной связи — это реакция синтеза дегидратации. Карбоксильная группа первой аминокислоты (аланин) связана с аминогруппой входящей второй аминокислоты (аланина). При этом выделяется молекула воды.

Подумай об этом

• Сколько аминокислот в полипептидах?

Структура белка

Размер (длина) и специфическая аминокислотная последовательность белка являются основными детерминантами его формы, а форма белка имеет решающее значение для его функции.Например, в процессе биологической фиксации азота (см. Биогеохимические циклы) почвенные микроорганизмы, известные под общим названием ризобии , симбиотически взаимодействуют с корнями бобовых растений, таких как соевые бобы, арахис или бобы, с образованием новой структуры, называемой клубеньком на поверхности. корни растений. Затем растение производит белок-носитель, называемый леггемоглобином, белок, переносящий азот или кислород. Леггемоглобин с очень высоким сродством связывается с кислородом субстрата в определенной области белка, форма и аминокислотная последовательность которого являются подходящими (активный сайт , ).Если форма или химическое окружение активного центра изменяется, даже незначительно, субстрат может быть не в состоянии связываться так сильно или может не связываться вообще. Таким образом, чтобы белок был полностью активным, он должен иметь форму, соответствующую его функции.

Структура белка подразделяется на четыре уровня: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Первичная структура — это просто последовательность из аминокислот , которые составляют полипептидную цепь .На рисунке 3 изображена первичная структура белка.

Рисунок 3. Щелкните, чтобы просмотреть увеличенное изображение. Первичная структура белка — это последовательность аминокислот. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

Цепочка аминокислот, определяющая первичную структуру белка, не жесткая, а гибкая из-за природы связей, которые удерживают аминокислоты вместе. Когда цепь достаточно длинная, водородная связь может возникать между аминогруппами и карбонильными функциональными группами внутри пептидного остова (за исключением боковой группы R ), что приводит к локализованному сворачиванию полипептидной цепи в спирали и пласты.Эти формы составляют вторичную структуру белка . Наиболее распространенными вторичными структурами являются α-спираль и β-складчатый лист. В структуре α-спираль спираль удерживается водородными связями между атомом кислорода в карбонильной группе одной аминокислоты и атомом водорода аминогруппы, который находится всего на четыре аминокислотных единицы дальше по цепи. В β-складчатом листе складки образованы аналогичными водородными связями между непрерывными последовательностями карбонила и аминогрупп , которые далее разделены на основной цепи полипептидной цепи (Фиг.4).

Рис. 4. Вторичная структура белка может быть α-спиралью, β-складчатым листом или и тем, и другим.

Рисунок 5. Щелкните, чтобы просмотреть увеличенное изображение. Третичная структура белков определяется множеством сил притяжения, включая гидрофобные взаимодействия, ионную связь, водородную связь и дисульфидные связи.

Следующим уровнем белковой организации является третичная структура , которая представляет собой крупномасштабную трехмерную форму одной полипептидной цепи.Третичная структура определяется взаимодействиями между аминокислотными остатками, которые находятся далеко друг от друга в цепи. Разнообразные взаимодействия приводят к появлению третичной структуры белка, такой как дисульфидные мостики , которые представляют собой связи между сульфгидрильными (–SH) функциональными группами на боковых группах аминокислот; водородные связи; ионные связи; и гидрофобные взаимодействия между неполярными боковыми цепями. Все эти взаимодействия, слабые и сильные, в совокупности определяют окончательную трехмерную форму белка и его функцию (рис. 5).

Процесс, при котором полипептидная цепь принимает крупномасштабную трехмерную форму, называется сворачиванием белка . Считается, что свернутые белки, которые полностью функциональны в своей нормальной биологической роли, обладают нативной структурой . Когда белок теряет свою трехмерную форму, он может больше не функционировать. Эти развернутых белков являются денатурированными . Денатурация подразумевает потерю вторичной структуры и третичной структуры (и, если присутствует, четвертичной структуры) без потери первичной структуры.

Некоторые белки представляют собой сборки нескольких отдельных полипептидов , также известных как субъединицы белка . Эти белки функционируют адекватно только тогда, когда все субъединицы присутствуют и соответствующим образом сконфигурированы. Взаимодействия, которые удерживают эти субъединицы вместе, составляют четвертичную структуру белка. Общая четвертичная структура стабилизируется относительно слабыми взаимодействиями. Гемоглобин, например, имеет четвертичную структуру из четырех субъединиц глобулярного белка: двух α и двух β полипептидов, каждый из которых содержит гем на основе железа (рис. 6).

Рис. 6. Молекула гемоглобина содержит два α и два β полипептида вместе с четырьмя гемовыми группами.

Другой важный класс белков — конъюгированные белки , которые имеют небелковую часть. Если к конъюгированному белку прикреплен углевод, он называется гликопротеином . Если к нему прикреплен липид, он называется липопротеином . Эти белки являются важными компонентами мембран. На рисунке 7 представлены четыре уровня структуры белка.

Рис. 7. Белковая структура имеет четыре уровня организации. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

Подумай об этом

• Что может произойти, если первичная, вторичная, третичная или четвертичная структура белка изменится?

Первичная структура, дисфункциональные белки и муковисцидоз

Рисунок 8. Щелкните, чтобы просмотреть увеличенное изображение. Нормальный белок CFTR — это белок канала, который помогает соли (хлориду натрия) перемещаться в клетки и выходить из них.

Белки, связанные с биологическими мембранами, подразделяются на внешние и внутренние. Внешние белки, также называемые периферическими белками, слабо связаны с одной стороной мембраны. Внутренние белки или интегральные белки встроены в мембрану и часто функционируют как часть транспортных систем как трансмембранные белки. Муковисцидоз (МВ) — это генетическое заболевание человека, вызванное изменением трансмембранного белка. Он поражает в основном легкие, но может также поражать поджелудочную железу, печень, почки и кишечник.МВ вызывается потерей аминокислоты фенилаланина в трансмембранном белке муковисцидоза (CFTR). Потеря одной аминокислоты изменяет первичную структуру белка, который обычно помогает транспортировать соль и воду в клетки и из них (рис. 8).

Изменение первичной структуры препятствует правильному функционированию белка, что приводит к образованию в организме необычно густой слизи, которая закупоривает легкие и приводит к накоплению липкой слизи. Слизь блокирует поджелудочную железу и мешает естественным ферментам помогать организму расщеплять пищу и поглощать жизненно важные питательные вещества.

В легких людей с муковисцидозом измененная слизь создает среду, в которой могут процветать бактерии. Эта колонизация приводит к образованию биопленок в небольших дыхательных путях легких. Наиболее частыми патогенами, обнаруживаемыми в легких пациентов с муковисцидозом, являются Pseudomonas aeruginosa (рис. 9а) и Burkholderia cepacia . Pseudomonas дифференцируется в биопленке легких и образует большие колонии, называемые «слизистыми». Pseudomonas .Колонии имеют уникальную пигментацию, которая обнаруживается в лабораторных исследованиях (рис. 9b) и дает врачам первый признак того, что пациент болен CF (такие колонии редко встречаются у здоровых людей).

Рис. 9. (a) Микрофотография, полученная с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает условно-патогенную бактерию Pseudomonas aeruginosa. (b) P. aeruginosa, продуцирующая пигмент, на цетримидном агаре показывает зеленый пигмент, называемый пиоцианином. (кредит а: модификация работы Центров по контролю и профилактике заболеваний)