450106, г.Уфа, ул. Ст. Кувыкина, 96. e-mail: [email protected]
Белок (часть 1)
⠀ Белки являются основным строительным материалом для организма, для работы мышц и иммунной системы. Белки входят в состав всех клеток организма человека и участвуют во всех этапах обмена веществ.
⠀Белки бывают животного и растительного происхождения. В пищеварительном тракте белки при помощи ферментов расщепляются на аминокислоты, из которых потом организм строит «собственные» белки. Основных аминокислот двадцать две. Причем девять из них организм не может вырабатывать самостоятельно и получает их только с пищей.
⠀
⠀1 грамм белка обеспечивает организму 4 ккал.
⠀Усвояемость животных и растительных белков различна:
– так на 98% усваиваются белки, содержащиеся в яйцах и молочных продуктах,
– на 90% — белки рыбы,
– на 70% — белки мяса и птицы,
– на 50% — белки зерновых,
– на 45% — белки бобовых и овощей.
Из-за низкой усвояемости растительных белков и отсутствия в них незаменимых аминокислот, люди, которые полностью отказываются от белков животного происхождения (мяса, рыбы, яиц, молочных продуктов), испытывают недостаток полноценных белков. ⠀Суточная норма потребления белка должна составлять для взрослого человека 1 грамм на 1 килограмм веса. Причем от 70 до 80% должны составлять белки животного происхождения.
– защитная функция– в ответ на проникновение в организм чужеродных белков или микроорганизмов образуются особые белки – антитела, способные связывать и обезвреживать их. Фибрин, образующийся из фибриногена, способствует остановке кровотечений;
– структурная (строительная) – коллаген придает упругость соединительной ткани;
– транспортная – гемоглобин переносит кислород и транспортирует его ко всем тканям и органам;
– регуляторная – инсулин регулирует уровень глюкозы в крови, гормон роста усиливает рост организма.
⠀⠀Присутствуют ли в вашем рационе белки, какие? Делитесь в комментариях.
Главный врач Николаева И.Е.
Заместитель главного врача по мед.части Ермолаев Е.Н.
Заместитель главного врача по ОМР Камалова В.Р.
Белок — все статьи и новости
Белок — сложное органическое вещество, которое состоит из 20 аминокислот, связанных между собой пептидной связью, и является особенно значимым для процессов жизнедеятельности любого организма. Белки, например, управляют экспрессией генов — процессом, в ходе которого наследственная информация от генов преобразуется в РНК или белок. Поэтому другое название этих соединений — протеины, что в переводе с греческого означает «первый» или «главный». Свое русское наименование белки получили по веществу, обнаруженному в птичьих яйцах, которое при нагревании имеет свойство сворачиваться в массу белого цвета.
В живом организме среди всех имеющихся соединений больше всего именно аминокислотных. К настоящему моменту ученые смогли исследовать примерно 3 млрд белков, в человеческом организме удалось зафиксировать около 50 тысяч. Весь обнаруженный массив было принято делить на группы по различным признакам. Белки, напоминающие своей формой шар, называют глобулярными, а те, которые больше походят на вытянутую нить, — фибриллярными. По выполняемым в организме функциям данные соединения делятся на структурные, придающие клеточным тканям специальную форму; каталитические, или ферменты, ускоряющие биохимические реакции; регуляторные, к которым относится большинство гормонов, поддерживающих в организме необходимый баланс; защитные, которые способны узнавать и при необходимости атаковать чужеродные тела (к этой группе относятся белки, участвующие в процессе свертывания крови). Важным источником белков, не синтезируемых в человеческом организме, являются продукты животного происхождения.
Изучение белков ведется с конца XVIII века. Мощный рывок в биохимических исследованиях был сделан во второй половине XIX столетия, когда Теодор Шванн и Жан Корвизар установили, что белки образуются из аминокислот. Среди отечественных ученых особых высот в изучении белков достиг Владимир Энгельгардт. Ему принадлежат работы об антиферментах, свойствах гемоглобина и методов консервирования крови.
Источник картинки: http://wb.md/1oNaFaj
Избыточное потребление белка приводит к подагре, определить суточную норму в Москве
Сколько белка нужно человеку?
На этот вопрос нет ответа, одинакового для всех. Потребность в белке возрастает при интенсивном росте (у детей), во время беременности, при некоторых патологических состояниях (ожогах, заболеваниях легких). При отдельных заболеваниях белок следует ограничивать, так как у организма снижены возможности полной утилизации продуктов его распада, в первую очередь — аммиака (мочевины).
Зачем нужен белок?
Любой белок — это комбинация двадцати аминокислот. Мы употребляем в пищу растительные или животные белки только для того, чтобы наш организм смог построить из них собственные. При пищеварении белки расщепляются на аминокислоты. И эти аминокислоты используются для построения клеток, синтеза гормонов и многих других важных веществ, без которых жизнь человека становится невозможной.
К чему приводит избыточное потребление белка?
В организме белок разлагается на воду, аммиак и глюкозу. Глюкоза — источник энергии, вода полезна, а аммиак — яд. Поэтому в печени связывается особыми ферментами и превращается в мочевину. Мочевина выводится почками. Если поступление белка значительно превышает норму, железы внутренней секреции работают с большим напряжением, повышается нервная возбудимость, страдают печень, почки, суставы, нарушается обмен веществ.
Обычно с избыточным потреблением белка связывают два заболевания: мочекаменную болезнь и подагру. Однако они вызваны нарушением другого вещества — мочевой кислоты, которая накапливается в организме в результате нарушения пуринового обмена. Ошибка простительна. Она объясняется тем, что и белок, и пурины в большом количестве содержатся в мясе и рыбе. То есть, употребляя без меры мясо (особенно мясные деликатесы!), человек получает не только белки, но и пурины.
Мочекаменная болезнь почек
Соли мочевой кислоты кристаллизуются в канальцах почек. В результате образуются камни, которые затрудняют отток мочи. Пока конкременты маленькие, человек ощущает незначительный дискомфорт в области поясницы. По мере их роста дискомфорт усиливается. В случае, когда камень перекрывает проток возникает почечная колика. Её симптомы резко выражены:
- резкая боль в пояснице;
- человек мечется, меняя положение тела в поисках позы, в которой боль станет хоть чуть меньше.
Это состояние требует неотложных мер. Нужно вызвать бригаду скорой помощи и следовать указаниям доктора.
Подагра
Хроническое обменное заболевание, которое развивается при поражении почек или чрезмерной выработке пуринов. Мочевая кислота накапливается — появляется подагра.
Характерные признаки:
- артрит, чаще поражаются мелкие суставы;
- асимметрия поражений;
- острые приступы сменяются ремиссиями.
Лечение подагры проводится в стационаре. Проводится медикаментозная терапия, подбирается диета.
Диета при подагре, мочекаменной болезни
Обычно рекомендуется шестой диетический стол, ограничивающий употребление мяса и соли. Исключаются мясные деликатесы, субпродукты, бобовые, щавель, шпинат, крепкие бульоны.
Рекомендуется увеличить в рационе долю растительного белка, усилить питьевой режим.
Определение суточной нормы белка в Москве
В клинике MAJOR CLINIC ведет прием опытный диетолог высокой квалификации. Вы можете сделать своё питание правильным и полезным, записавшись на консультацию к доктору. После изучения ваших особенностей обмена и двигательной активности, врач составит для вас индивидуальный рацион и примерное меню. Придерживаясь рационального питания, вы очень скоро почувствуете себя значительно лучше. Ощутите прилив энергии, станете более активным и жизнерадостным человеком.
Переваривание и всасывание макронутриентов | Tervisliku toitumise informatsioon
Переваривание и всасывание белков
Белки – это состоящие из аминокислот макромолекулы. Во рту переваривания белков не происходит. Содержащаяся в желудке соляная кислота коагулирует пищевые белки. Это значит, что крупные молекулы пищевых белков разворачиваются и образующийся в желудке фермент пепсин может начинать частичное переваривание (гидролиз) белков.
Ферменты, необходимые для окончательного переваривания белков, выбрасываются поджелудочной железой в верхний отдел тонкой кишки – двенадцатиперстную кишку. Работающий в желудке пепсин вместе с работающими в двенадцатиперстной кишке трипсином и другими ферментами расщепляют большинство пищевых белков до аминокислот. Образуется также небольшое количество коротких пептидов, которые расщепляются до аминокислот под воздействием ферментов каемчатых энтероцитов тонкой кишки.
Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в тощей кишке, среднем отделе тонкой кишки, происходит всасывание образовавшихся из белков или присутствовавших в пище свободных аминокислот. Получившиеся вещества всасываются непосредственно в кровоток или лимфатическую систему. Кровь доставляет питательные вещества в первую очередь в печень, где происходит задействование аминокислот.
Переваривание и всасывание липидов
Жиры (триглицериды – состоят из трех жирных кислот и глицерола) составляют 95–98 % пищевых липидов. Основными присутствующими в пище липидами как раз и являются жиры. Существенного расщепления жиров во рту не происходит. Тем не менее, во рту присутствует образующийся под языком фермент липаза, который расщепляет небольшие количества жиров.
В желудке присутствует фермент желудочная липаза. Он обладает несильным действием, но поскольку он относительно стоек к воздействию кислоты, то в желудке происходит умеренное расщепление некоторого количества триглицеридов.
Триглицериды должны быть сначала преобразованы в верхнем отделе тонкой кишки – в двенадцатиперстной кишке – в тонкую эмульсию, и только затем соответствующие ферменты (липазы) смогут расщепить их на глицерол и жирные кислоты.
Чрезвычайно большую роль в образовании эмульсии играют желчные соки и их соли. Молочные белки (казеины) – тоже очень хорошие тонкие эмульгаторы пищи. Образованию тонкой эмульсии способствует также то, что выбрасываемые поджелудочной железой бикарбонаты реагируют с поступающей из желудка кислотной пищевой массой, в результате чего образуются необходимые для пищеварения газы, основательно перемешивающие эту пищевую массу. Перистальтика стенок кишечника также помогает перемешивать его содержимое.
Из поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку поступает главный фермент процесса переваривания жиров – панкреатическая липаза. Он вместе с другими ферментами расщепляет пищевые липиды на простые соединения (триглицериды, глицерол, свободные жирные кислоты), а фосфолипиды – на их первичные компоненты.
Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в среднем отделе тонкой кишки происходит всасывание образовавшихся из пищевых жиров глицерола и жирных кислот. Получившиеся вещества всасываются непосредственно в кровоток или лимфатическую систему.
Переваривание и всасывание крахмала
С точки зрения переваривания сложных углеводов наиболее важным является расщепление именно крахмала.
Из всех пищевых углеводов только крахмал начинает перевариваться во рту. Это осуществляется за счет содержащегося в слюне фермента амилазы. Под его воздействием часть крахмала расщепляется на более мелкие составляющие. Если долго пережевывать богатую крахмалом пищу (а это очень полезно), то небольшая часть крахмала будет расщеплена до гликозина (так при долгом жевании хлеба он становится сладким). Прочие содержащиеся в пище углеводы (например, сахароза и лактоза) во рту не расщепляются.
Поскольку в желудке из-за соляной кислоты среда сильно кислотная, дальнейшего переваривания углеводов там практически не происходит. Соляная кислота нужна в первую очередь для превращения расщепляющего белки фермента пепсиногена в пепсин и высвобождения многих гормонов, обеспечивающих работу желудочного сока. Соляная кислота также истребляет бактерии.
Из поджелудочной железы в верхний отдел тонкой кишки, двенадцатиперстную кишку, выбрасывается панкреатическая амилаза. Это самый важный фермент для переваривания углеводов, который расщепляет основную часть крахмала. Панкреатическая амилаза вместе с собственными ферментами тонкой кишки доводит до конца процесс расщепления крахмала до глюкозы. Под воздействием ферментов каемчатых энтероцитов тонкой кишки (сахаразы, лактазы и других) происходит расщепление на компоненты также и сахарозы и лактозы.
Во время нахождения перевариваемой пищевой массы в тощей кишке, среднем отделе тонкой кишки, происходит всасывание образовавшихся из сложных углеводов или присутствовавших в пище свободных глюкозы и фруктозы, которые всасываются напрямую в кровоток или лимфатическую систему. Кровь доставляет питательные вещества в первую очередь в печень, где происходит их использование.
Микроорганизмы, обитающие в толстой кишке, расщепляют клетчатку, которую пищеварительные ферменты расщепить не в состоянии. В ходе этого процесса образуются короткие жирные кислоты, которые всасываются в кровь и которые организм может использовать для получения энергии, а также активизации перистальтики. Микрофлора толстой кишки помогает расщепить значительную часть целлюлозы, в результате чего также образуются короткие жирные кислоты. Значительная часть этих жирных кислот всасывается в клетки слизистой оболочки толстой кишки, в которых их расщепление покрывает часть энергетической потребности данных клеток.
Исследования структурных изменений в белках
Негативное воздействие техногенной деятельности человека на окружающую среду приводит к накоплению в объектах окружающей среды вредных веществ – экотоксикантов, оказывающих отрицательное необратимое воздействие как на окружающую нас природу, так и на самого человека. Все это ставит перед учеными задачи, связанные с поиском все новых способов ранней диагностики воздействия веществ, оказывающих вредное воздействие на организм человека, – ксенобиотиков.
Результаты фундаментальных исследований, проводимых в лаборатории спектрального анализа, реализованы в разработанном люминесцентном способе определения структурных изменений в белках под действием ряда ксенобиотиков с помощью созданного портативного импульсного фосфориметра. Также разработаны также способы определения полициклических ароматических углеводородов и солей тяжелых металлов, являющихся ксенобиотиками, в объектах окружающей среды.
Разработанные способы и аппаратурное обеспечение востребованы в медицинских диагностических учреждениях, поскольку позволяют выявлять заболевания, связанные со структурными изменениями в белках. Службы экологического мониторинга испытывают потребность в аппаратуре и методах, позволяющих оценить экологическое состояние окружающей среды.
Белки в организме выполняют структурную, транспортную, каталитическую, регуляторную, защитную, запасную и двигательную функции. Поэтому вполне очевидно, что состояние белков определяет жизнедеятельность организма.
В лаборатории проводятся исследования структурных изменений в транспортных белках – сывороточном альбумине (САЧ) человека (рис. 1 «Глобулярная структура альбумина (белок куриного яйца)»). Выбор САЧ как модельного белка обусловлен его важной ролью в крови.
В структуре помимо дисульфидных мостиков присутствуют свободные сульфгидридные HS-группы цистеина, которые в процессе разложения белка легко образуют сероводород – источник запаха тухлых яиц. Дисульфидные мостики намного более устойчивы и при разложении белка сероводород не образуют. Известен целый ряд физико-химических факторов, оказывающих влияние на белки.
К изменению структуры белков и даже необратимым структурным преобразованиям – денатурации – приводят тепловые воздействия, изменение рН среды, которое возможно в результате стрессов, воздействие избыточной радиации, взаимодействие с поверхностно-активными веществами.
Употребление алкоголя приводит к появлению в крови этилового спирта, молекулы которого взаимодействуют с белками, в результате белок денатурирует (рис. 2) и не выполняет свои функции.
Во время курения вместе с дымом в легкие попадают молекулы полициклических ароматических углеводородов (бензапирен, антрацен, пирен и др.), которые всасываются в кровь и локализуются в белках. Эти вещества являются канцерогенами и стимулируют онкологические заболевания.
Для определения структурных изменений в белках в исследовании используются люминесцентные зонды, нековалентно связанные с белками: они связываются не химическими связями, в основном, эти связи реализуются электростатическими или гидрофобными взаимодействиями.
Для определения структурных изменений в белках используются люминесцентные зонды. Полярные зонды способны связываться с белками в результате кулоновских взаимодействий, то есть притягиваются друг к другу как два разноименных заряда. В свою очередь неполярные зонды локализуются в неполярной (гидрофобной, то есть боящейся воды) области белка.
При поглощении кванта света в полосе поглощения зонд переходит в возбужденное состояние и способен излучать квант света флуоресценции или фосфоресценции. Эти процессы показаны на рис. 3.
В качестве полярных люминесцентных зондов нами чаще всего используется эозин, что в переводе с греческого означает утренняя заря. Неполярным зондом служил антрацен (рис. 4).
- Поглощение света зондом.
- Флуоресценция (λmax=550 нм) зонда (~10-9с).
- Переход в более долгоживущее состояние, из которого возможна фосфоресценция (λmax=690 нм зонда (~ 10-3с) переход — 5. Если рядом на расстоянии 3-10 Å (ангстрем) находится акцептор энергии – антрацен, то возможен перенос энергии на антрацен. В этом случае уменьшается интенсивность свечения эозина (рис. 5).
Просмотр анимации
Размер глобулы белка порядка 100 нм, размер эозина и антрацена не более 4 Å. Введение этих зондов не приводит к структурным изменениям в белках. Поскольку перенос энергии становится невозможным при увеличении расстоянии всего лишь на несколько ангстрем, в результате получается очень чувствительный способ определения незначительных – всего лишь в несколько ангстрем – структурных перестроек белка.
Люминесцентный способ очень чувствительный, современные приборы способны регистрировать очень слабое свечение зондов. Это позволяет использовать люминесцентные методы для определения наличия в крови зондов типа антрацена, относящихся к классу полициклических ароматических углеводородов, попадание которых в организм нежелательно.
По тушению люминесценции (флуоресценции и фосфоресценции) таких зондов как эозин можно определить содержание солей тяжелых металлов в объектах окружающей среды, в том числе и пищевых продуктах.
В результате получен спектр замедленной флуоресценции (ЗФ) и фосфоресценции эозина в САЧ (рис. 6).
Спектры замедленной флуоресценции (λmax = 560 нм) и фосфоресценции (λmax = 690 нм) эозина (С = 4 мкМ) в растворе фосфатного буфера рН 7.4 САЧ: 1 – без солей тяжелых металлов; 2 – с добавлением соли тяжелого металлаТаким образом, применение процесса переноса энергии между люминесцентными зондами открывает перспективы определения не только конформационных переходов от одной структуры к другой но и позволяет осуществить исследования структурной динамики в миллисекундном временном диапазоне. Над этой проблемой и работают сейчас ученые лаборатории спектрального анализа. Кроме того, участники исследования пытаются значительно увеличить чувствительность определения полициклических ароматических углеводородов и солей тяжелых металлов, а также определить концентрацию частично свернутых белков в плазме крови ответственных за целый ряд заболеваний, в том числе преждевременного старения организма и др.
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.
О происхождении жизни и РНК. Как ученые ищут подтверждение теории РНК-мира
Среди современных концепций зарождения жизни одно из доминирующих положений занимает теория РНК-мира. Попробуем разобраться, что же это такое.Открытия в молекулярной биологии прошлого столетия привели человечество к пониманию устройства жизни на химическом уровне. Выяснилось, что основу жизнедеятельности любого организма составляют две группы веществ-биополимеров: белки и нуклеиновые кислоты.
Белки, чьи длинные, хитроумно свернутые цепи состоят из десятков и сотен последовательно связанных аминокислот, выполняют в клетке роль рабочих инструментов и универсального строительного материала. Белки-ферменты ускоряют и направляют все химические реакции, протекающие в клетке, формируя ее облик.
Но белки — временные инструменты, потребность в которых постоянно изменяется по ходу жизни организма. Для хранения же информации о белках, а значит, и о строении самого организма природа использует нуклеиновые кислоты — ДНК (дезоксирибонуклеиновую кислоту) и РНК (рибонуклеиновую кислоту). Эти длинные молекулы, построенные из сцепленных между собой четырех видов нуклеотидов, очень похожи по строению, но обладают разными свойствами. Две направленные в разные стороны цепи ДНК формируют жесткую и стабильную двойную спираль длиной в миллионы пар нуклеотидов. РНК же образует сравнительно короткие цепи, подверженные разнообразным химическим реакциям и заплетенные петлями сами на себя.
Столь различная структура объяснила ученым принципиально разные функции ДНК и РНК. ДНК оказалась надежным, долговременным хранилищем информации о белках организма, а РНК — мобильным, коротко живущим переносчиком информации. Она синтезируется белками-полимеразами по ДНК-матрице и отвечает за расшифровку информации, записанной в ДНК, а также за сборку белков по ДНК-чертежу.
Весь этот ворох знаний был накоплен учеными к середине 60-х годов прошлого столетия, став предтечей настоящей биотехнологической революции. Но одновременно он поставил ученых, мучающихся над проблемой зарождения жизни, перед парадоксом.
Для существования первых «живых», то есть способных к размножению и самоподдержанию биохимических систем, достаточно ДНК, РНК и белка. С ролью РНК все вроде бы понятно — типичная молекула на побегушках, которая ничего толком не умеет и не решает, но необходима для переноса информации из ДНК и работы механизмов сборки белка. А вот белки и ДНК явно должны были занимать центральное место в картине доисторического мира.
Информация о структуре белков-катализаторов, умеющих все на свете, способна сохраняться, только будучи записанной в структуре ДНК. Одновременно стабильная ДНК, отлично сохраняя информацию, не способна на самостоятельные химические превращения, кроме, разве что, медленного распада. Что же появилось в эволюции раньше — умелые, короткоживущие белки или надежная, но беспомощная ДНК? Одно никак не может появиться без другого, а случайное одномоментное зарождение сложной ДНК-РНК-белковой самовоспроизводящейся системы казалось невероятным.
Тут взгляды ученых и обратились на РНК. РНК не стабильна и ужасно плохо хранит информацию, но все же хранит ее. А что если допустить, что заплетенные в витиеватые петли цепи РНК смогут работать наподобие белков-ферментов, катализируя, то есть ускоряя, биохимические реакции? Пусть они бы справлялись с этой задачей в сотни раз хуже белков, но гипотетически такие РНК-катализаторы могли бы устойчиво существовать и размножаться на поверхности древней Земли еще до появления белков и ДНК. А их химическая нестабильность была бы даже плюсом, приводя к бешеному темпу эволюции первобытной РНК-фауны.
Структура молекулы предшественника матричной РНК. Изображение: Vossman / WikimediaСмелая гипотеза оказалась пророческой, в начале 80-х были найдены первые рибозимы — биокатализаторы на основе РНК. Чуть позже ученые получили аптамеры — молекулы РНК, способные избирательно связывать определенные вещества. Оказалось, что РНК может выполнять работу как по биокатализу, так и по молекулярному распознаванию. Да, у нее это получается хуже, чем у белков, но все же получается.
С тех пор ученые не оставляют настойчивых попыток получить в лаборатории рибозим, способный к устойчивому копированию (репликации) молекул РНК любой структуры. Появившись на заре эволюции, аналогичный рибозим стал бы настоящим «ядром» гипотетического РНК-мира, а его получение было бы осязаемым подтверждением пока еще умозрительной гипотезы.
За годы исследований были получены рибозимы-лигазы, способные сшивать молекулы РНК между собой, и даже рибозимы-полимеразы, копирующие небольшие, однородные по своему нуклеотидному составу фрагменты РНК. Но на всех сложных, способных к биокатализу и молекулярному распознаванию последовательностях они упрямо буксовали, отказываясь работать.
И вот недавно в авторитетном журнале PNAS была опубликована статья о получении первого рибозима, уверенно копирующего РНК-матрицы любого нуклеотидного состава. В ходе экспериментов ученые подменили собой эволюцию: путем искусственного отбора в пробирке им удалось создать рибозим, копирующий РНК с недоступной ранее точностью.
Каждый из 24 раундов мутации-отбора начинался с копирования уже существующего фермента в биохимическом процессе, получившем название рибоПЦР. Эта реакция — аналог хорошо известной полимеразной цепной реакции (ПЦР), позволяющей за несколько часов синтезировать миллионы копий нужного фрагмента ДНК. Для того чтобы в системе появился материал для искусственного отбора, реакция была модифицирована в сторону уменьшения точности копирования. Частота ошибок достигала 10% в пересчете на отдельный нуклеотид. Благодаря этому запланированному случайному мутагенезу ученым удалось получить 1014 (100 триллионов!) различных вариантов исходного рибозима. После завершения реакции мутантные рибозимы придирчиво отбирались учеными: в следующий раунд мутации проходили только самые быстрые и точные рибозимы, способные к наилучшему копированию матрицы.
После завершения этой кропотливой работы исследователи получили рибозим, названный 24-3 полимераза. Впервые в руки ученых попал рибозим, способный реплицировать небольшие цепи РНК любой последовательности. С его помощью удалось реплицировать несколько аптамеров. Затем неутомимой полимеразой был копирован каталитически активный рибозим-лигаза. Но настоящим достижением стало то, что с помощью 24-3 полимеразы удалось реплицировать одну из транспортных РНК. Эти крупные, хитро заплетенные в фигуру наподобие клеверного листа молекулы РНК переносят звенья-аминокислоты к месту сборки белковых цепей и являются важнейшим компонентом аппарата синтеза белка.
Скорость работы полученного рибозима оказалась крайне мала, а производительность несравнима с природными белками-полимеразами, но главное — он был получен, и он работает. Теперь для доказательства возможности существования древнего РНК-мира ученым остался последний шаг — создать рибозим, способный устойчиво реплицировать сам себя. Сделав его, человечество получит в пробирке колонию самокопирующихся молекул РНК — потенциальный аналог первой формы жизни на нашей планете.
Несколько месяцев работы позволили исследователям вплотную приблизиться к созданию искусственного прототипа первобытной жизни. Что же могло получится у естественного отбора за сотни миллионов лет? Еще никогда мы не были так близки к ответу на этот вопрос.
Дмитрий Лебедев
Производство белка — Принципы биологии
Белки — одна из самых распространенных органических молекул в живых системах, обладающая невероятно разнообразным набором функций. Белки используются для:
- Строить структуры внутри клетки (например, цитоскелет)
- Регулировать производство других белков путем контроля синтеза белка
- Проведите по цитоскелету, чтобы вызвать сокращение мышц
- Транспортные молекулы через клеточную мембрану
- Ускорение химических реакций (ферменты)
- Действовать как токсины
Каждая клетка живой системы может содержать тысячи различных белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию.Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Однако все они представляют собой полимеры аминокислот, расположенных в линейной последовательности ( Рисунок 1 ).
Функции белков очень разнообразны, потому что они состоят из 20 различных химически различных аминокислот, которые образуют длинные цепи, и аминокислоты могут быть в любом порядке. Функция белка зависит от формы белка. Форма белка определяется порядком аминокислот. Белки часто состоят из сотен аминокислот и могут иметь очень сложную форму, потому что существует очень много различных возможных порядков для 20 аминокислот!
Рисунок 1 Структура белка.Цветные шары в верхней части диаграммы представляют собой разные аминокислоты. Аминокислоты — это субъединицы, которые соединяются рибосомой с образованием белка. Затем эта цепочка аминокислот складывается, образуя сложную трехмерную структуру. (Предоставлено: Lady of Hats из Википедии; общественное достояние)Вопреки тому, во что вы можете верить, белки обычно не используются клетками в качестве источника энергии. Белок из вашего рациона расщепляется на отдельные аминокислоты, которые собираются вашими рибосомами в белки, которые необходимы вашим клеткам.Рибосомы не производят энергию.
Рисунок 2 Примеры продуктов с высоким содержанием белка. («Белок» Национального института рака находится в открытом доступе)Информация для производства белка закодирована в ДНК клетки. При производстве белка создается копия ДНК (называемая мРНК), и эта копия переносится на рибосому. Рибосомы считывают информацию в мРНК и используют эту информацию для сборки аминокислот в белок. Если белок будет использоваться в цитоплазме клетки, рибосома, создающая белок, будет свободно плавать в цитоплазме.Если белок будет нацелен на лизосому, стать компонентом плазматической мембраны или секретироваться вне клетки, белок будет синтезироваться рибосомой, расположенной на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (RER). После синтеза белок будет перенесен в везикуле от RER к цис грани Гольджи (сторона, обращенная внутрь клетки). По мере того, как белок проходит через Гольджи, его можно модифицировать. Как только последний модифицированный белок завершен, он выходит из Гольджи в пузырьке, который отрастает от поверхности trans .Оттуда везикула может быть нацелена на лизосому или на плазматическую мембрану. Если везикула сливается с плазматической мембраной, белок станет частью мембраны или будет выброшен из клетки.
Рисунок 3 Схема эукариотической клетки. (Фото: Медиран, Викимедиа, 14 августа 2002 г.)Инсулин
Инсулин — это белковый гормон, который вырабатывается определенными клетками поджелудочной железы, называемыми бета-клетками. Когда бета-клетки чувствуют, что уровень глюкозы (сахара) в кровотоке высок, они производят белок инсулина и выделяют его вне клеток в кровоток.Инсулин дает клеткам сигнал поглощать сахар из кровотока. Клетки не могут усваивать сахар без инсулина. Белок инсулина сначала образуется в виде незрелой, неактивной цепи аминокислот (препроинсулин — см. Рисунок 4). Он содержит сигнальную последовательность, которая направляет незрелый белок в грубый эндоплазматический ретикулум, где он складывается в правильную форму. Затем нацеливающая последовательность отрезается от аминокислотной цепи с образованием проинсулина. Этот обрезанный, свернутый белок затем отправляется к Гольджи внутри пузырька.В системе Гольджи из белка удаляется больше аминокислот (цепь C), чтобы произвести окончательный зрелый инсулин. Зрелый инсулин хранится в специальных пузырьках до тех пор, пока не будет получен сигнал для его попадания в кровоток.
Рисунок 4 Созревание инсулина. (Фотография предоставлена консорциумом Beta Cell Biology Consortium, Викимедиа. 2004 г. Это изображение находится в открытом доступе.Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.
Текст адаптирован из: OpenStax, Концепции биологии.OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]
белков — что это такое и как они производятся — Science Learning Hub
Белки являются ключевыми рабочими молекулами и строительными блоками во всех клетках. Они производятся во всех организмах с помощью аналогичного двухэтапного процесса — сначала ДНК транскрибируется в РНК, а затем РНК транслируется в белок.
Перед отдельными генами последовательности ДНК, называемые промоторами, определяют, когда и в каких количествах производятся белки.
Что такое белок?
Белки являются основными «рабочими молекулами» в каждом организме. Помимо прочего, белки катализируют реакции, переносят кислород и защищают организмы от инфекций. Они также являются важными строительными блоками организмов. Они являются основными компонентами шерсти, хрящей и молока, они упаковывают ДНК в хромосомы и изолируют клетки нервной системы. Короче говоря, белки очень важны!
Белки состоят из большого количества аминокислот, соединенных встык.Цепочки складываются, образуя трехмерные молекулы сложной формы — это можно представить как оригами с очень длинным и тонким листом бумаги. Точная форма каждого белка вместе с содержащимися в нем аминокислотами определяет, что он делает.
Белки: ключевые примеры в Центре
Ферменты — это белки. Многие ферменты находят полезное применение в медицинской или промышленной биотехнологии. Узнайте больше в видеоролике: Улучшение ферментов.
Инсулин — это белок, регулирующий уровень глюкозы в крови.У диабетиков 1 типа инсулин не вырабатывается. Узнайте больше в видеоролике: Сахарный диабет 1 типа.
Мидии крепко держатся за камни и груды с помощью своих прочных нитей, сделанных из белка. Узнайте больше в интерактиве: Как выращивают мидии в Новой Зеландии.
Антитела — это белки, подробнее читайте в статье: Иммунная система.
Казеин — это белок молока, из которого делают сыр. Узнайте больше в анимационном видео: Сыр: молекулярный взгляд.
Факторы транскрипции — это специализированные белки, которые контролируют производство других белков. Узнайте больше в видеоклипе: Что влияет на цвет мякоти яблока ?.
Макрофибриллы в шерсти состоят из белка. Узнайте больше в интерактивном материале: Структура и свойства шерстяных волокон.
Белки экспрессируются генами
Все организмы вырабатывают белки по существу одинаковым образом. Процесс начинается с гена — «инструкции» по созданию белка.По этой причине процесс создания белка также называется экспрессией генов.
Экспрессия гена состоит из двух основных стадий: транскрипции и трансляции.
Транскрипция
Структуры в клетке идентифицируют начало и конец гена и считывают последовательность ДНК между ними (порядок оснований A, C, G и T в гене). Создается молекулярное сообщение (молекула мРНК), которое повторяет последовательность самого гена. Во многих отношениях мРНК похожа на одноцепочечный фрагмент ДНК.
Трансляция
Рибосома получает молекулу мРНК и начинает выстраивать цепочку аминокислот (белок), которая точно соответствует инструкциям внутри мРНК. Рибосома «считывает» последовательность мРНК как серию трехосновных фрагментов или кодонов. Каждый кодон сообщает аппарату по производству белка, какую аминокислоту добавить следующей.
Генетический код в природе одинаков.
Примечательно, что во всей жизни каждый кодон имеет одно и то же «значение» в любой данной клетке (за некоторыми незначительными исключениями).Например, кодон AGA — это инструкция по добавлению аминокислоты аргинина к растущему белку — независимо от того, растет ли этот белок в бактериальных клетках или клетках человека. Другими словами, каждая клетка следует одним и тем же правилам при производстве нового белка.
См. Статью Как добавить чужеродную ДНК к бактериям для получения дополнительной информации.
Какие белки производятся, когда — сила промотора
В любой клетке одновременно производится только часть белков. Белки, которые выполняют важные функции, производятся постоянно, в то время как другие экспрессируются только тогда, когда они необходимы.Клеткам также необходимы большие количества одних белков (таких как ферменты, участвующие в непрерывных процессах, таких как транскрипция и трансляция), и меньшие количества других (например, гормонов). Но как клетка решает, какие гены экспрессировать и сколько производить?
Промоторы — это последовательности ДНК, которые определяют, когда экспрессируется ген. Эти участки ДНК располагаются перед генами и обеспечивают «место посадки» для факторов транскрипции (белков, которые включают и выключают экспрессию генов) и РНК-полимеразы (белка, который считывает ДНК и создает копию мРНК).Различные промоторные последовательности имеют разную силу, и гены с «сильными» промоторами экспрессируются на более высоком уровне, чем гены со «слабыми» промоторами.
Промоторы и цвет мякоти яблока
В компании Plant & Food Research Ричард Эспли и его коллеги изучают роль промоторов в определении того, имеют ли яблоки мякоть белого или красного цвета. Группа обнаружила фактор транскрипции (MYB10), который связывается с промотором нескольких генов, которые продуцируют красный пигмент в яблоках, вызывая их экспрессию.В яблоках с красной мякотью намного больше MYB10, чем в яблоках с белой мякотью, поэтому эти гены пигмента экспрессируются на более высоком уровне и производят больше красного пигмента.
Подробнее читайте в статье: Узнайте, что контролирует цвет мякоти яблока.
Белки и экспрессия генов
Эти статьи содержат дополнительную информацию об экспрессии генов и белках.
Белковая фабрика
Август в нашем календаре PDBe на 2020 год вдохновлен механизмами клеточного производства белка, называемыми рибосомами.Рибосомы — это очень сложные и важные структуры в клетке, которые выполняют жизненно важную роль в синтезе белка.
Белковая фабрика клетки
Каждая клетка нашего тела содержит около 10 миллиардов белков, которые позволяют нам думать, двигаться, есть, играть и делать многое другое. Их эффективное создание — это работа этих макромолекулярных машин, называемых рибосомами, которые обнаружены во всех живых клетках всех видов, от бактерий до людей.
Структура рибосомного комплекса
Глядя на рибосому, кажется, что она представляет собой запутанную мешанину белков и молекул РНК, однако на самом деле она сшита вместе с безупречной точностью.
Две субъединицы рибосомы, собранные вместе с малой и большой субъединицами, показаны серыми и бирюзовыми лентами соответственно (запись PDB 6KE0)
Криоэлектронная микроскопия и рентгеновская кристаллография показали, что рибосома состоит из двух субъединиц: малой и большой субъединиц. Каждая из этих субъединиц образует сложную сеть из нескольких молекул РНК с десятками различных белков. В 2000 году структурные биологи Венкатраман Рамакришнан, Томас А. Стейтц и Ада Э.Йонат разрешил первые кристаллические структуры рибосомы с атомным разрешением. В 2009 году этим трем исследователям была присуждена Нобелевская премия по химии за их исследования структуры и функции рибосомы, что свидетельствует о важности рибосомы.
Синтез белка
Синтез новых белков начинается в ядре, где рибосомы получают команду начать процесс. Участки ДНК (гены), кодирующие определенный белок, копируются на нити информационной РНК (мРНК) в процессе, называемом транскрипцией.
После завершения транскрипции ДНК в мРНК, следующим процессом является трансляция, когда эти мРНК считываются для образования белков. Каждая мРНК определяет порядок, в котором аминокислоты должны быть добавлены к белковой цепи в процессе ее синтеза. Если за основу берется ДНК, то масоны — это рибосомы — они строят белок, используя аминокислоты в качестве «кирпичиков».
Для создания белков две рибосомные субъединицы, малая и большая, собираются вместе, образуя полную рибосому.Он имеет сайты связывания для молекул мРНК и транспортной РНК (тРНК). Большая субъединица находится поверх маленькой субъединицы, а матрица мРНК расположена между ними. После полной сборки рибосома начинает процесс производства белка.
Производство белка
Двигаясь вдоль мРНК, рибосома считывает набор трехнуклеотидных последовательностей на мРНК, называемых кодоном, который кодирует определенную аминокислоту. ТРНК доставляет эти аминокислоты, строительные блоки белка, к рибосоме.Каждая молекула тРНК имеет два разных конца или сайта, один для связывания с определенной аминокислотой, а другой для связывания с соответствующим кодоном мРНК. Во время трансляции эти тРНК переносят аминокислоты на рибосому и присоединяются к своим комплементарным кодонам на мРНК. Впоследствии они преобразуются в правильные аминокислоты в новой белковой цепи.
Собранные аминокислоты сшиваются вместе с помощью молекул рРНК (рибосомальной РНК), которые направляют процесс создания новой белковой цепи.Повторяя этот процесс для каждой аминокислоты, весь белок строится в процессе, называемом удлинением. Растущая белковая цепь останавливается только тогда, когда она встречает стоп-кодон на мРНК. Это сигнализирует об окончании полипептидной цепи во время трансляции. Как только аминокислоты сформированы правильно, вновь синтезированная белковая цепь транспортируется либо в цитоплазму, либо в аппарат Гольджи у прокариот или эукариот, соответственно.
Ниже приведено видео с сайта YourGenome, объясняющее этот процесс.
Больше, чем протеиновый завод
Точный и быстрый перевод генетической информации критически важен для производства функциональных белков для жизнеспособности клеток.Скорость производства белка должна быть быстрой и очень точной, чтобы своевременно реагировать на изменения в окружающей среде. Поразительная точность рибосомного оборудования имеет коэффициент ошибки 1 на 1000–10 000 аминокислот. Одна рибосома в эукариотической клетке может добавлять 2 аминокислоты к белковой цепи каждую секунду, однако у прокариот рибосомы могут работать даже быстрее, добавляя к полипептиду около 20 аминокислот каждую секунду. Рибосомы потребляют большое количество энергии для синтеза белков и составляют значительную часть клеточной массы, при этом большая часть метаболизма клетки направляется на производство рибосомных белков и РНК.
Нацелены на бактериальные рибосомы
Рибосомы присутствуют во всех формах жизни и необходимы для синтеза белка, что делает их желательной мишенью для лекарств. Большинство клинически используемых антибиотиков нацелены на рибосомы и ингибируют процесс синтеза белка, вмешиваясь в трансляцию мРНК или блокируя образование пептидных связей.
Бактериальные рибосомы — одна из основных мишеней для антибиотиков. Эти антибиотики не позволяют бактериям синтезировать собственные белки из-за ингибирования их рибосомы, которая в конечном итоге убивает бактерии.Разработка таких антибиотиков стала возможной из-за различий между бактериальными и эукариотическими рибосомами. Они различаются не только размером, но и последовательностью и структурой, что позволяет антибиотикам убивать только бактерии, подавляя их рибосомы, не затрагивая человеческие рибосомы.
В PDB доступны структуры многих антибиотиков в комплексе с рибосомами. Эти структуры с разрешением на атомарном уровне позволяют нам лучше понять механизм их действия.
Спасательные антибиотики
Антибиотики, такие как неомицин, гентамицин и стрептомицин, относятся к группе аминогликозидов, которые широко используются для лечения тяжелых инфекций брюшной полости и мочевыводящих путей. Они ингибируют малую субъединицу рибосомы, включая тетрациклины, которые блокируют связывание тРНК.
Другой широко назначаемый антибиотик, эритромицин, относится к классу натуральных продуктов. Он оказывает два эффекта на трансляцию: во-первых, предотвращает удлинение полипептидной цепи, а во-вторых, ингибирует образование большой рибосомной субъединицы.
На рисунке ниже показан ряд антибиотиков, которые нацелены на бактериальную рибосому в различных участках большой (голубовато-серый) и малой (желтый) субъединицы рибосомы.
Это изображение взято из бактериальной рибосомы как мишени для антибиотиков. Nat Rev Microbiol 3, 870–881 (2005). https://doi.org/10.1038/nrmicro1265
Ингибирование эукариотической рибосомы
Некоторые антибиотики, такие как генетицин, также называемый G418, ингибируют стадию элонгации как в прокариотических, так и в эукариотических рибосомах.Рицин, лектин (белок, связывающий углеводы), вырабатываемый семенами клещевины, является сильнодействующим токсином. Всего несколько крупинок очищенного порошка рицина могут убить взрослого человека. Он ингибирует удлинение путем ферментативной модификации рРНК большой рибосомной субъединицы эукариот. Другим известным ингибитором трансляции эукариот является циклогексимид, который обычно используется в лабораториях для подавления синтеза белка.
Противораковые препараты
Биогенез рибосом, процесс создания рибосом, недавно стал эффективной мишенью в терапии рака.Несколько соединений, ингибирующих продукцию или функцию рибосом, преимущественно убивающих раковые клетки, прошли клинические испытания. Недавние исследования показывают, что клетки экспрессируют гетерогенные популяции рибосом и что состав рибосом может играть ключевую роль в онкогенезе, открывая новые терапевтические возможности.
Об изображении
Два произведения искусства, керамическая скульптура (слева) и кусок шелкового батика (справа), были созданы Шином Галаутом и Мари Бишофс, 13-летними учениками Школы Персе и Колледжа Импингтон Вилладж, соответственно.Оба художника черпали вдохновение из комплексов белков и нуклеиновых кислот в базе данных PDB, а их работы основывались на процессе синтеза белка и рибосомах.
Дипти Гупта
Protein Synthesis — обзор
A Механизм действия ингибиторов синтеза белка
Синтез белка происходит в цитоплазме на рибонуклеопротеиновых частицах, рибосомах. Информационная РНК, которая содержит в своей нуклеотидной последовательности код, управляющий синтезом одной или нескольких полипептидных цепей, синтезируется РНК-полимеразой на матрице ДНК и транспортируется в цитоплазму, где она связывается с рибосомами и направляет размещение РНК для переноса аминоацила в правильной последовательности.Аминокислота, которая была активирована и этерифицирована до определенного вида тРНК, связана с рибосомным акцепторным сайтом благодаря взаимодействиям кодон-антикодон. Пептидилтрансфераза, неотъемлемая часть рибосомы, катализирует образование пептидной связи между карбоксильной группой растущего пептида (связанной как пептидил-тРНК с сайтом донора рибосомы) и аминогруппой новой аминокислоты. Образовавшаяся пептидил-тРНК перемещается к донорному сайту с помощью GTP-требующего фермента, освобождая акцепторный сайт для присоединения следующей аминоацил-тРНК (Watson, 1970).
Взаимосвязь между синтезом белка и физиологическим проявлением радиационного поражения исследовалась в первую очередь с использованием ингибиторов синтеза белка. Выводы, сделанные на основе этих исследований, основаны на двух предположениях: во-первых, ингибирование влияет на одну и только одну биохимическую реакцию, а во-вторых, что эта конкретная биохимическая реакция не имеет быстрых косвенных эффектов на общий метаболизм клетки.
Пуромицин, который действует как аналог аминоацил-тРНК (Morris and Schweet, 1961; Rabinovitz and Fisher, 1962), по-видимому, ингибирует синтез белка в прокариотических и эукариотических клетках, высвобождая неполные полипептидные цепи из рибосомы (Allen and Zamecnik , 1962; Натанс, 1964). Циклогексимид может ингибировать инициацию, удлинение или прекращение синтеза белка в эукариотических клетках путем блокирования транслокации, тем самым предотвращая дальнейшее движение рибосомы по матричной РНК (Obrig et al., 1971; Rajalakshmi et al., 1971). Хлорамфеникол подавляет синтез белка в бактериях и избирательно подавляет синтез белка в митохондриях и хлоропластах изученных эукариотических клеток (Sager, 1972).Этот антибиотик связывается с большой рибосомной субъединицей (Vazquez, 1965) и препятствует образованию пептидной связи (например, Traut and Monro, 1964). Стрептомицин специфически подавляет синтез микробных и митохондриальных белков, связываясь с малой рибосомной субъединицей (Davies, 1964; Cox et al., 1964) и вызывая неправильное считывание генетического кода (Davies et al., 1964).
Сворачивание белков: хорошее, плохое и уродливое
Мы часто думаем о белках как о питательных веществах в пище, которые мы едим, или как о главном компоненте мышц, но белки также представляют собой микроскопические молекулы внутри клеток, которые выполняют разнообразные и жизненно важные функции.Завершив проект «Геном человека», ученые обращают свое внимание на «протеом» человека — каталог всех человеческих белков. Эта работа показала, что мир белков увлекателен, он полон молекул с такими замысловатыми формами и точными функциями, что они кажутся почти фантастическими.
Функция белка зависит от его формы, и когда образование белка идет не так, образующиеся в результате деформированные белки вызывают проблемы, которые варьируются от плохих, когда белки пренебрегают своей важной работой, до уродливых, когда они образуют липкую комковатую массу внутри клеток.Текущие исследования показывают, что мир белков далек от первозданного. Образование белка — это процесс, подверженный ошибкам, и ошибки на этом пути были связаны с рядом заболеваний человека.
Большой мир белков:
В типичной человеческой клетке содержится от 20 000 до более чем 100 000 уникальных типов белков. Почему так много? Белки — это рабочие лошадки клетки. Каждый мастерски выполняет конкретную задачу. Некоторые из них являются структурными, например, придают жесткость мышечным клеткам или длинным тонким нейронам.Другие связываются с определенными молекулами и доставляют их в новые места, а третьи катализируют реакции, которые позволяют клеткам делиться и расти. Такое разнообразие и специфичность функций стало возможным благодаря, казалось бы, простому свойству белков: они сворачиваются.
Белки складываются в функциональную форму
Белок начинается в клетке как длинная цепочка, состоящая в среднем из 300 строительных блоков, называемых аминокислотами. Существует 22 различных типа аминокислот, и их порядок определяет, как белковая цепь будет складываться сама по себе.При складывании первыми обычно образуются конструкции двух типов. Некоторые области белковой цепи сворачиваются в тонкие образования, называемые «альфа-спиралями», в то время как другие области складываются в зигзагообразные узоры, называемые «бета-листами», которые напоминают складки бумажного веера. Эти две структуры могут взаимодействовать, образуя более сложные структуры. Например, в одной структуре белка несколько бета-листов обвиваются вокруг себя, образуя полую трубку с несколькими альфа-спиралями, выступающими из одного конца. Трубка короткая и приземистая, так что общая структура напоминает змей (альфа-спирали), выходящих из банки (бета-листовая трубка).Несколько других белковых структур с описательными названиями включают «бета-ствол», «бета-пропеллер», «альфа / бета-подкову» и «складку желе-ролла».
Эти сложные структуры позволяют белкам выполнять свою разнообразную работу в клетке. Белок «змеи в банке», будучи встроенным в клеточную мембрану, создает туннель, который позволяет входить и выходить из клеток. Другие белки образуют формы с карманами, называемыми «активными центрами», которые идеально подходят для связывания с определенной молекулой, например, с замком и ключом.Сворачиваясь в различные формы, белки могут выполнять очень разные роли, несмотря на то, что они состоят из одних и тех же основных строительных блоков. Чтобы провести аналогию, все автомобили сделаны из стали, но обтекаемая форма гоночного автомобиля побеждает в гонках, в то время как автобус, самосвал, кран или дзамбони имеют форму для выполнения своих уникальных задач.
Почему иногда происходит сбой сворачивания белка?
Сворачивание позволяет белку принимать функциональную форму, но это сложный процесс, который иногда терпит неудачу. Сворачивание белков может пойти не так по трем основным причинам:
1: Человек может обладать мутацией, которая изменяет аминокислоту в белковой цепи, что затрудняет поиск конкретного белка его предпочтительной складки или «нативного» состояния.Это касается наследственных мутаций, например, приводящих к муковисцидозу или серповидно-клеточной анемии. Эти мутации расположены в последовательности ДНК или «гене», кодирующем один конкретный белок. Следовательно, эти типы унаследованных мутаций влияют только на этот конкретный белок и связанные с ним функции.
2: С другой стороны, нарушение сворачивания белков можно рассматривать как продолжающийся и более общий процесс, который влияет на многие белки. Когда создаются белки, машина, считывающая указания ДНК для создания длинных цепочек аминокислот, может делать ошибки.Ученые подсчитали, что эта машина, рибосома, допускает ошибки в 1 из каждых 7 белков! Эти ошибки могут снизить вероятность правильного сворачивания полученных белков.
3: Даже если аминокислотная цепь не имеет мутаций или ошибок, она все равно может не достичь своей предпочтительной складчатой формы просто потому, что белки не складываются правильно в 100% случаев. Сворачивание белка становится еще более трудным, если условия в клетке, такие как кислотность и температура, изменяются от тех, к которым привык организм.
Нарушение сворачивания белка вызывает несколько известных заболеваний, и ученые предполагают, что многие другие болезни могут быть связаны с проблемами сворачивания. Есть две совершенно разные проблемы, которые возникают в клетках, когда их белки не сворачиваются должным образом.
Один тип проблемы, называемый «потеря функции», возникает, когда недостаточное количество определенного белка сворачивается должным образом, вызывая нехватку «специализированных работников», необходимых для выполнения конкретной работы. Например, представьте, что правильно сложенный белок имеет идеальную форму, чтобы связывать токсин и расщеплять его на менее токсичные побочные продукты.Без достаточного количества правильно сложенного белка токсин будет накапливаться до разрушительного уровня. В качестве другого примера, белок может отвечать за метаболизм сахара, так что клетка может использовать его для получения энергии. Клетка будет расти медленно из-за недостатка энергии, если в ее функциональном состоянии будет недостаточно белка. Причина, по которой клетка заболевает, в этих случаях связана с нехваткой одного специфического, правильно сложенного функционального белка. Муковисцидоз, болезнь Тея-Сакса, синдром Марфана и некоторые формы рака являются примерами заболеваний, которые возникают, когда один тип белка не может выполнять свою работу.Кто знал, что один тип белка из десятков тысяч может быть настолько важен?
Белки, которые сворачиваются неправильно, также могут повлиять на здоровье клетки независимо от функции белка. Когда белки не могут свернуться в свое функциональное состояние, полученные неправильно свернутые белки могут принимать форму, неблагоприятную для переполненной клеточной среды. Большинство белков содержат липкие, «ненавидящие воду» аминокислоты, которые они закапывают глубоко внутри своего ядра. Неправильно свернутые белки носят эти внутренние части снаружи, как леденцы в шоколаде, раздавленные, чтобы обнажить липкую карамельную серединку.Эти неправильно свернутые белки часто слипаются, образуя сгустки, называемые «агрегатами». Ученые предполагают, что накопление неправильно свернутых белков играет роль в нескольких неврологических заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона и болезнь Лу Герига (БАС), но ученые все еще работают над тем, чтобы выяснить, как именно эти неправильно свернутые липкие молекулы наносят ущерб клеткам. .
Один неправильно свернутый белок выделяется среди остальных и заслуживает особого внимания. «Прионный» белок при болезни Крейтцфельдта-Якоба, также известной как болезнь коровьего бешенства, является примером неправильно свернутого белка.Этот белок не только необратимо неправильно свернут, но и превращает другие функциональные белки в свое скрученное состояние.
Как наши клетки защищаются от неправильно свернутых белков?
Недавние исследования показывают, что неправильная укладка белков часто происходит внутри клеток. К счастью, клетки привыкли справляться с этой проблемой и имеют несколько систем для повторного укладки или разрушения аберрантных белковых образований.
Шапероны — одна из таких систем. Правильно названные, они сопровождают белки в процессе сворачивания, улучшая шансы белка на правильное сворачивание и даже позволяя некоторым неправильно свернутым белкам возможность повторно сворачиваться.Интересно, что шапероны сами по себе являются белками! Есть много разных типов шаперонов. Некоторые специально предназначены для того, чтобы помочь одному типу белка сворачиваться, в то время как другие действуют в более общем плане. Некоторые шапероны имеют форму больших полых камер и обеспечивают белкам безопасное пространство, изолированное от других молекул, в котором они могут складываться. Производство нескольких шаперонов увеличивается, когда клетка сталкивается с высокими температурами или другими условиями, затрудняющими сворачивание белка, таким образом, эти шапероны получили прозвище «белки теплового шока».”
Другая линия защиты клеток от неправильно свернутых белков называется протеасомой. Если неправильно свернутые белки задерживаются в клетке, они будут уничтожены этой машиной, которая пережевывает белки и выплевывает их в виде небольших фрагментов аминокислот. Протеасома похожа на центр переработки, позволяя клетке повторно использовать аминокислоты для производства большего количества белков. Сама протеасома — это не один белок, а множество действующих вместе. Белки часто взаимодействуют с образованием более крупных структур с важными клеточными функциями.Например, хвост спермы человека представляет собой структуру, состоящую из многих типов белков, которые работают вместе, образуя сложный роторный двигатель, который продвигает сперму вперед.
Будущие исследования сворачивания и неправильного сворачивания белков:
Почему некоторые неправильно свернутые белки способны уклоняться от таких систем, как шапероны и протеасома? Как липкие неправильно свернутые белки могут вызывать перечисленные выше нейродегенеративные заболевания? Некоторые белки неправильно складываются чаще, чем другие? Эти вопросы находятся в авангарде текущих исследований, направленных на понимание основ биологии белков и болезней, которые возникают в результате неправильного сворачивания белка.
Обширный мир белков с большим разнообразием форм наделяет клетки способностями, которые позволяют жизни существовать и допускают ее разнообразие (например, различия между клетками глаза, кожи, легких или сердца, а также различия между видами) . Возможно, по этой причине слово «белок» происходит от греческого слова «протас», что означает «первостепенное значение».
— Внесено Керри Гейлер, аспирантом 4-го курса Гарвардского факультета органической и эволюционной биологии
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 бусина 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 фактически сворачивается 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 не совсем уверены, но большинство из них согласны с тем, что в нашем организме 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?
Разные 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.
[ Получайте удовольствие от разговора каждые выходные. Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку.]