Белки все о них: Свойства и функции белков — урок. Химия, 8–9 класс.

Свойства и функции белков — урок. Химия, 8–9 класс.

Денатурация — разрушение пространственной структуры белка.

Она происходит при нагревании белков, под действием радиоактивного излучения, некоторых химических веществ (кислот, щелочей, солей тяжёлых металлов). При денатурации белки изменяют свои свойства и теряют биологическую активность, несмотря на то, что их первичная структура сохраняется.

 

Рис. \(1\). Денатурация белка

 

Примером денатурации служит изменение яичного белка при нагревании.

 

Разложение при нагревании

При сильном нагревании белки горят. При этом образуются вещества со своеобразным запахом жжёных перьев. По запаху можно легко отличить шерстяные или шёлковые волокна от синтетических.

 

Цветные реакции

Присутствие белка в растворе можно обнаружить с помощью качественных реакций, в результате которых образуются окрашенные продукты.

 

Если к раствору белка добавить раствор щёлочи и несколько капель раствора соли меди(\(II\)), то появляется красно-фиолетовое окрашивание. Эта реакция называется биуретовой.

 

Рис. \(2\). Биуретовая реакция

 

Другая цветная реакция на белки — ксантопротеиновая. Для её проведения к раствору белка при нагревании надо добавить концентрированную азотную кислоту. Образуется жёлтый осадок. Если после охлаждения в пробирку прилить раствор щёлочи или концентрированный раствор аммиака, то появится оранжевое окрашивание.

 

Рис. \(3\). Ксантапротеиновая реакция

Функции белков

В каждом живом организме содержится большое количество белков, которые выполняют ряд важнейших функций.

 

Белки входят в состав цитоплазматической мембраны, цитоплазмы, органоидов и тем самым выполняют строительную функцию в живых организмах.

 

Все биохимические реакции в организмах протекают с участием ферментов. Ферменты — это белки-катализаторы. Значит, белки в живых организмах выполняют каталитическую функцию. Примерами таких катализаторов могут служить пищеварительные ферменты, участвующие в переваривании пищи: пепсин, липаза, амилаза, мальтаза.

 

Важнейшая функция белков — защитная. Особые белки — антитела и антитоксины — участвуют в формировании иммунитета. Антитела обезвреживают проникшие в организм бактерии, а антитоксины нейтрализуют их яды.

 

Белок гемоглобин выполняет транспортную функцию. Он переносит кислород от органов дыхания к тканям.

 

Двигательная функция некоторых белков обеспечивает сокращение мышц и все движения живых организмов.

 

При нехватке пищи белки могут выполнять энергетическую функцию. При расщеплении \(1\) г белка выделяется \(17,6\) кДж энергии.

 

Белки выполняют сигнальную, рецепторную, регуляторную и другие функции.

Источники:

Рис. 1. Денатурация белка https://image.shutterstock.com/image-illustration/structure-normal-disassembled-protein-600w-1507923140.jpg

Рис. 2. Биуретовая реакция

Рис. 3. Ксантапротеиновая реакция

Почему белковая цепь находит единственно верную укладку среди многих вариантов

Перебор всех возможных вариантов укладки белковой цепи займет время, превышающее время жизни Вселенной. Однако белок успевает найти верный вариант в течение считаных минут. Отдел науки «Газеты.Ru» рассказывает о том, как российским ученым удалось разрешить этот парадокс и для чего нужно оценивать «быстродействие» белка.

Как сворачиваются белки

Каждая клетка нашего тела является фабрикой по производству белков. Часть из них производится для внутреннего пользования, для поддержания жизни клетки, а другая часть «идет на экспорт». Все свойства белковых молекул (в том числе способность изумительно точно катализировать превращения других молекул в клетке) зависят от пространственной структуры белка, причем структура каждого белка уникальна.

Пространственная структура образуется уникальной укладкой белковой цепи, состоящей из разных аминокислотных остатков (бусинок разных цветов — рис. 1). Последовательность аминокислот в цепи белка определяется его геномом и синтезируется рибосомой, после чего пространственная структура цепи формируется «сама собой» в ходе сворачивания белковой цепи, которая выходит из рибосомы еще практически неупорядоченной.

close

100%

Сворачивают эту цепь взаимодействия ее аминокислот, причем в одну и ту же структуру — как в организме, так и в пробирке. Разнообразие возможных укладок одной и той же цепи невообразимо велико. Но у заданной последовательности аминокислот есть, как правило, только одна стабильная («правильная») структура, которая и придает белку его уникальные свойства. Стабильна же она потому, что именно она обладает минимальной энергией.

Тот же принцип действует при образовании кристаллов: вещество приобретает ту структуру, энергия связей в которой минимальна.

Что общего у белка и Вселенной

Здесь перед учеными возник вопрос: как белковая цепь может спонтанно «найти» свою единственную стабильную структуру, если перебор колоссального числа всех вариантов (порядка 10¹⁰⁰

для цепи из 100 аминокислотных остатков) занял бы времени больше, чем время жизни Вселенной. Этот «парадокс Левинталя», сформулированный полвека назад, был решен только теперь. Для его решения пришлось привлечь методы теоретической физики.

close

100%

Ученые из Института белка Российской академии наук (ИБ РАН) создали теорию скоростей образования пространственных структур молекул белка. Результаты работы были недавно опубликованы в журналах Atlas of Science, Chem Phys Chem и «Биофизика». Работа поддержана грантом Российского научного фонда (РНФ).

«Способность белков спонтанно формировать свои пространственные структуры за считаные секунды или минуты — давняя загадка молекулярной биологии.

В нашей работе представлена физическая теория, позволяющая оценить скорость этого процесса в зависимости от величины белков и сложности их устройства», — начинает рассказ о своей работе член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Института белка РАН, руководитель гранта РНФ Алексей Финкельштейн.

«Давно известно, что белковая цепь приобретает свою уникальную структуру при одних условиях среды, а при других (например, при подкислении или подогреве раствора) эта структура разворачивается. На стыке этих условий уникальная структура белка находится в динамическом равновесии с развернутой формой его цепи, — продолжает он. — Процессы сворачивания и разворачивания там сосуществуют, их физика наиболее прозрачна. Поэтому мы сосредоточились именно на таких равновесных и квазиравновесных условиях — в отличие от других исследователей, которые как будто резонно (но ошибочно, как оказалось) полагали, что путь к тайне сворачивания белка надо искать там, где оно протекает наиболее быстро».

Развернуть белок — хорошее начало, но не выход

«Первый подход к проблеме Левинталя был разработан нами давно, — рассказывает Алексей Финкельштейн, — и заключался в следующем: так как теоретически проследить путь сворачивания белка очень трудно, нужно изучать процесс его разворачивания. Звучит парадоксально, но в физике существует принцип «детального равновесия», который гласит: любой процесс в равновесной системе протекает по тому же пути и с той же скоростью, что и обратный ему. И так как в динамическом равновесии скорости сворачивания и разворачивания одинаковы, мы рассмотрели более простой процесс разворачивания белка (ведь разломать проще, чем сделать) и охарактеризовали тот «барьер» (см. картинку 1), нестабильность которого определяет скорость процесса».

Следуя принципу детального равновесия, ученые из Института белка РАН оценили и «сверху», и «снизу» скорость сворачивания белков — как больших, так и маленьких, как с простой, так и со сложной укладкой цепи. Небольшие и просто устроенные белки сворачиваются быстрее (оценка скорости «сверху»), а большие и/или сложно устроенные — медленнее (оценка «снизу»). Значения всех остальных возможных скоростей сворачивания заключены между ними.

Однако не все биологи были удовлетворены полученным решением, так как, во-первых, их интересовал путь сворачивания (а не разворачивания) белка, а во-вторых, физический «принцип детального равновесия» был, по-видимому, им плохо понятен.

И работы продолжались: на этот раз учеными из ИБ РАН были произведены расчеты сложности сворачивания белка. Давно известно, что взаимодействия в белках связаны в основном с так называемыми вторичными структурами. Вторичные структуры — это стандартные, довольно крупные локальные «строительные блоки» белковой структуры, определяемые в основном локальными аминокислотными последовательностями в них. Количество возможных вариантов укладки таких блоков в структуру свернутого белка можно подсчитать, что и было сделано учеными из ИБ РАН. Число таких вариантов огромно — порядка 10¹⁰ (но далеко не 10¹⁰⁰!) для цепи из порядка 100 аминокислот, и белковая цепь может, согласно теоретическим оценкам, «просканировать» их за минуты или — для более длинных цепей — за часы. Так была получена самая верхняя оценка времени сворачивания белка.

close

100%

Результаты, полученные двумя способами (т.е. при анализе и разворачивания, и сворачивания белка), сходятся и подтверждают друг друга.

«Наша работа имеет фундаментальное значение для конструирования в будущем новых белков для нужд фармакологии, биоинженерии, нанотехнологии, — заключает Алексей Финкельштейн.

— Вопросы скорости сворачивания белков актуальны, когда речь идет о предсказании структуры белка по его аминокислотной последовательности, а особенно — о дизайне новых, не встречающихся в природе белков».

«Что изменилось после получения гранта РНФ? Появилась возможность закупить новое современное оборудование и реактивы для работы (ведь наша лаборатория в основном экспериментальная, хотя я здесь рассказал только о нашей теоретической работе). Но главное: грант РНФ позволил специалистам заниматься наукой, а не искать подработку на стороне или в дальних краях», — говорит Алексей Финкельштейн.

Текст подготовлен в сотрудничестве с проектом «Индикатор» (Indicator.Ru).

Белковые молекулы ведут себя как цунами – Наука – Коммерсантъ

Ученые Дальневосточного федерального университета (ДВФУ) смоделировали поведение WW-домена белка FBP28 и приблизились к пониманию работы белков, сбои в которой провоцируют заболевания, в том числе нейродегенеративные и онкологию. В исследовании физики применили теорию солитонов, которую обычно используют для моделирования нелинейных явлений — от структуры элементарных частиц до цунами.

Солитоны, или нелинейные волны, в отличие от обычных волн сохраняют форму при распространении, что, например, обуславливает разрушительную силу цунами. Физики ДВФУ предположили, что стабильность трехмерных белковых молекул имеет такую же природу, а значит, их структура может быть описана через набор солитонов.

Вместе с коллегами из Корнелльского и Стокгольмского университетов они изучили домен WW белка FBP28, чтобы разобраться, почему этот домен работает правильно или неправильно.

«Домены WW стали предметом обширных теоретических и экспериментальных исследований из-за их небольшого размера, биологической важности и кинетики быстрого сворачивания. Домен WW различных белков чрезвычайно интересен прежде всего тем, что он модульный, обеспечивает специфические взаимодействия с белковыми лигандами (химическими соединениями, которые работают в комплексе с белком) и влияет на самые разные метаболические процессы. Например, на регулирование и управление процессами роста органов»,— объясняет Александр Молочков, заведующий лабораторией физики живой материи Школы биомедицины ДВФУ.

Исследователи выяснили, каким образом замена отдельных аминокислот приводит к перестройке всей структуры белка, и, самое главное, каковы последствия изменения конкретных аминокислот в определенных местах молекулярных цепочек. Например, если WW-домен обладает неправильной структурой или вовсе не сформирован, это может привести к неконтролируемому росту органов, мегалии.

«Одна из наших фундаментальных задач состоит в том, чтобы понять, какие именно мутации приводят к неправильному сворачиванию белков и какие целенаправленные изменения в белке можно провести, чтобы исправить эти ошибки. Ответив на эти вопросы, мы сможем лечить не только нейродегенеративные заболевания, но и диабет второго типа, онкологию и врожденные болезни, связанные с повреждениями на генетическом уровне»,— говорит Александр Молочков.

Сложность в том, что нет очевидной связи между сменой отдельных аминокислот и всей мутацией белка, исход которой предсказать сложно. Приходится просчитывать изменения белка на суперпроизводительных компьютерах, используя молекулярную динамику. Подход не работает, если в белке больше пары десятков аминокислот, потому что на такие расчеты не хватает никаких вычислительных мощностей. Выходом стало моделирование белка с применением, казалось бы, чуждой для структурной биологии и медицины теории солитонов.

Используя теорию солитонов, в ДВФУ надеются создать методы предсказательного моделирования поведения белков, что сильно повлияет на фармакологию и поможет больше узнать о работе многих клеточных механизмов и вирусов. Ученые также хотят изучить методы искусственно контролируемого фолдинга и анфолдинга белков (свертываемости/несвертываемости молекулярных цепочек белковых молекул), применяя которые в будущем можно будет заставить группу белков уничтожать вирус, сворачиваясь определенным образом. Это один из примеров борьбы с оболочечными вирусами, к которым относятся и Эбола, и СПИД, и нашумевший SARS-CoV-2, вызвавший пандемию COVID-19.

Знания в области фолдинга/анфолдинга белков можно будет применять для запуска управляемых мутаций в человеческом организме, чтобы излечить врожденные заболевания, причиной которых становится неправильная работа одного из белков, что всегда связано с изменениями в ДНК.

Ошибки в молекулярных цепочках белковых молекул становятся причиной различных заболеваний, в том числе онкологии и нейродегенеративных болезней — Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона, болезни Крейцфелта—Якоба или синдрома инфекционного слабоумия, когда белки вызывают деменцию, стойкое снижение познавательной деятельности с утратой ранее приобретенных навыков.

В 2020 году лабораторию физики живой материи ДВФУ, которую возглавляет Александр Молочков, реорганизуют в Тихоокеанский квантовый центр, где методами физики элементарных частиц будут исследовать фундаментальные основы перспективных квантовых материалов, медицины и фармакологии, в том числе, чтобы создать новые противовирусные препараты.

По материалам статьи New Insights into Folding, Misfolding, and Nonfolding Dynamics of a WW Domain; Khatuna Kachlishvili, Anatolii Korneev, Luka Maisuradze, Jiaojiao Liu, Harold A. Scheraga, Alexander Molochkov, Patrick Senet, Antti J. Niemi, Gia G. Maisuradze; журнал The Journal of Physical Chemistry B, июль 2020

Физика белка | Научно-образовательный центр по нанотехнологиям МГУ

IV курс, VII семестр, специализация «Наноструктуры биологической мембраны» (подгруппа НБ2).

Финкельштейн Алексей Витальевич (дфмн, профессор, совместитель по факультету биоинжененрии, биоинформатики).

42 часа.

Данный курс посвящен физике белка, т.е. самым общим проблемам структуры, самоорганизации и функционирования белковых молекул. Изложены те физические идеи и, в частности, те элементы статистической физики и квантовой механики, которые необходимы для понимания студентами строения и функционирования белков.
Курс знакомит студентов, преимущественно, с теорией связанных с белками физических проблем; при этом в нем и дан лишь необходимый минимум экспериментальных данных и методов. Говоря о конкретных белках, даются лишь важнейшие примеры.

Программа

Белки: предварительный обзор. Общее строение и основные функции белков. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Понятие о биосинтезе белка, о его сворачивании in vivo и in vitro. Пост-трансляционные модификации.
Элементарные взаимодействия в белках и вокруг них. Стереохимия аминокислотных остатков. L- и D-аминокислотные остатки. Валентные связи и углы между ними. Вращение вокруг валентных связей (примеры). Пептидная группа. Транс- и цис-пролины. Вандерваальсово взаимодействие: притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина). Водородные связи. Их электрическая природа. Их энергия и геометрия в кристаллах. Разболтанность водородных связей в воде (как это показано на опыте?). Водородные связи в водном окружении имеют энтропийную природу. Гидрофобные взаимодействия (в чем их особенность проявляется на опыте?). Их связь с необходимостью насыщения водородных связей в воде. Гидрофобность и доступная воде неполярная поверхность. Гидрофобность аминокислот. Влияние окружения, в особенности водного, на электростатические взаимодействия. Электрическое поле у поверхности и внутри белка. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии. Дисульфидные связи. Координационные связи. Энергия, энтропия, свободная энергия и химический потенциал. Связь температуры с изменением энергии и энтропии. Вероятности состояний с различной энергией и энтропией (распределение Больцмана-Гиббса). Конформационные превращения. Понятие о фазовом переходе первого рода (переходе «все-или-ничего») и о не-фазовых переходах. Кинетика преодоления свободно-энергетического барьера при конформационных превращениях. Понятие о теории абсолютных скоростей реакций. Влияние вязкости. Диффузия.
Вторичная структура полипептидных цепей. Вторичная структура полипептидов. Спирали: 2₇, 3₁₀, α, poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная β-структура, β-изгибы. Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры. Что такое «клубок»? Что такое «нативно-развернутые» белки?
Теорема Ландау и не-фазовость перехода спираль-клубок. Размер кооперативного участка при переходе спираль-клубок. Стабильность α-спирали и β-структуры в воде. Скорость образования β-структуры (шпилек и листов) и α-спиралей.
Пространственное строение белков. Фибриллы, сложенные из глобул и «истинно» фибриллярные белки; функции и периодичные первичные и вторичные структуры последних; примеры. Упаковка длинных α-спиралей и обширных β-листов. Белки, образующие матрикс; эластин. Амилоиды. Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, порин, фотосинтетический центр. Селективная проницаемость мембранных пор. Работа фотосинтетического центра. Понятие о туннельном эффекте. Глобулярные белки. Упрощенное представление структур белковых глобул; структурные классы. Аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру, пространственная структура — функцию. Обратное — неверно. Строение β-белков: β-слои, их продольная и перпендикулярная укладка; β-призмы. Правопропеллерная скрученность β-листов. Примеры. Строение α-белков. Пучки и слои спиралей. Укладка -спиралей вокруг квазишарового ядра. Примеры. Плотная упаковка при контакте α-спиралей. Строение α/β-белков: параллельный β-слой, прикрытый α-спиралями (укладка Россманна) и α/β-цилиндр. Топология β-α-β субъединиц. Строение α+β белков. Примеры.
Классификация структур белков. “Стандартные” третичные структуры (примеры). Отсутствие прямой связи архитектуры белка с его функцией (примеры). Есть ли эволюция белковых структур? Дупликация гена и специализация. Эволюция путем перемешивания доменов. Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковых глобул: наличие отдельно α- и отдельно β-слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов; редкость левых β-α-β суперспиралей. Физические причины этих феноменов. Связь частоты встречаемости разнообразных структурных элементов в нативных глобулярных белках с собственной свободной энергией этих элементов. Примеры.
Кооператвные переходы в белковых молекулах. Кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. Денатурация глобулярного белка — переход типа “все-или-ничего”. Критерий Вант-Гоффа для перехода “все-или-ничего”. Тепловая и холодовая денатурация, денатурация растворителем. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы. Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула. Почему денатурация глобулярного белка — переход типа «все-или-ничего»? Распад плотной упаковки ядра белка и раскрепощение боковых групп.
Самоорганизация белка in vivo и in vitro. Вспомогательные механизмы при самоорганизации in vivo: ко-трансляционное сворачивание, шапероны, и т.д. Спонтанная самоорганизация возможна in vitro. Понятие о “парадоксе Левинталя”. Опыты по сворачиванию белка in vitro. Обнаружение метастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачивания многих белков. Расплавленная глобула — обычно (но не обязательно) наблюдаемый интермедиат сворачивания белка в нативных условиях. Одностадийное сворачивание малых белков. Теория переходных состояний. Ядро сворачивания нативной структуры белка. Его экспериментальное обнаружение in vitro методами белковой инженерии. Решение «парадокса Левинталя»: к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Оценка времени сворачивания белка.
Предсказание и дизайн белковых структур. Опознавание сходства пространственных структур белков по сходству их аминокислотных последовательностей. Попытки предсказания пространственных структур белков их аминокислотным последовательностям ab initio.
Свойства аминокислотных остатков (примеры: аланин, глицин, пролин, валин). Неполярные и полярные боковые группы. Заряженные боковые группы. Предпочтительные места для включения тех или иных аминокислотных остатков во вторичную и в третичную структуру. Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках. Белковая инженерия (с примерами) и дизайн (с примерами). Подтверждение теории переходного состояния в катализе методами белковой инженерии. Абзимы.
Физические основы функционирования белков. Элементарные функции белков. Связывающие белки: ДНК-связывающие белки, иммуноглобины. Ферменты и катализ. Каталитический и субстрат-связывающий центры. Ингибирование. Кофакторы.
Механизм ферментативного катализа (на примере сериновых протеаз). Переходные состояния и интермедиаты. Почему твердость белка важна для элементарной ферментативной функции? Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его структуры. Индуцированное соответствие. Подвижность доменов белка. Доменная структура: киназы, дегидрогеназы. Когда белку нужна (и когда не нужна) гибкость? Аллостерическая регулировка функции белка. Гемоглобин и миоглобин. Понятие о механохимическом цикле. Пример: движение кинезина.

Список литературы

ОСНОВНАЯ
1.Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М: Книжный дом «Университет», 2002 или 2005.
2. Branden C., Tooze J. Introduction to Protein Structure. New York, London: Garland Publ., Inc., 1991, 1999..
3. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов, гл. 1,8-12. М: Мир, 1980.
4. Шульц Г. Е., Ширмер Р. Х. Принципы структурной организации белков. М: Мир, 1982.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ
1.Рубин А. Б. Биофизика. т. 1, гл. 7-14. М: Книжный дом «Университет», 1999.
2. Волькенштейн М.В. Биофизика, гл.4,6. М: Наука, 1981.
3. Кантор Ч., Шиммель П. Биофизическая химия, т. 1, гл. 2,5; т.3, гл. 17,20,21. М: Мир, 1982.
4. Ленинджер А. Основы биохимии, в 3-х тт., гл. 4-8, 23,29. М: Мир, 1985.
5. Страйер Л. Биохимия, в 3-х тт., гл. 1-9, 27, 33-34. М: Мир, 1984 (т.1) — 1985 (тт. 2-3).

Программу составил д.ф.-м-н., проф. Финкельштейн А.В.

Аннотированный список лекций

Лекция 1. Введение. Основные функции белков. Аминокислотная последовательность определяет пространственную структуру, пространственная структура — функцию. Обратное — неверно. Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Биосинтез белка; сворачивание белка in vivo и in vitro. Пост-трансляционные модификации.
Лекция 2. Ковалентные взаимодействия в аминокислотных остатках. Стереохимия L-аминокислотных остатков. Валентные связи и углы между ними. Их колебания. Вращение вокруг валентных связей. Пептидная группа. Транс- и цис-пролины.
Лекция 3. Вандерваальсовы взаимодействия в аминокислотных остатках. Вандерваальсово взаимодействие: притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина).
Лекция 4. Физика водородных связей в водном окружении. Влияние водного окружения. Водородные связи. Их электрическая природа. Их энергия. Их геометрия в кристаллах. Разболтанность водородных связей в воде. Понятие об энтропии и свободной энергии. Водородные связи в белковой цепи замещают такие же связи этой цепи с водой; в результате водородные связи в белковой цепи приобретают — в водном окружении — энтропийную природу.
Лекция 5 (сдвоенная). Элементы термодинамики. Элементы термодинамики. Свободная энергия и химический потенциал. Гидрофобные взаимодействия. Их связь с необходимостью насыщения водородных связей в воде. Доступная воде неполярная поверхность аминокислот и их гидрофобность.
Лекция 6 (сдвоенная). Электростатические взаимодействия. Влияние водного окружения на электростатические взаимодействия. Электрическое поле у поверхности и внутри белка. Диэлектрическая проницаемость. Экранировка зарядов в солевых растворах. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии. Дисульфидные связи. Координационные связи.
Лекция 7. Вторичная структура белковых цепей. Вторичная структура полипептидов. Спирали: 27, 310, α, π, poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная β-структура. β-изгибы. Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры.
Лекция 8 (сдвоенная). Элементы статистической физики. Связь температуры с изменением энергии и энтропии. Вероятности состояний с различной энергией (распределение Больцмана-Гиббса). Статистическая сумма и ее связь со свободной энергией. Конформационные превращения. Понятие о фазовом переходе первого рода (переходе «все-или-ничего») и о не-фазовых переходах. Кинетика преодоления свободно-энергетического барьера при конформационных превращениях. Понятие о теории скоростей реакций. Параллельные и последовательные процессы. Характерные скорости диффузионных процессов.
Лекция 9 (сдвоенная). Стабильность и скорость образования вторичных структур в полипептидах. Свободная энергия инициации и элонгации α-спирали. Теорема Ландау и не-фазовость перехода спираль-клубок. Размер кооперативного участка при переходе спираль-клубок. Стабильность α-спирали в воде. Стабильность β-структуры в воде. Скорость образования β-структуры и α-спирали. Что такое «клубок»?
Лекция 10. Физические свойства аминокислотных остатков. Свойства боковых групп аминокислотных остатков. Включение аминокислотных остатков во вторичную структуру. Аланин, глицин, пролин, валин. Неполярные, короткие полярные и длинные полярные боковые группы. Заряженные боковые группы. Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках.
Лекция 11. Фибриллярные белки. Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; α-кератин, β-фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных α-спиралей и обширных β-листов. Белки, образующие матрикс; эластин. Генетические дефекты белков и болезни. Амилоиды.
Лекция 12. Мембранные белки. Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, рецепторы и G-белки, порин, фотосинтетический центр. Селективная проницаемость мембранных пор. Работа фотосинтетического центра. Понятие о туннельном эффекте. Понятие об электронно-конформационном взаимодействии.
Лекция 13. Строение глобулярных белков; часть I: α-белки. Глобулярные белки. Упрощенное представление структур белковых глобул; структурные классы. Строение β-белков: β-слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. Преимущественная антипараллельность β-структуры в β-белках. Правопропеллерная скрученность β-листов. Топология β-белков.
Лекция 14. Строение глобулярных белков; часть II: α-, α/β- и α+β-белки. Строение α-белков. Пучки и слои спиралей. Модель квазисферической глобулы из α-спиралей. Плотная упаковка при контакте α-спиралей. Строение α/β-белков: параллельный β-слой, прикрытый α-спиралями, и α/β-цилиндр. Топология β-α-β субъединиц. Строение α+β белков. Отсутствие прямой связи архитектуры белка с его функцией.
Лекция 15. Физические принципы строения белковой глобулы. Классификация структур белков. Отсутствие наблюдаемой «макроэволюции» эволюции укладок белковых цепей — при наблюдаемой «микроэволюции» их структур. Дупликация гена и специализация. Эволюция путем перемешивания доменов. “Стандартные” третичные структуры. Типичность “квазислучайного” чередования аминокислот в первичных структурах глобулярных белков, контраст с периодическими первичными структурами фибриллярных белков и блочными — мембранных белков Физические принципы строения белковой глобулы. Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковых глобул: наличие отдельно α- и отдельно β-слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов; редкость левых β-α-β суперспиралей. “Энергетические” и “энтропийные” дефекты редко встречающихся структур и связь этих “дефектов” с относительной редкостью аминокислотных последовательностей, стабилизирующих “дефектные” структуры. “Принцип множественности”.
Лекция 16. Физический отбор белковых структур. Какую вторичную структуру можно ожидать для случайных и квази-случайных аминокислотных последовательностей? Доменное строение стабильных структур квази-случайных последовательностей наиболее вероятно. Квази-Больцмановская статистика мелких деталей белковых структур. Она возникает из физического отбора стабильных белковых структур. Влияние стабильности структурного элемента на строгость отбора первичных структур, не разрушающих пространственную структуру глобулярного белка, или: почему одни белковые структуры встречаются часто, а другие — редко? Какую структуру — α или β — следует чаще ожидать в центре большой глобулы? Связь “энтропийных” дефектов с “энергетическими”. Глобулярные белки возникли как “отобранные” случайные полипептиды? Отбор «белковоподобных» случайных последовательностей в белковой инженерии.
Лекция 17 (сдвоенная). Термодинамические состояния белковых молекул. Денатурация белка. Нативно-развернутые белки.. Кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. Денатурация глобулярного белка — переход типа “все-или-ничего”. Критерий Вант-Гоффа для перехода “все-или-ничего”. Тепловая и холодовая денатурация. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула. Неоднородность расплавленной глобулы. Отсутствие фазового перехода типа “все-или-ничего” при набухании “обычных” полимерных глобул.
Лекция 18. Термодинамика кооперативных переходов в белковых молекулах. Почему денатурация глобулярного белка — переход типа «все-или-ничего»? Распад плотной упаковки ядра белка и раскрепощение боковых групп. Проникновение растворителя в денатурированный белок, разрушение расплавленной глобулы, постепенное разворачивание белковой цепи по мере увеличения силы растворителя. Энергетическая щель между нативной укладкой белковой цепи и прочими ее глобулярными укладками: основное физическое отличие белковой цепи от случайного сополимера. Различия в плавлении “отобранного” гетерополимера (с энергетической щелью) и случайного сополимера.
Лекция 19. Кинетика кооперативных переходов в белковых молекулах, часть I. Образование структуры белка in vivo и in vitro. Вспомогательные механизмы при самоорганизации in vivo: ко-трансляционное сворачивание, шапероны, и т.д. Спонтанная самоорганизация возможна in vitro. “Парадокс Левинталя”. Опыты по сворачиванию белка в бесклеточных системах, а также – о разном понимании слов “in vitro”. Стадийный механизм самоорганизации белков. Обнаружение метастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачивания многих белков Расплавленная глобула — обычно (но не обязательно) наблюдаемый интермедиат сворачивания белка в нативных условиях. Простейшее (одностадийное) сворачивание некоторых белков — без каких-либо накапливающихся метастабильных интермедиатов. Самоорганизация мембранных белков.
Лекция 20. Кинетика кооперативных переходов в белковых молекулах, часть II. Одностадийное сворачивание малых белков. Теория перехòдных состояний. Экспериментальный поиск и изучение нестабильных перехòдных состояний в сворачивании белка. Ядро сворачивания нативной структуры белка. Его экспериментальное обнаружение in vitro методами белковой инженерии. Нуклеационный механизм сворачивания белка.
Лекция 21. Физика самоорганизации белка. Решение «парадокса Левинталя»: к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Для этого необходимо только, чтобы между нативной укладкой цепи и прочими ее глобулярными укладками существовала бы заметная энергетическая щель. Обсуждение аномально медленного образования стабильной структуры в некоторых белках (серпины, прионы). Представление об “энергетических ландшафтах” белков. Белковые структуры: физика самоорганизации и естественный отбор самоорганизующихся цепей.
Лекция 22. Предсказание и дизайн белковых структур, часть I: вторичная структура белков. Потребность в предсказании структур белков по их аминокислотным последовательностям. “Опознавание” белковых структур и функций по гомологии последовательностей. Профили первичных структур семейств белков. Ключевые районы и функциональные сайты белковых структур. Выделение стабильных структур пространственных белковой цепи. “Шаблоны” белковых структур. Мы всегда вынуждены судить о предсказываемой структуре белка только по части взаимодействий, действующих в его цепи. Результат: вероятностные предсказания. Взаимодействия, стабилизующие и разрушающие вторичную структуру полипептидов. Расчет вторичных структур не-глобулярных полипептидов. Предсказание вторичной структуры белков.
Лекция 23. Предсказание и дизайн белковых структур, часть II: третичная структура белков. Представление о подходах к предсказанию пространственных структур белков по их аминокислотным последовательностям. Базы данных по структурам белков. Предсказание общей укладки цепи отдаленных гомологов понижает неопределенности в опознавании структур белков. Структурная геномика и протеомика. Биоинформатика. Белковая инженерия и дизайн. Первые успехи в конструировании белков.
Лекция 24 (сдвоенная). Элементарные функции белков и структуры белков. Элементарные функции. Связывающие белки: ДНК-связывающие белки, иммуноглобины. Ферменты. Активный центр — “дефект” глобулярной структуры. Твердость белка важна для элементарной ферментативной функции. Каталитический и субстрат-связывающий центры. Ингибирование. Кофакторы. Многовалентные ионы. Механизм ферментативного катализа. Пример: сериновые протеазы. Теория перехòдного состояния в катализе и ее подтверждение методами белковой инженерии. Абзимы. Специфичность катализа. Узнавание “ключ-замок”.
Лекция 25. Строение белков, имеющих сложные функции. Сочетание функций. Переход субстрата с одного на другой активный центр. “Двойное сито” повышает специфичность функции. Относительная независимость структуры белка от его элементарной ферментативной активности. Заметная связь структуры с окружением белка. Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его структуры. Индуцированное соответствие. Подвижность доменов белка. Перемешивание доменов при эволюции белков. Доменная структура: киназы, дегидрогеназы. Аллостерия — взаимодействие активных центров. Аллостерическая регулировка функции белка. Аллостерия и четвертичная структура белка. Гемоглобин и миоглобин. Механизм мышечного сокращения. Кинезин.

Промежуточная аттестация

Коллоквиум. Обсуждаемые темы:
Элементарные взаимодействия в белках и вокруг
Вторичные структуры полипептидных цепей
Пространственное строение белков
Кооперативные переходы в белковых молекулах
Предсказание и дизайн белковых структур
Функционирование белков

Список вопросов в билетах

1. Первичная, вторичная, третичная, четвертичная структура белка. Глобулярные, фибриллярные и мембранные белки. Понятие о биосинтезе белка, о его сворачивании in vivo и in vitro и о пост-трансляционных модификациях.
2. Стереохимия аминокислотных остатков. Валентные связи и углы между ними. Вращение вокруг валентных связей (примеры). Пептидная группа. Транс- и цис-пролины. Дисульфидные связи. Координационные связи.
3. Вандерваальсово взаимодействие: притяжение на больших расстояниях, отталкивание на малых. Разрешенные конформации аминокислотного остатка (карты Рамачандрана для глицина, аланина, валина, пролина).
4. Водородные связи. Их электрическая природа. Их энергия и геометрия в кристаллах. Разболтанность водородных связей в воде (как это показано на опыте?). Водородные связи в водном окружении имеют энтропийную природу.
5. Гидрофобные взаимодействия (в чем их особенность проявляется на опыте?). Их связь с необходимостью насыщения водородных связей в воде. Гидрофобность и доступная воде неполярная поверхность. Гидрофобность аминокислот.
6. Влияние окружения, в особенности водного, на электростатические взаимодействия. Электрическое поле у поверхности и внутри белка. Измерение электрических полей в белках при помощи белковой инженерии.
7. Вторичная структура полипептидов. Спирали: 27, 310, α, poly(Pro) II. Антипараллельная и параллельная β-структура. β-изгибы. Методы экспериментального обнаружения вторичной структуры. Что такое «клубок»? Что такое «нативно-развернутые» белки?
8. Теорема Ландау и не-фазовость перехода спираль-клубок. Размер кооперативного участка при переходе спираль-клубок.
9. Стабильность α-спирали и β-структуры в воде. Скорость образования β-структуры (шпилек и листов) и α-спиралей.
10. Свойства аминокислотных остатков (примеры: аланин, глицин, пролин, валин). Неполярные и полярные боковые группы. Заряженные боковые группы. Предпочтительные места для включения аминокислотных остатков во вторичную и в третичную структуру. Гидрофобные поверхности на вторичных структурах в белках.
11. Фибриллярные белки, их функции и их периодичные первичные и вторичные структуры; α-кератин, β-фиброин шелка, коллаген. Упаковка длинных α-спиралей и обширных β-листов. Белки, образующие матрикс; эластин. Амилоиды.
12. Мембранные белки, особенности их строения и функции. Бактериородопсин, порин, фотосинтетический центр. Селективная проницаемость мембранных пор. Работа фотосинтетического центра. Понятие о туннельном эффекте.
13. Глобулярные белки. Упрощенное представление структур белковых глобул; структурные классы. Строение β-белков: β-слои, их продольная и перпендикулярная упаковка. Правопропеллерная скрученность β-листов. Примеры.
14. Строение α-белков. Пучки и слои спиралей. Плотная упаковка при контакте α-спиралей. Строение α/β-белков: параллельный β-слой, прикрытый α-спиралями (укладка Россманна) и α/β-цилиндр. Топология β-α-β субъединиц. Строение α+β белков. Примеры.
15. Классификация структур белков. “Стандартные” третичные структуры (примеры). Отсутствие прямой связи архитектуры белка с его функцией (примеры). Есть ли эволюция белковых структур? Дупликация гена и специализация. Эволюция путем перемешивания доменов.
16. Основные закономерности, наблюдаемые в структурах белковых глобул: наличие отдельно α- и отдельно β-слоев; редкость перекрывания петель; редкость параллельности соседних по цепи структурных сегментов; редкость левых β-α-β суперспиралей. Физические причины этих феноменов.
17. Связь частоты встречаемости разнообразных структурных элементов в нативных глобулярных белках с собственной свободной энергией этих элементов. Примеры.
18. Кооперативные переходы. Обратимость денатурации белков. Денатурация глобулярного белка — переход типа “все-или-ничего”. Критерий Вант-Гоффа для перехода “все-или-ничего”.
19. Тепловая и холодовая денатурация, денатурация растворителем. Диаграмма фазовых состояний белковой молекулы. Как выглядит денатурированный белок? Клубок и расплавленная глобула.
20. Почему денатурация глобулярного белка — переход типа «все-или-ничего»? Распад плотной упаковки ядра белка и раскрепощение боковых групп.
21. Самоорганизация белка in vivo и in vitro. Вспомогательные механизмы при самоорганизации in vivo: ко-трансляционное сворачивание, шапероны, и т.д. Спонтанная самоорганизация возможна in vitro. Понятие о “парадоксе Левинталя”.
22. Опыты по сворачиванию белка “in vitro”. Обнаружение метастабильных (накапливающихся) интермедиатов сворачивания многих белков Расплавленная глобула — обычно (но не обязательно) наблюдаемый интермедиат сворачивания белка в нативных условиях.
23. Одностадийное сворачивание малых белков. Теория перехòдных состояний. Ядро сворачивания нативной структуры белка. Его экспериментальное обнаружение in vitro методами белковой инженерии.
24. Решение «парадокса Левинталя»: к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Оценка времени сворачивания белка.
25. Опознавание сходства пространственных структур белков по сходству их аминокислотных последовательностей. Попытки предсказания пространственных структур белков их аминокислотным последовательностям ab initio.
26. Белковая инженерия (с примерами) и дизайн (с примерами). Подтверждение теории перехòдного состояния в катализе методами белковой инженерии. Абзимы.
27. Элементарные функции белков. Связывающие белки: ДНК-связывающие белки, иммуноглобины. Ферменты и катализ. Каталитический и субстрат-связывающий центры.
28. Ферменты и катализ (на примере сериновых протеаз). Почему твердость белка важна для элементарной ферментативной функции?
29. Сопряжение элементарных функций белка и гибкость его структуры. Индуцированное соответствие. Подвижность доменов белка. Доменная структура: киназы, дегидрогеназы.
30. Когда белку нужна (и когда не нужна) гибкость? Аллостерическая регулировка функции белка. Гемоглобин и миоглобин. Понятие о механизме мышечного сокращениия и о движении кинезина.

Нобелевский лауреат рассказал о влиянии белковых молекул на жизнь

В рамках Московского фестиваля науки в МГУ прочел лекцию лауреат Нобелевской премии, професор лаборатории структурной биологии института Скриппса (Калифорния, США) Курт Вютрих. Она называется «Фундаментальные исследования пространственной структуры сложных белковых молекул и наша повседневная жизнь». В своей лекции профессор Вютрих проиллюстрировал воздействие своих фундаментальных исследований в двух областях на повседневную жизнь, а также объяснил, почему эти исследования открывают новые горизонты идей, которые позволят человечеству, например, улучшить питание или создать новые формы медицинской помощи. Онлайн-трансляцию лекции провело сетевое издание M24.ru.

Ведущий: Профессор Вютрих родился в очень приятной стране, в Швейцарии. Начинал работать и проводить свои исследования в Берне, в Бонне, в Базеле. После этого он переехал в США, в частности в Калифорнию, университет Беркли и Нью-Джерси. Через пять лет пребывания там он вернулся домой и с того времени работал в Цюрихе в лаборатории молекулярной биологии, биофизики. В 2002 году, как я уже говорил, ему была присуждена Нобелевская премия, в частности, по спектроскопии ЯМР (ядерно-магнитного резонанса), исследуя именно белки в растворе, а не в твердом состоянии.

Что касается спектроскопических индикаторов, в настоящее время это также исследуется в России, профессор Вютрих выпустил более 700 научных публикаций с общим индексом цитирования свыше 68 тысяч ссылок. Индекс Херша превышает 120 в его случае. Его научным исследованиям было присуждено более 25 почетных дипломов самых различных стран, включая университеты Турции. Он также является почетным профессором МГУ. С начала 70-х годов лаборатория господина Вютриха по молекулярной биологии и биофизике не позволяла соответствующим лабораториям мира расслабиться, настолько глубинными и интенсивными были их исследования. Речь шла не только о молекулярной биологии, поэтому мне трудно сказать, является ли он биологом или физиком. Вообще я сказал бы, Курт Вютрих создал новые физические методы исследований, которые предоставили нам совершенно новые возможности изучения молекулярной биологии. Он изучал макромолекулы белка в растворе, как живые динамичные системы. Надеюсь, что его презентация, его лекция говорит сама за себя и покажет результаты применения новых методов ЯМР.

Курт Вютрих: Добрый день. Я прибыл сюда, потому что я получил Нобелевскую премию. Если вы хотите получить Нобелевскую премию, то вам нужно сделать изобретения, которые поднимут на новый уровень жизнь человека. Надо попытаться понять суть проблемы, но поскольку вы здесь, вы, наверное, знаете, о чем пойдет речь.

Хотел бы попытаться убедить вас, что фундаментальные исследования молекулы белка также помогают повысить качество нашей повседневной жизни. Белок и его вселенная, как я выражаюсь, – это сумма всех белков, в частности, которые производятся микробами. Микробы в нашем теле, в свою очередь, производят гораздо больше других белков, которые закодированы в нашем геноме. То есть если кто-то начинает говорить о персонализированной медицине и рассматривать это только как генетические процессы в нашей хромосоме, то он не получит полную картину ситуации, потому что чисто генетическая информация о ДНК, ДНК микробов в нашем теле, я говорю сейчас о микробах мышей, коз, других живых организмов, в том числе и в нашем теле, то я бы сказал, что у нас большое богатство генетической информации содержится в нашем теле, которая транслируется в белки, что создает новую вселенную белкового мира, о чем я хотел сегодня с вами поговорить. Мы привыкли видеть такие структуры белка.

Белок содержится и в нашем мозге. Я бы хотел упомянуть прионы. Прионы – это то, что является возбудителем болезней Крейтцфельдта-Якоба, или коровьего бешенства у людей. Здесь желтым цветом показана спиральная структура. Внешне выглядит приятно. Почему мне была интересна именно такая структура белка? Потому что белки по своему химическому составу не очень-то впечатляющая структура, они имеют соответствующие цепочки, линейные цепочки в составе 20 различных строительных блоков-аминокислот. Это представлено в виде 20 различных букв, описывающих эти 20 различных строительных блоков. Все они одинаково ответственны за линейную цепочку, за ее формирование. Различные аминокислоты имеют при этом различные С-цепочки, что обеспечивает выполнение различными аминокислотами несколько различных функций. Тем не менее, линейная структура цепочки полипептидов не очень наблюдается в различных белках, не дает вам информации о том, почему белки выполняют различные функции и целый комплекс их. Здесь у меня список этих функций селективных белков. Белки защиты, которые содержатся в наших волосах и кожном покрове. Большинство из вас имеет такие белки в коже и волосах. Кроме этого, есть ферменты, энзимы в желудке, кишечнике, которые помогают нам переваривать пищу и усваивать ее. Есть также другие белки, которые действуют как гормоны. Они решают вопрос об активности ферментов в определенный период времени, когда это необходимо. Есть еще и другие белки, которые обеспечивают транспорт, гемоглобин в частности, белок, который содержится в нашей крови и отвечает за передачу кислорода из легких в наши тела. Гемоглобин, различные варианты гемоглобина, его концентрации в нашей крови, очень часто как допинг в конкурентном спорте.

Наверное, вы слышали о велосипедном спорте. Был известный гонщик Армстронг, который искусственно повышал содержание эритроцитов в крови, насыщение кислородом, и конкуренты всегда проигрывали, потому что оказывалось, что у него больше гемоглобина в крови. Часто побеждал. Я так же вводил себе гемоглобин и поражался эффекту. То есть даже если вы нетренированный человек, все равно ваш потенциал в спорте – на 10% повышение содержания гемоглобина в крови. Ситуация резко иная возникает.

Что касается ферментов, гормонов и транспортного гемоглобина, все это должно быть растворимым в воде. Все жидкости нашего тела, биожидкости, – это растворы белков. С другой стороны, если белок, который формирует наш кожный покров и наши волосы, будет растворимым в воде, то не многие из вас выжили бы в московском климате. И вы не могли бы понять, что некоторые белки очень резистентные по отношению к воде и только постепенно растворяются в воде.

Если вы посмотрите на эту линейную структуру, по этой причине нам нужно узнать трехмерную структуру белков. Например, здесь вы видите полномасштабную картину аминокислот, их С-цепочек. Здесь же вы видите молекулу приона, и только часть белка хорошо структурирована, а остальная несколько гибка, нечетка. Для того чтобы четко понять, что происходит на основе химической структуры, то трехмерная структура – я использую свой ремень. Когда я приезжаю в Москву, мне и ремня не надо. Вот ремень химически структурирован, белки здесь структурированы, если он из кожи. Если мы его свернем, образуется двух- или трехмерная структура, то есть таков химический состав белков. И мы не можем понять, почему некоторые белки нерастворимы в воде, тогда как мы знаем, что трехмерная структура помогает нам лучше понять, что происходит. Это имеет определенные последствия.

Ссылки по теме

В связи со многими практическими применениями технологических подходов я упомянул лишь одно практическое применение. Речь идет о дизайне, или проектировании, фармацевтических препаратов. Это имеет большую важность для будущего человечества. Я выбрал примеры, в частности, циклоспорин-А очень помог в трансплантации органов у людей. Если вы пересаживаете почку от одного человека к другому, то так, чтобы не было отторжения, иначе возникнет высокая температура и человек погибнет. Циклоспорин был первым иммуносупрессором, первым препаратом, который позволил пересаживать почки, сердца и выживать за счет подавления реакции отторжения, иммунного ответа инородной ткани. Это также важно с экономической точки зрения. Компания, которая изобрела циклоспорин, синтезировала, она продавала его на сумму 1,5 миллиарда долларов в год и продолжает продавать примерно на этом уровне в настоящее время. Вот химическая структура циклоспорина-А. Это небольшого размера белок. Если вы знаете структуру не только самого препарата, химическую формулу, но и структуру, как именно связывается составляющая белок, вот небольшой белок в этом случае (голубой цвет), вот препараты. То есть связка с белком этого препарата осуществляется по определенному механизму. В настоящее время компьютеры помогают отделить лекарство от этого комплекса, и тогда мы увидим точно структуру на поверхности белка на рецепторе там, где он связывается. Здесь в это отверстие как раз препарат, предполагается, должен проникнуть, чтобы связаться. Зеленые – это липофильные группы. Для того чтобы препарат хорошо связался именно в месте связки, то геометрически он должен подходить и структурой, чтобы плотно связаться.

Возвращаемся к самому препарату. Мы исследовали поверхности рецептивного белка, здесь вы видите этот участок, он довольно просторный, но недостаточный, чтобы связаться с белком. Поэтому мы говорим химикам: «Вы отрежьте эту часть, измените формулу препарата так, чтобы он более плотно связывался с белком». Например, мы можем снизить дозировку и нежелательные побочные действия. Эта работа была выполнена довольно давно. Результаты были опубликованы где-то в 1988 году. С того времени формула циклоспорина была изменена, появились новые препараты, которые более активны в действии, когда применяются по время и после трансплантации органов.

Я думаю, вступительную часть я завершил сейчас. Теперь я хочу поговорить, как именно трехмерная структура определяется, и на основе этого я перейду к рассказу о том, какие именно теоретические знания о поведении белков в теле человека и других организмов, и как за последние 20 лет изменились структуры белка.

Существует два метода, они применяются для определения структуры белка атомов. Это метод рентгенной дефракции белковых кристаллов и ЯМР. Это метод, с которым работала моя группа. Почему важна работа с ЯМР? Потому что ЯМР нам дает возможность демонстрировать свое действие в жидкости, напоминающей жир, в котором белки становятся активными. Но я начну с кристаллографии, пожалуйста, потому что вы видите, что впервые мы добились значительных успехов в кристаллографии в 1957 году, а метод ЯМР – почти 30 лет спустя. На фотографии вы видите Макса Перуца, одного из двух ученых, который определил первым кристаллическую решетку. Макс Перуц и Джон Кендрю, им выдали Нобелевскую премию по химии в 1962 году за их работу в области кристаллографии. Суть была в том, что они синтезировали гемоглобин и биоглобин, он связан с гемоглобином тесно, подает кислород в мышцы, а гемоглобин подает кислород в кровь. Вы видите линейную цепь в руках ученого. Это цепочка, имитирующая цепь гемоглобина. В 1962 году, когда он получил Нобелевскую премию, именно благодаря этой структуре ему выдали столь престижную награду.

Вы видите кислородосвязующие цепи, и вся молекула построена из кусочков ДСП. Они наклеены друг на друга. В то время не было компьютеров, чтобы сделать трехмерные чертежи, поэтому это была очень кропотливая работа. Конечно, вы здесь не видите никаких отдельных кусочков, вы можете просто догадаться, где хеликс располагается, а где остальные элементы. Я стал интересоваться структурной биологией в то время, кристаллография не могла в то время ответить, происходит или не происходит в одной из четырех цепей связующая функция кислорода. Я взял кровь из моей левой руки и начал изучать гемоглобин, выделил его и стал изучать. Сразу стало понятно, что мы видим кислородосвязывающие звенья, и мы видим здесь нетипичные звенья. Как правило, вы видите только этот кусок в спектре ЯМР. Но я взял и изучил эти два пика, потом мы добавляли молекулы кислорода, потом их убирали, и мы показали, что были движения молекул белка. Когда проникает кислород отсюда, то здесь происходит движение и формируется определенная щель. Это было в 1968 году. И уже в то время изменение кристаллов и растворов делали двумя технологиями, и они взаимодополняли друг друга.

А теперь позвольте перейти к более техническим деталям и вкратце рассказать вам, как мы получили трехмерную структуру белка с использованием спектра ЯМР. Здесь вы видите структуру, которая была имитирована в 1967 году. Вы видите, опять же, клееные кусочки бруса, имитация белка, и это цитохром С, который передает электроны. Так как мне было очень интересно показывать людям, что это действительно собой представляет, привлекли к работе художников, чтобы делать более привлекательную картину такой решетки. Эрвен Гайс в то время сделал это, до наступления компьютерной эры, он просто сделал чертежи макромолекул. И надо сказать, что этот художник в дальнейшем делал потрясающие картины. Он рисовал структуры белка, и публиковались они во всех научных журналах. В Нью-Йорке есть музей, где выставлены свыше 300 работ этого художника Гайса, которые сделаны для различных журналов.

Итак, мы изучили этот спектр молекулы, и мы получили вот такой спектр. Обратите внимание на масштаб и посмотрите на частоту. Как правило, вы можете видеть пиковые значения в таком спектре между 0 и 8. Но также у нас получились и отрезки, выпадающие за эти границы. Напомню, я рассматривал свой собственный гемоглобин. Для того чтобы получить достаточно информации и рассчитать трехмерную структуру молекулы белка, нам надо было извлечь информацию именно по этому участку. Это последовательное расположение где-то 1 тысячи точек. А дальше мы разработали двухмерную модель ЯМР. Эта двухмерная модель полностью трансформационная. Вы видите, в частотном порядке вместо того, чтобы иметь сильно нахлестывающиеся друг на друга линии, мы их так распределили и расположили в двухмерном пространстве. Если такой же спектр рассмотреть в другом немного графике, в контурном, то вы получите впечатление о том, сколько здесь информации по количеству точек. В результате мы разработали математический метод. Заняло это много лет. Написали специальную программу для расчета трехмерной структуры в зависимости от дистанции между этими молекулами. И у нас получилась трехмерная структура молекулы белка. Самое странное, что никто не верил в то, что это осуществимо по одной простой причине: белки все время передвигаются в жидкости, а кристаллы зафиксированы в пространстве. Поэтому общепринятое мнение, что никогда не будет возможности определить структуру белка в растворе, потому что молекулы постоянно двигались. Но тем не менее, это стало возможно и, более того, это стоило вручения Нобелевской премии. Видите, шведской король вручает мне мою медаль.

Как мы выбираем структуры, по которым мы определяем гемоглобин или первая структура, которую мы определили. Во-первых, надо иметь легко извлекаемые молекулы белка. Крови у нас много, можно пол-литра крови взять и вырастить большие решетки, но вы не можете потерять, разрушив белок. Если в ходе очистки крови вы потеряете белок, вы не поймете, что вы делаете. Я не шучу. Именно так исторически структурная биология пришла к тому, к чему она пришла. Далее, еще есть белки, которые связаны с заболеваниями. И если изолировать такого типа белки, это тоже большой шаг в структурной биологии. То есть взять белки оттуда и отсюда в хаотичном порядке, что мы и делали. И надо сказать, что в то время биохимия довольно хорошо изучила состав белков, но таким хаотичным неструктурным образом продвигалась структурная биология довольно медленно.

В 1980 году, когда профессор Хендриксон и я решили каждый год публиковать книгу о новых изысканиях за год, например, эта книга опубликована в 1992 году, где мы объясняли структуры всех белков, которые мы изучили в 1991 году, и нуклеиновых кислот. В течение первых 30 лет существования структурной биологии только 420 структур было изучено и разгадано, то есть в среднем 10 в год. А в 1990-м уже 130 структур было изучено, в 1992-м – уже 220 структур. Объем нашей книги каждый раз утолщался. А в 1995 году книга была длиной в 2 тысячи страниц. Поэтому ее уже надо было как-то сокращать. И в 1998 году даже сокращенная книга стала очень объемной. А к концу прошлого века мы уже ее перевели в электронный формат. Там хранятся все изученные структуры, банки данных. И в печатном формате мы уже эту книгу не публикуем, только в электронном виде. К концу прошлого века у нас уже было около 5 тысяч различных структур белков и где-то свыше 12 тысяч изученных белков в банке данных. Когда мы проделывали эту работу в прошлом веке, мы не знали, сколько белков существует в теле человека или микробов. Потом все изменилось. Был синтезирован человеческий геном, разгадан, и выяснилось, что есть 25 тысяч различных выраженных белков в человеческом теле. Сегодня мы знаем, что сотни тысяч различных протеинов выражаются в микробах в нашем организме, проявляются в них. Это совершенно другая ситуация. Понимаете, есть очень много белков, которые уже не существуют в течение жизни. Допустим, есть они у новорожденных, потом исчезают, потом выражаются белки при заболеваниях, при определенном возрасте. Поэтому есть множество белков и множество моделей для их изучения.

Итак, на сегодняшний день структурная геномика пользуется этой информацией и развивает ее. Когда я говорю о понимании сегодняшнем всей этой планеты белков, я, конечно, должен говорить о ДНК и РНК, должен говорить о нуклеиновых кислотах, с одной стороны, и о белках, с другой стороны. Конечно же, есть центральная догма молекулярной биологии, которая в простых выражениях гласит, что ДНК может реплицировать в ДНК от одного поколения клеток в другое, ДНК может трансформироваться в РНК, и РНК может передаваться в белок. В конце 50-х нам Криг представил такой простой чертеж, чтобы показать, что происходит. Есть ДНК, которая трансдуцирует в РНК или реплицируется сама в себя, и РНК уже транслируется в белок. Что мы сделали? Так как мы работали в классической структурной биологии, мы хотели изучить эту часть системы и выбрали несколько белков, которые были ярко выраженными. Они вели к заболеваниям, или по каким-то другим причинам. И вдруг мы узнали о структуре ДНК и узнали, что 25 тысяч различных белков есть в организме человека, а изучили мы около 1800 из них. ДНК – это линейная структура, выглядит она примерно так. И вместо того чтобы изучать каждый белок по отдельности, мы смотрим на структуру ДНК, мы видим отдельные цепи, и мы знаем, что эта цепь вырабатывает белок, но мы его никогда не видели. Теперь мы уже можем зайти в эту структуру и изучить этот белок. Именно в этом смысл нового способа приобретения знаний о целом белковом сообществе и новый способ постижения информации в геномике.
Именно в этом смысл нового способа приобретения знаний о целом белковом сообществе и новый способ постижения информации в геномике. Химическая структура ДНК – это линейная цепь с четырьмя различными элементами. Сейчас мы можем читать чередование нуклеотида отсюда, и когда мы видим новый белок, мы берем его, размещаем микроб и готовим этот белок к изучению, определяем его структуру. Если обобщить, что происходит, то надо сказать, что соответствие с центральной догмой молекулярной биологии ДНК дает нам информацию о геномной структуре, о геномном сообществе белков. Мы знаем только о химической структуре белков, и когда мы изучаем протеом, то приобретаем знания о трехмерной структуре функции белков.

С этим связана проблема, заключается она в том, что есть очень много геномных чередований. Этот график показывает вам развитие количества генов и геномных чередований, которые были нам известны с 1985 года до примерно 2013 года. Вы видите, что от одной тысячи мы уже дошли до 100 миллионов, и это довольно забавно знать, что в 1986 и в 1987 году вся геномика могла вмещаться в несколько томов – в шесть томов книг. Довольно элегантно это все выглядит по сравнению с сегодняшними трехмерными структурами. Вы только представьте, сколько книг было бы на полке в 1995 году или же сегодня со 100 миллионами генов. Вот как эволюционировала наука в плане изучения геномных чередований. И, конечно, в этот последний период мы приобрели информацию о трехмерной структуре.

Что касается структурной геномики, то мы пожелали добавить трехмерные структуры, для того чтобы показать последовательности и для этого получить более глубокий биологический анализ. Есть очень много видов информации, которую мы можем получить в этой связи. Как нам получить возможность, для того чтобы достичь значительного прогресса и попытаться охватить фундаментальные исследования о геномной структуре при трехмерном подходе?
Специалисты по информатике выяснили, что последовательность белков может группироваться в семейства. Эти семейства могут быть довольно обширными, до 10-15 тысяч белков. Если мы определим одну структуру, выделим ее из целого семейства, то мы сможем использовать однородное моделирование, для того чтобы получить информацию, гомологическое моделирование, чтобы выделить все, что нужно, из этого семейства. Поэтому очевидно, если у нас возникают возможности сделать значительный прогресс в охвате фундаментальных исследований о геноме при трехмерных структурах как подходе, то нужно оценивать белки в рамках больших семейств, чтобы определить структурные эксперименты из поликристаллографии ЯМР, проводить при этом и моделировать все кислотные белки в цепочке, используя компьютерные расчеты.

Получение монументальных знаний о белках. Белок – это этот кружок, 33 миллиона или 100 миллионов последовательностей может быть в белке. Мы же определяем лишь небольшое количество трехмерных структур и затем можем прибегнуть к моделированию, чтобы повысить воздействие относительно небольших количеств на экспериментальные структуры, чтобы получить значительный охват в рамках этого кружка. Но нужна новая методология.
В прошлом кристаллические структуры использовались. 20 лет понадобилось с гемоглобином, обычно от пяти до десяти лет требовалось в 80-е годы, а в настоящее время кристаллические структуры можем сделать за один день и в течение десяти дней – двусторонние. Здесь видите подборку недавно определенных ЯМР-структур, которые были выбраны из больших семейств, и представляют структуры примерно от 15 до 20 тысяч различных белков, как я выражаюсь, вселенной белков генома. Эти белки представляют особый интерес. Белки определяют транскрипции и эмбрионально-стволовые клетки, это совершенно новая область. До сих пор не было возможности пойти в эту область, а теперь появляется такая возможность: с помощью ЯМР получать информацию о структуре белков на основе исследований генома человека.

Здесь я возвращаюсь к иммуносупрессии. Изучаем иконуклеотиновые комплексы белков, которые регулируют активацию Т-клеток, лимфоцитов. Я думаю, что наиболее большим прорывом в этом новом подходе явились новые технологии, призванные разработать сквозную технологию для создания крупноразмерных структур в области Т-белка вместе с рецепторами. После нескольких десятилетий целой цепочки неудач получения структуры человеческого GPCR был совершен неожиданный прорыв группой ученых во главе с профессором Стивенсон. Я вхожу в эту группу, она довольно велика, 80 человек в целом работают в этой области, и предпринимаются попытки продолжить исследования. Также в Москве профессор Черезов уже начал лабораторные исследования для продолжения этой работы. В настоящее время у нас уже более 23 пространственных структур белков GPCR. Почему это является прорывом? Потому что много GPCR в нашем теле, они отвечают практически за все: запах, обоняние, вкус, пульс – все, что вы можете вообразить. И они являются мишенями для разработки новых препаратов. Примерно 40% препаратов, имеющихся в настоящее время, являются GPCR. Даже сложно вообразить в денежном выражении, каковы могут быть колоссальные последствия этого успеха в структурной биологии, в том, что касается улучшения в дальнейшем дизайна проектирования препаратов, которые направлены на GPCR. Что касается ЯМР, я уже говорил, мы кристаллографией занимались, но кристаллография не дает ответа на все вопросы. GPCR – это мембранный белок, а перекрестная мембрана всего 30 ангстрем длиной. Мы знаем, что все GPCR содержат семь трансмембранных рецепторов, и место связки препарата молекулы – сверху клетки, а внутри клетки эти белки получают сигналы, и желаемые эффекты возникают в теле человека, благодаря использованию соответствующего препарата.

Возникает вопрос, как они передаются при 30 ангстремах, от поверхности клетки вовнутрь клетки? На этот вопрос нельзя ответить на основе только кристаллографии, потому что кристаллические структуры определяют при -2000C, при этой очень низкой температуре. Поэтому нам нужно использовать ЯМР и при температуре тела брать пробы изнутри клеток и исследовать, как именно пробы ЯМР, как на них сказывается связывание с молекулами препарата, поступающего извне – то, чем мы в настоящее время занимаемся особенно интенсивно. И опять-таки, как уже говорилось, 40 лет назад гемоглобин, кристаллография гемоглобина и ЯМР очень активно взаимодополняли друг друга для получения информации, помогавшей нам понять, как эти замечательные механизмы работают в связи с цепочками полипептидов в нашей нашем теле. Пожалуй, это все, что я хотел вам сегодня рассказать. Спасибо за внимание.

Ведущий: Большое спасибо вам. Пожалуйста, прения, обсуждения? Есть некоторое время еще для вопросов. Есть ли вопросы?

Вопрос заключается, как я понял, как именно мы можем повлиять, без воздействия мозга, используя только GPCR-препараты?

Курт Вютрих: Я, по крайней мере, не знаю. Возможно, были некоторые сигналы, как замечалось, которые влияют на отдельные молекулы. Допустим, я решаю сейчас согнуть свои пальцы. Для того чтобы это сделать, должны поступить сигналы отсюда, по нервам, сюда, и потом сигналы возвращаются отсюда в какой-то участок моего мозга, и там мозг мне говорит, что я изменил положение своих пальцев, я не хочу больше тянуть, я сожму в кулак, и потом сигнал идет обратно сюда. Очевидно, что эти мелкие движения, микроскопические, так сказать, управляются деятельностью мозга, и они зависят от движения отдельных молекул. Как это происходит, в настоящее время еще интенсивно пока исследуется. Все, что я могу сказать, что касается таких мелких движений, я это легко могу показать на руке, но с молекулами это гораздо сложнее, потому что нужно отсюда по пальцам, и очень большое количество молекул было задействовано для обеспечения этого движения.

Хотел попытаться объяснить. Допустим, 1.8 метров длина ДНК в нашем теле, она содержит примерно три миллиарда нуклеотидов. Мы знаем, что очень небольшая часть из этих 1.8 метров последовательности ДНК, транслируется в белки. У меня то же самое ДНК в клетках моих глаз, кожи и желудка, но в каждом конкретном месте тела используются различные части ДНК. Это называется дифференциация высших организмов. Если у вас больше одной клетки в организме, вероятно, у вас будут специализированные клетки, а специализация появляется, потому что различные гены экспрессированы в разных местах. Обычный регулятивный механизм заключается в том, чтобы связать белки с ДНК, которые распознают конкретные места, где белок должен быть экспрессирован, и распознаются места, и прочтение обеспечивает, где именно ДНК останавливается. То есть, в моих глазах используется и в моей коже, этот кусочек в глазах был, этот кусочек экспрессирован в коже и так далее. При делении клеток происходит реплицирование ДНК. Я не специалист в этой области и не очень хорошо информирован о сигнальной системе. Должна она быть, потому что в какой-то момент должно быть деление клеток, но я не хотел бы говорить об этом, потому что сам недостаточно информирован. Вопрос в том, как вещества, препараты, могут выполнять какие-то функции в замещение белков. Я повторяю этот вопрос, чтобы дать время подумать, что ответить, самому себе. Есть РНК, как и нуклеокислоты, они выполняют функцию ферментов, это обычно та функция, которую в этом случае выполняли бы белки. Это один пример. Конечно, мы сейчас пытаемся синтезировать химические вещества, соединения, которые могут выполнять функции вместо белков. В медицине также есть синтетические материалы, которые временно могут заменить функционирование кожи или лигамент, связующих лигаментов, также связок, которые также из белков.
В медицине, вы знаете, это бизнес объемом в миллиарды долларов в год.

Что такое магниторезонансный томограф?

Курт Вютрих: МРТ сегодня очень важен в медицинской диагностике, так же, как и рентгенный томограф. Так что ЯМР имеет колоссальные перспективы. МРТ – это просто аналог ЯМР, просто немножко с другой функцией. Мы можем использовать его в разработке медицинских препаратов и проследить их действия. В спектроскопии тоже можете использовать ЯМР, но он очень близок по функциям к магниторезонансному томографу. То есть большое магнитное поле, в которое вы помещаете пациента, вместо того чтобы делать съемку изображения, вы просто изучаете химические реакции в его теле либо метаболиты вводите в организм и смотрите на их действия.

Что такое прионообусловленные заболевания?

Курт Вютрих: Для меня, когда было использовано слово прион, это было новшество в то время. Это означало, что есть заболевание, которое может передаваться без передачи нуклеоферментов или вирусов. То есть, прион может отвечать за передачу заболевания. Сегодня общепринято суждение, что смешение и рефолдинг прионовых белков в нерастворимые соединения является первопричиной заболевания, а я бы сказал, что это причина возникновения, а не причина смертельного исхода заболевания. Но, по сути, у прионообослувленных заболеваний вирусная природа не доказана. Но в общем контексте вы задаете довольно сложный вопрос, на который сложно полностью ответить, потому что фрагменты варус или вирусных структур, фрагменты белков должны быть токсичными, чтобы нанести вред. Я не могу ответить никак иначе, как таким общим образом, на ваш общий вопрос.

Вопрос, какая текущая революция? Говоря о революции, я имею в виду, различие в принципах структурного анализа.

Курт Вютрих: Ладно, давайте считать, что введение эффективной последовательности ДНК – это революция. Сейчас три миллиарда нуклеотидов в человеческом геноме, которые расположены в последовательности в каждом человеческом геноме, только 10% из них используются для кодировки, для шифровки белков и РНК. Я представляю, что следующая революция в этой области произойдет, когда мы поймем, что же делает, за что же отвечает остальная часть ДНК, 90% ДНК, потому что сегодня только 10% функции расшифрованы, я так считаю.

Как уже было сказано, РНК могут выполнять различные функции в человеческом организме, мне интересно, можно ли изучить трехмерные структуры РНК, используя ЯМР. Проводились ли такие исследования? Потому что я думаю, что, понимая из чего сформирована трехмерная структура РНК, мы сможем отметить, ответить, может быть, на тот вопрос, чем же занимается 90% человеческого ДНК.

Курт Вютрих: Последнее ваше утверждение не вполне корректно, но первая часть вопроса очень хорошо задана. Понимаете, вместо того чтобы говорить о протеиновом сообществе и о вселенной белков, я бы мог говорить здесь о вселенной РНК, и ситуация была бы очень похожа на белки. Происходит так, что ЯМР сегодня является ведущей технологией в структурной биологии по изучению РНК, потому что РНК очень сложно кристаллизировать.
Понимаете, первая кристаллическая структура РНК была расшифрована примерно в 1978 году. И первая кристальная структура фрагмента ДНК была расшифрована в 1980-м, а потом ДНК было расшифровано. Когда определили структуру Уотсон и Крик, это не было определением структуры само по себе, они просто удачно нашли модель, потому что объем доступной информации вполне достаточен для расшифровки структуры. Скажем так, они смоделировали структуру, имея под рукой относительно малое количество параметров. Так же, как и я описал определение структуры белков, структура РНК, нуклеиновых кислот, может тоже быть определена. Я имею в виду, что, в принципе, они схожи. Особенно малые РНК чаще изучают через методику ЯМР, чем через кристаллографы.

Какие методы работы вы применяете?

Курт Вютрих: Сегодня в моей лаборатории мы каждый день используем пятимерные спектроскопы. Это рутина нашей работы. Иногда используем шести и семимерные, делаем шести, семимерные эксперименты. Это просто расширение, эволюция двухмерного эксперимента. Вместо того чтобы задавать двухмерный процесс, мы делаем его семимерным и потом проходим через серию трансформаций по спектру.

Что это за семь измерений?

Курт Вютрих: Мы делаем это с помощью компьютера, но представьте, что я могу семикратное измерение сделать. Это за гранью вашего воображения, да? Вы знаете, я буду читать две лекции в понедельник именно по этому вопросу. Одна из этих лекций будет проходить в институте биохимии. Выражаясь простым языком, мы каждую секунду с вами стареем. Вы не чувствуете это так сильно, как я. Но вы будете жить больше, дольше и стареть дольше, чем я. Каждую минуту вы стареете. Это у нас шкала времени. Если вы хотите добавить вторую временную шкалу в эксперименте, то вы влияете на существующую систему. Допустим, я шлепнул вас по правой щеке. Больно стало, да. Боль исчезает с течением времени. Если я еще раз шлепну по этой щеке, потом дам пощечину слева, то у вас будет гораздо более сложная реакция, потому что эта боль чуть быстрее пройдет, чем боль от удара в левую щеку. Еще раз я ударю вас по правой щеке, а потом через две секунды ударю по левой щеке, в следующий раз я жду четыре секунды, и в следующий раз шесть секунд соответственно. Каждый раз удар в левую щеку будет по-другому вами ощущаться, чем тот, который был нанесен в правую щеку. И это разные временные шкалы, если обобщать. А дальше я кулаком вам по носу ударяю, а четвертый удар, наверное, по голове. Потом я ущипну вас и так далее, ладно, это шутки, но именно такая физика стоит за несколькими временными шкалами.

Как свойства трехмерной структуры белка отличаются от свойства четырехмерной и пятимерной структуры?

Курт Вютрих: Белки всегда трехмерные. Это просто эксперименты были сделаны с различными измерениями. Понимаете, когда мы определяли структуру белка, первоначальный результат на ЯМРе пока показывал примерно 10 тысяч измерений. Я создал 10 тысяч различных измерений пространства, потом создал математическую модель, чтобы уместить эти 10 тысяч измерений в трехмерное пространство. Это довольно продвинутая часть теоретической физики, но именно за это мне дали Нобелевскую премию, то есть все это не так тривиально. Но вот так вот я поработал именно с измерениями. В конечном итоге вы получаете трехмерную структуру белка.
Хорошо, большое спасибо.

как и чем кормить / Новости города / Сайт Москвы

Мало что можно сравнить с прогулкой по парку и кормлением птиц и белок. Это доставляет много приятных впечатлений как детям, так и взрослым. Поедание семян и прочих лакомств птицами и белками можно заснять на фото или на видео. Однако необходимо понимать, что не все продукты, которыми питаемся мы, подходят всей этой маленькой фауне. Угощение должно как можно больше соответствовать природному рациону. Правильно кормить резвую парковую живность помогут следующие советы.

Почему важно помогать птицам зимой

Когда ночная температура упадет до минус 10 по Цельсию и ниже, птицы за ночь могут терять до 10 процентов собственного веса! Для того чтобы поддержать температуру тела (а она у них около 40 градусов Цельсия) и выжить, им с самого раннего утра требуется корм. Однако зимой к нему добраться непросто: естественные места кормления оказываются под сугробами или под непробиваемой ледяной коркой. И вот тут на помощь и должны приходить мы, люди.

В холодную погоду птицам нужно питаться часто, потому что в их организмах метаболизм заметно ускорен и сердце бьётся очень сильно. Пища превращается в тепло очень быстро, поскольку маленький размер тела его удерживает слабо.

Особенно опасен для них мороз после дождя, когда всё покрыто наледью. В подобной ситуации птичье поголовье может снизиться до нуля всего за несколько дней.

Птицам нельзя солёное и жареное

В Москве птиц можно встретить возле кормушек в парках. Орнитологи предлагают 75 процентов корма для них составлять из семян подсолнечника. Они высококалорийны и являются важным энергетическим источником для мелких птиц.

Зимой птицам нужна калорийная пища — несолёное сало и маргарин. Несолёное сало охотно клюют синицы и воробьи.

Животный жир следует давать в чистом виде, если он твёрдый. Если же он мягкий, тогда его лучше смешать с другим кормом, приготовив так называемый птичий пирог. Вывешивать такой «пирог» надо в сетках из-под овощей.

С уверенностью зимующих птиц можно кормить нежареными семечками, неочищенными зёрнами проса, овсяными хлопьями, зерновыми отходами, заранее заготовленными ягодами рябины, хлебными крошками, белым хлебом, несолёным салом и несолёным жиром.

Кроме того, птицам можно давать мясо, шишки, жёлуди, орехи, сушёную рябину и боярышник, пшено, овес и пшеницу.

Что нельзя птицам

Чёрный хлеб может спровоцировать гибель. В таком хлебе много соли, вредной для почек и печени. Часто птицы оставляют часть корма в зобу, где хлеб быстро набухает и бродит — это для птиц очень опасно.

Ржаной хлеб более всего опасен, так как в него добавляют больше дрожжей, чем в пшеничный.

Необходимо также иметь в виду, что голуби и вороны в зимней подкормке не нуждаются. Они сами находят достаточно корма на помойках и в мусорных контейнерах. Более того, желательно даже затруднять для них доступ к зимним подкормочным площадкам.

Как сделать кормушку

При создании кормушек разных конструкций важно учитывать два следующих правила.

1. У кормушки обязательно должна быть крыша, иначе корм может быть засыпан снегом или залит дождём, тем самым он станет для птиц непригодным.

2. Отверстие в кормушке должно быть настолько широким, чтобы птица могла спокойно проникнуть внутрь кормушки и покинуть её.

Как кормить белок

Белок в парке часто можно встретить на деревьях возле тропинки или парковой дорожки. Чтобы их покормить, вам достаточно поднести к стволу дерева полностью открытую ладонь и подозвать белок лёгким цоканием. Как только белки увидят корм, они сами сбегут по стволу и примут его из ваших рук.

Такие млекопитающие, конечно, меньше птиц зависят от зимней подкормки. В это время года для них более существенно получать соль.

Для московских зверей, например для тех же зайцев, можно вывешивать на кустах небольшие пучки тонких веточек осины, свидины или бузины, смоченные крепким раствором соли.

Белок зимой смело можно подкармливать нежареными семечками, орехами, сухофруктами, несолёным салом, можно в кормушку класть обмазанное мёдом печенье или же немного нежирного мясного фарша, а также нежирного творога.

Важно, чтобы все продукты были несолёными, не содержали сахара или других ароматических и вкусовых добавок.

Строение и функции белков

Строение белков

Определение 1

Белки – сложные органические соединения (биополимеры), в состав молекул которых входят углерод, водород, кислород и азот (иногда серы). Их мономеры — аминокислоты.

Белки играют первостепенное значение в жизни всех организмов. Они характеризуются неисчерпаемым разнообразием, которое одновременно очень специфично.

Замечание 1

Белки и нуклеиновые кислоты являются материальной основой всего богатства организмов окружающей среды. Их доля составляет 50 – 80% сухой массы клетки.

Молекулы белков похожи на длинные цепи, состоящие из 50 – 1500 остатков аминокислот, соединённых крепкой ковалентной азотно-углеродной (пептидной) связью. В результате образуется первичная структура белка — полипептидная цепь.

Замечание 2

Молекула белка — это полипептид, молекулярная масса которого составляет от 5 тыс. до 150 тыс. Бывает и больше.

Простые белки состоят лишь из аминокислот, а сложные белки, кроме аминокислот, могут содержать нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), липиды (липопротеиды), углеводы (гликопротеиды), окрашенные химические соединения (хромопротеиды) и т.п.

Все свойства клетки (химические, морфологические, функциональные) зависят от специфических белков, содержащихся в ней.

Замечание 3

Именно набор аминокислот, их количество и последовательность расположения в полипептидной цепи и определяет специфичность белка.

Замена лишь одной аминокислоты в составе белковой молекулы или изменение последовательности расположения аминокислот может привести к изменению функций белка. Этим и объясняется большое разнообразие в строении белковой молекулы первичной структуры. Потому не удивительно, что живой организм, чтобы иметь возможность выполнять свои функции, использует особенный виды белков и его возможности в этом отношении неограниченные.

Готовые работы на аналогичную тему

Пространственное расположение полипептидных цепей также определяет свойства белков. В живой клетке полипептидные цепи скрученные или согнутые, имеют вторичную или третичную структуру.

Вторичная структура представлена спирально закрученной белковой цепочкой. Витки спирали удерживаются благодаря водородным связям, образующимся между расположенными на соседних витках СО – и NH – группами.

В результате дальнейшего закручивания спирали возникает специфическая конфигурация каждого белка — третичная структура. Образуется она благодаря связям между белковыми радикалами аминокислотных остатков:

• ковалентным дисульфидным (S – S-связям) между остатками цистеина,
• водородным,
• ионными.
• гидрофобным взаимодействиям.

В количественном соотношении наиболее важными являются гидрофобные взаимодействия, вызванные тем, что неполярные боковые цепи аминокислот стремятся объединиться друг с другом, не смешиваясь с водной средой. Белок при этом свёртывается так, чтобы его гидрофобные боковые цепи были спрятаны внутри молекулы, то есть защищены от контакта с водой, а наружу, наоборот, выставлены боковые гидрофильные цепи.

Для каждого белка специфичны количество молекуламинокислот с гидрофобными радикалами и количество молекул цистеина и характер их взаимного расположения в полипептидной цепи.

Взаимное расположение групп атомов, обходимое для проявления активности белка как катализатора, его гормональных функций и др. обеспечивается сохранением определённой формы молекулы. Потому стойкость макромолекул – не случайное свойство, а один из важнейших способовстабилизации организма.

Биологическая активность белка может проявлятся лишь когда он имеет третичную структуру, потому при замене в полипептидной цепи даже одной аминокислоты могут возникнуть изменения в конфигурации белка, а его биологическая активность снизится или же исчезнет совсем.

Иногда две, три, и больше белковых молекул с третичной структурой могут объединиться в единый комплекс. Подобные образования являются четвертичной структурой белка.

Пример 1

Примером такого сложного белка является гемоглобин, который состоит из четырёх субединиц и небелковой части – гема. Он способен выполнять свои функции только в такой форме.

В четвертичной структуре белковые субединицы не связаны химически, однако вся структура достаточно крепкая благодаря действию слабых межмолекулярных сил.

Под влиянием разнообразных физических и химических факторов (обработка щелочами, кислотами, спиртом, ацетоном, влияние высоких температур и давления и пр.) третичная и четвертичная структуры белка изменяются, потому что разрываются водородные и ионные связи.

Определение 2

Денатурация – нарушение естественной (нативной) структуры белка.

При денатурации уменьшается растворимость белков, изменяется форма и размеры молекул, теряется ферментативная активность и т.п. Процесс денатурации оборотный, то есть возвращение нормальных условий сопровождается непроизвольным оновлением естественной (природной) структуры белка. Этот процесс называют ренатурацией.

Замечание 4

Все особенности строения и функционирования белковой макромолекулы зависят от его первичной структуры.

Функции белков в клетке

• Строительная (пластическая) функция белковых молекул является одной из важнейших.Они являются составным компонентом клеточных мембран и органел. Стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи высших животных также состоят в основном из белка.
• Двигательная функция обеспечивается особенными сократительными белками, благодаря которым осуществляются движения жгутиков и ресничек, перемещение хромосом во время деления клеток, сокращение мускулатуры, движения органов растений и т.п., пространственные изменения положения различных структур организма.
• Транспортная функция белков обеспечивается их способностью связывать и переносить с течением крови химические соединения.

Пример 2

Белок крови гемоглобин переносит кислород из лёгких в клетки других органов и тканей (аналогичную функцию в мышцах выполняет миоглобин).

Белки сыворотки крови переносят липиды и жирные кислоты, различные биологически активные вещества.

Молекулы белков, входящих в состав плазматической мембраны, берут участие в транспорте веществ как в клетку, так и из неё.

Белки выполняют и защитную функцию. Как ответ на проникновение внутрь чужеродных веществ (антигенов – белков или высокомолекулярных полисахаридов бактерий, вирусов) в клетке вырабатываются особенные белки – иммуноглобулины (антитела), которые нейтрализуют чужеродные вещества и осуществляют иммунологичную защиту организма.

Благодаря функционированию иммунной системы организма обеспечивается распознавание антигенов антигенным детерминантам (характерным участкам их молекул). Благодаря этому специфически связываются и обеззараживаются чужеродные вещества за.

Замечание 5

Внешнюю защитную функцию могут выполнять также и белки, токсические для других организмов ( белок яда змей).

Белкам свойственна также сигнальная функция. В поверхность клеточной мембранны встроены молекулы белков, которые в ответ на действия факторов внешней среды способны к изменению свей третичной структуры. Так происходит восприятие сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.

Регуляторная функция свойственна белкам-гормонам, которые влияют на обмен веществ. Гормоны поддерживают постоянную концентрацию веществ в крови, учавствуют в росте размножении и других жизненно важных процессах.

Пример 3

Одним из наиболее известных гормонов является инсулин, понижающий содержание сахара в крови. В случае стойкой недостаточности инсулина содержание сахара в крови увеличивается и развивается сахарны диабет. Главными регуляторами биохимических процессов в организме могут быть и многочисленные белки-ферменты (каталитическая функция).

Белки являются и энергетическим материалом. При расщеплении 1 г белка до конечных продуктов выделяется 17,6 кДж энергии, необходимой для большинства жизненно важных процессов в клетке.

Ферменти, их роль в клетке

Определение 3

Ферменты (энзимы) – это специфические белки, присутствующие во всех организмах и выполняющие функцию биологических катализаторов.

Химические реакции в живой клетке происходят при умеренной температуре нормальном давлении и в нейтральной среде. При таких условиях течение реакций синтеза или распада веществ в клетке был быочень медленным, если бы не действие ферментов. Ферменты ускоряют реакции за счёт снижения энергии активации не измененяя их общего результата, то есть при их наличии для придания молекулам, вступающим в реакцию, реакционной способности, необходимо значительно меньше энергии

Все процессы в живом организме прямо или косвенно происходят с участием ферментов.

Под действием ферментов составляющие компоненты пищи (белки, липиды, углеводы и др.) расщепляются до простейших соединений, а из них позже синтезируются новые, свойственные данному виду макромолекулы. Потому нарушение образования и активности ферментов часто становятся причиной тяжёлых заболеваний.

Ферментативный катализ подчиняется тем же законам, что и неферментативный катализ в химической промышленности, однако в отличие от последнего характеризируется чрезвычайно высокой степенью специфичности (фермент катализирует только одну реакцию или действует лишь на один тип связи). Этим обеспечивается тонкое регулирование всех жизненно важных процессов (дыхание, пищеварение, фотосинтез и т. п.), происходящих в клетке и организме.

Пример 4

Фермент уреаза катализирует расщепление только одного вещества – мочевины, но не действует каталитически на структурно родственные соединения.

Для понятия механизма действия ферментов, которые имеют высокую специфичность, чрезвычайно важна теория активного центра. Согласно с ней, в молекуле каждого фермента есть один или больше участков, в которых катализ происходит за счёт тесного (во многих местах) контакта между молекулами фермента и субстрата (специфического вещества), а функциональная группа (пример – ОН – группа аминокислоты серина), или же отдельная аминокислота, выступает активным центром.

Обычно для действия катализатора необходимо, чтобы объединились несколько аминокислотных остатков, расположенных в определённой последовательности (в среднем 3 – 12).

Активный центр также может формироваться благодаря связи ферментов с ионами металов, витаминами и другими соединениями небелковой природы – так называемыми коферментами, или кофакторами.

Химическое строение и форма активного центра такова, что с ним способны связывать лишь определённые субстраты благодаря их идеальному соответствию (взаимодополняемости, или комплементарности) друг другу.

Остальные аминокислотные остатки обеспечивают большой молекуле ферментп соответствующую глобулярную форму, необходимую для эффективной работы самого центра.

Кроме того, вокруг большой молекулы фермента возникает сильное электрическое поле. В таком поле становится возможной ориентация молекул субстрата и приобретение ими ассиметрической формы. В результате ослабевают химические связи и начальная затрата энергии на реакцию, которая катализируется, будет меньше, а значит, значительно увеличится её скорость.

Пример 5

Одна молекула фермента каталазы способна за 1 мин расщепить более 5 млн. молекул перекиси водорода, которая возникает во время окисления в организме различных соединений.

Активный центр некоторых ферментов в присутствии субстрата может изменять конфигурацию: для обеспечения наибольшей каталитической активности такой фермент специально ориентирует свои функциональные группы. Молекулы субстрата, присоединяясь к ферменту, также в определённых пределах изменяют свою конфигурацию для увеличения реакционной способностит функциональных групп центра. На заключительном этапе химической реакции комплекс фермента и субстрата распадается, образуются конечные продукты и свободный фермент. Активный центр при этом освобождается и способен снова принимать новые молекулы субстрата.

Скорость реакций с участием ферментов зависит от многих факторов: от концентрации фермента, от природы субстрата, от давления, температуры, кислотности среды, от наличия ингибиторов.

При температурах, близких к 0˚С, до минимума замедляется скорость биохимических реакций. Это свойство широко используют в различных отраслях, особенно в медицине и сельском хозяйстве.

Пример 6

Для консервации органы человека (почки, серце, селезёнка, печень) перед пересадкой больному подвергают охлаждению, чтобы понизить интенсивность биохимических реакций и тем самым продлить время жизни этих органов. При быстром замораживании пищевых продуктов предотвращается размножение микроорганизмов, а так же инактивируются их ферменты, потому они уже не способны вызывать разложение пищевых продуктов.

Определение белка — питание человека

Белок составляет примерно 20 процентов человеческого тела и присутствует в каждой отдельной клетке. Слово «белок» — это греческое слово, означающее «исключительно важный». Белки называют рабочими лошадками жизни, поскольку они обеспечивают структуру тела и выполняют широкий спектр функций. Благодаря богатым белком мышцам вы можете стоять, ходить, бегать, кататься на коньках, плавать и т. Д. Белок необходим для правильного функционирования иммунной системы, пищеварения, роста волос и ногтей, а также участвует во многих других функциях организма.Фактически, по оценкам, в человеческом теле существует более ста тысяч различных белков. В этой главе вы узнаете о компонентах белка, важной роли, которую белок выполняет в организме, о том, как организм использует белок, о рисках и последствиях, связанных с избытком или недостатком белка, и о том, где найти здоровые источники белка. ваша диета.

Что такое белок?

Проще говоря, белки — это макромолекулы, состоящие из аминокислот. Аминокислоты обычно называют строительными блоками белка.Белки имеют решающее значение для питания, обновления и продолжения жизни. Белки содержат элементы углерод, водород и кислород так же, как углеводы и липиды, но белки являются единственным макроэлементом, содержащим азот. В каждой аминокислоте элементы расположены в определенной конформации вокруг углеродного центра. Каждая аминокислота состоит из центрального атома углерода, соединенного с боковой цепью, водорода, азотсодержащей аминогруппы и группы карбоновой кислоты — отсюда и название «аминокислота».Аминокислоты отличаются друг от друга тем, какая конкретная боковая цепь связана с углеродным центром.

Рисунок 6.1 Структура аминокислот

Изображение Allison Calabrese / CC BY 4.0

Аминокислоты содержат четыре элемента. Расположение элементов вокруг углеродного центра одинаково для всех аминокислот. Отличается только боковая цепь (R).

Все в боковой цепи

Боковая цепь аминокислоты, иногда называемая группой «R», может быть такой же простой, как одна водородная связь с углеродным центром, или такой сложной, как шестиуглеродное кольцо, связанное с углеродным центром.Хотя каждая боковая цепь из двадцати аминокислот уникальна, между ними есть некоторые химические сходства. Таким образом, их можно разделить на четыре разные группы. Это неполярные, полярные, кислотные и основные.

Рисунок 6.2. Различные группы аминокислот

Аминокислоты подразделяются на четыре группы. Это неполярные, полярные, кислотные и основные.

Незаменимые и заменимые аминокислоты

Аминокислоты дополнительно классифицируются на основе пищевых аспектов. Вспомните, что существует двадцать различных аминокислот, и мы требуем, чтобы все они производили множество различных белков, встречающихся в организме.Одиннадцать из них называются заменимыми аминокислотами, потому что организм может их синтезировать. Однако девять из аминокислот называются незаменимыми аминокислотами, потому что мы не можем синтезировать их вообще или в достаточных количествах. Они должны быть получены из рациона. Иногда в младенчестве, росте и в болезненных состояниях организм не может синтезировать достаточное количество некоторых заменимых аминокислот, и с пищей требуется их большее количество. Эти типы аминокислот называются условно незаменимыми аминокислотами.Пищевая ценность белка зависит от того, какие аминокислоты он содержит и в каком количестве.

Таблица 6.1 Незаменимые и незаменимые аминокислоты

Essential	Несущественное
гистидин	Аланин
Изолейцин	аргинин *
лейцин	Аспарагин
Лизин	Аспарагиновая кислота
метионин	Цистеин *
фенилаланин	Глутаминовая кислота
Треонин	Глютамин *
Триптофан	Глицин *
валин	Пролин *
	Серин
	тирозин *
* Условно существенное

Множество различных типов белков

Как уже говорилось, в организме человека насчитывается более ста тысяч различных белков.Производятся разные белки, потому что существует двадцать типов встречающихся в природе аминокислот, которые объединяются в уникальные последовательности с образованием полипептидов. Эти полипептидные цепи затем складываются в трехмерную форму с образованием белка (см. Рисунок 6.3 «Образование полипептидов»). Кроме того, белки бывают разных размеров. Гормон инсулин, регулирующий уровень глюкозы в крови, состоит всего из пятидесяти одной аминокислоты; тогда как коллаген, белок, который действует как клей между клетками, состоит из более чем тысячи аминокислот.Титин — самый крупный из известных белков. Он отвечает за эластичность мышц и состоит из более чем двадцати пяти тысяч аминокислот! Обильные вариации белков обусловлены бесконечным количеством аминокислотных последовательностей, которые могут быть образованы. Чтобы сравнить, сколько разных белков можно создать всего из двадцати аминокислот, подумайте о музыке. Вся музыка, существующая в мире, была получена из базового набора из семи нот C, D, E, F, G, A, B и их вариаций. В результате получается огромное количество музыки и песен, состоящих из определенных последовательностей этих основных музыкальных нот.Точно так же двадцать аминокислот могут быть связаны друг с другом в невероятное количество последовательностей, гораздо большее, чем возможно для семи музыкальных нот для создания песен. В результате могут быть созданы огромные вариации и потенциальные аминокислотные последовательности. Например, если аминокислотная последовательность белка составляет 104 аминокислоты, возможные комбинации аминокислотных последовательностей равны 20104, то есть 2 с 135 нулями!

Рисунок 6.3. Образование полипептидов

. Изображение Эллисон Калабрезе / CC BY 4.0

Строительные белки с аминокислотами

Построение белка состоит из сложной серии химических реакций, которые можно свести к трем основным этапам: транскрипция, трансляция и сворачивание белка. Первым шагом в создании белка является транскрипция (копирование) генетической информации из двухцепочечной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) в одноцепочечную макромолекулу-мессенджер рибонуклеиновую кислоту (РНК). РНК химически похожа на ДНК, но имеет два отличия; во-первых, в его основе используется сахарная рибоза, а не дезоксирибоза; и, во-вторых, он содержит нуклеотидное основание урацил, а не тимидин.РНК, которая транскрибируется с данного фрагмента ДНК, содержит ту же информацию, что и эта ДНК, но теперь она находится в форме, которую может прочитать производитель клеточного белка, известный как рибосома. Затем РНК инструктирует клетки собрать все необходимые аминокислоты и добавить их в растущую белковую цепь в очень определенном порядке. Этот процесс называется переводом. Расшифровка генетической информации для синтеза белка — центральная основа современной биологии.

Рисунок 6.4 шага к созданию белка

Построение белка включает три этапа: транскрипцию, трансляцию и фолдинг. Во время трансляции каждая аминокислота соединяется со следующей аминокислотой специальной химической связью, называемой пептидной связью. Пептидная связь образуется между группой карбоновой кислоты одной аминокислоты и аминогруппой другой, высвобождая молекулу воды. Третий шаг в производстве белка заключается в его свертывании в правильную форму. Определенные аминокислотные последовательности содержат всю информацию, необходимую для самопроизвольного складывания в определенную форму.Изменение аминокислотной последовательности вызовет изменение формы белка. Каждый белок в организме человека отличается по аминокислотной последовательности и, следовательно, по форме. Вновь синтезированный белок структурирован для выполнения определенной функции в клетке. Белок, содержащий неправильно размещенную аминокислоту, может не функционировать должным образом, и это иногда может вызвать заболевание.

Белковая организация

Структура

Protein позволяет ему выполнять множество функций. Белки похожи на углеводы и липиды в том, что они представляют собой полимеры простых повторяющихся единиц; однако белки имеют гораздо более сложную структуру.В отличие от углеводов, которые имеют идентичные повторяющиеся единицы, белки состоят из аминокислот, которые отличаются друг от друга. Кроме того, белок состоит из четырех различных структурных уровней.

Первичный : Первый уровень — это одномерная последовательность аминокислот, которые удерживаются вместе пептидными связями. Углеводы и липиды также представляют собой одномерные последовательности своих соответствующих мономеров, которые могут быть разветвленными, спиралевидными, волокнистыми или глобулярными, но их конформация гораздо более случайна и не организована их последовательностью мономеров.

Вторичный : Второй уровень структуры белка зависит от химических взаимодействий между аминокислотами, которые заставляют белок складываться в определенную форму, такую ​​как спираль (например, спиральная пружина) или лист.

Третичный : Третий уровень структуры белка трехмерен. Поскольку различные боковые цепи аминокислот химически взаимодействуют, они либо отталкиваются, либо притягиваются друг к другу, что приводит к складчатой ​​структуре. Таким образом, определенная последовательность аминокислот в белке заставляет белок складываться в определенную организованную форму.

Четвертичный : Четвертый уровень структуры достигается, когда фрагменты белка, называемые пептидами, объединяются в один более крупный функциональный белок. Белок гемоглобин является примером белка, имеющего четвертичную структуру. Он состоит из четырех пептидов, которые связываются вместе, образуя функциональный переносчик кислорода.

Структура протеина также влияет на его питательные качества. Большие волокнистые белковые структуры труднее переваривать, чем более мелкие белки, а некоторые, например кератин, не перевариваются.Поскольку переваривание некоторых волокнистых белков является неполным, не все аминокислоты абсорбируются и доступны для использования организмом, что снижает их пищевую ценность.

Рисунок 6.5 Четыре структурных уровня белков

Изображение OpenStax / CC BY 4.0

Неполный и полный белок: в чем разница?

Белок — это белок, верно? А что, если этот белок полный — или неполный?

Чтобы понять разницу между полными и неполными белками, вам сначала нужно познакомиться с аминокислотами.Это молекулярные строительные блоки, которые вместе образуют каждый грамм потребляемого вами белка. Когда вы едите богатую белком пищу, ваше тело снова расщепляет эти белки на аминокислоты, объясняет Мари Спано, RD, CSCS, ведущий автор книги Nutrition for Sport, Exercise, and Health из Атланты. Затем ваше тело использует эти аминокислоты для наращивания мышц, восстановления тканей, поддержки метаболизма и помощи другим процессам в организме.

Из примерно 20 аминокислот 9 незаменимы, то есть организм не может их вырабатывать.По данным Национального института здоровья (NIH), они включают гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, триптофан и валин.

Единственный способ получить эти аминокислоты — через пищу. Спано объясняет, что продукты, которые содержат все они и в количествах, аналогичных тем, которые требуются организму, называются полноценными белками или полноценными источниками белка. Между тем, те, которые не содержат достаточного количества одной или нескольких незаменимых аминокислот, являются неполными.

СВЯЗАННЫЕ: 15 лучших источников постного белка

Complete vs.Неполноценные белковые продукты

По данным Harvard Health Publishing, все продукты животного происхождения, включая мясо, молочные продукты и яйца, содержат полноценный белок. Большинство растительных источников белка, таких как цельнозерновые, бобовые, семена и орехи, шпинат, брокколи и грибы, являются неполными. Однако некоторые растительные продукты, такие как соя, киноа, гречка и водоросли, являются полноценными.

Хотя обычно считается, что неполные источники белка содержат ноль хотя бы одной из девяти незаменимых аминокислот, на самом деле это не так, — объясняет Эбби Смит-Райан, доктор философии, CSCS, директор Университета Северной Каролины в Chapel Hill’s Applied. Лаборатория физиологии.

Многие неполные источники белка содержат или каждой незаменимой аминокислоты, но их недостаточно для того, чтобы этот белок мог выполнить все, что вы хотите, — говорит она. По словам Констанс Браун-Риггс, RD, CDCES, которая базируется в Massapequa Park, Нью-Йорк, лейцин, который является основным двигателем наращивания мышечной массы, имеет относительно низкий уровень в большинстве неполных источников белка.

СВЯЗАННЫЙ: Что есть до и после тренировки

Как получить все необходимые аминокислоты

Если вы регулярно потребляете мясо или много продуктов животного происхождения, вы получаете достаточно все незаменимые аминокислоты, которые вам нужны.(Большинство американцев, по данным Гарвардского университета.) В настоящее время рекомендуемая дневная норма белка составляет 0,8 грамма (г) на килограмм массы тела. Тем не менее, многие недавние исследования, в том числе статья, опубликованная в июле 2015 года в журнале Applied Physiology, Nutrition, and Metabolism , показывают, что для оптимального здоровья мышц, особенно у пожилых людей и тех, кто пытается похудеть, необходимо большее количество, вдвое превышающее это количество. или наращивать мышцы.

Но что, если вы не едите мясо или продукты животного происхождения или пытаетесь сократить их количество, чтобы сосредоточиться на более растительной диете? В конце концов, потребление растительных источников белка связано с улучшением общего состояния здоровья и долголетием, согласно исследованию, опубликованному в августе 2016 года в журнале JAMA Internal Medicine .(Исследователи объясняют это тем, что растения с высоким содержанием белка также, как правило, изобилуют клетчаткой, витаминами, минералами и антиоксидантами.) Источники белка: вы можете получить все аминокислоты, которые вам нужны на вегетарианской или веганской диете. Тем не менее, насколько это сложно, остается предметом споров.

СВЯЗАННЫЙ: 9 научных преимуществ соблюдения растительной диеты

Например, исследование, опубликованное в феврале 2017 года в журнале The American Journal of Clinical Nutrition , показало, что нет значительных различий в мышечной массе или силе в население в целом в зависимости от того, какую пищу люди едят, чтобы получить белок.Но другие исследования, в том числе статья в журнале Nutrition in Clinical Practice , опубликованная в марте 2017 года, предполагают, что вегетарианцам и веганам, особенно пожилым, может потребоваться немного больше общего дневного белка по сравнению с всеядными животными, чтобы пользоваться теми же преимуществами белка. Согласно статье, опубликованной в марте 2017 года, это может быть связано с тем, что организму легче переваривать, поглощать и использовать неполноценные белки.

Между тем, некоторые эксперты говорят, что для того, чтобы восполнить неполные белки, вам нужно потреблять несколько определенных дополнительных белков в одном приеме пищи.Но, как вы понимаете, запоминать, какие растительные продукты содержат незаменимые аминокислоты и в каком количестве, а затем использовать эту информацию для приготовления каждого приема пищи на всю оставшуюся жизнь, может быть нереально, говорит Браун-Риггс.

«Будет ли это иметь значение в конце концов? Это может зависеть от нескольких факторов », — говорит Спано. «Я думаю, что единственный верный способ узнать это — провести перекрестное продольное испытание со всем предоставленным питанием. Одно дорогое исследование! » Вероятно, что взрослым, придерживающимся растительной диеты, достаточно получать белок из нескольких источников в течение дня, но это может быть не идеально.«Для тех, кто хочет получить больше мышц и максимально построить структуры в своем теле, я бы попыталась комбинировать белки в каждом приеме пищи», — говорит она.

К счастью, независимо от того, пытаетесь ли вы сочетать белки при каждом приеме пищи или делаете это в течение дня, вам не нужно беспокоиться о запоминании каждой аминокислоты. Просто сосредоточьтесь на разнообразии, — призывает Смит-Райан. Отметьте цельнозерновые, бобовые или богатые белком овощи, а затем семечки или орехи, и вы получите довольно хорошее место с белком.

СВЯЗАННЫЙ: Почему важны здоровые привычки питания?

Белок — обзор | ScienceDirect Topics

1 Введение

CSP — это белок, характеризующийся четырьмя остатками цистеина, расположенными в двух соседних дисульфидных мостиках в консервативных положениях (Picimbon, 2003).Он складывается в гибкую треугольную пирамидальную структуру, обычно состоящую из шести α-спиралей. Основание многоугольника сильно гидрофобно, а вершина свободна (Jansen et al., 2007; Jansen, Zídek, Löfstedt, Picimbon, & Sklenar, 2006; Lartigue et al., 2002; Tomaselli et al., 2006).

Естественное распространение CSP происходит в различных частях тела насекомого, не только в усиках, щупиках и ногах, но также во многих различных органах, не связанных с органами чувств, лимфатических и тканях, таких как гемолимфа, эпидермис, кишечник и жировое тело. (Анджели и др., 1999; Одзаки и др., 2005; Пичимбон, Дитрих, Анджели и др., 2000; Пичимбон, Дитрих, Бреер и Кригер, 2000; Пичимбон, Дитрих, Кригер и Брир, 2001; Пичимбон и Лил, 1999; Xuan et al., 2015).

У бабочек синтез CSP начинается на очень ранних стадиях развития взрослых особей, намного раньше, чем появление хемосенсорных нейронов, и продолжается на взрослой стадии при высоком уровне активности, особенно в ответ на инсектицидный стресс (Picimbon et al. др., 2001; Xuan et al., 2015). Половые феромоны железы самок тутового шелкопряда содержат 14 CSP и экспрессируют еще большее количество аминокислотных вариантов в белках CSP посредством редактирования РНК (Picimbon, 2019; Xuan et al., 2014, 2015; Xuan, Rajashekar, Kasvandik, & Picimbon, 2016; Сюан, Раджашекар и Пичимбон, 2019). У медоносных пчел специфический нокаут гена CSP приводит к архаичному развитию головы (Maleszka, Forêt, Saint, & Maleszka, 2007), что убедительно свидетельствует о функции этого семейства генов в развитии, росте и / или регенерации тканей. в раннем отчете Номуры, Кавасаки, Кубо и Натори (1992).

Эти данные о развитии и тканевых липидах объединяются не только с профилями экспрессии генов, но также с данными связывания, , т.е. , характеристиками функциональных лиганд-связывающих свойств белка. Известно, что CSP взаимодействуют с липидными соединениями разной длины цепи (C12-C18, , т.е. , длина цепи 12-18 атомов углерода), в конечном итоге проявляя определенное или специфическое свойство различения (Briand et al., 2002; Dani et al., 2010 ). Соответственно, было показано, что они сохраняют склонность к конформационным изменениям и взаимодействию с множеством липидов или липидных цепей (Campanacci et al., 2001, 2003; Lartigue et al., 2002). Однако не все CSP взаимодействуют с липидами. У белокрылки сладкого картофеля или серебристой белокрылки Bemisia tabaci было показано, что CSP1 связывают линолевую кислоту (C18: 2, , т.е. , длина 18 углеродной цепи с двумя двойными связями), в то время как CSP2 и CSP3 более специфично взаимодействуют с небольшими циклическими связями. такие соединения, как коричный альдегид, основной компонент растительного масла, который признан довольно репеллентным и / или очень токсичным для насекомых (Liu, Ma, Xie, Xuan, & Picimbon, 2016; Liu, Ma, Xie, Xuan, Xia, Fan, et al., 2016; Лю, Арно, Оффманн и Пичимбон, 2017 г .; Liu et al., 2020), решительно подтверждая роль CSP в метаболизме липидов и / или деградации ксенобиотиков (Einhorn & Imler, 2019; Liu et al., 2020).

В этой главе мы исследуем молекулярную эволюцию генов CSP у двукрылых видов, уделяя особое внимание мухам и комарам, чтобы показать набор данных, необходимых для полного и актуального эволюционного анализа определенного семейства генов белков. Мы описываем, как использовать полную базу данных генома двукрылых Drosophila ananassae , D.erecta , D. grimshawi , D. melanogaster , D. mojavensis , D. persimilis , D. pseudoobscura , D. sechellia , D. simulis , D. , D. willistoni , D. yakuba , Aedes aegypti , Anopheles gambiae и Culex pipiens , чтобы идентифицировать 127 копий гена CSP и сообщить о структурных свойствах гена и реконструированных филогенезах. последовательности (аминокислота, нуклеотид, экзон и интрон).Мы также стремимся объяснить необходимость знания о ретротранспозициях ( Feilai-Twin ) и их связи с расширением и эволюцией определенного семейства генов. Затем мы предлагаем руководство для всего анализа (геномная организация, сдвиг границы интрона и филогенетического распределения) и интерпретации двукрылых как классической модельной системы не только для ретротранспозиции, но и для многих различных хромосомных перестроек (делеции, дупликации, вставки, инверсии). , мутации и транслокации), которые явно влияют на эволюцию генов и геномов.

Что делает ДНК? | Факты

Код ДНК содержит инструкции, необходимые для создания белков и молекул, необходимых для нашего роста, развития и здоровья.

• ДНК предоставляет инструкции по созданию белков (как это объясняется центральной догмой).
• Последовательность оснований A, C, G и T в ДНК определяет наш уникальный генетический код и предоставляет инструкции по производству молекул в организме.
• Клетка считывает код ДНК группами по три основания.Каждый триплет оснований, также называемый кодоном, указывает, какая аминокислота будет добавлена ​​следующей во время синтеза белка.
• Существует 20 различных аминокислот, которые являются строительными блоками белков.
• Различные белки состоят из различных комбинаций аминокислот. Это дает им уникальную трехмерную структуру и функцию в теле.
• Только 61 из 64 кодонов используется для указания, какая из 20 аминокислот должна быть добавлена ​​следующей.
• Есть три кодона, которые не кодируют аминокислоту.Эти кодоны отмечают конец белка и останавливают добавление аминокислот к концу белковой цепи.

Колесо кодонов, указанное выше, можно использовать для преобразования кодонов ДНК в аминокислоты. Найдите первую букву вашей последовательности во внутреннем круге и двигайтесь наружу, чтобы увидеть соответствующую аминокислоту, например ATG = метионин.
Изображение предоставлено: Genome Research Limited

• Примеры белков включают кератин, белок в ваших волосах, и гемоглобин, белок, переносящий кислород в вашей крови.
• Хотя это основная функция генома, менее двух процентов генома человека обеспечивает инструкции по созданию белков.
• Остальная часть генома, называемая некодирующей ДНК, выполняет множество функций. К ним относятся регулирование того, когда белки производятся, и контроль упаковки ДНК внутри клетки.
• Однако нам еще многое предстоит узнать о функции некодирующей ДНК.

Эта страница последний раз обновлялась 21.01.2016

Белков — это рабочие лошадки нашего тела.Вот как мы можем их лучше понять. — Новости @ Northeastern

Белки — это маленькие механизмы, заставляющие клетки работать. Некоторые защищают клетки от вирусов и бактерий, другие превращают свет в пищу. Белки несут сообщения, расщепляют химические вещества, копируют ДНК и придают клеткам их структуру.

В основном они все делают. Все биологические функции выполняются белками, поэтому понимание того, как работают эти молекулы, имеет решающее значение для многих типов исследований.

Но ученые только недавно начали измерять белки в отдельных клетках, и прямо сейчас у них нет инструментов, достаточно чувствительных, чтобы измерить траектории или продолжительность жизни белков, которые естественным образом обнаруживаются внутри клетки.

Вместо этого стандартной практикой является «взять большой кусок ткани, измельчить его и проанализировать среднее значение всех белков в этой группе клеток», — говорит Николай Славов, доцент кафедры биоинженерии в Северо-Восточном регионе, чьи исследования сосредоточены на измерении белков в отдельные клетки и хронические белки с течением времени.Это исследование поддержано Премией выдающегося исследователя Аллена, грантом Фонда Пола Г. Аллена, рекомендованным Группой Пола Аллена Фронтиерс.

Николай Славов, доцент кафедры биоинженерии, недавно получил грант в размере 1,5 миллиона долларов для дальнейшего совершенствования своих исследований по измерению синтеза белка в отдельных клетках, метод, ранее ограниченный несколькими клетками. Фото Руби Валлау / Northeastern University

Прямо сейчас стандартный процесс измерения белков скрывает множество деталей.«Клетки теряют свою индивидуальность, поэтому вы можете многое понять о физиологии клетки», — говорит Славов. «Эти современные подходы позволяют вывести траектории отдельных ячеек и полагаться на экстраполяцию».

Чтобы сделать эти измерения более точными, лаборатория Славова предложила метод, который не только измеряет белки в отдельных клетках, но также может отслеживать изменения белков с течением времени. Славов говорит, что он будет использовать грант в 1,5 миллиона долларов от Frontiers Group для дальнейшего развития этого проекта.

Одна из причин, по которой современные инструменты не могут наблюдать функции белков с течением времени, заключается в том, что процесс измерения по своей природе деструктивен. По словам Славова, чтобы идентифицировать белки, ученые должны разбить их на более мелкие части, будь то пептиды или аминокислоты.

Хотя методы Славова по-прежнему разрушительны, его лаборатория впервые применила новый способ извлечения информации об истории клетки в процессе.

«Я люблю называть это путешествием по камере», — говорит Славов. «Он может запоминать и кодировать информацию о различных белках в прошлом, каков был их оборот и какова была их функция».

Команда Славова создала метод идентификации белка по атомному весу и последующего отслеживания его траектории — метод, который Славов планирует усовершенствовать с помощью гранта. Вот как это работает: аминокислоты, мельчайшие строительные блоки белка, вводятся в клетку. Эти аминокислоты состоят из атомов, которые бывают разных типов, называемых изотопами, которые различаются атомным весом из-за добавленных нейтронов.

Добавленные нейтроны не изменяют химическую структуру аминокислот или белков, которые они создадут, но они изменяют атомный вес. Этот добавленный вес используется для идентификации белков в клетке и измерения того, как они меняются с течением времени.

«Это упрощенный пример, но предположим, что во вторник мы скармливаем клеткам аминокислоты с определенным весом, затем в среду мы скармливаем клеткам аминокислоты с другим весом, а в четверг мы подкармливаем клеточные аминокислоты другим весом. вес и так далее », — говорит Славов.

«Когда мы в конечном итоге проводим измерения и разбиваем клетку, мы знаем, какие белки производятся в какой день, потому что они имеют определенный вес в зависимости от того, какие аминокислоты они использовали», — говорит он.

Идентификация того, когда был создан белок, важна, потому что это позволяет ученым наблюдать, как белок изменяется с течением времени. Например, это один из самых больших вопросов, когда речь идет о дифференцировке клеток.

Клетки дифференцируются — превращаются в специализированные клетки, такие как клетки сердца, клетки легких, клетки мозга и т. Д.- при получении информации из соседних ячеек.

«Один вопрос, который мы можем изучить с помощью этой технологии: что это за сигналы?» Славов говорит. «Если мы знаем эту информацию, мы можем контролировать судьбу клетки».

Исследователи, которые задают важные биомедицинские вопросы, например, как работает иммунная система или как создаются воспоминания, найдут эти методы бесценными. «Но на эти вопросы нельзя ответить существующими методами», — говорит Славов. «Для дальнейшего продвижения наших исследований нам необходимо разработать инструменты.”

По вопросам СМИ обращайтесь по адресу [email protected] .

Первой молекулой

жизни был белок, а не РНК, новая модель предлагает

из Quanta Magazine ( оригинальную историю можно найти здесь ).

Белки обычно уступают место молекулам РНК в размышлениях ученых о том, как зародилась жизнь на Земле.Тем не менее, новая вычислительная модель, которая описывает, как ранние биополимеры могли вырасти достаточно долго, чтобы сложиться в полезные формы, может это изменить. Если это подтвердится, модель, которая в настоящее время направляет лабораторные эксперименты для подтверждения, может восстановить репутацию белков как исходной самовоспроизводящейся биомолекулы.

Для ученых, изучающих происхождение жизни, один из величайших вопросов типа курицы или яйца: что появилось раньше — белки или нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК? Около четырех миллиардов лет назад основные химические строительные блоки привели к появлению более длинных полимеров, которые обладали способностью самовоспроизводиться и выполнять функции, необходимые для жизни, а именно хранение информации и катализирование химических реакций.На протяжении большей части жизни нуклеиновые кислоты выполняли первую работу, а белки — вторую. Тем не менее, ДНК и РНК несут инструкции по созданию белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Какой из них изначально мог справиться с обеими задачами самостоятельно?

В течение десятилетий предпочтительным кандидатом была РНК — особенно после открытия в 1980-х годах, что РНК также может сворачиваться и катализировать реакции, как это делают белки. Более поздние теоретические и экспериментальные данные подтвердили гипотезу «мира РНК» о том, что жизнь возникла из РНК, которая может катализировать образование большего количества РНК.

Но РНК также невероятно сложна и чувствительна, и некоторые эксперты скептически относятся к тому, что она могла возникнуть спонтанно в суровых условиях пребиотического мира. Более того, как молекулы РНК, так и белки должны принимать форму длинных свернутых цепей, чтобы выполнять свою каталитическую работу, и ранняя среда, по-видимому, не позволяла цепочкам нуклеиновых кислот или аминокислот становиться достаточно длинными.

Кен Дилл и Елизавета Гусева из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке вместе с Рональдом Цукерманом из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Калифорнии представили возможное решение загадки в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) этим летом.Что касается моделей, их все очень просто. Дилл разработал его в 1985 году, чтобы помочь решить «проблему сворачивания белка», которая касается того, как последовательность аминокислот в белке определяет его складчатую структуру. Его гидрофобно-полярная (HP) модель сворачивания белка рассматривает 20 аминокислот как всего два типа субъединиц, которые он сравнил с разноцветными бусинками на ожерелье: голубые, водолюбивые (полярные мономеры) и красные, ненавидящие воду. единицы (неполярные мономеры). Модель может складывать цепочку из этих бусинок в последовательном порядке по вершинам двумерной решетки, как если бы они размещались на смежных квадратах шахматной доски.Какой квадрат будет занимать конкретная бусина, зависит от тенденции красных гидрофобных бусинок слипаться вместе, чтобы они лучше избегали попадания воды.

Дилл, биофизик, использовал этот вид вычислений на протяжении 1990-х годов, чтобы ответить на вопросы об энергетических ландшафтах и ​​состояниях сворачивания белковых последовательностей. Лишь недавно он подумал о применении этой модели к ранней Земле — и к переходу от химии пребиотиков к биологии. «Химия не корыстна, а биология — не корыстолюбивая», — сказал Дилл.«Каковы были первые семена этого корыстолюбия?»

Ответ, по его мнению, заключается в складывающихся полимерах или фолдамерах. С помощью своей модели он создал один набор перестановок гидрофобных и полярных мономеров: полный ассортимент всех возможных красно-синих ожерелий длиной до 25 бусинок. Только 2,3% этих последовательностей коллапсируют в компактные фолдамерные структуры. И только 12,7% из них — всего 0,3% от первоначального набора — складываются в конформации, обнажающие гидрофобное пятно красных шариков на их поверхности.

Этот пластырь может служить привлекательной липкой посадочной площадкой для проплывающих мимо гидрофобных участков последовательностей. Если одна красная бусина и краснохвостая цепочка приземляются на гидрофобный участок одновременно, термодинамика благоприятствует соединению двух последовательностей вместе. Другими словами, пластырь действует как катализатор удлинения полимеров, ускоряя эти реакции в десять раз. По словам Дилла, хотя это увеличение скорости невелико, оно существенно.

Автокаталитическое оригами

Большинство этих удлиненных полимеров просто продолжают свой путь.Но некоторые из них сворачиваются, а некоторые даже имеют собственное гидрофобное пятно, как и оригинальный катализатор. Когда это происходит, свернутые молекулы с посадочными площадками не только продолжают образовывать длинные полимеры во все большем и большем количестве, но они также могут в конечном итоге составить так называемый автокаталитический набор, в котором фолдамеры прямо или косвенно катализируют образование своих копий. . Иногда два или более фолдамеров могут участвовать во взаимном катализе, усиливая реакции, которые образуют друг друга.Хотя такие наборы редки, количество этих молекул будет расти экспоненциально и в конечном итоге захватит пребиотический суп. «Это все равно, что зажечь спичку и устроить лесной пожар», — сказал Дилл.

«В этом вся магия, — добавил он, — способность небольшого события превращаться в гораздо более крупные события».

И все, что нужно для запуска этого процесса, — это определенные последовательности гидрофобных и полярных компонентов, которые его модель может предсказать. «Модель Дилла показывает, что вам нужны только эти два свойства», — сказал Питер Шустер, химик-теоретик и почетный профессор Венского университета.»Это прекрасный теоретический результат».

«Это ставит под сомнение представление о происхождении жизни, основанное на гипотезе мира РНК», — сказал Эндрю Похорилл, директор Центра вычислительной астробиологии и фундаментальной биологии НАСА. Ему и некоторым другим ученым белки кажутся «более естественной отправной точкой», потому что их легче производить, чем нуклеиновые кислоты. Похорилл утверждает, что система хранения информации, обнаруженная в самых ранних зачатках жизни, была бы менее развитой, чем система на основе нуклеиновых кислот в современных клетках.

«Людям не нравилась гипотеза о первоочередности белков, потому что мы не знаем, как реплицировать белки», — добавил он. «Это попытка показать, что даже если вы не можете действительно реплицировать белки так же, как реплицировать РНК, вы все равно можете строить и развивать мир без такого рода точного хранилища информации».

Эта плодородная, богатая информацией среда могла бы тогда стать более благоприятной для появления РНК. Поскольку РНК лучше подходила для автокатализа, в долгосрочной перспективе ей бы способствовал естественный отбор.«Если вы начнете с более простой модели [например, модели Дилла], что-то вроде РНК может появиться позже, и она станет победителем в производственной игре», — сказал Дорон Ланцет, исследователь геномики, который работал над своей собственной простой моделью, основанной на химии. в Институте науки Вейцмана в Израиле.

В поисках доказательств с помощью пептоидов

Конечно, ключ ко всему этому — в реальных экспериментах. «Все, что насчитывает более 2,5–3 миллиардов лет, является спекуляцией», — сказал Эрих Борнберг-Бауэр, профессор молекулярной эволюции в Вестфальском университете Вильгельма в Мюнстере в Германии.Он охарактеризовал работу Дилла как «действительно доказательство концепции». Модель все еще нуждается в проверке на сравнении с другими теоретическими моделями и экспериментальными исследованиями в лаборатории, если она действительно хочет успешно бороться с гипотезой мира РНК. В противном случае «это похоже на шутку о том, что физики [предполагают], что коровы представляют собой совершенно упругие сферические объекты», — сказал Андрей Лупас, директор отдела эволюции белков в Институте биологии развития Макса Планка в Германии, который верит в мир РНК-пептидов. , в котором двое вместе эволюционировали.«Любое значение в конечном итоге исходит из эмпирических подходов».

Вот почему Цукерманн, один из соавторов статьи PNAS , начал работу над проектом, который, как он надеется, подтвердит гипотезу Дилла.

Двадцать пять лет назад, примерно в то время, когда Дилл предложил свою модель сворачивания белка HP, Цукерманн разрабатывал синтетический метод создания искусственных полимеров, называемых пептоидами. Он использовал эти небиологические молекулы для создания материалов, имитирующих белок.Теперь он использует пептоиды, чтобы проверить предсказания модели HP, исследуя, как последовательности складываются и могут ли они стать хорошими катализаторами. Цукерманн сказал, что в ходе этого эксперимента он и его коллеги будут тестировать тысячи последовательностей.

Это будет непросто и сложно. Модель Дилла HP очень упрощена и не учитывает многие сложные молекулярные детали и химические взаимодействия, характерные для реальной жизни. «Это означает, что мы столкнемся с реальностями атомарного уровня, которые модель не может увидеть», — сказал Цукерманн.

Одна из таких реальностей может заключаться в том, что пара фолдамеров будет агрегировать, а не катализировать производство друг друга. Скептики гипотезы Дилла опасаются, что гидрофобным участкам будет гораздо легче взаимодействовать друг с другом, чем с другими полимерными цепями. Но, по словам Похорилла, возможность агрегации не означает, что Дилл автоматически ошибается, говоря, что эти гидрофобные пластыри нужны для запуска автокатализа. «Современные ферменты — это не просто гладкие шарики. Ферменты содержат щели, которые помогают процессу катализа », — пояснил он.Если фолдамеры агрегатируются через их посадочные площадки, вполне возможно, что полученная конструкция также может обладать такими характеристиками.

«Даже если это кажется маловероятным, наука должна учитывать все гипотезы», — добавила Борнберг-Бауэр. «Это то, что делает Дилл».

Пока, по крайней мере, безраздельно господствует гипотеза мира РНК. Тем не менее, Дилл и Цукерманн с оптимизмом смотрят на результаты дальнейших исследований. Дилл планирует использовать эту модель для изучения других вопросов о происхождении жизни, в том числе о том, как и почему возник генетический код.И Цукерманн надеется, что исследование — помимо подтверждения (или опровержения) вычислений Дилла — также поможет ему создать фолдамеры, которые могут действовать как средства доставки лекарств, синтетических антител или диагностических инструментов.

«Эта модель является отправной точкой для таких экспериментаторов, как я», — сказал Цукерманн. «Это ставит задачу найти эти примитивные катализаторы, показать, как они работают, сказать: это могло действительно случиться».

Перепечатано с разрешения журнала Quanta Magazine , редакционно независимого издания Simons Foundation , чьей миссией является улучшение понимания науки общественностью путем освещения исследований и тенденций в математике, физических науках и науках о жизни.

Гороховый протеин повсюду, он полезен?

В: Я внезапно вижу гороховый белок повсюду. Что это такое и полезно ли это?

A: Гороховый протеин — это экстракт колотого гороха, и производители продуктов питания добавляют этот протеин в различные продукты, такие как энергетические батончики, коктейли для замены еды, вегетарианские гамбургеры и даже злаки. Вы также можете использовать его в виде порошка для приготовления смузи.

Сейчас, когда белку уделяется много внимания, гороховый белок — это здоровый вариант.Традиционные подходы к увеличению количества протеина могли включать большие порции мяса, но есть убедительные доказательства того, что избыток красного и переработанного мяса увеличивает риск рака и других хронических заболеваний.

Растущий интерес к вегетарианской и растительной диете, вероятно, привел к увеличению доступности гороха и других растительных белков. Гороховый белок также привлекает людей с непереносимостью лактозы или людей, не содержащих молочный белок. Но по сравнению с получением белка из продуктов, которые содержат множество других ценных питательных веществ, это не ответ для всех.

Растущий интерес к вегетарианской и растительной диете, вероятно, привел к увеличению доступности гороха и других растительных белков.

Гороховый белок по сравнению с другими растительными белками

Белки состоят из аминокислот, и девять аминокислот являются незаменимыми в нашем рационе. В отличие от животных источников белка, белок из растительной пищи часто имеет низкое содержание одной или нескольких из этих девяти аминокислот, которые составляют «полноценный» белок. Тем не менее, исследования показывают, что если в течение дня вы употребляете различные источники белка, нет необходимости потреблять полноценные белки с каждым приемом пищи.

Как и бобовые, из которых он сделан, гороховый белок содержит все незаменимые аминокислоты, но с низким содержанием метионина. Это означает, что его следует использовать только в качестве одного из множества различных источников белка, а не в качестве основного выбора в течение дня.

Гороховый протеин — это не все одно и то же. Содержание белка и других питательных веществ варьируется в зависимости от бренда и от того, является ли он концентратом или изолятом (изоляты обычно содержат больше белка). Даже при одинаковом количестве белка количество клетчатки разное.Некоторые из них являются хорошим источником клетчатки, но в большинстве своем содержат мало. В этом белке относительно мало жиров, но по крайней мере один из тех, на которые я смотрел, содержал определенное количество трансжиров (тип жира, наиболее явно вредный для здоровья сердца).

По сравнению с продуктами, обогащенными белком, с белком, выделенным из семян конопли, риса и большинства других зерен, белок гороха содержит лучший баланс незаменимых аминокислот.

По сравнению с продуктами, обогащенными белком, с белком, выделенным из семян конопли, риса и большинства других зерен, белок гороха содержит лучший баланс незаменимых аминокислот.

Менее желательным аспектом горохового протеина является его зернистая текстура. Таким образом, кажется, что он лучше всего работает в смузи с множеством других ингредиентов или в продуктах, обогащенных белком, по рецептам, которые преодолевают эту проблему.

Гороховый белок в большой картине

Как диетолог я рад видеть, что люди думают о способах удовлетворения потребностей в белке помимо больших порций мяса и о том, как включить белок в пищу в течение дня. Но важно понимать, что только потому, что граммы белка, указанные в батончике или напитке, выглядят хорошо, белок не превращает еду, в которой не хватает питательных веществ, в здоровую пищу.

Подумайте, что еще вы получаете от продуктов, содержащих белок. Стандартная порция порошка горохового протеина, указанная на этикетках, часто содержит около 21 грамма протеина. Это количество примерно в трех унциях мяса, рыбы или птицы (размером с колоду карт).

Однако при экстракции белка некоторые другие питательные вещества сухого гороха могут быть удалены. В колотом горохе содержится большое количество магния, фолиевой кислоты и калия, но на этикетках нет указаний на то, сколько из них удерживается в порошке горохового протеина.Порция порошка горохового протеина часто остается хорошим источником железа. Но в изолированном гороховом белке также отсутствуют углеводные соединения гороха, которые могут поддерживать противовоспалительные кишечные бактерии.

Продукты, содержащие меньшее количество белка, могут в сумме удовлетворить ваши потребности в белке и обеспечить другие питательные вещества и фитохимические вещества. Например, смешивание смузи с соевым молоком или тофу или добавление горстки орехов в закуску или смешивание с салатом также дает магний, калий, полифенолы и витамин Е.

Если вы выберете его для увеличения количества белка, просто помните, что цельные продукты содержат больше, чем белок: следите за общей картиной.

Итог

Гороховый протеин может быть полезным ингредиентом для придания структуры безглютеновой пище или улучшения текстуры. Если вы выберете его для увеличения количества белка, просто помните, что цельные продукты содержат больше, чем белок: следите за общей картиной того, что ваши продукты обеспечивают для улучшения общего состояния здоровья.