Вход в личный кабинет | Регистрация
Избранное (0) Список сравнения (0)
Ваши покупки:
0 товаров на 0 Р
Итого: 0 Р Купить

Сколько белков в организме человека: Белки, жиры, углеводы. Справка — РИА Новости, 23.08.2010

Содержание

Сколько белков нам нужно для жизни?

Последствия недостатка белка в организме

В отличие от глюкозы и жира, в организме возможен малый резерв белка. Если это вещество не поступает извне или поступает в недостаточном количестве, уже через сутки организм будет использовать белок из мышечной ткани, тем самым разрушая ее. Недостаток белка приводит к патологическим состояниям, связанным с гормональным дисбалансом, недостаточностью ферментативных систем. Развивается пищевая дистрофия, наблюдается нарушение мозговой деятельности, нарушение функций других систем и органов. Дефицит белка неблагоприятно сказывается на организме детей, они отстают в физическом и умственном развитии. Чтобы избежать этих последствий, нужно следить за рационом питания и ежедневно употреблять в пищу продукты, содержащие белок. Наибольшее количество этого вещества находится в мясе, яйцах, рыбе, молочных продуктах, орехах, бобовых. Продукты животного происхождения имеют правильно сбалансированный аминокислотный состав, а это очень важно для нормального усвоения белков. О том, сколько белка содержится в еде, можно узнать в инструкции на этикетке продукта. В этой информации обычно приводится калорийность, пищевая ценность, перечень содержащихся витаминов и микроэлементов.

Меньше всего белков содержится в ягодах и фруктах.

Вред избытка белка для организма

Если человек употребляет слишком много белка, например, при соблюдении низкоуглеводных диет, опасность для организма в этом случае существует при наличии заболеваний почек. При регулярном превышении нормы этого вещества повышается количество мочевой кислоты, это приводит к развитию болезней суставов, подагре, также возрастает риск сердечно-сосудистых заболеваний. Рекомендуется в день употреблять белка в количестве 10-35% от общего суточного рациона.

Лишний в организме белок превращается в глюкозу. В отличие от быстрых углеводов, она поступает в кровь очень медленно, не вызывая резкого повышения в крови уровня сахара.
Количество белка, необходимое для жизни, зависит от комплекции, возраста и двигательной активности конкретного человека. Для подсчета нормы суточного количества можно использовать следующий способ: нужно умножить вес тела человека в килограммах на 0,8. Полученный результат — количество белка в граммах, которое необходимо данному человеку в сутки. При активном образе жизни необходимо употреблять 1-2,5 грамма белка в день на 1 кг веса тела. Считается, что люди, профессионально занимающиеся некоторыми видами спорта (бодибилдинг, бег на длинные дистанции) получают положительный эффект, если употребляют дополнительное количество белка. При небольшой спортивной нагрузке (плавание, аэробика) достаточно употреблять суточную норму этого вещества.

Сколько всего аминокислот существует?

Выберите разделВ помощь кондитеруКак применятьПолезно знатьРецептуры и технологииРецептыРецепты кондитера

Этот блог не предназначен для предоставления диагностики, лечения или медицинской консультации. Контент, представленный в этом блоге, предназначен только для информационных целей. Пожалуйста, проконсультируйтесь с врачом или другим медицинским работником относительно любых медицинских или связанных со здоровьем диагнозов или вариантов лечения. Информация в этом блоге не должна рассматриваться в качестве замены консультации с медицинским работником. Утверждения, сделанные о конкретных продуктах в этом блоге, не одобрены для диагностики, лечения, лечения или профилактики заболеваний.

Как вы думаете – сколько всего аминокислот существует? Давайте разберемся в этом вопросе. Аминокислоты — это в первую очередь «фундамент» для образования в нашем организме протеинов, гормонов, антител, белков в тканях, различных ферментов. Все белки – это соединенные в определенной последовательности цепочки из аминокислот. Если отсутствует одна аминокислота, то строительство молекулы белка становится попросту невозможным.

Каково назначение этих элементов? Аминокислоты в первую очередь обеспечивают функционирование практически всех систем в организме, угнетая или наоборот стимулируя все процессы жизнедеятельности:

  • обогащают энергией, необходимой для мышечной ткани;
  • обеспечивают правильную работу и функционирование нервной системы, являясь нейромедиаторами;
  • активно участвуют в водно-солевом обмене.

На сегодняшний день обнаружено 26 аминокислот. Простыми компонентами в образовании белка, считаются 20 аминокислот. Все живые организмы образуют множество различных соединений белка. Все аминокислоты можно разделить на две группы:

1. Аминокислоты незаменимые – они поступают в наш организм исключительно с белковой пищей. Это следующие кислоты:

  • гистидин;
  • метионин;
  • треонин;
  • изолейцин;
  • лейцин;
  • фенилаланин;
  • триптофан;
  • валин.

2. Аминокислоты заменимые – они  поступают в человеческий организм с белковой пищей или строятся из других аминокислот. В их число входят:

  • аланин;
  • глицин;
  • аргинин;
  • аспарагин;
  • кислота аспарагиновая;
  • цистеин;
  • кислота глютаминовая;
  • глютамин;
  • пролин;
  • серин;
  • таурин;
  • тирозин.

А где же эти аминокислоты синтезируются? Основная масса аминокислот в организме человека образуется в печени. Но к сожалению, стрессы, инфекции, старение и многие другие факторы, нарушают эти процессы, что ведет к быстрому истощению организма и потере физической активности.

Чтобы и вы получили такой ошеломительный эффект, покупайте кондитерские ингредиенты по

промокоду BLOG со скидкой в 10%, который распространяется на все заказы до 15 кг! И до встреч в новых статьях!

Страница — не найдена

Сыры

Состав и полезные свойства сыра тофу Соевое лакомство научились готовить впервые в Китае, откуда

Грибы

Деликатесный гриб растет под землей, а размножается через помет животных, которые съедают его. Французские

Москва

Компания «Диадар» – крупнейшая сеть по производству и продаже натуральных диетических продуктов питания. Основной

Травы

Растение известно своими лекарственными качествами. Оно способно, как утверждают на Востоке, дарить молодость и

Бобовые

Горох – популярнейший в мире овощ, который любят и взрослые, и дети. Этот недорогой,

Ягоды

Дикая разновидность вишни встречается на территории Сибири, Дальнего Востока, в Европе, Азии, Африке. Польза

Недостаток белка в организме | Passion.ru

Белки являются одними из самых необходимых веществ в организме человека. Если о дефиците витаминов и минералов мы вспоминаем практически каждую весну, списывая хандру и усталость на «авитаминоз», то о том, что многие проблемы здоровья могут быть связаны с дефицитом качественного белка, мы задумываемся мало.

Многие говорят о том, что белок – это тяжелый продукт, и есть его надо ограниченно. А некоторые и вовсе его не едят – и вроде ничего плохого не происходит. Однако белок в организме выполняет жизненно важные функции, взять на себя которые не сможет ни один другой элемент. Для чего служит белок в организме человека, рассказывает Passion.ru.

Зачем нужны белки?

Белок является основой для строительства тела. Из белков состоят мышцы, ткани, внутренние органы, кровяные клетки, иммунные тела, а также волосы, ногти и клетки и белки кожи.

Пищевые белки в организме в кишечнике разбираются до «кирпичиков» аминокислот. Аминокислоты отправляются в печень для построения и синтеза собственных белков тела, но в организме есть часть аминокислот, которые тело может произвести само, а часть должны только поступать извне. Это незаменимые кислоты, но содержат их только животные белки, в растительных белках набор аминокислот беднее, поэтому они не считаются полноценными.

Еще одной важной функцией белка является его ферментная и обменная функция. Большая часть ферментов и гормонов – это чистый белок или соединение белка с другими веществами (ионами металлов, жирами, витаминами). При нехватке белков могут страдать некоторые виды обмена, особенно это заметно при ограничительных низкобелковых диетах.

Кроме того, белки выполняют транспортную функцию, то есть они переносят в клетки и из клеток важные вещества – ионы, питательные и другие вещества. Белки защищают наш организм от инфекций, так как антитела и защитные белки слизистых – это белковые молекулы.

Белки поддерживают нашу молодость и красоту – и это происходит благодаря своевременному обновлению молекул коллагена и эластина, которые не дают обезвоживаться, стареть нашей коже, препятствуют образованию морщинок.

Как определить у себя дефицит белка?

Превращение белков в организме » Привет Студент!

Превращение белков в организме


Биологическое значение белков

В процессе обмена веществ благодаря своему поистине всеобъемлющему участию в жизненно важных процессах белок непрерывно расходуется. Следовательно, для обеспечения важнейших физиологических функций организма человека и животных, их жизнедеятельности необходимо доставлять белок с пищей. Белок является чрезвычайно важной и обязательной составной частью пищи. Для определения его роли в питании существенно также и то, что ни в функциональном отношении, ни как пластический материал белок не может быть заменен другими пищевыми веществами. В то же время белок может в довольно широких пределах замещать собой жиры и углеводы, т. е. идти на синтез этих соединений в организме.

Организм часто испытывает недостаток или дефицит белка. Эксперты Всемирной организации здравоохранения считают, что примерно половина населения земного шара находится в состоянии белкового голодания, а мировая нехватка пищевого белка составляет около 15 млн. т в год. Выраженная белковая недостаточность — явление обычное в слаборазвитых странах. Особенно широко распространена скрытая, т. е. еще не приводящая к болезни, так называемая субклиническая, белковая недостаточность. Она встречается во всех возрастных группах, но чаще всего наблюдается у детей в период грудного вскармливания и первые годы жизни. Заболевание детей вследствие белковой недостаточности получило название квашиоркора, что в переводе с одного из африканских языков означает «отнятый от груди». Причем на каждый случай заболевания приходится около ста случаев скрытой формы белковой недостаточности. Помимо детей, другой чрезвычайно уязвимой группой в отношении нарушений, вызываемых низким потреблением белка, являются беременные женщины и кормящие матери.

Белковая недостаточность чаще всего возникает при общем недостатке пищи. При этом понижается количество белка в крови, понижается осмотическое давление крови, кровь начинает хуже отбирать воду у тканей, возникают так называемые голодные отеки. Дефицит белка на фоне общего недоедания приводит к состоянию, носящему название алиментарной (пищевой) дистрофии.

Различные пищевые вещества содержат неодинаковое количество белка. Его больше всего в мясе, рыбе, сыре, яйцах, сое, орехах, горохе. Большинство других пищевых веществ содержит мало белка. В то же время для организма человека и животных крайне важно достаточное поступление белка. И дело здесь даже не в том, какое количество энергии может получиться при распаде белков. Эту энергию вполне могут компенсировать жиры и углеводы. Важнее другое: недостаточное поступление белка с пищей приводит к серьезным нарушениям в организме, а безбелковое питание неизбежно кончается смертью подопытных животных.

В организме постоянно, хотя и с различной скоростью, происходит обновление и разрушение клеток, внеклеточного вещества и других структурных компонентов, в состав которых входят белки. Это постоянное обновление организма и требует непрерывного поступления белков или аминокислот. Поэтому пластическая роль белков в отличие от энергетической просто незаменима. К тому же, как известно из предыдущих разделов, без белков и аминокислот невозможно обновление таких важных для живого организма веществ, как гормоны и ферменты.

Основная масса азота в пищевых продуктах приходится на белки. Если введенного в организм с пищевыми продуктами азота больше, чем выведенного в виде конечных продуктов, то происходит накопление белков в организме. Это наблюдается в молодом растущем организме, при восстановлении организма после болезни, во время беременности. В случае избыточного выведения азотистых продуктов в сравнении с количеством поступившего азота можно говорить о распаде белков, что происходит при заболевании или белковом голодании.

Важным для организма является не только количество белка, потребляемого с пищей, но и его качество. Например, для компенсации распавшегося в организме белка необходимо, чтобы с пищей поступил 1 г аминокислоты метионина. В одних продуктах такое количество метионина содержится в 50 г белка, в других — в 200 г белка, т. е. биологическая ценность первого белка выше, его требуется меньше для покрытия потребностей организма в метионине. Наиболее нужными для человека являются белки мяса, молока, яиц, картофеля. Некоторые белки имеют полноценный аминокислотный состав, но они плохо расщепляются в пищеварительном тракте. Это белки шерсти, перьев, волос и пр.

Неодинаково значение различных аминокислот в белке. Если исключить некоторые аминокислоты из пищи, то организм «не заметит» их отсутствия, т. е. они могут синтезироваться в организме из других соединений: углеводов, жиров, кетокислот. Недостаток же других аминокислот приводит к нарушению синтеза белка, расстройству нервной системы, болевым явлениям, потере массы и трудоспособности.

К 1915 г. выяснили, что белок зеин, основной белок кукурузы, не способствует росту, и животные погибали, если их кормили только этим белком. Если же к зеину добавлять аминокислоту триптофан, то животные жили гораздо дольше, хотя и этого не было достаточно для их нормального роста. Если же к зеину добавить, помимо триптофана, еще одну аминокислоту — лизин, то животные нормально росли и развивались. Такие эксперименты доказали, что питательная ценность белка зависит от его аминокислотного состава.

Не все аминокислоты, входящие в состав белковой молекулы, являются равноценными. Оказалось, что часть из них не может быть синтезирована в организме человека и они должны обязательно поступать в организм с пищей. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми. К ним относятся валин, лейцин, изолейцин, лизин, триптофан, треонин, фенилаланин, метионин. Для детей необходимы также аргинин и гистидин. Следовательно, организму требуются белки, содержащие необходимое количество незаменимых аминокислот. Большинство аминокислот, встречающихся в пищевых белках, могут синтезироваться в теле человека. К ним относятся аланин, гликокол, глутаминовая кислота, серии, тирозин, цистеин и др. Они получили название заменимых. Однако нельзя недооценивать их роли в организме, так как они входят непременными компонентами в состав белков нашего организма. Отсутствие или недостаточность заменимых аминокислот в пище ведет к необходимости их синтеза в организме, причем нужный для этих целей азот черпается в таком случае из незаменимых аминокислот, поступающих с пищей. Наилучшим соотношением заменимых и незаменимых аминокислот для человека отличается белок куриных яиц. Он считается эталонным, т. е. содержит полный достаточный набор аминокислот. В других белках может быть меньшее по сравнению с эталонным относительное количество той или иной незаменимой аминокислоты.

Чаще всего не хватает следующих аминокислот: триптофана, лизина, реже метионина. Поэтому организму требуется эталонного белка меньше всего, а других белков больше. И чем хуже соотношение аминокислот, тем больше требуется белка. Если же в белке не хватает какой-нибудь незаменимой аминокислоты (хотя бы одной), то покрыть потребности организма он не может, сколько бы его ни поступало. Так, нехватка одной незаменимой аминокислоты приведет к тому, что в организме не смогут синтезироваться молекулы белков, в составе которых содержится эта незаменимая аминокислота.

В настоящее время считается, что для взрослого человека нужно в сутки около 115 г белка. Если же использовать белок куриного яйца, то достаточно 40 г, а смеси незаменимых аминокислот—13 г. Зная примерный аминокислотный состав различных пищевых продуктов, специалисты помогают составить диету таким образом, чтобы компенсировать недостаток аминокислот в одних продуктах за счет высокого содержания этих аминокислот в других.

Опыты на животных показали, что при белковом голодании не все органы уменьшают свою массу равномерно. Белки мышц, печени, плазмы крови расходуются при белковом голодании в первую очередь. Эти белки выполняют многообразные жизненные функции, но в критический период голодания они становятся белковыми источ

никами для жизненно наиболее важных органов: мозга, сердца, эндокринных желез. Особенно большим колебаниям в концентрации белка подвержена плазма крови: в случае уменьшения поступления белка с пищей уменьшается и количество белка в крови, при хорошем белковом питании идет быстрое восстановление содержания белка в плазме.

Распад белков в организме до аминокислот

Белки различных органов, тканей и тем более организмов очень отличаются друг от друга по молекулярной массе, аминокислотному составу, заряду, форме макромолекулы и многим другим параметрам. В связи с этим белок одного организма является чужим для другого. Поэтому пищевой белок никогда не используется организмом в нерасщепленном виде. К тому же на чужеродные белки, если они как-то попали в клетку в неизменном виде, выработались бы антитела, иммунитет лишил бы их видовой специфичности, т. е. попытался расщепить. Организм использует для питания клеток не сам белок, а аминокислоты, его составляющие.

Мы уже знаем из предыдущих разделов, что для получения из белка смеси аминокислот необходимо их продолжительно кипятить с кислотами или щелочами. В организме же процесс гидролиза белка идет под действием пищеварительных протеолитических ферментов при невысоких температурах. Все протеолитические ферменты желудочно-кишечного тракта действуют на пептидную связь —СО—NH—, но каждый из ферментов выбирает «свои» связи, образованные определенными аминокислотами. Например, пепсин быстрее разрывает связи между двумя остатками аланина или между аланином и серином, а трипсин «узнает» группы аргинина и лизина.

В отличие от углеводов белки в ротовой полости не подвергаются никаким изменениям, так как слюна не содержит ферментов, расщепляющих белки. Разрушение их начинается в желудке под действием двух мощных фaктopoв: сильно кислой реакции желудочного сока и активного фермента пепсина. pH желудочного сока — 1,5—2,5. Это очень кислая среда, в которой пепсин наиболее активен. Кислотность желудочного сока создает соляная кислота, роль которой многообразна: она стимулирует превращение неактивного пепсиногена в активный пепсин, создает оптимальную концентрацию Н+ для действия пепсина, вызывает денатурацию и набухание белков и предотвращает гниение в желудке.

Превращение неактивного пепсиногена в пепсин, как и в случае с трипсином, происходит при отщеплении части молекул полипептида с молекулярной массой около 7000. Об активности пепсина можно судить по скорости переваривания яичного белка или нитей фибрина. Пепсин разрывает в белке преимущественно внутренние связи, хотя находят и небольшое количество отдельных аминокислот, полученных при гидролизе концевых участков белковой нити. Однако основными продуктами гидролиза белка после обработки пепсином являются крупные обломки белковой молекулы — пептоны. Это все еще высокомолекулярные соединения. Они не всасываются в желудке, а поступают в двенадцатиперстную кишку. Здесь происходит дальнейшее превращение этих веществ под действием кишечного сока, в котором находится несколько разных ферментов: трипсин, химотрипсин, различные пептидазы.

Трипсин, как и пепсин в желудке, выделяется в неактивной форме, затем от него отщепляется небольшой пептид, что делает трипсин активным. Выделение пищеварительных ферментов в неактивной форме имеет очень важное значение: ведь в кишечном соке есть много других белков-ферментов, которые трипсин сразу же переварил бы, если бы он выделялся в активной форме. Трипсин гидролизует тоже не все пептидные связи в белке, а примерно 1/3 общего их количества. Он воздействует также на целые белковые молекулы, которые почему-то не расщепились в желудке.

Химотропсин расщепляет те связи, на которые не действует трипсин, прежде всего связи, образованные тирозином, фенилаланином, триптофаном и метионином. После обработки химотрипсином гидролизоваиными оказываются больше половины пептидных связей. Химотрипсин может воздействовать (как и трипсин) на негидролизованные пепсином белки. Поэтому операция полного удаления желудка не исключает возможности усвоения белков пищи.

Дальнейший распад белков происходит под действием ферментов пептидаз в тонком кишечнике. Они выделяются стенкой кишечника тоже в неактивной форме. Карбоксипептидазы отщепляют аминокислоты от обрывков белковой молекулы с СООН-конца, аминопептидазы — с того конца, где имеется свободная Nh3-группа. Дипептидазы расщепляют дипептиды на свободные аминокислоты.

Таким образом, совместное действие группы ферментов в различных отделах желудочно-кишечного тракта приводит к полному распаду белков пищи до свободных аминокислот.

Пути превращения аминокислот

Аминокислоты, образовавшиеся при гидролизе белка в желудке и кишечнике, всасываются через стенки капилляров и попадают в кровь. Ранее считали, что частично могут всасываться и нерасщепленные белки. Эксперименты опровергли эти предположения. Для проверки в кровь вводили чужеродный белок. На него вырабатывались антитела и шли реакции, направленные на уничтожение такого белка. Всасывание белка в кишечнике возможно при приеме большого количества сырого белка (например, яичного белка). При этом белок появляется даже в моче. Но такой опыт сопровождается явлениями отравления, т. е. всасывание белка — ненормальное физиологическое состояние.

Аминокислоты же не только хорошо всасываются, но их можно прямо вводить в кровь. Этот прием используется, когда больной не в состоянии какое-то время нормально питаться, например при операциях на пищеводе. Часть аминокислот не всасывается в кишечнике, а используется там же в качестве питания микроорганизмами, которые всегда населяют кишечник. Микроорганизмы нижних отделов кишечника участвуют в процессе гниения белков. Среди ядовитых продуктов гниения белков можно назвать фенол, который образуется из аминокислоты фенилаланина:

Количество веществ, получающихся из белков при гниении в кишечнике, велико и разнообразно по химическом составу.

Аминокислоты, всосавшиеся в кровь через стенку кишечника, попадают в печень, где они претерпевают различные превращения, а также идут на синтез белка.

Значительная часть аминокислот разносится кровью дальше ко всем органам и тканям. В клетках из них строятся белки, специфические для данной ткани.

Общая схема путей превращения аминокислот дана на рисунке 1.

Основные реакции, по которым идет распад аминокислот,— декарбоксилирование, дезамирование, переаминирование.

 

 

Рис. 1. Пути превращения аминокислот в организме.

 

Декарбоксилирование, связанное с отщеплением карбоксильной группы от аминокислоты, приводит к образованию аминов:

 

 

Ферменты, которые катализируют этот процесс, названы декарбоксилазами.

При различных видах дезаминирования получаются кислоты, кетокислоты, гидроксикислоты и отщепляется аммиак.

1. Восстановительное дезаминирование:

 

 

2. Окислительное дезаминирование:

3. Гидролитическое дезаминирование:

В 1937 г. советские ученые А. Е. Браунштейн и М. Г. Крицман открыли реакцию переаминирования, в результате которой под действием ферментов трансаминаз из одних аминокислот в организме могут быть получены другие аминокислоты путем переноса аминогруппы с аминокислоты на кетокислоту:

В тканях животных есть набор ферментов, расщепляющих белки прямо в клетках. Эти ферменты называют тканевыми протестами. Они наиболее активны в слабокислой среде. По своему действию эти ферменты соответствуют пепсину, трипсину, пептидазам. Многие из них локализованы в лизосомах, субклеточных частицах, которые в клетках отвечают за переваривание белков. Лизосомальные мембраны нестабильны. Под влиянием различных факторов они разрываются, а гидролазы, находящиеся в них, выходят в клетку и аутолизируют ее содержимое.

Та часть аминокислот, которая не была использована организмом для синтеза белка, ферментов, новых аминокислот или гормонов, распадается и выводится из организма. Конечными, продуктами распада аминокислот являются аммиак, оксид углерода (IV), вода, мочевина.

Аммиак образуется из аминсодержащих соединений при дезаминировании. В свободном виде он токсичен, и поэтому организм научился его обезвреживать. Наиболее восприимчивы и чувствительны к аммиаку клетки головного и спинного мозга, а также другие нервные ткани. В нормальных (неповрежденных) клетках за обезвреживание аммиака в какой-то степени отвечают прежде всего глутаминовая и аспарагиновая аминокислоты, имеющие по две карбоксильные группы. Они поглощают аммиак и образуют безвредные амиды. Этот путь обезвреживания Nh4 особенно важен для растений:

У человека и высших млекопитающих распад аминокислот идет через ряд реакций, и из аммиака и оксида углерода (IV) в несколько стадий с участием АТФ синтезируется мочевина:

Это конечный продукт, выделяющий аммиак в безвредной форме с мочой.

Беглый обзор путей превращения аминокислот был бы неполным, если, рассказав об основных путях распада, не остановиться на синтезе аминокислот в клетках. Как мы уже говорили, синтезироваться могут не все, а только заменимые аминокислоты. У растений же все аминокислоты могут синтезироваться из аммиака, нитратов и оксида углерода (IV).

Один из путей синтеза новых аминокислот мы уже приводили — это переаминирование. Другой путь — прямое аминирование кетокислот. Углеродный скелет для таких аминокислот чаще всего берется из продуктов неполного распада углеводов или жирных кислот. Например, аминокислота аланин легко получается из продукта углеводного обмена — пировиноградной кислоты:

Как видно из этого примера, нельзя проводить резкие границы между обменами аминокислот, жиров и углеводов. Продукты распада одного класса веществ могут служить иcходным материалом для синтеза другой группы соединений.

Еще один путь внутриклеточного синтеза аминокислот у человека и животных — превращение незаменимых аминокислот в заменимые. Например, гликокол может образоваться из треонина и серина. Этот путь подтвержден опытами с использованием меченых атомов.

Строго говоря, незаменимые аминокислоты тоже в какой-то степени могут образовываться. Но это лишь в том случае, если в организме есть соответствующие им кетокислоты. Тогда из них путем прямого аминирования могли бы получиться аминокислоты. Таких соединений в клетке мало, к тому же они чаще всего образуются из незаменимых аминокислот.

Биосинтез белка в клетке

Механизмы внутриклеточного связывания аминокислот в белки были выяснены только после того, как в области синтеза белка применили метод меченых атомов. До этого считалось, что в клетке сначала синтезируются короткие пептиды, которые затем каким-то образом связываются между собой в длинные полипептиды. Современными методами установили, что все белки обновляются с разной скоростью. Белки органов и тканей с высоким уровнем, обмена веществ, например печень, обновляются за несколько дней, белки волос, рогов, ногтей — в несколько месяцев. Ученые выяснили основные этапы синтеза белка и компоненты, необходимые для осуществления этого процесса. Определили, что включение аминокислот в белок и синтез макромолекулы осуществляется в клетке за несколько секунд. На искусственный синтез даже самого простого белка в лаборатории уходят многие месяцы кропотливой работы.

Как же осуществляется синтез? Какие вещества необходимы для проведения всех его стадий? Откуда берется энергия для этого химического процесса?

Исследователи предположили, что высокая скорость синтеза белка может быть обеспечена наличием шаблона или модели (матрицы), с которой считывается информация. Большая точность воспроизводства совершенно одинаковых молекул любого белка тоже подтверждает гипотезу существования матрицы. В настоящее время последовательность основных этапов логической цепи белкового синтеза известна. Четко доказана роль ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты): если разрушить ДНК в клеточном ядре, то синтез белка прекратится. В других опытах ДНК из одного штамма микроорганизмов, внедренная в клетки другого штамма, вынуждает его синтезировать некоторые белки, характерные только для первого. Значит, в ДНК заложена информация о специфических белках, которые могут синтезироваться в новых клетках по «старой» ДНК. Это только один из многих примеров, подтверждающих роль ДНК в хранении информации для синтеза совершенно определенных белков. Классическим примером является поражение бактериальной клетки вирусом. Вирус прикрепляется к оболочке бактерии и впрыскивает внутрь ее свою ДНК. В клетке бактерии начинается синтез чужих вирусных белков. Считывание информации о синтезе необходимого клетке белка начинается с расплетения на определенном участке двойной спирали ДНК. Напомним, что ДНК представляет собой две цепочки, построенные из нуклеотидов, состоящих из трех компонентов: азотсодержащего основания, дезоксирибозы, фосфорной кислоты. Например, адениловый нуклеотид выглядит так:

Такие трехкомпонентные нуклеотиды являются мономерами одной нити ДНК. Они упакованы друг над другом в виде столбика из монет. Параллельно первой нити в ДНК имеется другая, отличающаяся азотистыми основаниями. Между двумя такими нитями устанавливаются водородные связи, которые и поддерживают всю молекулу ДНК в двунитчатом спирализованном состоянии.

Важную роль в синтезе белка играют различные типы уже упоминавшихся нами РНК. Например, крупная информационная (матричная) РНК (иРНК) имеет относительную молекулярную массу 1 млн. Предполагается, что каждая иРНК соответствует одному белку. Это значит, что клетка, содержащая 2500 различных белков, должна иметь столько же разновидностей иРНК, а каждая из них — тысячи нуклеотидов, чтобы «записать» информацию о составе белка, который на ’ней должен быть синтезирован.

Другой тип рибонуклеиновых кислот — транспортные (тРНК). Они отличаются от информационных прежде всего низкой молекулярной массой (30 000—35 000). Транспортные нуклеиновые кислоты не связаны с белками. Они находятся в растворимой части клеток в свободном виде и потому нередко называются еще растворимыми. Считают, что видов тРНК не меньше, чем разновидностей аминокислот, т. е. каждая аминокислота имеет свою тРНК. Для прикрепления аминокислоты в тРНК имеется определенный участок (рис. 2). Доказано, что все тРНК построены однотипно, имеют и другие характерные участки и напоминают по форме кленовый лист.

Около 90 % всех РНК содержится в рибосомах. Их так и называют — рибосомальные РНК. Они наиболее высокомолекулярны (около 2 млн.), всегда связаны с белками. Тело рибосомы состоит из комплекса РНК+белок, а сама рибосома по форме представляет собой грибовидное образование, состоящее из двух субъединиц: шляпки и ножки разной массы.

Каким же образом взаимодействуют между собой РНК в системе синтеза белка? Роль их доказана такими же убедительными опытами, как и для ДНК. Если РНК обработать ферментом рибонуклеазой, т. е. разрушить ее, то синтез белка в клетке прекращается. Если рибосомы обработать рибонуклеазой, то синтез белка в таких рибосомах тоже не идет. Это же подтверждается исследованиями, проведенными на вирусах. Многие вирусы содержат не ДНК, а РНК, окруженную белковой оболочкой — капсулой. Известно, что при внедрении такого вируса в клетку идет синтез белка, заданный вирусной РНК. Если извлечь РНК из вируса, обработать ее химическими методами и изменить нуклеотидный состав, а затем измененную РНК ввести в клетку, то изменится и аминокислотный состав белка, синтезируемого в клетке. Этот изящный, но достаточно трудоемкий опыт доказывает неопровержимо, что РНК каким-то образом диктует, какой белок и какого состава должен синтезироваться в данный момент в клетке.

 

 

 

 

Рис. 2. Структура транспортных РНК: 1 — участок РНК, связывающий аминокислоту; 2 — аминокислота; 3 — участки двойной спирализации РНК; 4 — антикодон (участок РНК, соответствующий определенному участку информационной РНК— кодону).

 

В настоящее время выяснено, что ДНК в ядре клетки расплетается на значительном участке и получаются две одиночные цепи. На одной из этих расплетенных цепей из нуклеотидов, имеющихся в растворимой части клетки, синтезируется полинуклеотидная цепь. Она полностью считывает информацию с одиночной нити ДНК и образует при участии фермента полимеразы иРНК, т. е. РНК, считавшую информацию с ДНК. После синтеза иРНК освобождается от ДНК и выходит из ядра в цитоплазму — растворимую часть клетки.

В настоящее время механизм синтеза белка представляют следующим образом. Аминокислогы, растворенные в клеточном содержимом, вовлекаются в синтез белка не прямо, а после предварительной активации. Активация заключается в том, что к карбоксильной группе аминокислоты присоединяется АТФ. Теперь аминокислота способна преодолеть энергетический барьер в процессе синтеза белка, т. е. она переходит на более высокий энергетический уровень. Запасенной энергии будет достаточно для образования пептидной связи. Активация идет при обязательном участии активирующих ферментов — синтетаз, индивидуальных для каждой аминокислоты.

Следующий этап синтеза белка — взаимодействие активированной аминокислоты с растворенными в цитоплазме тРНК. В каждой из них есть участки, которые «узнают» свою аминокислоту. Например, тРНК, которая переносит валин, может столкнуться с активированным аланином, или метионином, или еще какой-то аминокислотой, но результативного взаимодействия не получится. Это объясняется не только специфическим отношением РНК именно к валику, но и существованием отдельных ферментов, катализирующих перенос определенной активированной аминокислоты на определенную тРНК. Таким образом, на 20 разновидностей аминокислот необходимо не менее 20 различных транспортных РНК и 20 специфических ферментов.

Далее было установлено, что, несмотря на различные нуклеотиды в составе тРНК, за прикрепление к активированной аминокислоте отвечает один и тот же триплет (три нуклеотида): цитозин — цитозин — аденозин, соединенные через остатки фосфорной кислоты. Этот концевой участок (ЦЦА) обнаружен у всех тРНК. Отщепление его от рибонуклеиновой кислоты делает прикрепление активированной молекулы аминокислоты к тРНК невозможным. Свойство же различать именно свою аминокислоту зависит от других участков молекул РНК.

Следующий этап синтеза белка — перенос тРНК с прикрепленной к ней активной аминокислотой на рибосомы. Рибосомы считаются основным местом синтеза белка в клетке. Эти частицы, состоящие из двух субъединиц, могут диссоциировать в клетке на тяжелую и легкую субъединицы и соединяться вновь вместе. Часто рибосомы образуют агрегаты из двух, трех и более рибосом. Полимеры, образованные многими рибосомами, назвали тяжелыми рибосомами, или полисомами. Если в клетке снизить концентрацию ионов Mg22+, то рибосомы начинают распадаться на субъединицы, а если концентрацию этих ионов увеличить, то рибосомы начинают объединяться в пары. Ученые выделили рибосомы из клеток различных органов и тканей животного и растительного происхождения. Найдены рибосомы и в клетках бактерий. В основном в клетке рибосомы локализованы в цитоплазме, но их находят и в митохондриях, и в ядрах, и в пластидах, и в других субклеточных структурах. Такая универсальная распространенность рибосом подтверждает их жизненно важную биологическую функцию — синтез белка. Процессы синтеза белка идут и в ядре, где необходимы специфические ядерные белки, и в митохондриях, где можно найти много белков-ферментов. Если выделить рибосомы в тот момент, когда в них идет синтез белка, то можно обнаружить, что полипептидная нить синтезируемого белка связана с рибосомой до тех пор, пока к полипептиду не присоединится последняя аминокислота. Тогда вновь образованный белок освобождается от рибосомы, синтез одной нити закончен и рибосома готова начать синтез следующей полипепгидной цепи.

Каков же механизм самого процесса синтеза белка? иРНК, которая была синтезирована в ядре на ДНК как на матрице, несет всю закодированную в нуклеотидной последовательности информацию из ядра в цитоплазму, а точнее к рибосоме (рис. 3). Чтобы начался синтез белка в рибосоме, необходимо несколько условий, главные из которых таковы: рибосома должна присоединиться к иPHK; в окружающей среде должны быть РНК, связанные с активными аминокислотами; в растворе должны быть ионы Mg2+ и некоторые другие ионы (К+, Nh5+) и определенные белки-ферменты.

 

 

Рис. 3. Схема биологического синтеза белка.

 

иРНК как лента транспортера или магнитофонная лента протаскивается через рибосому или полисомы. Каждые три нуклеотида на мРНК соответствуют присоединению одной аминокислоты; например триплет, состоящий из трех цитозинов (ЦЦЦ), кодирует включение в белковую цепь аминокислоты пролина. А на тРНК, несущей к месту синтеза белка аминокислоту пролин, есть участок — антикодон, который «узнает» свое место в иРНК, т. е. триплет ЦЦЦ. После отдачи аминокислоты тРНК освобождается из рибосомы, оторвавшись от иРНК, готова опять связаться с пролином, находящимся в цитоплазме, и нести его в рибосому, дожидаясь нового участка иРНК, кодирующего пролин, т. е. ЦЦЦ.

В каждый момент времени в рибосоме, синтезирующей белок, находятся две молекулы тРНК: одна только что вошла в рибосому и прикрепилась своим антикодоном к кодону (иРНК), зашифровавшему очередную аминокислоту, вторая тРНК пришла раньше первой и уже перебросила принесенную ею аминокислоту на растущую полипептидную цепь. При этом какой-то механизм (сравните с зубчатой шестеренкой) протянет иРНК на один триплет через рибосому, что приведет к освобождению предыдущей тРНК и выходу ее из рибосомы, а аминокислота, принесенная второй тРНК, приблизится к недостроенному белку, и установится пептидная связь за счет запасенной ранее от АТФ энергии. В иРНК есть кодоны, которые не кодируют какую-то определенную аминокислоту, а сообщают о конце синтеза белка. Получив такую информацию, рибосома прекращает синтез, и белок готов для выполнения предназначенной ему функции. Следовательно, в основные стадии синтеза белка в клетках на рибосомах входят: а) активирование аминокислот с помощью АТФ и специальных ферментов; б) связывание активных аминокислот с тРНК; в) перенос активных аминокислот на иРНК в рибосому к месту синтеза белка; г) синтез пептидных связей в рибосоме и удлинение полипептидной цепи еще на одну аминокислоту; д) отрыв готовой полипептидной цепи от рибосомы и формирование третичной структуры белка.

Рассказ о синтезе белка занимает гораздо больше времени, чем идет сам процесс. Если проследить за синтезом молекулы гемоглобина, то окажется, что все стадии от активации аминокислот до получения молекулы гемоглобина длятся около полутора минут. А если представить себе, сколько ферментов, гормонов белковой природы, структурных белков и полипептидов необходимо синтезировать в одно и то же время, то не может не удивить быстрота, слаженность и четкость прохождения сложнейших внутриклеточных реакций.

Интересно, что если исследователи вместо природной иРНК давали в систему синтеза белка синтетическую полинуклеотидную нить, то рибосома все равно синтезировала пептидную цепь по такой матрице. Этот факт подтверждает, что основные наши представления о пути синтеза белка в клетке соответствуют действительности.

Рассмотренная схема синтеза белка называется матричной потому, что безошибочное воспроизведение информации о первичной структуре белка происходит в клетке, как копирование текста с заготовленного заранее шаблона — матрицы. А локализация синтеза белка в рибосоме дала процессу другое название — рибосомальный синтез.

Наряду с общепризнанным путем синтеза белка доказано существование другого механизма синтеза, не связанного с нуклеиновыми кислотами,— мультиферментный путь. Принцип этой схемы состоит в следующем. В присутствии АТФ, ионов Mg2+ и набора аминокислот происходит активирование необходимых аминокислот — образование их аминоациладенилатов:

Образование пептидной связи между двумя очередными аминокислотами осуществляется комплексом, состоящим из нескольких ферментов,— мультиферментным комплексом. В переносе аминоацильных групп большую роль играют SH-группы ферментных субъединиц. Так синтезируются, например, антибиотики грамицидин, тироцидин, микобациллин, представляющие собой небольшие полипептиды. Так как мультиферментный путь синтеза белка в бактериях сосуществует с рибосомальным путем, считается, что в эволюции сначала был только мультиферментный механизм сборки полипептидов. Ф. Липман предложил объединить элементы матричного и мультиферментного пути синтеза белка в единую теорию.

Проблема получения пищевого белка

В настоящее время основным источником белка в питании населения земного шара являются зерновые продукты, и прежде всего пшеница, рис, кукуруза, за счет которых получается около 40 млн. т белка в год. 12 млн. т белка поступает за счет бобовых культур и 25 млн. т за счет животных белков. Но данного количества (77 млн. т) недостаточно для удовлетворения потребности населения в белке. Следовательно, проблему белкового питания, как и питания в целом, нельзя считать решенной. Особую остроту она имеет в отсталых и развивающихся странах Африки, Азии и Латинской Америки. Однако дефицит питания, иногда граничащий с голоданием, существует среди необеспеченных слоев населения и в таких экономически развитых странах, как Англия и США.

Основной путь решения данной проблемы — развитие сельского хозяйства на высокой научной и технической основе, использование земель, не вовлеченных в процесс сельскохозяйственного производства, повышение урожайности, интенсификация и рационализация всех отраслей сельского хозяйства. Равным образом необходимо развитие отраслей промышленности, связанных с переработкой пищевых продуктов, их хранением и транспортировкой. Важное значение при этом приобретает реализация научных достижений, полученных в разных областях науки. Некоторые из них, например промышленное производство белка и других питательных веществ, открывают новые перспективы, дающие основания надеяться на радикальное решение извечной задачи человечества — обеспечение достаточным и рациональным питанием.

Хотя основным поставщиком белка в настоящее время являются зерновые, известно, что в качественном отношении белки, содержащиеся в них, значительно уступают белкам животного происхождения. Они довольно далеки по составу незаменимых аминокислот от идеала, т. е. от белка, принятого за эталон. Высокая биологическая ценность животных белков, сочетающаяся с лучшим вкусом, стимулирует развитие животноводческой отрасли сельского хозяйства. Меры к этому принимаются в большинстве стран мира, а доля продуктов этой отрасли в пищевом балансе постепенно повышается. Однако следует учитывать такой экономический фактор, как высокая себестоимость производства большинства продуктов животноводства: мяса, яиц и пр., что создает трудности для быстрого развития этой отрасли сельского хозяйства. Большая питательная ценность белков животного происхождения и их дефицитность диктуют необходимость особо бережного к ним отношения и рационального использования.

Большие потенциальные возможности получения белков высокого качества заключены в промысле рыб и других обитателей морей и океанов. В большинстве стран в годовом рыбном рационе одного человека содержится пока только не более 2 кг белка.

Биологическая неполноценность белков зерновых продуктов выдвинула важную научно-практическую задачу — разработку способов исправления их аминокислотного состава. Улучшение зерновых белков, доведение их качества по аминокислотному составу до уровня белков животного происхождения открыли бы возможности тем же количеством продуктов удовлетворить потребность гораздо большего числа людей. Можно сразу сказать, что решение подобной задачи при современном уровне наших знаний возможно не только в научном аспекте, но и в практическом. Несколько путей ведут к практической реализации этих задач. Так, исследования, проведенные по анализу биологической ценности различных растительных белков, показали высокую ценность белков ржи, риса, овса, гречихи. Использование этих и подобных им растений является одним из способов решения задач улучшения белкового питания.

Другой важный путь, ведущий к этой цели, заключается в селекции и выведении сортов растений с наилучшим аминокислотным составом белков. Эта задача вполне реальна, так как среди имеющихся сортов растений, например пшеницы, есть сорта, белки которых лучше сбалансированы по составу аминокислот по сравнению с другими. К настоящему времени выведены сорта кукурузы, чрезвычайно богатые триптофаном и лизином, а также сорта высоколизиновой пшеницы. Есть все основания полагать, что агрохимики могут вывести и внедрить сорта с лучшим соотношением аминокислот, т. е. с более высококачественным белком, учитывая, что на аминокислотый состав растительных белков влияют условия выращивания: почва, удобрения, количество осадков и т. д.

Улучшение качества белка хлебных изделий возможно за счет добавки при их выпечке отходов молочной промышленности или их обогащения дефицитными аминокислотами.

В настоящее время из отходов нефтяной промышленности производится синтез микробного белка, который используется на корм скоту, что значительно снижает себестоимость продуктов животноводства. Бурный прогресс химической науки позволил осуществить дешевый синтез лизина. В настоящее время химики работают над разработкой дешевого способа производства триптофана. Для производства различных аминокислот, в том числе и незаменимых, широко применяется метод их микробиологического синтеза, для которого выводятся специальные штаммы микроорганизмов, усиленно синтезирующие ту или иную аминокислоту.

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Белки синтез в организме — Справочник химика 21

    Незаменимые аминокислоты [13 — 16]. Растения и некоторые микроорганизмы могут производить все аминокислоты, нужные им для синтеза клеточных белков. Животные организмы способны синтезировать только 10 протеиногенных аминокислот. Остальные 10 ие могут быть получены с помощью биосинтеза и должны постоянно поступать в организм в виде пищевых белков. Отсутствие их в организме ведет к угрожающим жизни явлениям (задержка роста, отрицательный азотный баланс, расстройство биосинтеза белков и т. д.). Розе и сотр. [17] предложили для этих аминокислот название незаменимые аминокислоты (НАК). В табл. 1-2 приведены незаменимые для организма человека аминокислоты и минимальная суточная потребность в них. [c.18]
    Синтез белка подчиняется закону все или ничего и осуществляется при условии наличия в клетке полного набора всех 20 аминокислот. Даже при поступлении всех аминокислот с пищей организм может испытывать состояние белковой недостаточности, если всасывание какой-либо одной аминокислоты в кишечнике замедлено или если она разрушается в большей степени, чем в норме, под действием кишечной микрофлоры. В этих случаях будет происходить ограниченный синтез белка или организм будет компенсировать недостаток аминокислоты для биосинтеза белка за счет распада собственных белков. Степень усвоения белков и аминокислот пищи зависит также от количественного и качественного состава углеводов и липидов, которые резко сокращают энергетические потребности организма за счет белков. Экспериментальный и клинический материал свидетельствует, что диета с недостаточным содержанием жиров и низкокалорийная пища способствуют повышению экскреции аминокислот и продуктов их распада с мочой. [c.412]

    Синтез белка в организме [c.451]

    Буквенные коды ДНК, которыми являются сочетания АТ и ГЦ, а также буквенные коды РНК — АУ и ГЦ — могут быть связаны в слова и предложения . В молекуле ДНК, управляющей синтезом лишь одного из белков в организме человека, содержится такое количество подобных слов , что из них составляется предложение , занимающее объем полномерной книги (150000 слов). У низших организмов предложения , описывающие синтез белков, как правило, гораздо короче, поскольку их белки имеют меньщие размеры и проще по своему составу. Для построения одной клетки человеческого тела необходима информация, эквивалентная содержащейся в читальном зале библиотеки на 20000 книг. Такой гигантский объем информации требуется для синтеза каждого из многочисленных белков человеческого организма. Поскольку белки печени совершенно не похожи, скажем, на белки волос, для хранения всех книг, полностью описывающих [c.486]

    Синтез инсулина — замечательное достижение науки. Чтобы осуществить его, потребовалось последовательно провести 223 реакции. Удалось соединить в точно определенном порядке все остатки а-аминокислот, образующих молекулу инсулина (а их 51 ). Работа продолжалась три года. Таким образом, подтвердилась правильность материалистических представлений о принципиальной возможности синтеза белков вне организма. И несомненно, что с развитием науки будут осуществлены синтезы еще более сложных белковых веществ. [c.294]

    Мы ограничимся изложением известных в настоящее время данных о структуре и биологической функции наиболее важных соединений — белков, нуклеиновых кислот, жиров и углеводов, а также сообщим некоторые сведения о путях синтеза белка в организме. [c.435]


    Аминокислоты пищевых белков потребляются организмом в первую очередь для построения белков, необходимых организму для роста, возобновления тканей и синтеза ферментов и гормонов. Избыток аминокислот, введенный с пищей, дезаминируется, причем образующийся аммиак удаляется в виде мочевины или мочевой кислоты, а органический остаток превращается в углеводы или жиры, т.е. в горючее , которое служит источником энергии. (Нормальный животный организм не откладывает запасов белков, подобно тому как он откладывает гликоген или жиры.) [c.387]

    Белки поставляют организму вещества, необходимые для роста и восстановления тканей, а также для синтеза ферментов и некоторых гормонов (см. разд. 28.7). Питательная ценность бел- [c.486]

    Алании и глутамин в крови. В плазме крови содержатся все аминокислоты, необходимые для синтеза белков в организме, но в разных количествах. При этом концентрации двух аминокислот, а именно аланина и глутамина намного выше, чем остальных. Объясните возможные причины высокого содержания этих двух аминокислот. [c.777]

    Нуклеотиды и полинуклеотиды. Синтез белка в организме Ферменты [c.8]

    Синтез и расщепление белков, в организмах растений, животных и микроорганизмов происходит с помощью ферментов. Каждой аминокислоте соответствует свой фермент, который привязывает к растущей молекуле пептида или белка только одну конкретную аминокислоту. [c.723]

    Мы все время обсуждаем вопросы, относящиеся к структуре белков. Наряду со структурой необходимы точные ответы на три вопроса сколько, когда и где Сколько производится данного белка в организме, на какой стадии онтогенетического развития, в каких клетках и тканях Иными словами, определяющее значение имеет регуляция синтеза белков, о которой шла речь в 8.8, Мутации регуляторных генов, мутации, нарушающие ди- [c.560]

    Белки, попадающие в организм в качестве продуктов питания, подвергаются гидролизу. Как уже отмечалось, они легко гидролизуются в кислой среде с образованием отдельных аминокислот. Расщепление белков в организме начинается в желудке под действием фермента пепсина и соляной кислоты. При этом белки превращаются в смеси различных полипептидов. Гидролиз в желудке — лишь одна из стадий переработки белков. Смесь пептидов поступает из желудка в двенадцатиперстную кишку (верхний отдел кишечника), а затем — в тонкий кишечник, где под действием специальных ферментов — пеп-сидаз — завершается гидролиз полипептидов до свободных аминокислот. Образовавшиеся таким образом аминокислоты всасываются из тонкого кишечника в кровеносную систему, чтобы принять участие в синтезе именно тех белков, которые в данный период развития необходимы живому организму. [c.523]

    Процесс усвоения белков животными организмами заключается первоначально в распаде гигантской молекулы белка на составляющие ее звенья — аминокислоты, а затем в синтезе из аминокислот таких белков, которые свойственны данному организму. Одна из важнейших проблем естествознания, заключающаяся в искусственном получении белковых веществ, вероятно, близка к своему разрешению. [c.309]

    Ввиду того что антитела представляют собой типичные белки, их образование непосредственно связано с синтезом белков в организме наши знания относительно этого процесса пока еще крайне ограничены. [c.449]

    Для синтеза аминокислот автотрофные организмы используют азот неорганических соединений (аммонийных солей и нитратов). Гетеротрофные организмы не способны к синтезу части аминокислот, необходимых для образования клеточных белков. Такие организмы для синтеза собственных белков пспользуют аминокислоты, входящие в состав белков пищи. [c.192]

    Биосинтез белков — одна из самых важных и интересных проблем современной биохимии. В настоящее время расшифрованы многие процессы, приводящие к синтезу белков в организме. [c.289]

    Превращение белков в организме. В организмах животных и человека под влиянием ферментов (пепсина, трипси—на, эрепсина и др.) происходит гидролиз белков. В результате этого образуются аминокислоты, которые всасываются ворсинками кишечника в кровь и используются для образования белков, специфических данному организму. Синтез белков идет с поглощением энергии. Эту энергию доставляют молекулы АТФ. (Повторите из учебника Общая биология 42.) В организме одновременно с синтезом белков непрерывно происходит и полное их разрушение, вначале до аминокислот, а затем до оксида углерода (IV), аммиака, мочевины и воды. При этих процессах выделяется энергия, но Б меньшем количестве, чем при распаде углеводов и жиров. [c.21]

    АНАБОЛИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА (анаболики) (от греч. апаЬо1ё-подъем), лек. синтетич. препараты, стимулирующие синтез белка в организме и кальцификацию костной ткани. Действие А. в. проявляется, в частности, в увеличении массы скелетной мускулатуры. При этом в связи с уси- [c.157]


    Сходным образом осуществляется регуляция О.в. на уровне биосинтеза ферментов. При этом субстрат или продукт р-ции регулирует активность белкового репрессора, подавляющего транскрипцию (синтез матричной РНК на ДНК-матрице) соответствующего оперона (участок ДНК, кодирующий одну молекулу матричной РНК под контролем белка-репрессора). Примером регуляции при помощи положит. прямой связи может служить в данном случае управление расщеплением лактозы. Появление в среде лактозы инактивирует у бактерии Es heri hia oli соответствующий репрессор и тем самым разрешает транскрипцию оперона, кодирующего ферменты, катализирующие расщепление лактозы. Пример регуляции при помощи отрицат. обратной связи — управление биосинтезом гистидина. Избыток гистидина активирует репрессор, ингибирующий транскрипцию оперона, кодирующего ферменты биосинтеза гистидина. Если репрессор и белки, синтез к-рых он подавляет, кодируются одним опероном, то отрицат. обратная связь осуществляется без участия внеш. модуляторов активности репрессора. Аналогичным образом осуществляется регуляция биосинтеза белка на уровне трансляции (синтез белка ка РНК-матрице). Такой механизм регуляции позволяет синтезировать белок в строгом соответствии с потребностью в нем на данном этапе существования организма. [c.317]

    Однако в связи с прогрессирующим ростом населения земного шара и с ограниченностью площади земель, пригодных для земледелия, возникла необходимость получения синтетической и искусственной пищи. Уже давно для пополнения пищи животных соединениями фосфора применяется кормовой преципитат СаНР04, а также карбамид СО ЫН2)2 как один из источников синтеза белка в организме. [c.11]

    В отличие от сложных белков, белки одноклеточных организмов (БОО) используются как пищевая добавка. Обогащением белковыми добавками на основе БОО улучшают качество растительного белка. Эти добавки повышают содержание витаминов, микроэлементов, а главное — аминокислот, несинтезируемых многими растениями. Производство пищевых белков измеряется миллионами тонн в год и постоянно растет. Микробиологический синтез белка, продукт которого представляет собой инактивированную массу клеток, — основной [c.429]

    Ачдрогенные гормоны применяются при расстройствах мужской половой сферы, особенно если причиной являются переутомление, при раке молочной железы, при различных заболеваниях сосудистой системы (гипертонии, гипотонии) и т. д. Некоторые стероиды, близкие по строению к андрогенам, обладают так называемой анаболической активностью, т. е. свойством промотировать синтез белка в организме. При этом их андрогенные свойства являются излишними. Сейчас найден ряд соединений с высокой анаболической и малой андрогенной активностью, например, 17а-этилтестостерон и фенилпропионат 19-нортестостерона, кото- [c.322]

    Аминокислоты как основные составные части белков участвуют во всех жизненных процессах наряду с нуклеиновыми кислотами, углеводами и липидами. Кроме аминокислот, входящих в состав белков, живые организмы обладают постоянным резервом свободных аминокислот, содержащихся в тканях и в клеточном соке. Они находятся в динамическом равновесии при многочисленных обменных реакциях. Аминокислоты используются в биосинтезе полипептидов и белков, а также в синтезе фосфатидов, порфи-ринов и нуклеотидов. [c.10]

    Модификации различных групп в полипептидной цепи. Если в синтезе белков участвуют 20 аминокислот генетического кода Ниренберга (Nirenberg), то остается еще не менее 140 аминокислот или их производных, идентифицированных в составе белков различных организмов [174]. [c.44]

    Внерибосомный механизм синтеза нентидов. Накопленные данные, действительно, свидетельствуют о том, что матричный механизм синтеза лежит в основе биосинтеза почти всех белков живых организмов. Тем не [c.533]

    Технология выделения и экспрессии чужеродных генов в Е. соН и в некоторых других микроорганизмах достаточно хорошо отработана, однако не стоит забывать, что синтез гетерологичного белка в организме-хозяине может оказывать на него негативное влияние. Например, сверхпродукция такого белка может привести к истощению метаболических ресурсов хозяйского организма и отрицательно повлиять на его рост. Присутствие гетерологичного белка может оказаться даже губительным для клетки-хозяина. Так, сайты рестрикции имеются во всех молекулах ДНК, и если продуктом клонированного гена является эндонуклеаза рестрикции, то в отсутствие специальных защитных механизмов хозяйская ДНК будет расщепляться ею. [c.247]

    Как уже говорилось, в ДНК содержится информация, необходимая для синтеза всего набора белков, присущего данному организму. Аминокислотная последовательность в ДНК записана с помощью специального кода. Кодирующим элементом для каждой определенной аминокислоты является тридезоксирибону-клеотидный фрагмент. Общее число таких кодирующих элементов составляет величину, равную 4 = 64,. что превышает число аминокислот, участвующих в биосинтезе белков. Как уже говорилось, все белки живых организмов строятся из 20 аминокислот. Таким образом, некоторые аминокислоты имеют несколько кодирующих элементов — от одного до шести. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их трину1 леотидами называют генетически.и кодом. [c.18]

    НИИ процесса деспирализации получаются уже две абсолютно тождественные исходной и друг другу молекулы ДНК. Аналогично на деснирализующейся молекуле ДНК происходит репликация молекул и-РНК, последовательность нуклеотидов в которой определяет всю информацию о синтезе белков в организме (рис. 93). [c.559]

    Строение нуклеиновых кислот. Участие их в синтезе клеточных белков. Синтез белков лежит в основе построения новых клеточных структур. Организмы синтезируют свои собственные гбелки, отличающиеся от белков других видов характером чередования аминокислот. Первичная структура белков определяет многие их биохимические особенности. Изменение чередования аминокислот в молекулах ферментов в некоторых случаях приводит к потере свойств катализатора. Чем же определяется последовательность расположения аминокислот при синтезе белков Для ответа на этот вопрос была выдвинута теория матриц. Согласно этой теории, в клетках имеется нечто подобное типографским матрицам или штампам, каждый из которых штампует белок определенного вида или точнее белок со строго определенным порядком расположения аминокислот в его полипептидной цепи. Роль матриц выполняют нуклеиновые кислоты. Нуклеиновые кислоты имеются во всех без исключения клетках. Различают две группы нуклеиновых кислот—дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК содержится главным образом в клеточном ядре, РНК — Э ядре и цитоплазме. [c.122]

    Установлено, что первичная аминокислота, синтезируемая бактериями, ассимилирующими молекулярный азот и находящимися в узелках на корнях бобовых, является аспарагиновой кислотой. В организме животного аммиак, необходимый для синтеза глутаминовой кислоты, образуется при дезаминировании аминокислот белков самого организма или белков пищи. О том, в каком виде этот аммиак откладывается в организме, будет сказано ниже. [c.390]

    Для нормального синтеза белка в организме человека все незаменимые аминокислоты должны быть доступны одновременно. Если крыс кормить синтетической пищей, содержащей все незаме- [c.825]

    Как получение химических соединений и пищевых добавок путем брожения, так и синтез антибиотиков всегда велись в асептических условиях, но некоторые современные процессы (например, образование белка одноклеточными организмами) осуществляют в еще более жестком режиме. Обеспечение таких особых условий —многоплановая задача. Она решается инже-нерами-химиками и микробиологами (подробнее об этом будет рассказано в гл. 10). С другой стороны, использование микроорганизмов при переработке отходов (гл. 6) не требует создания стерильных условий напротив, вообще говоря, чем больше разных микроорганизмов принимает в этом участие, тем лучше. Впрочем, при планировании и создании заводов по переработке отходов инженеры-химики и микробиологи столкнулись с проблемами иного круга. Процесс минерализации органических отбросов, основанный на использовании активного ила, был разработан в 1914 г. С тех пор он был существенно модернизирован, стал более сложным и производительным и используется сегодня во всем мире для переработки стоков. [c.13]


Вся правда о растительном белке

Белки – это основа основ нашего организма. Они участвуют в росте клеток и мышечной ткани, влияют на правильную работу иммунной, нервной, дыхательной и обменной систем. Поэтому получать протеин мы должны в необходимом количестве. Недостаточное количество белка, клетчатки и витаминов в питании может вызвать проблемы со здоровьем. В зависимости от веса женщине требуется от 46 г белков в день, а мужчине от 56 г.

Что такое белки и какими они бывают?


Белки – совокупность аминокислот. Когда мы говорим о том, чем полезен белок, в действительности мы говорим о пользе аминокислот. Белок для них лишь упаковка. Для нормальной жизнедеятельности организма без проблем человеку постоянно необходимо 20 различных видов аминокислот. Они бывают незаменимые – те, которые организм сам не вырабатывает. Их источник аминокислот этой группы – пища, поэтому в питании должно содержаться большое количество продуктов, содержащих растительный и животный белок. Их 8 видов: фенилаланин, лизин, треонин, метионин, валин, лейцин, триптофан, а также изолейтин. Есть еще гистидин, но эта аминокислота незаменимая только у детей, с возрастом организм начинает синтезировать ее самостоятельно. Поэтому часто ее также называют условно-незаменимой.
Заменимые аминокислоты организм синтезирует самостоятельно или усваивает из продуктов питания. Их 11 видов: аланин, аргинин, аспарагин, глутамат, глутамин, карнитин, глицин, орнитин, пролин, серин, а также таурин.


Протеомика – научное направление в биологии, которое изучает белки. Термин протеин ввел в 1928 году шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. Это производное от греческого слова proteos, что в переводе означает «самое важное».

Белки бывают животного и растительного происхождения. Первый вид мы получаем из таких продуктов, как мясо, рыба, птица, а также молочные продукты. А источником растительных белков считаются следующие продукты: фрукты, овощи, ягоды. На протяжении ХХ века в научных кругах не утихали споры, не навредит ли человеку отказ от пищи животной группы. Один лагерь утверждал, что отказаться никак невозможно. Потому что именно белки животного происхождения считаются полноценными: они источник всех незаменимых аминокислот и витаминов. Исключение продуктов животного происхождения или просто сильное сокращение их количества вызовет серьезные проблемы со здоровьем.
Второй лагерь, выступающий за растительные белки, приводил в доказательство пример самых сильных животных на земле: носорогов, бегемотов и слонов. Они питаются только растительной пищей, а значит, получают исключительно растительные протеины. Согласитесь, выглядят они абсолютно здоровыми существами. Ученые из этой группы считали, что в питании могут содержаться продукты только растительного происхождения.
Да, в растительной пище сразу все незаменимые аминокислоты не найти, но если рацион разнообразный, в нем сочетаются бобы, злаки, овощи и фрукты, то человек будет обеспечен необходимой нормой витаминов и белков. Кроме того, в растительная пища – это важный источник клетчатки, которая необходима нашему организму для здоровья желудочно-кишечного тракта. Клетчатка также выступает в роли природного пребиотика, являясь пищей для полезных бактерий кишечника. И наконец, клетчатка позволяет быстро почувствовать насыщение без переедания и на длительное время сохраняет чувство сытости.

Важно! Незаменимыми аминокислоты называются потому, что они не синтезируются организмом. А не потому, что их нельзя заменитью. Их можно получить только из продуктов питания.

Наверняка, как это обычно и бывает, истина где-то посередине. И для полноценного функционирования надо употреблять оба вида белка: и растительный, и животный. Но бывает, что человек по каким-то причинам полностью или частично отказывается от животного белка. Сознательно, если переходит на вегетарианский или веганский тип питания. Или вынужденно, если медицинские показания требуют сократить количество животного белка. И, конечно, многие не употребляют мясо или в целом продукты животного происхождения во время Поста.
Кстати, на нашем сайте есть раздел с постными рецептами – их больше 300, где вы всегда можете найти идею, что приготовить не только во время Поста, но и в те дни, когда вам не хочется употреблять продукты животного происхождения.

В чем польза растительного белка?


– Растительные продукты, содержащие большое количество протеинов, также являются источником витаминов и клетчатки. Растительная клетчатка влияет на работу кишечника и состав его микрофлоры, выводит токсины и холестерин, приводит в норму уровень глюкозы, а также создает чувство сытости.
– Растительные белки усваиваются быстрее и легче, чем животные, и не перегружают организм. Знакомо чувство, когда на обед вы съели сочный стейк и вам хочется поспать? Это ваш организм бросил все силы на переваривание мяса, для чего нужно четыре часа. Организму все равно, что до окончания рабочего дня еще далеко.
– Растительная пища богата витаминами, микро и макроэлементами, некоторых из которых в продуктах животного происхождения даже попросту нет.
– В растительной пище нет насыщенных жиров и вредного холестерина, которые особо опасны для людей с избыточным весом и болезнями сердечно-сосудистой системы.

В чем вред растительного белка?

Переход полностью на постный растительный белок далеко не всегда бывает безопасным для организма. Не стоит забывать, что большинство из нас живет в бешеном ритме и бесконечно испытывает стресс. Часто отказ от продуктов животного происхождения вызывает анемию. Кожа и волосы тоже могут пострадать. Также бывает аллергия и на определенные продукты, содержащие растительный белок.

Откуда получать растительный белок?


Чемпион по содержанию растительного белка (36% на 100 г) и практически всего списка аминокислот – это соя. Из незаменимых в ней отсутствует только метионин. Не зря тофу, сыр из соевого молока, называют мясом без костей. Добавляйте его в салаты, гарниры и в выпечку.
На втором месте прочно утвердились бобы. Так же, как и соя, они считаются наиболее полноценной заменой мясу и являются источником большого количества растительного белка. В арахисе – 25 г, в красной фасоли, маше и желтой чечевице его 24 г, в зеленой чечевице и в черной фасоли – 22 г, в горохе и в красной чечевице – 20 г, в нуте – 19 г. Бобы популярны в блюдах всех кухонь мира. Питание, содержащее большое количество бобов, может быть очень разнообразным. Из них можно приготовить гарниры, салаты и даже коктейли. Например, популярное блюдо во многих странах – каша из гороха, а салат оливье с его добавлением – частый гость на праздничном столе. Список салатов из бобов огромен: здесь и салат со свеклой и фасолью, и салат из курицы и бобов, зеленый салат с горохом и даже арбузный салат с бобами фава. Вы тоже можете совершить увлекательное кулинарное путешествие, приготовив марокканский суп, итальянскую лазанью из цукини с чечевицей и эстрагоном, закуску из красной фасоли по-грузински, мексиканское гуакомоле с красной фасолью на кукурузных чипсах или карпатские голубцы с картопляниками, фасолью и грибами в томатном соусе.


Бернард Шоу был вегатарианцем. Когда ему исполнилось 70 лет, в интервью его спросили, как он себя чувствует. Он ответил, что прекрасно и было бы еще лучше, если бы ему не докучали врачи, которые обещали ему скорую смерть, если он не будет есть мяса. На аналогичный вопрос журналиста через двадцать лет, обладавший великолепным чувством юмора писатель ответил: «Чувствую себя превосходно! Вы знаете, все врачи, которые утверждали, что я умру, если не буду есть мяса, — сами давно уже умерли, так что меня теперь никто уже не беспокоит!»

На одной строчке с бобами находятся и орехи – в них растительного белка не меньше. В кешью и миндале – 20 г, в грецких – 12 г. Также в них много витаминов и минералов, и они подходят диабетикам, так как имеют низкий гликемический индекс. Но надо помнить, что можно поправиться, если есть большое количество орехов: они весьма калорийны. Несколько орехов утром в кашу или днем в салат будут отличным источником протеина. А еще орехи можно употреблять в качестве перекуса в течение дня.
Злаковые и разные виды продуктов из них: овсянка, гречка, рис, перловка, киноа, булгур, кус-кус – награждаются бронзой за третье место. В них 10-12 г белка. И здесь же с 9 г кукуруза. Также из злаковых организм получает медленные углеводы и клетчатку. Злаковые продукты – самый лучший гарнир к блюду, а еще один их плюс – низкая калорийность.
Зеленые овощи, конечно, не могут тягаться с бобовыми и орехами по содержанию растительных белков, однако белки в них есть – и для овощей вполне в хорошем количестве. Зеленый горох – 5 г, брокколи и шпинат – 3 г, авокадо и спаржа – 2 г. Ну а витаминами, если будете есть много зеленых овощей, вы обогатитесь по полной.
Чтобы получить больше белка, готовьте блюда, где используется два и более вида зеленых овощей. Например, шпинат с брокколи, булгур со спаржей и зеленым горошком, теплый салат из дикого риса, брокколи, авокадо и кедровыми орехами.

Что еще надо знать о белке

Суточная доза белка может быть получена из разных продуктов. Не стоит съедать килограмм брокколи. Как минимум это скучно. Человеку важно получить не просто определенное количество протеинов. Нам требуются именно разные виды аминокислот. Питайтесь разнообразно – и тогда вы получите идеальный комплекс аминокислот. Допустим отсутствующие аминокислоты в рисе вы найдете в бобовых. Диетологи вообще советуют соединять в блюде бобы и злаки – так они лучше усваиваются. Например, можно приготовить салат из бобов, а на гарнир – рисовую кашу.
ИИсторически индейцы питались маисом, бобовыми и рисом, кавказские народы – фасолью и мамалыгой (кукурузной кашей), а японцы и китайцы – рисом и соей. И все эти народы славились прекрасной физической формой.
А здесь мы подробнее рассказали о восьми продуктах, богатых растительным белком. Выбрать, какое блюдо приготовить, чтобы в нем было много растительного белка, можно тут.

Размер человеческого протеома: ширина и глубина

Int J Anal Chem. 2016; 2016: 7436849.

Елена А. Пономаренко

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Екатерина V. Poverennaya

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Ekaterina V. ILGISONIS

Институт биомедицинской химии , Москва 119121, Россия

Михаил Александрович Пятницкий

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Артур Т.Kopylov

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Виктор Г. ЗДОДА

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Андрей В. Лисица

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Александр I Арчаков

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Академический редактор: Франтишек Форе

Поступила в редакцию 18 января 2016 г.; Пересмотрено 11 апреля 2016 г .; Принято 19 апреля 2016 г.

Copyright © 2016 Елена Александровна Пономаренко и др.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

В этой работе обсуждаются биоинформатика и экспериментальные подходы к изучению протеома человека, совокупности белков, экспрессируемых в различных тканях и органах.Поскольку протеом человека не является статичным объектом, представляется необходимым оценить количество различных видов белков (протеоформ) и измерить количество копий одного и того же белка в конкретной ткани. Здесь предлагается метаанализ базы знаний neXtProt для теоретического предсказания количества различных протеоформ, возникающих в результате альтернативного сплайсинга (AS), полиморфизмов отдельных аминокислот (SAP) и посттрансляционных модификаций (PTM). Рассматриваются три возможных случая: (1) ПТМ и САП появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в сплайс-вариантах; (2) PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в сплайс-вариантах; (3) все типы модификаций (AS, SAP и PTM) происходят как независимые события.Экспериментальная проверка протеоформ ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Для белков, кодируемых одной хромосомой, была построена колоколообразная гистограмма распределения с оценкой количества копий в плазме, печени и клеточной линии HepG2. Предлагаемые метабиоинформатические подходы могут быть использованы для оценки количества различных протеоформ для любой группы белок-кодирующих генов.

1. От генома человека к протеому человека

Секвенирование генома [1] расшифровало количество кодирующих белок генов, установив первоначальную оценку сложности, связанной с молекулярной биологией человека.Следующим шагом является получение аналогичных тестов на уровне протеома. В двух недавних статьях описано создание проекта протеома человека [2, 3]. Тем не менее еще требуются значительные усилия для изучения пространства (или размера) протеома человека как обязательной совокупности молекулярных профилей различных тканей и органов. Протеом человека — достаточно динамичная сущность [4], и это свойство следует рассматривать в двух измерениях. Во-первых, оценить количество различных типов белков (ширина протеома), а также измерить количество копий белка в конкретных тканях (глубина протеома).

Согласно гипотезе «один ген = один белок», должно быть не менее ~20 000 немодифицированных (канонических) белков человека. С учетом продуктов альтернативного сплайсинга (АС), содержащих одноаминокислотные полиморфизмы (SAP), возникающие из несинонимичных однонуклеотидных полиморфизмов (nsSNP), и тех, которые подвергаются ПТМ [4, 5], потенциально могут быть до 100 различных белков. производиться из одного гена. Из множества различных терминов, предложенных для описания вариантов белков [6], здесь мы выбрали «виды белков» [7] или «протеоформы» [6].

Экспериментальная проверка видов белков ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Это означает, что чувствительность технологии определяет способность обнаруживать редкие виды белков. Это ограничение проистекает из основного различия между геномикой и протеомикой [8]. Геномика опирается на ПЦР [9] для амплификации молекул ДНК или РНК в биологическом образце до концентраций выше порога обнаружения. Однако в настоящее время не существует сопоставимой высокопроизводительной технологии, способной размножать копии одного белка [8].

100% охват белковой последовательности с использованием восходящей МС недостижим; таким образом, невозможно обнаружить все потенциальные виды белков, экспрессируемых одним и тем же геном. Как правило, исследования протеома сосредоточены на основных белках , напоминающих по крайней мере одну из многих возможных протеоформ, кодируемых геном и содержащих по крайней мере один протеотипический пептид, обнаруживаемый с помощью МС. Последовательность может быть модифицирована или немодифицирована, так что это означает, что главный белок может присутствовать как один белок или как набор белков. Мастер-протеом отдельной хромосомы является результатом идентификации и измерения всех мастер-белков, кодируемых хромосомой и экспрессируемых в выбранном типе биологического материала. Для экспериментальной проверки протеоформ необходимо провести целевой МС-анализ, чтобы исследовать изменение последовательности-кандидата. Предполагалось, что биоинформатический анализ разнообразия видов белков создаст основу для будущих экспериментальных исследований протеомного пространства.

2. Сколько различных белков необходимо для поддержания жизнедеятельности человека?

Количество различных белков, составляющих протеом человека, является ключевым вопросом протеомики. Исследователи предлагают цифры от 10 000 [10] до нескольких миллиардов [6] различных видов белков. Здесь мы описываем теоретический прогноз количества различных протеоформ, которые могут возникнуть в результате событий AS, SAP или PTM.

Данные были получены из neXtProt, который содержит только белки человека, их модификации и особенности последовательности [11].Аннотации neXtProt для AS, SAP и PTM возникли в результате биокурации данных из репозиториев, литературы и инструментов прогнозирования. Информация о возможной изменчивости белковой последовательности представлена ​​в виде количества вариантов AS, nsSNP/SAP и PTM на ген.

Мы исходили из того, что расширение базы данных и аннотирование являются составляющими процессами, скорость которых в основном ограничена количеством исследователей и аннотаторов по всему миру. Скорость слабо зависит от пропускной способности канала связи и доступности информации, так как они не слишком сильно менялись в течение 10–15 лет для нужд пользователей PubMed или UniProt.Следовательно, на увеличение количества аннотаций в определенной базе данных, как правило, будут влиять технологические достижения, полученные за счет повышения чувствительности/производительности биоаналитического метода.

Исходя из вышеизложенного, мы предположили, что объем репрезентативных данных, ежегодно загружаемых в UniProt [12] с 2005 г., достаточен для расчета среднего количества вариантов белка на один ген и числа для каждого типа вариации. Интересно, что с 2010 г. среднее количество модификаций на один ген практически не изменилось, несмотря на постоянное увеличение числа рассмотренных аннотаций.Среднее количество модификаций, в частности, со стороны AS (40% просмотренных аннотаций из всех записей данных), SAP (60% просмотренных аннотаций) или PTM (37%), практически не изменилось.

Насыщение числа аннотаций для геном-зависимых SAP, транскрипционно-зависимых AS и посттрансляционно-зависимых PTM весьма примечательно. В то время как определение PTM зависит от чувствительности анализа белков, обнаружение SAP и AS практически не имеет ограничений по чувствительности и активно накапливается в рамках крупномасштабных проектов [13].Несмотря на такие различия, все технологии синхронно приобрели уровни насыщения, что указывает на баланс между данными, полученными с использованием стандартных методов белковой химии (накопленными за последние 50 лет), и данными, полученными с помощью высокопроизводительного секвенирования нового поколения (NGS).

Для оценки потенциального количества белков были рассмотрены три различных случая сочетания событий ПТМ, САП и АС (см. (1)–(3)). Комбинаторные вариации не учитывались, так как нет систематических экспериментальных данных, описывающих совместное появление различных типов модификаций в белковых видах.Это лишь один из возможных путей решения проблемы оценки потенциального числа белков на основе уже накопленных в постгеномных базах знаний данных о белковой дисперсии. Уравнение (1) предполагает, что PTM появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в вариантах сплайсинга. Уравнение (2) предполагает, что PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в вариантах сплайсинга. Уравнение (3) предполагает, что все типы модификации (AS, SAP и PTM) возникают независимо.Следовательно,

Nps=N*ASav+SAPav+PTMav,

(1)

Nps=N+AS*SAPav+PTMav,

(2)

Nps=N*ASav*002 900PTM03 (3)

, где Nps представляет собой количество видов белка, N представляет собой общее количество генов, кодирующих белок, AS — количество видов, полученных в результате альтернативного сплайсинга, ASav — среднее количество вариантов сплайсинга на один ген, кодирующий белок. , SAPav — среднее количество nsSNP, а PTMav — среднее количество событий PTM на один ген, кодирующий белок.

Как правило, САП предопределены на уровне ДНК, АС возникает в результате модификаций на уровне мРНК, тогда как ПТМ возникают на уровне белка. Эти три процесса нельзя рассматривать как независимые события, учитывая, что между процессами генной экспрессии, транскрипции и трансляции существует внутренняя связь, направленная на регуляцию и сохранение клетки. Кроме того, обогащение поиска MS/MS через базу данных, содержащую все возможные комбинации вариаций белков, привело бы к комбинаторному коллапсу, несмотря на тип используемого подхода [14].

Поиск neXtProt (версия 2015_06) модификаций белка AS выявил 21 921 вариант AS в 10 519 кодирующих белок генах (2,1 ± 0,1 варианта на ген, включая одну каноническую последовательность). Наибольшее количество модифицированных форм (434 398, без элементов, связанных с раком, полученных из базы данных раковых мутаций COSMIC [15]) было связано с появлением SAP, полученных из nsSNP в 18 986 белок-кодирующих генах (22,1 ± 3,9 вариантов/ген). PTM добавили 6,6 ± 0,8 модифицированных белков на ген (94 036 PTM в 14 006 кодирующих белок генов).Применяя эти числа к уравнениям ( N = 20 043), мы оцениваем, что в организме человека существует 0,62, или 0,88, или 6,13 миллиона видов белков.

Приведенные выше результаты были сопоставлены с данными о вариациях, происходящих от AS и SAP, полученных из наших результатов NGS по профилированию транскриптома ткани печени [16–18]. По результатам NGS среднее число обнаруженных сплайс-вариантов составило 1,3 на белок-кодирующий ген (или 2,3 на ген, включая канонический вариант), что сопоставимо с данными neXtProt.Среднее количество САП-содержащих протеоформ составило ~1,4 на один ген, что значительно ниже рассчитанного по данным neXtProt. Эти различия связаны с тем, что neXtProt предоставляет информацию из множества различных экспериментов («совокупная человеческая популяция»), в то время как конкретные данные NGS указывают события SAP для отдельного образца или ткани (индивидуальные отклонения).

По мере того, как базы протеомных знаний объединяют информацию об изменчивости белков в человеческой популяции, несколько миллионов различных белков в конечном итоге заполнят «агрегированный» человеческий протеом.Чтобы расшифровать изменчивость, присущую предсказанию пространства протеома для человека, можно добиться более точной оценки количества белков, содержащих AS и SAP, с использованием результатов профилирования транскриптома конкретных образцов тканей.

3. Сколько белков можно обнаружить сегодня?

Согласно базе данных Plasma Proteome Database (ver. 06_2015) [19], обнаружено 10,5 тыс. белков плазмы крови и менее 10% (1278 из 20 043 белков человека) измерено количественно.Основной проблемой, касающейся экспериментальной проверки существующих наборов теоретически предсказанных белков, является предел аналитической чувствительности протеомной технологии. Аналитическая чувствительность определяется пределом обнаружения, зависящим от прибора, и динамическими диапазонами концентрации белка, зависящими от биоматериала. Плазма крови представляет собой сложную смесь с динамическим диапазоном концентраций белка, меняющимся более чем на 10 порядков [20], в то время как диапазон концентраций белка тканей или клеточных линий находится в пределах семи порядков [21].Задача состоит в обнаружении низко- и сверхнизкочисленных видов с концентрациями <10 90 105 −12 90 106  M в присутствии высококопийных белковых молекул при концентрациях >10 90 105 −6 90 106  M [22].

Принимая во внимание сверхчувствительные возможности олигонуклеотидной аналитики, поучительно учитывать, что результаты исследования транскриптома часто определяются на основе копий молекул РНК, а не их концентраций [23]. Работа при низких (<10 -12 мкМ) и сверхнизких (<10 -15 мкМ) концентрациях белков означает, что количественная оценка белка в количестве копий, а не в единицах концентрации, позволяет сравнивать транскриптомные и протеомные результаты [24].

Белки обычно количественно определяют в протеомике [25] по концентрации в биологическом образце, C , выраженной в моль/л (молярность, M). Соответствующее количество копий белка, N , в 1 л можно рассчитать из единиц концентрации следующим образом:

, где R A представляет собой обратное число Авогадро, 10 −24  M [26], V представляет собой объем пробы, м представляет собой содержание белка, а M w представляет собой молекулярную массу белка.

Формулы (4) решают главную задачу протеомики: перейти от представления о единицах концентрации к подсчету одиночных биомакромолекул в образце (ткани) [27].

Тройной квадрупольный масс-спектрометр позволяет достичь чувствительности 10 −14  M [28, 29] для белков-мишеней [30]. Чувствительность определения белков SRM может быть дополнительно увеличена до 10 90 105 −16 90 106  M за счет необратимого химического связывания белков из больших объемов биологических образцов [31] (не предполагается, что все измеренные белки были определены с такой чувствительностью; результаты измерения могут различаться на несколько порядков из-за различных физико-химических свойств протеотипических пептидов).

В контексте ширины протеома целевой подход ограничен необходимостью измерения только протеоформ, демонстрирующих априорное предположение о протеотипических пептидах, которые правильно напоминают события PTM, SAP или AS. В отличие от MS дробовика, SRM не может обнаруживать новые, неожиданные виды белков [32]. Возможности подходов МС «сверху вниз» и «снизу вверх» для решения проблемы микрогетерогенности протеома человека были описаны ранее [33]. Целевой SRM легко доступен для обнаружения SAP в связи с заболеваниями, включая ожирение/диабет [34] и рак [35].Например, метод SRM/MRM был применен для измерения количества сплайс-форм: три изоформы трансформирующего фактора роста были измерены с помощью SRM на уровне концентрации 10 90 105 -11 90 106  M в плазме мыши и слюне человека [36]. Другой пример, изоформы остеопонтина, были измерены с помощью анализа SRM и показали, что уровень изоформы был значительно выше для немелкоклеточной карциномы легкого по сравнению с контрольной группой (7 10 -10 по сравнению с 30 10 ). −10  M) [37].Применение направленной МС для детекции ПТМ было проиллюстрировано гликозилированием белков: N-гликозиды были обнаружены в плазме человека с уровнем чувствительности 10 90 105 -11 90 106 мкМ [38] и убиквитинированием [39]. Из этих экспериментальных исследований следует, что подавляющее большинство предсказуемых протеоформ, по-видимому, присутствует в концентрациях ниже предела обнаружения. Дальнейшее повышение чувствительности аналитических методов важно для выявления диагностически значимых протеоформ в биообразцах человека.

Поскольку было показано, что набор белков, кодируемых любой хромосомой человека, составляет репрезентативную часть всего протеома человека [40], виды белков с высокой, средней и низкой копийностью могут быть оценены путем отбора образцов мастер-белков, кодируемых единая хромосома. В качестве примера протеомной карты, ориентированной на хромосомы, мы загрузили данные из PASSEL [41] (идентификаторы PASSEL: PASS00278, PASS00276, PASS00092 и PASS00742), полученные для мастер-белков, кодируемых хромосомой 18 [16, 17]. Эти белки измеряли в трех типах биоматериала, включая плазму человека, образцы печени и клетки HepG2.Измерения проводились в соответствии с рекомендациями уровня 3 (исследовательские исследования) [42] с использованием стратегии двойной цели, которая сочетает в себе хромосомно-центрический подход с масс-спектрометрией SRM «снизу вверх» [43].

Наблюдалась колоколообразная гистограмма распределения основных белков, кодируемых хромосомой 18 (), показывающая медиану 10 8 копий на 1  мк л плазмы крови и 10 5 копий на печень/клетку HepG2. Восходящий участок кривой отражает высоко- и среднекопийные белки, тогда как нисходящий участок может быть объяснен либо уменьшением протеомного разнообразия в биологическом образце, либо, что более вероятно, представлением о том, что белки не могут быть обнаружены из-за низкой чувствительности аналитических методов. [44].Интересно, что после повышения чувствительности аналитического метода с 10 90 105 -14 90 106 мкМ до 10 90 105 -18 90 106 мкМ за счет необратимого связывания аналитов [30] было обнаружено 14 дополнительных низкокопийных видов белков (<10 90 105 5 90 106 копий на клетку или на 1  мкл л плазмы крови) были получены и количественно измерены не менее двух протеотипических пептидов в каждом виде биоматериала (см. заштрихованные области на рис.). Согласно полученным результатам, в плазме значительно больше видов белков с высоким содержанием по сравнению с клетками печени или HepG2.Поэтому вполне вероятно, что трудность идентификации ультранизкокопийных белков в плазме связана с высоким динамическим диапазоном концентраций белков плазмы [22].

(а) Распределение количества копий мастер-белков хромосомы 18, нормализованное на одну клетку HepG2/печени или 1  мк л плазмы. (б) Доля в зависимости от обнаруженных белков (в % от общего числа белков, кодируемых хромосомой 18) и аналитической чувствительности.

Для демонстрации глубины протеома количество копий мастер-белка в биообразце строили в зависимости от чувствительности протеомной технологии ().Покрытие протеома выражали в процентах доли обнаруженных белков от общего числа генов хромосомы 18, которое по данным neXtProt составило 276. Как показано на рисунке, кривая распределения белков плазмы смещается влево относительно кривых для клеток. Общее количество обнаруженных видов белков в клетках печени и HepG2 увеличилось по сравнению с плазмой крови человека.

Будущие успехи в исследовании протеома человека зависят от способности использовать методы биоинформатики для выяснения существующих видов белков и целевого МС-анализа, высокопроизводительных измерений и высокопроизводительных алгоритмов для de novo сборки белковых последовательностей на основе результатов МС.Кроме того, повышение чувствительности аналитической технологии обеспечит более широкий доступ к сверхнизкокопируемым белкам и расширит возможности для обнаружения и анализа. В этом контексте теоретическое предсказание количества протеоформ (оценка ширины протеома) и их распределения по динамическому диапазону (т. е. глубины протеома) в конечном итоге требуется для планирования рабочей нагрузки для проекта протеома человека, ориентированного на хромосомы.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке RSF Grant no.15-15-30041.

Сокращения

AS: Альтернативные сращивания
NGS:
NGS:
NGS: Секселирование следующего поколения
NSSNPS: Nossynynymous однонуклеотидные полиморфизмы
SAP: Одиночная аминокислота полиморфизм.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Ссылки

1. Коллинз Ф.С., Ландер Э.С., Роджерс Дж., Уотерстон Р.Х. Завершение эухроматической последовательности генома человека. Природа . 2005; 50: 162–168. [Google Академия]2. Вильгельм М., Шлегл Дж., Хане Х. и др. Проект протеома человека на основе масс-спектрометрии. Природа . 2014;509(7502):582–587. doi: 10.1038/nature13319. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Karlsson C., Malmström L., Aebersold R., Malmström J. Избранные для всего протеома анализы мониторинга реакции на человеческий патоген Streptococcus pyogenes . Связь с природой . 2012;3, статья 1301 doi: 10.1038/ncomms2297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]5. Рот М.Дж., Форбс А.Дж., Бойн М.Т., И.И., Ким Ю.-Б., Робинсон Д.Е., Келлехер Н.Л. Точная и параллельная характеристика кодирующих полиморфизмов, альтернативного сплайсинга и модификаций белков человека с помощью масс-спектрометрии. Молекулярная и клеточная протеомика . 2005;4(7):1002–1008. doi: 10.1074/mcp.M500064-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7.Юнгблут П., Тиеде Б., Зимни-Арндт У. и др. Разрешающая способность двумерного электрофореза и идентификация белков из гелей. Электрофорез . 1996;17(5):839–847. doi: 10.1002/elps.1150170505. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 8. Арчаков А., Згода В., Копылов А. и др. Хромосомоцентрический подход к преодолению узких мест в проекте «Протеом человека». Экспертиза протеомики . 2012;9(6):667–676. doi: 10.1586/epr.12.54. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Сайки Р.К., Гельфанд Д.Х., Стоффель С. и др. Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы. Наука . 1988;239(4839):487–491. doi: 10.1126/science.2448875. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Адкинс Дж. Н. На пути к протеому сыворотки крови человека: анализ с помощью многомерного разделения в сочетании с масс-спектрометрией. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002; 1: 947–955. doi: 10.1074/mcp.m200066-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11.Лейн Л., Аргуд-Пюи Г., Британ А. и др. NeXtProt: платформа знаний о белках человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2012;40(1):D76–D83. doi: 10.1093/nar/gkr1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Abecasis G.R., Auton A., Brooks L.D., et al. Интегрированная карта генетических вариаций из 1092 геномов человека. Природа . 2012; 491:56–65. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]14. Коттрелл Дж. С. Идентификация белков с использованием данных МС/МС. Журнал протеомики .2011;74(10):1842–1851. doi: 10.1016/j.jprot.2011.05.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Forbes S.A., Beare D., Gunasekaran P., et al. COSMIC: изучение мировых знаний о соматических мутациях при раке человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2015;43(1):D805–D811. doi: 10.1093/nar/gku1075. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]16. Згода В. Г., Копылов А. Т., Тихонова О. В. и др. Профилирование транскриптома хромосомы 18 и целевое картирование протеома в истощенной плазме, ткани печени и клетках HepG2. Журнал исследований протеома . 2013;12(1):123–134. doi: 10.1021/pr300821n. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Пономаренко Е. А., Копылов А. Т., Лисица А. В. и др. Транскриптопротеом хромосомы 18 ткани печени и клеток HepG2 и целевое картирование протеома в обедненной плазме: обновление 2013 г. Journal of Proteome Research . 2014;13(1):183–190. doi: 10.1021/pr400883x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Тяхт А. В., Ильина Е. Н., Алексеев Д. Г. и др. Профилирование экспрессии генов RNA-Seq в клетках HepG2: влияние экспериментальных факторов и сравнение с тканью печени. BMC Genomics . 2014;15, статья 1108 doi: 10.1186/1471-2164-15-1108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]19. Мутусами Б., Хануманту Г., Суреш С. и др. База данных протеома плазмы как ресурс для протеомных исследований. Протеомика . 2005;5(13):3531–3536. doi: 10.1002/pmic.200401335. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Андерсон Н.Л., Полански М., Пипер Р. и соавт. Протеом плазмы человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2004;3(4):311–326.doi: 10.1074/mcp.m300127-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21. Бек М., Шмидт А., Мальмстрём Дж. и др. Количественный протеом клеточной линии человека. Молекулярно-системная биология . 2011;7, статья 549 doi: 10.1038/msb.2011.82. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Андерсон Н. Л., Андерсон Н. Г. Протеом плазмы человека: история, характер и перспективы диагностики. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002;1(11):845–867. doi: 10.1074/mcp.р200007-мкп200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Де Соуза Абреу Р., Пенальва Л. О., Маркотт Э. М., Фогель К. Глобальные признаки уровней экспрессии белков и мРНК. Молекулярные биосистемы . 2009;5(12):1512–1526. doi: 10.1039/b5d. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]24. Шванхойссер Б., Буссе Д., Ли Н. и др. Глобальная количественная оценка контроля экспрессии генов млекопитающих. Природа . 2011;473(7347):337–342. doi: 10.1038/nature10098. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25.Андерсон Н.Л., Андерсон Н.Г., Пирсон Т.В. и соавт. Проект обнаружения и количественного определения протеома человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2009;8(5):883–886. doi: 10.1074/mcp.R800015-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]26. Арчаков А. И., Иванов Ю. Д., Лисица А. В., Згода В. Г. Нанотехнология АСМ-рыболовства — способ обращения числа Авогадро в протеомике. Протеомика . 2007;7(1):4–9. doi: 10.1002/pmic.200600467. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27.Лисица А. В. Молярная концентрация приветствует авогадро в постгеномной аналитике. Биохимия и аналитическая биохимия . 2015;04:4–7. doi: 10.4172/2161-1009.1000216. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Киёнами Р., Шон А., Пракаш А. и др. Повышенная селективность, аналитическая точность и производительность в целевой протеомике. Молекулярная и клеточная протеомика . 2011; 10(2) doi: 10.1074/mcp.M110.002931. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Сано С., Тагами С., Хашимото Ю. и др. Абсолютное количественное определение пептидов APL1 β в плазме с низким содержанием на уровне субфмоль/мл с помощью SRM/MRM без иммуноаффинного обогащения. Журнал исследований протеома . 2014;13(2):1012–1020. doi: 10.1021/pr4010103. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Копылов А. Т., Згода В. Г., Лисица А. В., Арчаков А. И. Совместное использование технологии необратимого связывания и MRM для обнаружения и количественного определения низко- и сверхнизкокопийных белков. Протеомика .2013;13(5):727–742. doi: 10.1002/pmic.201100460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Арчаков А., Иванов Ю., Лисица А., Згода В. Биоспецифический необратимый фишинг в сочетании с атомно-силовой микроскопией для обнаружения крайне малочисленных белков. Протеомика . 2009;9(5):1326–1343. doi: 10.1002/pmic.200800598. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Оливейра А. П., Людвиг К., Пикотти П., Когадеева М., Эберсолд Р., Зауэр У. Регуляция центрального метаболизма дрожжей путем фосфорилирования ферментов. Молекулярно-системная биология . 2012;8, статья 623 doi: 10.1038/msb.2012.55. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Лисица А., Мошковский С., Чернобровкин А., Пономаренко Е., Арчаков А. Профилирование протеоформ: перспективное развитие протеомики для открытия биомаркеров. Экспертиза протеомики . 2014;11(1):121–129. doi: 10.1586/14789450.2014.878652. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Су З.-Д., Сунь Л., Ю Д.-Х. и др. Количественное обнаружение полиморфизмов отдельных аминокислот с помощью целевой протеомики. Журнал молекулярной клеточной биологии . 2011;3(5):309–315. doi: 10.1093/jmcb/mjr024. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Ван К., Чаркади Р., Ву Дж. и др. Мутантные белки как канцерспецифические биомаркеры. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 2011;108(6):2444–2449. doi: 10.1073/pnas.1019203108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]36. Лю С., Джин З., О’Брайен Р. и др. Ограниченный мониторинг избранных реакций: количественная оценка выбранных посттрансляционных модификаций и изоформ белков. Методы . 2013;61(3):304–312. doi: 10.1016/j.ymeth.2013.03.006. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]37. Ву Дж., Пунгалия П., Крайнов Э., Бейтс Б. Идентификация и количественная оценка сплайс-вариантов остеопонтина в плазме больных раком легкого с использованием иммуноаффинного захвата и целевой масс-спектрометрии. Биомаркеры . 2012;17(2):125–133. doi: 10.3109/1354750X.2011.643485. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Оссола Р., Шисс Р., Пикотти П., Риннер О., Reiter R., Aebersold R. Валидация биомаркеров в образцах крови с помощью масс-спектрометрии мониторинга выбранных реакций N-гликозитов. Методы молекулярной биологии . 2011; 728:179–194. [PubMed] [Google Scholar] 39. Кеттенбах А. Н., Раш Дж., Гербер С. А. Абсолютная количественная оценка белка и количества посттрансляционных модификаций с помощью синтетических пептидов, меченных стабильными изотопами. Природные протоколы . 2011;6(2):175–186. doi: 10.1038/nprot.2010.196. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40.Пономаренко Е., Поверенная Е., Пятницкий М. и др. Сравнительное ранжирование хромосом человека на основе постгеномных данных. OMICS: Журнал интегративной биологии . 2012;16(11):604–611. doi: 10.1089/omi.2012.0034. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. Кузебаух У., Дойч Э.В., Кэмпбелл Д.С., Сан З., Фарра Т., Мориц Р.Л. Использование PeptideAtlas, SRMAtlas и PASSEL: комплексные ресурсы для обнаружения и целевой протеомики. Текущие протоколы в биоинформатике .2014; 46:1–28. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]42. Карр С.А., Аббатиелло С.Е., Акерманн Б.Л. и др. Целевые измерения пептидов в биологии и медицине: передовой опыт разработки методов масс-спектрометрии с использованием целевого подхода. Молекулярная и клеточная протеомика . 2014;13(3):907–917. doi: 10.1074/mcp.m113.036095. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Арчаков А., Асеев А., Быков В. и др. Геноцентрический взгляд на проект протеома человека: на примере российской дорожной карты по хромосоме 18. Протеомика . 2011;11(10):1853–1856. doi: 10.1002/pmic.201000540. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Лисица А. В., Поверенная Е. В., Пономаренко Е. А., Арчаков А. И. Ширина протеома плазмы человека в сравнении с раковой клеточной линией и бактериями. Биомолекулярные исследования и терапия . 2015;4, статья 132 doi: 10.4172/2167-7956.1000132. [CrossRef] [Google Scholar]

Размер человеческого протеома: ширина и глубина

Int J Anal Chem. 2016; 2016: 7436849.

Елена А. Пономаренко

Институт биомедицинской химии Биомедицинской, Москва 119121, Россия

Екатерина V. Poverennaya

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Екатерина V. ILGISONIS

Институт биомедицинской химии, Москва 119121 Россия

Пятницкий Михаил Александрович

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Копылов Артур Т.

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Виктор Г.ZGODA

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Андрей В. Лисица

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Александр И. Арчаков

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Институт Биомедицинская химия, Москва 119121, Россия

Научный редактор: Frantisek Foret

Поступила в редакцию 18 января 2016 г.; Пересмотрено 11 апреля 2016 г .; Принято к публикации 19 апреля 2016 г.

Copyright © 2016 Elena A.Пономаренко и др.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

В этой работе обсуждаются биоинформатика и экспериментальные подходы к изучению протеома человека, совокупности белков, экспрессируемых в различных тканях и органах. Поскольку протеом человека не является статичным объектом, представляется необходимым оценить количество различных видов белков (протеоформ) и измерить количество копий одного и того же белка в конкретной ткани.Здесь предлагается метаанализ базы знаний neXtProt для теоретического предсказания количества различных протеоформ, возникающих в результате альтернативного сплайсинга (AS), полиморфизмов отдельных аминокислот (SAP) и посттрансляционных модификаций (PTM). Рассматриваются три возможных случая: (1) ПТМ и САП появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в сплайс-вариантах; (2) PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в сплайс-вариантах; (3) все типы модификаций (AS, SAP и PTM) происходят как независимые события.Экспериментальная проверка протеоформ ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Для белков, кодируемых одной хромосомой, была построена колоколообразная гистограмма распределения с оценкой количества копий в плазме, печени и клеточной линии HepG2. Предлагаемые метабиоинформатические подходы могут быть использованы для оценки количества различных протеоформ для любой группы белок-кодирующих генов.

1. От генома человека к протеому человека

Секвенирование генома [1] расшифровало количество кодирующих белок генов, установив первоначальную оценку сложности, связанной с молекулярной биологией человека.Следующим шагом является получение аналогичных тестов на уровне протеома. В двух недавних статьях описано создание проекта протеома человека [2, 3]. Тем не менее еще требуются значительные усилия для изучения пространства (или размера) протеома человека как обязательной совокупности молекулярных профилей различных тканей и органов. Протеом человека — достаточно динамичная сущность [4], и это свойство следует рассматривать в двух измерениях. Во-первых, оценить количество различных типов белков (ширина протеома), а также измерить количество копий белка в конкретных тканях (глубина протеома).

Согласно гипотезе «один ген = один белок», должно быть не менее ~20 000 немодифицированных (канонических) белков человека. С учетом продуктов альтернативного сплайсинга (АС), содержащих одноаминокислотные полиморфизмы (SAP), возникающие из несинонимичных однонуклеотидных полиморфизмов (nsSNP), и тех, которые подвергаются ПТМ [4, 5], потенциально могут быть до 100 различных белков. производиться из одного гена. Из множества различных терминов, предложенных для описания вариантов белков [6], здесь мы выбрали «виды белков» [7] или «протеоформы» [6].

Экспериментальная проверка видов белков ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Это означает, что чувствительность технологии определяет способность обнаруживать редкие виды белков. Это ограничение проистекает из основного различия между геномикой и протеомикой [8]. Геномика опирается на ПЦР [9] для амплификации молекул ДНК или РНК в биологическом образце до концентраций выше порога обнаружения. Однако в настоящее время не существует сопоставимой высокопроизводительной технологии, способной размножать копии одного белка [8].

100% охват белковой последовательности с использованием восходящей МС недостижим; таким образом, невозможно обнаружить все потенциальные виды белков, экспрессируемых одним и тем же геном. Как правило, исследования протеома сосредоточены на основных белках , напоминающих по крайней мере одну из многих возможных протеоформ, кодируемых геном и содержащих по крайней мере один протеотипический пептид, обнаруживаемый с помощью МС. Последовательность может быть модифицирована или немодифицирована, так что это означает, что главный белок может присутствовать как один белок или как набор белков. Мастер-протеом отдельной хромосомы является результатом идентификации и измерения всех мастер-белков, кодируемых хромосомой и экспрессируемых в выбранном типе биологического материала. Для экспериментальной проверки протеоформ необходимо провести целевой МС-анализ, чтобы исследовать изменение последовательности-кандидата. Предполагалось, что биоинформатический анализ разнообразия видов белков создаст основу для будущих экспериментальных исследований протеомного пространства.

2. Сколько различных белков необходимо для поддержания жизнедеятельности человека?

Количество различных белков, составляющих протеом человека, является ключевым вопросом протеомики. Исследователи предлагают цифры от 10 000 [10] до нескольких миллиардов [6] различных видов белков. Здесь мы описываем теоретический прогноз количества различных протеоформ, которые могут возникнуть в результате событий AS, SAP или PTM.

Данные были получены из neXtProt, который содержит только белки человека, их модификации и особенности последовательности [11].Аннотации neXtProt для AS, SAP и PTM возникли в результате биокурации данных из репозиториев, литературы и инструментов прогнозирования. Информация о возможной изменчивости белковой последовательности представлена ​​в виде количества вариантов AS, nsSNP/SAP и PTM на ген.

Мы исходили из того, что расширение базы данных и аннотирование являются составляющими процессами, скорость которых в основном ограничена количеством исследователей и аннотаторов по всему миру. Скорость слабо зависит от пропускной способности канала связи и доступности информации, так как они не слишком сильно менялись в течение 10–15 лет для нужд пользователей PubMed или UniProt.Следовательно, на увеличение количества аннотаций в определенной базе данных, как правило, будут влиять технологические достижения, полученные за счет повышения чувствительности/производительности биоаналитического метода.

Исходя из вышеизложенного, мы предположили, что объем репрезентативных данных, ежегодно загружаемых в UniProt [12] с 2005 г., достаточен для расчета среднего количества вариантов белка на один ген и числа для каждого типа вариации. Интересно, что с 2010 г. среднее количество модификаций на один ген практически не изменилось, несмотря на постоянное увеличение числа рассмотренных аннотаций.Среднее количество модификаций, в частности, со стороны AS (40% просмотренных аннотаций из всех записей данных), SAP (60% просмотренных аннотаций) или PTM (37%), практически не изменилось.

Насыщение числа аннотаций для геном-зависимых SAP, транскрипционно-зависимых AS и посттрансляционно-зависимых PTM весьма примечательно. В то время как определение PTM зависит от чувствительности анализа белков, обнаружение SAP и AS практически не имеет ограничений по чувствительности и активно накапливается в рамках крупномасштабных проектов [13].Несмотря на такие различия, все технологии синхронно приобрели уровни насыщения, что указывает на баланс между данными, полученными с использованием стандартных методов белковой химии (накопленными за последние 50 лет), и данными, полученными с помощью высокопроизводительного секвенирования нового поколения (NGS).

Для оценки потенциального количества белков были рассмотрены три различных случая сочетания событий ПТМ, САП и АС (см. (1)–(3)). Комбинаторные вариации не учитывались, так как нет систематических экспериментальных данных, описывающих совместное появление различных типов модификаций в белковых видах.Это лишь один из возможных путей решения проблемы оценки потенциального числа белков на основе уже накопленных в постгеномных базах знаний данных о белковой дисперсии. Уравнение (1) предполагает, что PTM появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в вариантах сплайсинга. Уравнение (2) предполагает, что PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в вариантах сплайсинга. Уравнение (3) предполагает, что все типы модификации (AS, SAP и PTM) возникают независимо.Следовательно,

Nps=N*ASav+SAPav+PTMav,

(1)

Nps=N+AS*SAPav+PTMav,

(2)

Nps=N*ASav*002 900PTM03 (3)

, где Nps представляет собой количество видов белка, N представляет собой общее количество генов, кодирующих белок, AS — количество видов, полученных в результате альтернативного сплайсинга, ASav — среднее количество вариантов сплайсинга на один ген, кодирующий белок. , SAPav — среднее количество nsSNP, а PTMav — среднее количество событий PTM на один ген, кодирующий белок.

Как правило, САП предопределены на уровне ДНК, АС возникает в результате модификаций на уровне мРНК, тогда как ПТМ возникают на уровне белка. Эти три процесса нельзя рассматривать как независимые события, учитывая, что между процессами генной экспрессии, транскрипции и трансляции существует внутренняя связь, направленная на регуляцию и сохранение клетки. Кроме того, обогащение поиска MS/MS через базу данных, содержащую все возможные комбинации вариаций белков, привело бы к комбинаторному коллапсу, несмотря на тип используемого подхода [14].

Поиск neXtProt (версия 2015_06) модификаций белка AS выявил 21 921 вариант AS в 10 519 кодирующих белок генах (2,1 ± 0,1 варианта на ген, включая одну каноническую последовательность). Наибольшее количество модифицированных форм (434 398, без элементов, связанных с раком, полученных из базы данных раковых мутаций COSMIC [15]) было связано с появлением SAP, полученных из nsSNP в 18 986 белок-кодирующих генах (22,1 ± 3,9 вариантов/ген). PTM добавили 6,6 ± 0,8 модифицированных белков на ген (94 036 PTM в 14 006 кодирующих белок генов).Применяя эти числа к уравнениям ( N = 20 043), мы оцениваем, что в организме человека существует 0,62, или 0,88, или 6,13 миллиона видов белков.

Приведенные выше результаты были сопоставлены с данными о вариациях, происходящих от AS и SAP, полученных из наших результатов NGS по профилированию транскриптома ткани печени [16–18]. По результатам NGS среднее число обнаруженных сплайс-вариантов составило 1,3 на белок-кодирующий ген (или 2,3 на ген, включая канонический вариант), что сопоставимо с данными neXtProt.Среднее количество САП-содержащих протеоформ составило ~1,4 на один ген, что значительно ниже рассчитанного по данным neXtProt. Эти различия связаны с тем, что neXtProt предоставляет информацию из множества различных экспериментов («совокупная человеческая популяция»), в то время как конкретные данные NGS указывают события SAP для отдельного образца или ткани (индивидуальные отклонения).

По мере того, как базы протеомных знаний объединяют информацию об изменчивости белков в человеческой популяции, несколько миллионов различных белков в конечном итоге заполнят «агрегированный» человеческий протеом.Чтобы расшифровать изменчивость, присущую предсказанию пространства протеома для человека, можно добиться более точной оценки количества белков, содержащих AS и SAP, с использованием результатов профилирования транскриптома конкретных образцов тканей.

3. Сколько белков можно обнаружить сегодня?

Согласно базе данных Plasma Proteome Database (ver. 06_2015) [19], обнаружено 10,5 тыс. белков плазмы крови и менее 10% (1278 из 20 043 белков человека) измерено количественно.Основной проблемой, касающейся экспериментальной проверки существующих наборов теоретически предсказанных белков, является предел аналитической чувствительности протеомной технологии. Аналитическая чувствительность определяется пределом обнаружения, зависящим от прибора, и динамическими диапазонами концентрации белка, зависящими от биоматериала. Плазма крови представляет собой сложную смесь с динамическим диапазоном концентраций белка, меняющимся более чем на 10 порядков [20], в то время как диапазон концентраций белка тканей или клеточных линий находится в пределах семи порядков [21].Задача состоит в обнаружении низко- и сверхнизкочисленных видов с концентрациями <10 90 105 −12 90 106  M в присутствии высококопийных белковых молекул при концентрациях >10 90 105 −6 90 106  M [22].

Принимая во внимание сверхчувствительные возможности олигонуклеотидной аналитики, поучительно учитывать, что результаты исследования транскриптома часто определяются на основе копий молекул РНК, а не их концентраций [23]. Работа при низких (<10 -12 мкМ) и сверхнизких (<10 -15 мкМ) концентрациях белков означает, что количественная оценка белка в количестве копий, а не в единицах концентрации, позволяет сравнивать транскриптомные и протеомные результаты [24].

Белки обычно количественно определяют в протеомике [25] по концентрации в биологическом образце, C , выраженной в моль/л (молярность, M). Соответствующее количество копий белка, N , в 1 л можно рассчитать из единиц концентрации следующим образом:

, где R A представляет собой обратное число Авогадро, 10 −24  M [26], V представляет собой объем пробы, м представляет собой содержание белка, а M w представляет собой молекулярную массу белка.

Формулы (4) решают главную задачу протеомики: перейти от представления о единицах концентрации к подсчету одиночных биомакромолекул в образце (ткани) [27].

Тройной квадрупольный масс-спектрометр позволяет достичь чувствительности 10 −14  M [28, 29] для белков-мишеней [30]. Чувствительность определения белков SRM может быть дополнительно увеличена до 10 90 105 −16 90 106  M за счет необратимого химического связывания белков из больших объемов биологических образцов [31] (не предполагается, что все измеренные белки были определены с такой чувствительностью; результаты измерения могут различаться на несколько порядков из-за различных физико-химических свойств протеотипических пептидов).

В контексте ширины протеома целевой подход ограничен необходимостью измерения только протеоформ, демонстрирующих априорное предположение о протеотипических пептидах, которые правильно напоминают события PTM, SAP или AS. В отличие от MS дробовика, SRM не может обнаруживать новые, неожиданные виды белков [32]. Возможности подходов МС «сверху вниз» и «снизу вверх» для решения проблемы микрогетерогенности протеома человека были описаны ранее [33]. Целевой SRM легко доступен для обнаружения SAP в связи с заболеваниями, включая ожирение/диабет [34] и рак [35].Например, метод SRM/MRM был применен для измерения количества сплайс-форм: три изоформы трансформирующего фактора роста были измерены с помощью SRM на уровне концентрации 10 90 105 -11 90 106  M в плазме мыши и слюне человека [36]. Другой пример, изоформы остеопонтина, были измерены с помощью анализа SRM и показали, что уровень изоформы был значительно выше для немелкоклеточной карциномы легкого по сравнению с контрольной группой (7 10 -10 по сравнению с 30 10 ). −10  M) [37].Применение направленной МС для детекции ПТМ было проиллюстрировано гликозилированием белков: N-гликозиды были обнаружены в плазме человека с уровнем чувствительности 10 90 105 -11 90 106 мкМ [38] и убиквитинированием [39]. Из этих экспериментальных исследований следует, что подавляющее большинство предсказуемых протеоформ, по-видимому, присутствует в концентрациях ниже предела обнаружения. Дальнейшее повышение чувствительности аналитических методов важно для выявления диагностически значимых протеоформ в биообразцах человека.

Поскольку было показано, что набор белков, кодируемых любой хромосомой человека, составляет репрезентативную часть всего протеома человека [40], виды белков с высокой, средней и низкой копийностью могут быть оценены путем отбора образцов мастер-белков, кодируемых единая хромосома. В качестве примера протеомной карты, ориентированной на хромосомы, мы загрузили данные из PASSEL [41] (идентификаторы PASSEL: PASS00278, PASS00276, PASS00092 и PASS00742), полученные для мастер-белков, кодируемых хромосомой 18 [16, 17]. Эти белки измеряли в трех типах биоматериала, включая плазму человека, образцы печени и клетки HepG2.Измерения проводились в соответствии с рекомендациями уровня 3 (исследовательские исследования) [42] с использованием стратегии двойной цели, которая сочетает в себе хромосомно-центрический подход с масс-спектрометрией SRM «снизу вверх» [43].

Наблюдалась колоколообразная гистограмма распределения основных белков, кодируемых хромосомой 18 (), показывающая медиану 10 8 копий на 1  мк л плазмы крови и 10 5 копий на печень/клетку HepG2. Восходящий участок кривой отражает высоко- и среднекопийные белки, тогда как нисходящий участок может быть объяснен либо уменьшением протеомного разнообразия в биологическом образце, либо, что более вероятно, представлением о том, что белки не могут быть обнаружены из-за низкой чувствительности аналитических методов. [44].Интересно, что после повышения чувствительности аналитического метода с 10 90 105 -14 90 106 мкМ до 10 90 105 -18 90 106 мкМ за счет необратимого связывания аналитов [30] было обнаружено 14 дополнительных низкокопийных видов белков (<10 90 105 5 90 106 копий на клетку или на 1  мкл л плазмы крови) были получены и количественно измерены не менее двух протеотипических пептидов в каждом виде биоматериала (см. заштрихованные области на рис.). Согласно полученным результатам, в плазме значительно больше видов белков с высоким содержанием по сравнению с клетками печени или HepG2.Поэтому вполне вероятно, что трудность идентификации ультранизкокопийных белков в плазме связана с высоким динамическим диапазоном концентраций белков плазмы [22].

(а) Распределение количества копий мастер-белков хромосомы 18, нормализованное на одну клетку HepG2/печени или 1  мк л плазмы. (б) Доля в зависимости от обнаруженных белков (в % от общего числа белков, кодируемых хромосомой 18) и аналитической чувствительности.

Для демонстрации глубины протеома количество копий мастер-белка в биообразце строили в зависимости от чувствительности протеомной технологии ().Покрытие протеома выражали в процентах доли обнаруженных белков от общего числа генов хромосомы 18, которое по данным neXtProt составило 276. Как показано на рисунке, кривая распределения белков плазмы смещается влево относительно кривых для клеток. Общее количество обнаруженных видов белков в клетках печени и HepG2 увеличилось по сравнению с плазмой крови человека.

Будущие успехи в исследовании протеома человека зависят от способности использовать методы биоинформатики для выяснения существующих видов белков и целевого МС-анализа, высокопроизводительных измерений и высокопроизводительных алгоритмов для de novo сборки белковых последовательностей на основе результатов МС.Кроме того, повышение чувствительности аналитической технологии обеспечит более широкий доступ к сверхнизкокопируемым белкам и расширит возможности для обнаружения и анализа. В этом контексте теоретическое предсказание количества протеоформ (оценка ширины протеома) и их распределения по динамическому диапазону (т. е. глубины протеома) в конечном итоге требуется для планирования рабочей нагрузки для проекта протеома человека, ориентированного на хромосомы.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке RSF Grant no.15-15-30041.

Сокращения

AS: Альтернативные сращивания
NGS:
NGS:
NGS: Секселирование следующего поколения
NSSNPS: Nossynynymous однонуклеотидные полиморфизмы
SAP: Одиночная аминокислота полиморфизм.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Ссылки

1. Коллинз Ф.С., Ландер Э.С., Роджерс Дж., Уотерстон Р.Х. Завершение эухроматической последовательности генома человека. Природа . 2005; 50: 162–168. [Google Академия]2. Вильгельм М., Шлегл Дж., Хане Х. и др. Проект протеома человека на основе масс-спектрометрии. Природа . 2014;509(7502):582–587. doi: 10.1038/nature13319. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Karlsson C., Malmström L., Aebersold R., Malmström J. Избранные для всего протеома анализы мониторинга реакции на человеческий патоген Streptococcus pyogenes . Связь с природой . 2012;3, статья 1301 doi: 10.1038/ncomms2297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]5. Рот М.Дж., Форбс А.Дж., Бойн М.Т., И.И., Ким Ю.-Б., Робинсон Д.Е., Келлехер Н.Л. Точная и параллельная характеристика кодирующих полиморфизмов, альтернативного сплайсинга и модификаций белков человека с помощью масс-спектрометрии. Молекулярная и клеточная протеомика . 2005;4(7):1002–1008. doi: 10.1074/mcp.M500064-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7.Юнгблут П., Тиеде Б., Зимни-Арндт У. и др. Разрешающая способность двумерного электрофореза и идентификация белков из гелей. Электрофорез . 1996;17(5):839–847. doi: 10.1002/elps.1150170505. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 8. Арчаков А., Згода В., Копылов А. и др. Хромосомоцентрический подход к преодолению узких мест в проекте «Протеом человека». Экспертиза протеомики . 2012;9(6):667–676. doi: 10.1586/epr.12.54. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Сайки Р.К., Гельфанд Д.Х., Стоффель С. и др. Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы. Наука . 1988;239(4839):487–491. doi: 10.1126/science.2448875. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Адкинс Дж. Н. На пути к протеому сыворотки крови человека: анализ с помощью многомерного разделения в сочетании с масс-спектрометрией. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002; 1: 947–955. doi: 10.1074/mcp.m200066-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11.Лейн Л., Аргуд-Пюи Г., Британ А. и др. NeXtProt: платформа знаний о белках человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2012;40(1):D76–D83. doi: 10.1093/nar/gkr1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Abecasis G.R., Auton A., Brooks L.D., et al. Интегрированная карта генетических вариаций из 1092 геномов человека. Природа . 2012; 491:56–65. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]14. Коттрелл Дж. С. Идентификация белков с использованием данных МС/МС. Журнал протеомики .2011;74(10):1842–1851. doi: 10.1016/j.jprot.2011.05.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Forbes S.A., Beare D., Gunasekaran P., et al. COSMIC: изучение мировых знаний о соматических мутациях при раке человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2015;43(1):D805–D811. doi: 10.1093/nar/gku1075. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]16. Згода В. Г., Копылов А. Т., Тихонова О. В. и др. Профилирование транскриптома хромосомы 18 и целевое картирование протеома в истощенной плазме, ткани печени и клетках HepG2. Журнал исследований протеома . 2013;12(1):123–134. doi: 10.1021/pr300821n. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Пономаренко Е. А., Копылов А. Т., Лисица А. В. и др. Транскриптопротеом хромосомы 18 ткани печени и клеток HepG2 и целевое картирование протеома в обедненной плазме: обновление 2013 г. Journal of Proteome Research . 2014;13(1):183–190. doi: 10.1021/pr400883x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Тяхт А. В., Ильина Е. Н., Алексеев Д. Г. и др. Профилирование экспрессии генов RNA-Seq в клетках HepG2: влияние экспериментальных факторов и сравнение с тканью печени. BMC Genomics . 2014;15, статья 1108 doi: 10.1186/1471-2164-15-1108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]19. Мутусами Б., Хануманту Г., Суреш С. и др. База данных протеома плазмы как ресурс для протеомных исследований. Протеомика . 2005;5(13):3531–3536. doi: 10.1002/pmic.200401335. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Андерсон Н.Л., Полански М., Пипер Р. и соавт. Протеом плазмы человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2004;3(4):311–326.doi: 10.1074/mcp.m300127-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21. Бек М., Шмидт А., Мальмстрём Дж. и др. Количественный протеом клеточной линии человека. Молекулярно-системная биология . 2011;7, статья 549 doi: 10.1038/msb.2011.82. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Андерсон Н. Л., Андерсон Н. Г. Протеом плазмы человека: история, характер и перспективы диагностики. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002;1(11):845–867. doi: 10.1074/mcp.р200007-мкп200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Де Соуза Абреу Р., Пенальва Л. О., Маркотт Э. М., Фогель К. Глобальные признаки уровней экспрессии белков и мРНК. Молекулярные биосистемы . 2009;5(12):1512–1526. doi: 10.1039/b5d. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]24. Шванхойссер Б., Буссе Д., Ли Н. и др. Глобальная количественная оценка контроля экспрессии генов млекопитающих. Природа . 2011;473(7347):337–342. doi: 10.1038/nature10098. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25.Андерсон Н.Л., Андерсон Н.Г., Пирсон Т.В. и соавт. Проект обнаружения и количественного определения протеома человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2009;8(5):883–886. doi: 10.1074/mcp.R800015-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]26. Арчаков А. И., Иванов Ю. Д., Лисица А. В., Згода В. Г. Нанотехнология АСМ-рыболовства — способ обращения числа Авогадро в протеомике. Протеомика . 2007;7(1):4–9. doi: 10.1002/pmic.200600467. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27.Лисица А. В. Молярная концентрация приветствует авогадро в постгеномной аналитике. Биохимия и аналитическая биохимия . 2015;04:4–7. doi: 10.4172/2161-1009.1000216. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Киёнами Р., Шон А., Пракаш А. и др. Повышенная селективность, аналитическая точность и производительность в целевой протеомике. Молекулярная и клеточная протеомика . 2011; 10(2) doi: 10.1074/mcp.M110.002931. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Сано С., Тагами С., Хашимото Ю. и др. Абсолютное количественное определение пептидов APL1 β в плазме с низким содержанием на уровне субфмоль/мл с помощью SRM/MRM без иммуноаффинного обогащения. Журнал исследований протеома . 2014;13(2):1012–1020. doi: 10.1021/pr4010103. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Копылов А. Т., Згода В. Г., Лисица А. В., Арчаков А. И. Совместное использование технологии необратимого связывания и MRM для обнаружения и количественного определения низко- и сверхнизкокопийных белков. Протеомика .2013;13(5):727–742. doi: 10.1002/pmic.201100460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Арчаков А., Иванов Ю., Лисица А., Згода В. Биоспецифический необратимый фишинг в сочетании с атомно-силовой микроскопией для обнаружения крайне малочисленных белков. Протеомика . 2009;9(5):1326–1343. doi: 10.1002/pmic.200800598. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Оливейра А. П., Людвиг К., Пикотти П., Когадеева М., Эберсолд Р., Зауэр У. Регуляция центрального метаболизма дрожжей путем фосфорилирования ферментов. Молекулярно-системная биология . 2012;8, статья 623 doi: 10.1038/msb.2012.55. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Лисица А., Мошковский С., Чернобровкин А., Пономаренко Е., Арчаков А. Профилирование протеоформ: перспективное развитие протеомики для открытия биомаркеров. Экспертиза протеомики . 2014;11(1):121–129. doi: 10.1586/14789450.2014.878652. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Су З.-Д., Сунь Л., Ю Д.-Х. и др. Количественное обнаружение полиморфизмов отдельных аминокислот с помощью целевой протеомики. Журнал молекулярной клеточной биологии . 2011;3(5):309–315. doi: 10.1093/jmcb/mjr024. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Ван К., Чаркади Р., Ву Дж. и др. Мутантные белки как канцерспецифические биомаркеры. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 2011;108(6):2444–2449. doi: 10.1073/pnas.1019203108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]36. Лю С., Джин З., О’Брайен Р. и др. Ограниченный мониторинг избранных реакций: количественная оценка выбранных посттрансляционных модификаций и изоформ белков. Методы . 2013;61(3):304–312. doi: 10.1016/j.ymeth.2013.03.006. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]37. Ву Дж., Пунгалия П., Крайнов Э., Бейтс Б. Идентификация и количественная оценка сплайс-вариантов остеопонтина в плазме больных раком легкого с использованием иммуноаффинного захвата и целевой масс-спектрометрии. Биомаркеры . 2012;17(2):125–133. doi: 10.3109/1354750X.2011.643485. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Оссола Р., Шисс Р., Пикотти П., Риннер О., Reiter R., Aebersold R. Валидация биомаркеров в образцах крови с помощью масс-спектрометрии мониторинга выбранных реакций N-гликозитов. Методы молекулярной биологии . 2011; 728:179–194. [PubMed] [Google Scholar] 39. Кеттенбах А. Н., Раш Дж., Гербер С. А. Абсолютная количественная оценка белка и количества посттрансляционных модификаций с помощью синтетических пептидов, меченных стабильными изотопами. Природные протоколы . 2011;6(2):175–186. doi: 10.1038/nprot.2010.196. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40.Пономаренко Е., Поверенная Е., Пятницкий М. и др. Сравнительное ранжирование хромосом человека на основе постгеномных данных. OMICS: Журнал интегративной биологии . 2012;16(11):604–611. doi: 10.1089/omi.2012.0034. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. Кузебаух У., Дойч Э.В., Кэмпбелл Д.С., Сан З., Фарра Т., Мориц Р.Л. Использование PeptideAtlas, SRMAtlas и PASSEL: комплексные ресурсы для обнаружения и целевой протеомики. Текущие протоколы в биоинформатике .2014; 46:1–28. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]42. Карр С.А., Аббатиелло С.Е., Акерманн Б.Л. и др. Целевые измерения пептидов в биологии и медицине: передовой опыт разработки методов масс-спектрометрии с использованием целевого подхода. Молекулярная и клеточная протеомика . 2014;13(3):907–917. doi: 10.1074/mcp.m113.036095. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Арчаков А., Асеев А., Быков В. и др. Геноцентрический взгляд на проект протеома человека: на примере российской дорожной карты по хромосоме 18. Протеомика . 2011;11(10):1853–1856. doi: 10.1002/pmic.201000540. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Лисица А. В., Поверенная Е. В., Пономаренко Е. А., Арчаков А. И. Ширина протеома плазмы человека в сравнении с раковой клеточной линией и бактериями. Биомолекулярные исследования и терапия . 2015;4, статья 132 doi: 10.4172/2167-7956.1000132. [CrossRef] [Google Scholar]

Размер человеческого протеома: ширина и глубина

Int J Anal Chem. 2016; 2016: 7436849.

Елена А. Пономаренко

Институт биомедицинской химии Биомедицинской, Москва 119121, Россия

Екатерина V. Poverennaya

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Екатерина V. ILGISONIS

Институт биомедицинской химии, Москва 119121 Россия

Пятницкий Михаил Александрович

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Копылов Артур Т.

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Виктор Г.ZGODA

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Андрей В. Лисица

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Александр И. Арчаков

Институт биомедицинской химии, Москва 119121, Россия

Институт Биомедицинская химия, Москва 119121, Россия

Научный редактор: Frantisek Foret

Поступила в редакцию 18 января 2016 г.; Пересмотрено 11 апреля 2016 г .; Принято к публикации 19 апреля 2016 г.

Copyright © 2016 Elena A.Пономаренко и др.

Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Эта статья была процитирована другими статьями в PMC.

Abstract

В этой работе обсуждаются биоинформатика и экспериментальные подходы к изучению протеома человека, совокупности белков, экспрессируемых в различных тканях и органах. Поскольку протеом человека не является статичным объектом, представляется необходимым оценить количество различных видов белков (протеоформ) и измерить количество копий одного и того же белка в конкретной ткани.Здесь предлагается метаанализ базы знаний neXtProt для теоретического предсказания количества различных протеоформ, возникающих в результате альтернативного сплайсинга (AS), полиморфизмов отдельных аминокислот (SAP) и посттрансляционных модификаций (PTM). Рассматриваются три возможных случая: (1) ПТМ и САП появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в сплайс-вариантах; (2) PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в сплайс-вариантах; (3) все типы модификаций (AS, SAP и PTM) происходят как независимые события.Экспериментальная проверка протеоформ ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Для белков, кодируемых одной хромосомой, была построена колоколообразная гистограмма распределения с оценкой количества копий в плазме, печени и клеточной линии HepG2. Предлагаемые метабиоинформатические подходы могут быть использованы для оценки количества различных протеоформ для любой группы белок-кодирующих генов.

1. От генома человека к протеому человека

Секвенирование генома [1] расшифровало количество кодирующих белок генов, установив первоначальную оценку сложности, связанной с молекулярной биологией человека.Следующим шагом является получение аналогичных тестов на уровне протеома. В двух недавних статьях описано создание проекта протеома человека [2, 3]. Тем не менее еще требуются значительные усилия для изучения пространства (или размера) протеома человека как обязательной совокупности молекулярных профилей различных тканей и органов. Протеом человека — достаточно динамичная сущность [4], и это свойство следует рассматривать в двух измерениях. Во-первых, оценить количество различных типов белков (ширина протеома), а также измерить количество копий белка в конкретных тканях (глубина протеома).

Согласно гипотезе «один ген = один белок», должно быть не менее ~20 000 немодифицированных (канонических) белков человека. С учетом продуктов альтернативного сплайсинга (АС), содержащих одноаминокислотные полиморфизмы (SAP), возникающие из несинонимичных однонуклеотидных полиморфизмов (nsSNP), и тех, которые подвергаются ПТМ [4, 5], потенциально могут быть до 100 различных белков. производиться из одного гена. Из множества различных терминов, предложенных для описания вариантов белков [6], здесь мы выбрали «виды белков» [7] или «протеоформы» [6].

Экспериментальная проверка видов белков ограничена аналитической чувствительностью протеомной технологии. Это означает, что чувствительность технологии определяет способность обнаруживать редкие виды белков. Это ограничение проистекает из основного различия между геномикой и протеомикой [8]. Геномика опирается на ПЦР [9] для амплификации молекул ДНК или РНК в биологическом образце до концентраций выше порога обнаружения. Однако в настоящее время не существует сопоставимой высокопроизводительной технологии, способной размножать копии одного белка [8].

100% охват белковой последовательности с использованием восходящей МС недостижим; таким образом, невозможно обнаружить все потенциальные виды белков, экспрессируемых одним и тем же геном. Как правило, исследования протеома сосредоточены на основных белках , напоминающих по крайней мере одну из многих возможных протеоформ, кодируемых геном и содержащих по крайней мере один протеотипический пептид, обнаруживаемый с помощью МС. Последовательность может быть модифицирована или немодифицирована, так что это означает, что главный белок может присутствовать как один белок или как набор белков. Мастер-протеом отдельной хромосомы является результатом идентификации и измерения всех мастер-белков, кодируемых хромосомой и экспрессируемых в выбранном типе биологического материала. Для экспериментальной проверки протеоформ необходимо провести целевой МС-анализ, чтобы исследовать изменение последовательности-кандидата. Предполагалось, что биоинформатический анализ разнообразия видов белков создаст основу для будущих экспериментальных исследований протеомного пространства.

2. Сколько различных белков необходимо для поддержания жизнедеятельности человека?

Количество различных белков, составляющих протеом человека, является ключевым вопросом протеомики. Исследователи предлагают цифры от 10 000 [10] до нескольких миллиардов [6] различных видов белков. Здесь мы описываем теоретический прогноз количества различных протеоформ, которые могут возникнуть в результате событий AS, SAP или PTM.

Данные были получены из neXtProt, который содержит только белки человека, их модификации и особенности последовательности [11].Аннотации neXtProt для AS, SAP и PTM возникли в результате биокурации данных из репозиториев, литературы и инструментов прогнозирования. Информация о возможной изменчивости белковой последовательности представлена ​​в виде количества вариантов AS, nsSNP/SAP и PTM на ген.

Мы исходили из того, что расширение базы данных и аннотирование являются составляющими процессами, скорость которых в основном ограничена количеством исследователей и аннотаторов по всему миру. Скорость слабо зависит от пропускной способности канала связи и доступности информации, так как они не слишком сильно менялись в течение 10–15 лет для нужд пользователей PubMed или UniProt.Следовательно, на увеличение количества аннотаций в определенной базе данных, как правило, будут влиять технологические достижения, полученные за счет повышения чувствительности/производительности биоаналитического метода.

Исходя из вышеизложенного, мы предположили, что объем репрезентативных данных, ежегодно загружаемых в UniProt [12] с 2005 г., достаточен для расчета среднего количества вариантов белка на один ген и числа для каждого типа вариации. Интересно, что с 2010 г. среднее количество модификаций на один ген практически не изменилось, несмотря на постоянное увеличение числа рассмотренных аннотаций.Среднее количество модификаций, в частности, со стороны AS (40% просмотренных аннотаций из всех записей данных), SAP (60% просмотренных аннотаций) или PTM (37%), практически не изменилось.

Насыщение числа аннотаций для геном-зависимых SAP, транскрипционно-зависимых AS и посттрансляционно-зависимых PTM весьма примечательно. В то время как определение PTM зависит от чувствительности анализа белков, обнаружение SAP и AS практически не имеет ограничений по чувствительности и активно накапливается в рамках крупномасштабных проектов [13].Несмотря на такие различия, все технологии синхронно приобрели уровни насыщения, что указывает на баланс между данными, полученными с использованием стандартных методов белковой химии (накопленными за последние 50 лет), и данными, полученными с помощью высокопроизводительного секвенирования нового поколения (NGS).

Для оценки потенциального количества белков были рассмотрены три различных случая сочетания событий ПТМ, САП и АС (см. (1)–(3)). Комбинаторные вариации не учитывались, так как нет систематических экспериментальных данных, описывающих совместное появление различных типов модификаций в белковых видах.Это лишь один из возможных путей решения проблемы оценки потенциального числа белков на основе уже накопленных в постгеномных базах знаний данных о белковой дисперсии. Уравнение (1) предполагает, что PTM появляются исключительно в канонических последовательностях белков, но не в вариантах сплайсинга. Уравнение (2) предполагает, что PTM и SAP могут встречаться как в белках, кодируемых каноническими последовательностями, так и в вариантах сплайсинга. Уравнение (3) предполагает, что все типы модификации (AS, SAP и PTM) возникают независимо.Следовательно,

Nps=N*ASav+SAPav+PTMav,

(1)

Nps=N+AS*SAPav+PTMav,

(2)

Nps=N*ASav*002 900PTM03 (3)

, где Nps представляет собой количество видов белка, N представляет собой общее количество генов, кодирующих белок, AS — количество видов, полученных в результате альтернативного сплайсинга, ASav — среднее количество вариантов сплайсинга на один ген, кодирующий белок. , SAPav — среднее количество nsSNP, а PTMav — среднее количество событий PTM на один ген, кодирующий белок.

Как правило, САП предопределены на уровне ДНК, АС возникает в результате модификаций на уровне мРНК, тогда как ПТМ возникают на уровне белка. Эти три процесса нельзя рассматривать как независимые события, учитывая, что между процессами генной экспрессии, транскрипции и трансляции существует внутренняя связь, направленная на регуляцию и сохранение клетки. Кроме того, обогащение поиска MS/MS через базу данных, содержащую все возможные комбинации вариаций белков, привело бы к комбинаторному коллапсу, несмотря на тип используемого подхода [14].

Поиск neXtProt (версия 2015_06) модификаций белка AS выявил 21 921 вариант AS в 10 519 кодирующих белок генах (2,1 ± 0,1 варианта на ген, включая одну каноническую последовательность). Наибольшее количество модифицированных форм (434 398, без элементов, связанных с раком, полученных из базы данных раковых мутаций COSMIC [15]) было связано с появлением SAP, полученных из nsSNP в 18 986 белок-кодирующих генах (22,1 ± 3,9 вариантов/ген). PTM добавили 6,6 ± 0,8 модифицированных белков на ген (94 036 PTM в 14 006 кодирующих белок генов).Применяя эти числа к уравнениям ( N = 20 043), мы оцениваем, что в организме человека существует 0,62, или 0,88, или 6,13 миллиона видов белков.

Приведенные выше результаты были сопоставлены с данными о вариациях, происходящих от AS и SAP, полученных из наших результатов NGS по профилированию транскриптома ткани печени [16–18]. По результатам NGS среднее число обнаруженных сплайс-вариантов составило 1,3 на белок-кодирующий ген (или 2,3 на ген, включая канонический вариант), что сопоставимо с данными neXtProt.Среднее количество САП-содержащих протеоформ составило ~1,4 на один ген, что значительно ниже рассчитанного по данным neXtProt. Эти различия связаны с тем, что neXtProt предоставляет информацию из множества различных экспериментов («совокупная человеческая популяция»), в то время как конкретные данные NGS указывают события SAP для отдельного образца или ткани (индивидуальные отклонения).

По мере того, как базы протеомных знаний объединяют информацию об изменчивости белков в человеческой популяции, несколько миллионов различных белков в конечном итоге заполнят «агрегированный» человеческий протеом.Чтобы расшифровать изменчивость, присущую предсказанию пространства протеома для человека, можно добиться более точной оценки количества белков, содержащих AS и SAP, с использованием результатов профилирования транскриптома конкретных образцов тканей.

3. Сколько белков можно обнаружить сегодня?

Согласно базе данных Plasma Proteome Database (ver. 06_2015) [19], обнаружено 10,5 тыс. белков плазмы крови и менее 10% (1278 из 20 043 белков человека) измерено количественно.Основной проблемой, касающейся экспериментальной проверки существующих наборов теоретически предсказанных белков, является предел аналитической чувствительности протеомной технологии. Аналитическая чувствительность определяется пределом обнаружения, зависящим от прибора, и динамическими диапазонами концентрации белка, зависящими от биоматериала. Плазма крови представляет собой сложную смесь с динамическим диапазоном концентраций белка, меняющимся более чем на 10 порядков [20], в то время как диапазон концентраций белка тканей или клеточных линий находится в пределах семи порядков [21].Задача состоит в обнаружении низко- и сверхнизкочисленных видов с концентрациями <10 90 105 −12 90 106  M в присутствии высококопийных белковых молекул при концентрациях >10 90 105 −6 90 106  M [22].

Принимая во внимание сверхчувствительные возможности олигонуклеотидной аналитики, поучительно учитывать, что результаты исследования транскриптома часто определяются на основе копий молекул РНК, а не их концентраций [23]. Работа при низких (<10 -12 мкМ) и сверхнизких (<10 -15 мкМ) концентрациях белков означает, что количественная оценка белка в количестве копий, а не в единицах концентрации, позволяет сравнивать транскриптомные и протеомные результаты [24].

Белки обычно количественно определяют в протеомике [25] по концентрации в биологическом образце, C , выраженной в моль/л (молярность, M). Соответствующее количество копий белка, N , в 1 л можно рассчитать из единиц концентрации следующим образом:

, где R A представляет собой обратное число Авогадро, 10 −24  M [26], V представляет собой объем пробы, м представляет собой содержание белка, а M w представляет собой молекулярную массу белка.

Формулы (4) решают главную задачу протеомики: перейти от представления о единицах концентрации к подсчету одиночных биомакромолекул в образце (ткани) [27].

Тройной квадрупольный масс-спектрометр позволяет достичь чувствительности 10 −14  M [28, 29] для белков-мишеней [30]. Чувствительность определения белков SRM может быть дополнительно увеличена до 10 90 105 −16 90 106  M за счет необратимого химического связывания белков из больших объемов биологических образцов [31] (не предполагается, что все измеренные белки были определены с такой чувствительностью; результаты измерения могут различаться на несколько порядков из-за различных физико-химических свойств протеотипических пептидов).

В контексте ширины протеома целевой подход ограничен необходимостью измерения только протеоформ, демонстрирующих априорное предположение о протеотипических пептидах, которые правильно напоминают события PTM, SAP или AS. В отличие от MS дробовика, SRM не может обнаруживать новые, неожиданные виды белков [32]. Возможности подходов МС «сверху вниз» и «снизу вверх» для решения проблемы микрогетерогенности протеома человека были описаны ранее [33]. Целевой SRM легко доступен для обнаружения SAP в связи с заболеваниями, включая ожирение/диабет [34] и рак [35].Например, метод SRM/MRM был применен для измерения количества сплайс-форм: три изоформы трансформирующего фактора роста были измерены с помощью SRM на уровне концентрации 10 90 105 -11 90 106  M в плазме мыши и слюне человека [36]. Другой пример, изоформы остеопонтина, были измерены с помощью анализа SRM и показали, что уровень изоформы был значительно выше для немелкоклеточной карциномы легкого по сравнению с контрольной группой (7 10 -10 по сравнению с 30 10 ). −10  M) [37].Применение направленной МС для детекции ПТМ было проиллюстрировано гликозилированием белков: N-гликозиды были обнаружены в плазме человека с уровнем чувствительности 10 90 105 -11 90 106 мкМ [38] и убиквитинированием [39]. Из этих экспериментальных исследований следует, что подавляющее большинство предсказуемых протеоформ, по-видимому, присутствует в концентрациях ниже предела обнаружения. Дальнейшее повышение чувствительности аналитических методов важно для выявления диагностически значимых протеоформ в биообразцах человека.

Поскольку было показано, что набор белков, кодируемых любой хромосомой человека, составляет репрезентативную часть всего протеома человека [40], виды белков с высокой, средней и низкой копийностью могут быть оценены путем отбора образцов мастер-белков, кодируемых единая хромосома. В качестве примера протеомной карты, ориентированной на хромосомы, мы загрузили данные из PASSEL [41] (идентификаторы PASSEL: PASS00278, PASS00276, PASS00092 и PASS00742), полученные для мастер-белков, кодируемых хромосомой 18 [16, 17]. Эти белки измеряли в трех типах биоматериала, включая плазму человека, образцы печени и клетки HepG2.Измерения проводились в соответствии с рекомендациями уровня 3 (исследовательские исследования) [42] с использованием стратегии двойной цели, которая сочетает в себе хромосомно-центрический подход с масс-спектрометрией SRM «снизу вверх» [43].

Наблюдалась колоколообразная гистограмма распределения основных белков, кодируемых хромосомой 18 (), показывающая медиану 10 8 копий на 1  мк л плазмы крови и 10 5 копий на печень/клетку HepG2. Восходящий участок кривой отражает высоко- и среднекопийные белки, тогда как нисходящий участок может быть объяснен либо уменьшением протеомного разнообразия в биологическом образце, либо, что более вероятно, представлением о том, что белки не могут быть обнаружены из-за низкой чувствительности аналитических методов. [44].Интересно, что после повышения чувствительности аналитического метода с 10 90 105 -14 90 106 мкМ до 10 90 105 -18 90 106 мкМ за счет необратимого связывания аналитов [30] было обнаружено 14 дополнительных низкокопийных видов белков (<10 90 105 5 90 106 копий на клетку или на 1  мкл л плазмы крови) были получены и количественно измерены не менее двух протеотипических пептидов в каждом виде биоматериала (см. заштрихованные области на рис.). Согласно полученным результатам, в плазме значительно больше видов белков с высоким содержанием по сравнению с клетками печени или HepG2.Поэтому вполне вероятно, что трудность идентификации ультранизкокопийных белков в плазме связана с высоким динамическим диапазоном концентраций белков плазмы [22].

(а) Распределение количества копий мастер-белков хромосомы 18, нормализованное на одну клетку HepG2/печени или 1  мк л плазмы. (б) Доля в зависимости от обнаруженных белков (в % от общего числа белков, кодируемых хромосомой 18) и аналитической чувствительности.

Для демонстрации глубины протеома количество копий мастер-белка в биообразце строили в зависимости от чувствительности протеомной технологии ().Покрытие протеома выражали в процентах доли обнаруженных белков от общего числа генов хромосомы 18, которое по данным neXtProt составило 276. Как показано на рисунке, кривая распределения белков плазмы смещается влево относительно кривых для клеток. Общее количество обнаруженных видов белков в клетках печени и HepG2 увеличилось по сравнению с плазмой крови человека.

Будущие успехи в исследовании протеома человека зависят от способности использовать методы биоинформатики для выяснения существующих видов белков и целевого МС-анализа, высокопроизводительных измерений и высокопроизводительных алгоритмов для de novo сборки белковых последовательностей на основе результатов МС.Кроме того, повышение чувствительности аналитической технологии обеспечит более широкий доступ к сверхнизкокопируемым белкам и расширит возможности для обнаружения и анализа. В этом контексте теоретическое предсказание количества протеоформ (оценка ширины протеома) и их распределения по динамическому диапазону (т. е. глубины протеома) в конечном итоге требуется для планирования рабочей нагрузки для проекта протеома человека, ориентированного на хромосомы.

Благодарности

Работа выполнена при поддержке RSF Grant no.15-15-30041.

Сокращения

AS: Альтернативные сращивания
NGS:
NGS:
NGS: Секселирование следующего поколения
NSSNPS: Nossynynymous однонуклеотидные полиморфизмы
SAP: Одиночная аминокислота полиморфизм.

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Ссылки

1. Коллинз Ф.С., Ландер Э.С., Роджерс Дж., Уотерстон Р.Х. Завершение эухроматической последовательности генома человека. Природа . 2005; 50: 162–168. [Google Академия]2. Вильгельм М., Шлегл Дж., Хане Х. и др. Проект протеома человека на основе масс-спектрометрии. Природа . 2014;509(7502):582–587. doi: 10.1038/nature13319. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Karlsson C., Malmström L., Aebersold R., Malmström J. Избранные для всего протеома анализы мониторинга реакции на человеческий патоген Streptococcus pyogenes . Связь с природой . 2012;3, статья 1301 doi: 10.1038/ncomms2297. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]5. Рот М.Дж., Форбс А.Дж., Бойн М.Т., И.И., Ким Ю.-Б., Робинсон Д.Е., Келлехер Н.Л. Точная и параллельная характеристика кодирующих полиморфизмов, альтернативного сплайсинга и модификаций белков человека с помощью масс-спектрометрии. Молекулярная и клеточная протеомика . 2005;4(7):1002–1008. doi: 10.1074/mcp.M500064-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7.Юнгблут П., Тиеде Б., Зимни-Арндт У. и др. Разрешающая способность двумерного электрофореза и идентификация белков из гелей. Электрофорез . 1996;17(5):839–847. doi: 10.1002/elps.1150170505. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 8. Арчаков А., Згода В., Копылов А. и др. Хромосомоцентрический подход к преодолению узких мест в проекте «Протеом человека». Экспертиза протеомики . 2012;9(6):667–676. doi: 10.1586/epr.12.54. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9.Сайки Р.К., Гельфанд Д.Х., Стоффель С. и др. Праймер-направленная ферментативная амплификация ДНК с помощью термостабильной ДНК-полимеразы. Наука . 1988;239(4839):487–491. doi: 10.1126/science.2448875. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Адкинс Дж. Н. На пути к протеому сыворотки крови человека: анализ с помощью многомерного разделения в сочетании с масс-спектрометрией. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002; 1: 947–955. doi: 10.1074/mcp.m200066-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11.Лейн Л., Аргуд-Пюи Г., Британ А. и др. NeXtProt: платформа знаний о белках человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2012;40(1):D76–D83. doi: 10.1093/nar/gkr1179. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 13. Abecasis G.R., Auton A., Brooks L.D., et al. Интегрированная карта генетических вариаций из 1092 геномов человека. Природа . 2012; 491:56–65. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]14. Коттрелл Дж. С. Идентификация белков с использованием данных МС/МС. Журнал протеомики .2011;74(10):1842–1851. doi: 10.1016/j.jprot.2011.05.014. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Forbes S.A., Beare D., Gunasekaran P., et al. COSMIC: изучение мировых знаний о соматических мутациях при раке человека. Исследование нуклеиновых кислот . 2015;43(1):D805–D811. doi: 10.1093/nar/gku1075. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]16. Згода В. Г., Копылов А. Т., Тихонова О. В. и др. Профилирование транскриптома хромосомы 18 и целевое картирование протеома в истощенной плазме, ткани печени и клетках HepG2. Журнал исследований протеома . 2013;12(1):123–134. doi: 10.1021/pr300821n. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 17. Пономаренко Е. А., Копылов А. Т., Лисица А. В. и др. Транскриптопротеом хромосомы 18 ткани печени и клеток HepG2 и целевое картирование протеома в обедненной плазме: обновление 2013 г. Journal of Proteome Research . 2014;13(1):183–190. doi: 10.1021/pr400883x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Тяхт А. В., Ильина Е. Н., Алексеев Д. Г. и др. Профилирование экспрессии генов RNA-Seq в клетках HepG2: влияние экспериментальных факторов и сравнение с тканью печени. BMC Genomics . 2014;15, статья 1108 doi: 10.1186/1471-2164-15-1108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]19. Мутусами Б., Хануманту Г., Суреш С. и др. База данных протеома плазмы как ресурс для протеомных исследований. Протеомика . 2005;5(13):3531–3536. doi: 10.1002/pmic.200401335. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 20. Андерсон Н.Л., Полански М., Пипер Р. и соавт. Протеом плазмы человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2004;3(4):311–326.doi: 10.1074/mcp.m300127-mcp200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 21. Бек М., Шмидт А., Мальмстрём Дж. и др. Количественный протеом клеточной линии человека. Молекулярно-системная биология . 2011;7, статья 549 doi: 10.1038/msb.2011.82. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 22. Андерсон Н. Л., Андерсон Н. Г. Протеом плазмы человека: история, характер и перспективы диагностики. Молекулярная и клеточная протеомика . 2002;1(11):845–867. doi: 10.1074/mcp.р200007-мкп200. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 23. Де Соуза Абреу Р., Пенальва Л. О., Маркотт Э. М., Фогель К. Глобальные признаки уровней экспрессии белков и мРНК. Молекулярные биосистемы . 2009;5(12):1512–1526. doi: 10.1039/b5d. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]24. Шванхойссер Б., Буссе Д., Ли Н. и др. Глобальная количественная оценка контроля экспрессии генов млекопитающих. Природа . 2011;473(7347):337–342. doi: 10.1038/nature10098. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 25.Андерсон Н.Л., Андерсон Н.Г., Пирсон Т.В. и соавт. Проект обнаружения и количественного определения протеома человека. Молекулярная и клеточная протеомика . 2009;8(5):883–886. doi: 10.1074/mcp.R800015-MCP200. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]26. Арчаков А. И., Иванов Ю. Д., Лисица А. В., Згода В. Г. Нанотехнология АСМ-рыболовства — способ обращения числа Авогадро в протеомике. Протеомика . 2007;7(1):4–9. doi: 10.1002/pmic.200600467. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 27.Лисица А. В. Молярная концентрация приветствует авогадро в постгеномной аналитике. Биохимия и аналитическая биохимия . 2015;04:4–7. doi: 10.4172/2161-1009.1000216. [CrossRef] [Google Scholar] 28. Киёнами Р., Шон А., Пракаш А. и др. Повышенная селективность, аналитическая точность и производительность в целевой протеомике. Молекулярная и клеточная протеомика . 2011; 10(2) doi: 10.1074/mcp.M110.002931. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 29. Сано С., Тагами С., Хашимото Ю. и др. Абсолютное количественное определение пептидов APL1 β в плазме с низким содержанием на уровне субфмоль/мл с помощью SRM/MRM без иммуноаффинного обогащения. Журнал исследований протеома . 2014;13(2):1012–1020. doi: 10.1021/pr4010103. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Копылов А. Т., Згода В. Г., Лисица А. В., Арчаков А. И. Совместное использование технологии необратимого связывания и MRM для обнаружения и количественного определения низко- и сверхнизкокопийных белков. Протеомика .2013;13(5):727–742. doi: 10.1002/pmic.201100460. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Арчаков А., Иванов Ю., Лисица А., Згода В. Биоспецифический необратимый фишинг в сочетании с атомно-силовой микроскопией для обнаружения крайне малочисленных белков. Протеомика . 2009;9(5):1326–1343. doi: 10.1002/pmic.200800598. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Оливейра А. П., Людвиг К., Пикотти П., Когадеева М., Эберсолд Р., Зауэр У. Регуляция центрального метаболизма дрожжей путем фосфорилирования ферментов. Молекулярно-системная биология . 2012;8, статья 623 doi: 10.1038/msb.2012.55. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Лисица А., Мошковский С., Чернобровкин А., Пономаренко Е., Арчаков А. Профилирование протеоформ: перспективное развитие протеомики для открытия биомаркеров. Экспертиза протеомики . 2014;11(1):121–129. doi: 10.1586/14789450.2014.878652. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 34. Су З.-Д., Сунь Л., Ю Д.-Х. и др. Количественное обнаружение полиморфизмов отдельных аминокислот с помощью целевой протеомики. Журнал молекулярной клеточной биологии . 2011;3(5):309–315. doi: 10.1093/jmcb/mjr024. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 35. Ван К., Чаркади Р., Ву Дж. и др. Мутантные белки как канцерспецифические биомаркеры. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 2011;108(6):2444–2449. doi: 10.1073/pnas.1019203108. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]36. Лю С., Джин З., О’Брайен Р. и др. Ограниченный мониторинг избранных реакций: количественная оценка выбранных посттрансляционных модификаций и изоформ белков. Методы . 2013;61(3):304–312. doi: 10.1016/j.ymeth.2013.03.006. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]37. Ву Дж., Пунгалия П., Крайнов Э., Бейтс Б. Идентификация и количественная оценка сплайс-вариантов остеопонтина в плазме больных раком легкого с использованием иммуноаффинного захвата и целевой масс-спектрометрии. Биомаркеры . 2012;17(2):125–133. doi: 10.3109/1354750X.2011.643485. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 38. Оссола Р., Шисс Р., Пикотти П., Риннер О., Reiter R., Aebersold R. Валидация биомаркеров в образцах крови с помощью масс-спектрометрии мониторинга выбранных реакций N-гликозитов. Методы молекулярной биологии . 2011; 728:179–194. [PubMed] [Google Scholar] 39. Кеттенбах А. Н., Раш Дж., Гербер С. А. Абсолютная количественная оценка белка и количества посттрансляционных модификаций с помощью синтетических пептидов, меченных стабильными изотопами. Природные протоколы . 2011;6(2):175–186. doi: 10.1038/nprot.2010.196. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]40.Пономаренко Е., Поверенная Е., Пятницкий М. и др. Сравнительное ранжирование хромосом человека на основе постгеномных данных. OMICS: Журнал интегративной биологии . 2012;16(11):604–611. doi: 10.1089/omi.2012.0034. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 41. Кузебаух У., Дойч Э.В., Кэмпбелл Д.С., Сан З., Фарра Т., Мориц Р.Л. Использование PeptideAtlas, SRMAtlas и PASSEL: комплексные ресурсы для обнаружения и целевой протеомики. Текущие протоколы в биоинформатике .2014; 46:1–28. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [Google Scholar]42. Карр С.А., Аббатиелло С.Е., Акерманн Б.Л. и др. Целевые измерения пептидов в биологии и медицине: передовой опыт разработки методов масс-спектрометрии с использованием целевого подхода. Молекулярная и клеточная протеомика . 2014;13(3):907–917. doi: 10.1074/mcp.m113.036095. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Арчаков А., Асеев А., Быков В. и др. Геноцентрический взгляд на проект протеома человека: на примере российской дорожной карты по хромосоме 18. Протеомика . 2011;11(10):1853–1856. doi: 10.1002/pmic.201000540. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 44. Лисица А. В., Поверенная Е. В., Пономаренко Е. А., Арчаков А. И. Ширина протеома плазмы человека в сравнении с раковой клеточной линией и бактериями. Биомолекулярные исследования и терапия . 2015;4, статья 132 doi: 10.4172/2167-7956.1000132. [CrossRef] [Google Scholar]

Клетка содержит 42 миллиона белковых молекул, сообщают ученые — ScienceDaily

Официально — в простой клетке содержится около 42 миллионов белковых молекул, показала группа исследователей под руководством Гранта Брауна, профессор биохимии в Центре клеточных и биомолекулярных исследований Доннелли Университета Торонто.Анализируя данные почти двух десятков крупных исследований содержания белка в дрожжевых клетках, команда впервые смогла получить надежные оценки количества молекул для каждого белка, как показано в исследовании, опубликованном на этой неделе в журнале Cell Systems. .

Работа была выполнена в сотрудничестве с Анастасией Барышниковой, студенткой Университета Талума, а ныне главным исследователем Calico, калифорнийской биотехнологической компании, занимающейся проблемами старения.

Белки составляют наши клетки и выполняют в них большую часть работы.Таким образом, они оживляют генетический код, потому что рецепты построения белков хранятся в коде ДНК генов.

Объясняя работу, Браун сказал, что, учитывая, что «клетка является функциональной единицей биологии, просто естественное любопытство — хотеть узнать, что там и сколько каждого вида».

Несмотря на любопытство, есть еще одна причина, по которой ученые хотели бы подсчитывать белки. Многие заболевания вызваны недостатком или избытком определенного белка.Чем больше ученые узнают о том, как контролируется изобилие белка, тем лучше они смогут это исправить, когда что-то пойдет не так.

Несмотря на то, что исследователи изучали изобилие белка в течение многих лет, результаты были представлены в условных единицах, что посеяло путаницу в полевых условиях и затруднило сравнение данных, полученных в разных лабораториях.

Многие группы, например, оценивали уровень белка, прикрепляя флуоресцентную метку к белковым молекулам и определяя их количество по тому, насколько сильно светятся клетки.Но неизбежные различия в приборах означали, что разные лаборатории регистрировали разные уровни яркости, излучаемой клетками. Другие лаборатории измеряли уровни белков, используя совершенно другие подходы.

«Было трудно осмыслить, сколько белков содержится в клетке, потому что данные были представлены в совершенно разных масштабах», — сказал Брэндон Хо, аспирант лаборатории Брауна, проделавший большую часть работы над проектом.

Чтобы преобразовать произвольные измерения в число молекул на клетку, Хо обратился к пекарским дрожжам, легко изучаемому одноклеточному микробу, который дает представление о том, как работает основная клетка.Дрожжи также являются единственным организмом, для которого было достаточно данных для расчета количества молекул для каждого из 6000 белков, кодируемых геномом дрожжей, благодаря 21 отдельному исследованию, в котором измерялось количество всех дрожжевых белков. Для клеток человека таких наборов данных не существует, поскольку каждый тип клеток содержит только подмножество белков, кодируемых 20 000 генов человека.

Обилие существующих данных о дрожжах означало, что Хо мог собрать все это воедино, сравнить и преобразовать расплывчатые показатели обилия белка в «что-то, что имеет смысл, другими словами, количество молекул на клетку», — сказал Браун.

Анализ

Хо впервые показывает, сколько молекул каждого белка находится в клетке, при этом общее количество молекул оценивается примерно в 42 миллиона. Большинство белков существуют в узком диапазоне — от 1000 до 10 000 молекул. Некоторые из них необычайно многочисленны и составляют более полумиллиона копий, в то время как другие существуют менее чем в 10 молекулах в клетке.

Анализируя данные, исследователи смогли получить представление о механизмах, с помощью которых клетки контролируют количество различных белков, проложив путь к аналогичным исследованиям на клетках человека, которые могли бы помочь выявить молекулярные корни болезней.Они также показали, что запас белка коррелирует с его ролью в клетке, а это означает, что можно использовать данные об изобилии, чтобы предсказать, что делают белки.

Наконец, в открытии, которое порадует клеточных биологов во всем мире, Хо показал, что обычная практика пришивания светящихся меток к белкам мало влияет на их количество. Хотя этот подход произвел революцию в изучении биологии белков, принеся его первооткрывателям Осаму Шимомуре, Мартину Чалфи и Роджеру Циену Нобелевскую премию по химии в 2008 году, он также вызвал опасения, что маркировка может повлиять на долговечность белков, что приведет к искажению данных.

«Это исследование будет иметь большое значение для всего сообщества дрожжей и за его пределами», — сказал Роберт Нэш, старший биокуратор базы данных генома Saccharomyces, которая сделает данные доступными для исследователей во всем мире. Он также добавил, что, представляя содержание белка «в общем и интуитивно понятном формате, лаборатория Брауна предоставила другим исследователям возможность пересмотреть эти данные и тем самым облегчить сравнение исследований и выработку гипотез».

Исследование финансировалось Исследовательским институтом Канадского онкологического общества.

Источник истории:

Материалы предоставлены University of Toronto . Оригинал написан Джованной Дриньякович. Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Все белки человеческого тела

Синий узор справа показывает результаты экспериментов по разделению и идентификации белков внутри образцов тканей.Х. Хане, ТУМ Две группы ученых публикуют сегодня первые наброски протеома человека.

Протеом — это каталог всех различных белков, вырабатываемых человеческим телом. Это большое достижение.

Насколько большой? Давайте посмотрим на некоторые цифры только одной команды:

Ученые этой группы искали белки по всему человеческому телу.Они исследовали образцы из 17 органов тела, включая лобную кору головного мозга, сетчатку глаза, яичники, яички и многое другое. Кроме того, ученые проанализировали шесть типов клеток, обнаруженных в крови, и семь образцов, взятых из органов у плодов человека. Всего образцы были получены от девяти человек.

Команда идентифицировала белки, созданные 17 294 генами.

2 535 90 996 из этих генов создали белки, которые никогда ранее не были описаны наукой.

Ранее предполагалось, что

193 из этих генов вообще не являются генами, производящими белок.

В исследовании приняли участие 72 ученых из шести стран: США, Индии, Канады, Чили, Великобритании и Гонконга.

Вторая группа, состоящая из 22 ученых из разных институтов Германии, нашла похожие, хотя и не совсем одинаковые числа.Немецкая команда обнаружила белки, состоящие из 90 995 18 097 90 996 генов. Эти гены образовали 90 995 86 771 90 996 различных белков.

Почему ученые так интересуются белками? Белки – деятели человеческого тела. Они что-то строят, а что-то ломают. Они перебрасывают вещи. Они играют важную роль в сложном танце, который выполняет клетка, чтобы прочитать инструкции из собственной ДНК.Они также являются первичными продуктами ДНК. Все гены, которые у вас есть, существуют для производства белков. Когда у кого-то есть генетическое заболевание, у него проблемы с белком или несколькими белками, вырабатываемыми его телом.

После того, как в 2001 году ученые впервые прочитали всю ДНК человека, естественным следующим шагом стала идентификация всех белков, образуемых ДНК. Над этой целью работают несколько команд. Те, кто сегодня не опубликует первые наброски протеомов, наверняка продолжат свои исследования. Они попытаются более полно каталогизировать протеом и найти ошибки в сегодняшних черновиках.Это иллюстрация структуры миоглобина, одной из двух первых белковых структур, обнаруженных учеными. АзаТот/Викисклад

Одной из самых интересных сегодняшних находок являются белки, состоящие из 193 отдельных участков ДНК, которые раньше ученые даже не считали генами.За годы до того, как кто-либо приблизился к каталогизации человеческого протеома, ученые придумали математические модели для предсказания того, какие цепочки букв в ДНК являются инструкциями для создания белков. В конце концов, считается, что не все части ДНК кодируют белки. Так называемые некодирующие части генома могут помочь регулировать белки и/или они могут быть просто теперь бесполезными фрагментами генома, оставшимися в результате эволюции. (Есть некоторые споры о том, что делают некодирующие части генома.)

Международная команда протеомистов обнаружила белки, состоящие из 193 генов, обнаруженных в предположительно некодирующих областях генома человека.Очевидно, что стратегии ученых для предсказания кодирующих частей генома несовершенны. Это возможность узнать больше о том, почему то, что мы знаем сейчас, неверно.

Команды, представившие отчет сегодня, опубликуют свои результаты в двух онлайн-базах данных: Human Proteome Map и ProteomicsDB. Они опубликовали статьи о своей работе в журнале Nature .

Эта статья впервые появилась на Popular Science

3.7: Белки, гены и эволюция. Сколько в нас белков?

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
Без заголовков

Если эволюции не нужно было выбирать совершенно новые белки для каждой новой клеточной функции, то сколько генов нужно, чтобы создать организм? Количество генов в организме, которые кодируют белки, может быть намного меньше, чем количество белков, которые они на самом деле производят.Текущие оценки предполагают, что требуется всего 25 000 генов, чтобы создать и управлять человеком и всеми его белками (см. Pertea and Salzberg на Оценка количества генов в геноме человека ). Однако наши клетки (и клетки эукариот в целом) могут экспрессировать до 100 000 различных белков. Как это возможно? Существуют ли более эффективные способы развития новых и полезных клеточных задач, чем создание новых генов?

Как мы уже отмечали, использование одних и тех же 20 аминокислот для образования белков у всех живых существ говорит об их раннем (даже добиотическом) отборе и об общем происхождении всех живых существ.Сложные структуры консервативных доменов, общие для разных белков, предполагают, что эволюция функции белков происходила как за счет рекомбинаторного обмена сегментами ДНК, кодирующими эти субструктуры, так и за счет накопления замен оснований в избыточных генах. Точно так же мотивы и складки также могут быть разделены таким образом. Количество белков может превышать количество генов у эукариот, отчасти потому, что клетки могут производить разные варианты РНК из одних и тех же генов путем «альтернативного сплайсинга», что может создавать мРНК, кодирующие различные комбинации субструктур одного и того же гена! Альтернативный сплайсинг подробно обсуждается в следующей главе).Сохранение последовательностей аминокислот у разных видов (например, гистонов, глобинов и т. д.) свидетельствует об общем происхождении эукариот. Наряду с синтезом альтернативных версий РНК постоянное перепрофилирование полезных областей белковой структуры может оказаться стратегией производства новых белков без добавления новых генов в геном.

Сколько белков в протеоме человека?

У человека около 25 000 генов. Около 20 000 из этих генов являются генами, кодирующими белок. 1 Это означает, конечно, что люди производят не менее 20 000 белков. Не все они различны, поскольку в число генов, кодирующих белок, входит множество дуплицированных генов и семейств генов. Мы хотели бы знать, сколько различных белков содержится в протеоме человека.

Последний выпуск журнала Science содержит вставку с диаграммой протеома человека, подготовленную The Human Protein Atlas. Публикация была приурочена к выпуску новой версии Атласа клеток на заседании Американского общества клеточной биологии в Сан-Франциско.Атлас клеток отображает расположение около 12 000 белков в различных тканях и органах. Картирование выполняется в первую очередь путем проверки того, транскрибируется ли ген в данной ткани.

Всего 7367 генов (60%) экспрессируются во всех тканях. Эти гены «домашнего хозяйства» соответствуют основным метаболическим путям и пути экспрессии генов (например, субъединицы РНК-полимеразы, рибосомные белки, белки репликации ДНК). Большинство остальных генов тканеспецифичны или специфичны для развития.

Все это очень интересно, но не дает ответа на самый главный вопрос; а именно, сколько существует различных белков? Этот вопрос важен по двум причинам: (1) нам нужно знать, сколько из предполагаемых генов, кодирующих белок, на самом деле кодируют биологически функциональный белок, и (2) сколько генов производят различные версии белка с помощью таких механизмов, как альтернативная приправа. ?

Атлас белков человека ничего не говорит по обоим этим вопросам, поэтому нам нужно искать в другом месте.

Один из редакторов Science , Шон Сандерс, согласен с важностью этих вопросов, поскольку он представляет следующую схему: которые действительно делают тяжелую работу. Хотя в нашей ДНК закодировано около 20 000 генов, общее количество белков, по оценкам, во много раз больше — возможно, до миллиона. Это связано с тем, что один ген может продуцировать несколько вариантов определенного белка посредством, например, альтернативного сплайсинга матричной РНК.Посттрансляционная модификация возникающего белка, такая как фосфорилирование и гликозилирование, также может значительно или незначительно изменять его функцию, давая множество возможных вариантов белка. Я думаю, что это очень обманчиво. Я думаю, что большинство генов, кодирующих белок, производят только один функциональный полипептид, и этот единственный полипептид посттрансляционно модифицируется только ограниченным числом способов, чтобы произвести только один или очень несколько функциональных вариантов.

Не будем придираться к посттрансляционным модификациям.Давайте сосредоточимся на общем количестве различных полипептидов, продуцируемых генами, кодирующими белок. Спекуляции о роли альтернативного сплайсинга циркулируют в научной литературе уже более двадцати лет. Стандартный миф состоит в том, что люди производят много разных полипептидов (белков) из каждого гена благодаря альтернативному сплайсингу. Предположения варьируются от примерно 100 000 до почти одного миллиона.

Я называю это «спекуляциями», потому что они таковы. Данных, подтверждающих такие утверждения, нет.Часто они просто принимают желаемое за действительное, основанное на проблеме сдутого эго. Эта проблема возникла, когда сторонники человеческой исключительности поняли, что у людей примерно такое же количество генов, как и у «низших» организмов, таких как плодовые мушки и растения. Эти рабочие пытались спасти свое опустошенное эго, предлагая всевозможные обходные пути, чтобы компенсировать небольшое количество генов и объяснить, почему люди могут быть настолько более сложными, имея всего 25 000 генов. Одним из таких оправданий является альтернативный сплайсинг.

Один из моих недавних проектов состоял в том, чтобы исследовать этот вопрос, чтобы увидеть, что на самом деле говорят данные.Я все еще живу в мире, основанном на фактах, поэтому факты важны для меня. Результаты будут в главе 3 книги, над которой я работаю. Вот итог…

Сколько разных белков?

Было проведено множество исследований протеома человека, основанных в основном на масс-спектрометрии различных тканей [см. Сколько различных белков вырабатывается в типичной клетке человека? и Сколько белков производят люди?]. Результаты этих исследований не совпадают по количеству белков.Это потому, что техники сложные. Существует много примеров предсказанных белков, которых на самом деле не существует (ложноположительные результаты), и реальных белков, которые не обнаружены (ложноотрицательные результаты) (Paik et al., 2016).

Проект HUPO Human Proteome Project (HPP) пытается собрать и проанализировать все данные и создать хорошо поддерживаемую базу данных всех белков человека. Последняя версия этой базы данных содержит 19 467 предсказанных генов, кодирующих белки, или 16 518 из которых подтверждены убедительными доказательствами («надежная идентификация белков»).Остается 2949 «недостающих» белков (Omenn et al., 2016). Эти отсутствующие белки, вероятно, представляют собой белки, продуцируемые временно во время развития, или белки, ограниченные клетками, которые не анализировались в исследованиях масс-спектрометрии.

Другие базы данных, как правило, содержат меньше белков, например, Атлас белков человека рассматривал только 12 000 генов, кодирующих белки. Я думаю, мы можем быть уверены, что существует от 19 000 до 20 000 генов, кодирующих белки, которые на самом деле производят функциональные полипептиды.

Варианты сплайсинга

Очень трудно обнаружить большинство белков, предсказанных по сплайс-вариантам. Это связано с тем, что анализ протеома может выявить вариантный белок только в том случае, если он включает новый экзон или изменяет рамку считывания. Однако в базах данных вариантов сплайсинга есть тысячи предсказаний такого рода — они не были обнаружены (за небольшими исключениями). Не пора ли сделать вывод, что они не обнаружены, потому что их не существует?

Текущая проверка эталонной последовательности генома человека привела к устранению большинства вариантов сплайсинга для большинства генов.Кураторы пришли к выводу, что эти варианты, вероятно, представляют собой ошибки сплайсинга, а не настоящий альтернативный сплайсинг. Последняя версия RefSeq, например, перечисляет только один или два варианта сплайсинга для каждого гена. Он предсказывает около 40 000 различных белков из 20 000 генов. GENCODE предсказывает 80 000 различных белков из-за возможного альтернативного сплайсинга. Эти прогнозы намного ниже самых оптимистичных предположений прошлого.

Большинство этих предсказаний не были подтверждены фактическим обнаружением варианта полипептида, полученного путем альтернативного сплайсинга.Если вы внимательно посмотрите на отдельные гены, вы быстро увидите, что большинство этих предсказаний не имеют никакого смысла. Когда биологи-структурологи анализируют эти предсказания, они обычно заключают, что предсказанные белки нефункциональны, даже если они существуют. Вот к чему пришла группа структурных биологов, изучив прогнозы, сделанные пилотным исследованием ENCODE в 2007 году. Tress et al. В заключение,

Альтернативный сплайсинг премессенджерной РНК позволяет генам генерировать более одного генного продукта.События сплайсинга, происходящие в областях, кодирующих белок, могут изменять биологическую функцию экспрессируемого белка и даже создавать новые функции белка. Альтернативный сплайсинг был предложен как одно из объяснений несоответствия между количеством генов человека и функциональной сложностью. Здесь мы проводим подробное исследование продуктов альтернативного сплайсинга генов, аннотированных в пилотном проекте ENCODE. Мы обнаруживаем, что альтернативный сплайсинг в генах человека встречается чаще, чем это обычно предполагалось, и мы показываем, что многие из потенциальных продуктов альтернативных генов будут иметь заметно отличающуюся структуру и функцию от их конститутивно сплайсированных аналогов.Для подавляющего большинства этих альтернативных изоформ существует мало доказательств того, что они играют роль функциональных белков, и кажется маловероятным, что спектр обычных ферментативных или структурных функций может быть существенно расширен за счет альтернативного сплайсинга.
Имейте в виду, что предсказанные белки не были обнаружены. Вы не можете опровергнуть альтернативный сплайсинг при отсутствии доказательств, поэтому лучшее, что вы можете сделать, это применить здравый смысл, как Тресс и др. (2007) делают. Нет никаких доказательств того, что геном человека производит 100 000 различных полипептидов из-за альтернативного сплайсинга, и множество доказательств того, что это маловероятно.

Майкл Тресс и его коллеги продолжили это исследование, изучив более свежие прогнозы (Tress et al., 2016). Они пришли к выводу, что

Альтернативный сплайсинг обычно считается основным источником разнообразия клеточных белков. Однако, хотя многие тысячи альтернативно сплайсированных транскриптов обычно выявляются в исследованиях секвенирования РНК, надежный крупномасштабный анализ протеомики на основе масс-спектрометрии идентифицирует лишь небольшую часть аннотированных альтернативных изоформ. Самый очевидный вывод из протеомных экспериментов заключается в том, что большинство генов человека имеют единственную изоформу основного белка, в то время как те альтернативные изоформы, которые идентифицированы, имеют тенденцию быть наиболее биологически вероятными: те, которые имеют наибольшую межвидовую консервативность и те, которые не ставят под угрозу функциональные домены.В самом деле, большинство альтернативных экзонов, по-видимому, не находятся под селективным давлением, указывая на то, что подавляющее большинство предсказанных альтернативных транскриптов могут даже не транслироваться в белки.
Это не единичный пример. Среди экспертов растет консенсус в отношении того, что большинство вариантов сплайсинга возникают из-за ошибок сплайсинга, а настоящий альтернативный сплайсинг не получил широкого распространения. Нет убедительных доказательств того, что люди производят 100 000 или даже 40 000 различных полипептидов всего из 20 000 генов, кодирующих белок. Пора прекратить распространять ложные мифы об альтернативном сплайсинге и пора начать иметь дело с фактами и доказательствами.
1. Это спортивная фигурка. Фактическое количество проверенных генов, кодирующих белок, приближается к 19 000.

Omenn, GS, Lane, L., Lundberg, EK, Beavis, RC, General, CM, and Deutsch, EW (2016) -трансляционные модификации. Журнал исследований протеома, 15:3951-3960. [doi: 10.1021/acs.jproteome.6b00511]

Пайк, Ю.-К., В целом, К.М., Дойч, Э.В., Хэнкок, В.С., и Оменн, Г.С. (2016) Прогресс в проекте хромосомно-центрического протеома человека, освещенный в ежегодном специальном выпуске IV. Журнал исследований протеома, 15:3945-3950. [doi: 10.1021/acs.jproteome.6b00803]

Тресс, М.Л., Мартелли, П.Л., Франкиш, А., Ривз, Г.А., Весселинк, Дж.Дж., Йейтс, К., Солфур Оласон, П., Альбрехт, М. , Hegyi, H., and Giorgetti, A. (2007) Последствия альтернативного сплайсинга в комплементе белка ENCODE.Труды Национальной академии наук, 104:5495-5500. [doi: 10.1073/pnas.0700800104]

Тресс М.Л., Абаскал Ф. и Валенсия А. (2016) Альтернативный сплайсинг не может быть ключом к сложности протеома.


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*
*