Белки состоят: Белки, жиры, углеводы. Справка — РИА Новости, 23.08.2010

Содержание

Строение белков — урок. Химия, 8–9 класс.

Белки являются обязательной составной частью любого живого организма и играют важнейшую роль в обеспечении процессов жизнедеятельности.

 

В состав белков обязательно входят четыре химических элемента: углерод, водород, кислород и азот. Многие белки содержат серу. В состав некоторых входит фосфор. Есть белки, содержащие атомы металлов.

Белки — природные высокомолекулярные вещества (полимеры), состоящие из остатков аминокислот.

Аминокислотные остатки соединены в макромолекулах белков пептидной группой −NH−CO−, поэтому белки относят к полипептидам.

В состав белков входят двадцать аминокислот строения Nh3−C|H−COOHR.  Аминокислотные остатки соединяются в макромолекулы белков в различной последовательности. Число аминокислотных остатков в молекулах тоже может быть разное. Поэтому разнообразие белков практически безгранично и у каждого живого существа набор белковых молекул особый, неповторимый.

 

Белковые молекулы могут содержать от одного до нескольких сотен и даже тысяч аминокислотных остатков, поэтому их относительные молекулярные массы изменяются от десятков тысяч до нескольких миллионов. Так, относительная молекулярная масса гемоглобина равна \(68 000\), яичного белка — \(44 000\), а вируса гриппа — \(32 000 000\).

 

Свойства белка в первую очередь определяются порядком соединения аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Последовательность аминокислотных остатков в макромолекуле называется первичной структурой белка.

Первичная структура

  

Существуют вторичная (спираль) и третичная (клубок) структуры белковых молекул. Они образуются в результате внутримолекулярного взаимодействия частей полипептидной цепи.

 

Вторичная структура

  

Третичная структура

  

Несколько белковых молекул могут соединяться друг с другом и образовывать четвертичную структуру.

 

Четвертичная структура

Олег Михайловский: «Точное предсказание структуры белка даст прорыв в создании лекарств»

Фантасты прошлого мечтали об искусственном сверхразуме, который решит все проблемы человечества. Но сейчас мы чаще видим такие заголовки: «Нейросеть подделала голоса знаменитостей», «нейросеть научилась заменять лица актеров в фильмах», «нейросеть записала рэп-альбом»…

Впрочем, есть и по-настоящему серьезные достижения. Одно из них связано с предсказанием поведения живых систем. В конце 2020 года программисты DeepMind — исследовательского подразделения Google — создали программу, которая может построить структуру белка по последовательности его аминокислот. На основе этих данных ученые могут узнать о белке очень многое. В том числе и то, как он работает.

Олег Михайловский — сотрудник Лаборатории биомолекулярного ядерно-магнитного резонанса СПбГУ, один из тех, кто в России занимается изучением структуры белков. Он разрабатывает дополнение к программному пакету Amber — одному из двух крупнейших в мире инструментов для биомолекулярного моделирования. Разработка ученого позволяет получать высокоточные структуры белков на основе данных рентгеновской дифракции и компьютерной симуляции молекулярной динамики.

Мы попросили его рассказать простыми словами об исследованиях, которые мало кто понимает, но которые могут изменить нашу жизнь уже очень скоро.

О том, почему структура белка — это «загадка века»

Белки выполняют очень много функций в организме. Проще сказать, чего они не делают. Например, ферменты, которые помогают нам переваривать еду — это белки. Из фибриллярных белков состоят наши ткани, такие как мышцы или волосы. Белки участвуют в формировании иммунитета, обеспечивают саморегуляцию организма — например, свертываемость крови.

На эту тему

Представьте длинную нить из связанных друг с другом шнурков разного цвета, которые сплетены в очень затейливую фигуру. Шнурки — это аминокислоты, строительные элементы белка. Основных аминокислот всего двадцать, но они расположены в разном порядке. Узнав их последовательность, можно попытаться теоретически предсказать структуру белка и то, как он ведет себя в организме. А это открывает огромные возможности.

Могу привести в пример болезнь Альцгеймера. Один из ее характерных признаков — накопление в мозге неправильно свернутых белков бета-амилоидов, которые вызывают гибель нейронов. По сути, из-за неправильной структуры белки начинают друг на друга наслаиваться и блокировать взаимодействие между клетками. Такие поломки в белках неплохо бы идентифицировать. А потом уже на основании модели внести мутацию туда, где она будет полезна. Увеличить активность какого-нибудь белка. Или, наоборот, снизить ее.

​​​О прорыве, которые обеспечили нейросети

Технически мы можем определить структуру белка вручную. Например, с помощью рентгеновской кристаллографии. Как это происходит? Мы выращиваем кристаллик с белком, светим на него лучом и получаем красивые картиночки с детектора. Дальше мы смотрим, где у нас на картинке точки интенсивности, и по ним можем рассчитать модель этого белка — то есть понять, где какой атом находится.

Но с нуля получить эту модель очень сложно и затратно. На одно только выращивание кристаллика хорошего качества может уйти несколько месяцев, в зависимости от белка, однако заранее предсказать, сколько займет процесс подбора «правильных» условий для его роста, практически невозможно. А есть белки, которые вообще никак не кристаллизуются. Есть и другие методы спектроскопии, такие как ЯМР, но они по своим причинам могут не сработать. И тут нам помогает компьютерное моделирование.

© Валентина Певцова/ТАСС

Если мы не знаем структуру какого-то нового белка, ее можно попробовать предсказать по структуре его «родственника». За много лет на основе экспериментальных данных у нас накопилось порядка 170 тысяч уже известных структур. Если обучить машинный алгоритм на их основе, можно получить относительно точные предсказания. Например, нейросеть AlphaFold2 от Google. Но их модель ошибается примерно на размер атома, а это может быть важным для предсказания взаимодействий этого белка с другими молекулами.

Но мы все равно не можем обойтись без экспериментов. Модель AlphaFold тренируется на определенном наборе, но что она делает помимо этого набора, сложно сказать. Для известных белков мы можем подтвердить или опровергнуть результат, полученный с помощью нейросети.

А для новых мы проверить результаты никак не можем. Поэтому нужно получать экспериментальные данные, чтобы подтверждать предсказания. И как раз обработка этих данных с помощью нашей программной “надстройки” позволяет строить максимально точные модели белков, которые пока не под силу ни одной нейросети.

О том, как провести эксперимент в виртуальной реальности

Эксперимент на компьютере — звучит странно. Но это именно эксперимент. Ты запускаешь симуляцию и смотришь на результат. У нас есть определенный базовый протокол, по которому идет симуляция. Ты настраиваешь условия, и нужно посмотреть, что будет происходить в зависимости от этих условий. А этих условий, например, сотня. Естественно, руками их настраивать никто не будет — для этого я пишу скрипт. Думаю, любой современный ученый должен уметь работать со скриптами, без этого уже невозможно. 100 условий руками щелкать — это не прикольно.

Как это происходит на практике? Допустим, нам нужно попытаться предсказать, как одна молекула соединяется с другой. Есть математическая функция, которая описывает, как себя ведут атомы друг по отношению к другу. Мы подставляем условия и просчитываем их для тысячи разных молекул — по отношению к одной целевой. Запускаем тысячу симуляций. Потом на основании результатов можно, например, понять, как будет работать молекула лекарства.

Самое интересное — когда ты получил результаты и пытаешься вычленить какой-то паттерн в том, что ты получил. Какую-то закономерность. У тебя есть критерии оценки. Бывает, ты обнаруживаешь, что паттерна нету. Но ты все равно пытаешься найти объяснение, почему это так. Конечно, когда ты попробовал кучу разного и понял, что ничего не работает, — наступает разочарование. Но я стараюсь такие дни забывать. Утром просыпаешься свежим и пытаешься пробовать снова. 

О пути из математиков в биологи

Хотя сейчас моя работа происходит в основном на компьютере, я могу и электрод к мозгу мышки подключить, и провести спектроскопический эксперимент. Хотя начинал я с математики.

Я учился в обычной школе в Петербурге и параллельно ходил в Центр компьютерных технологий в Аничковом дворце, учился программированию. 

Как-то в очередной год я пришел записываться дальше, и преподаватель мне говорит: попробуй поступить в Лабораторию непрерывного математического образования. Я пришел туда, пообщался с директором. Прошел какое-то тестирование — было очень сложно. Но начал ходить. Было очень непривычно, что там уже занятия назывались парами — с 9 класса. И нам уже тогда давали научных руководителей. От этой школы я стал ездить на российские и международные научные конференции для школьников, участвовать в конкурсах. Например, ездил на знаменитую Intel ISEF в США и получил там премию Американского математического общества.

Дальше был матмех СПбГУ по специализации дифференциальные уравнения и динамические системы. Я даже поступил в аспирантуру, но что-то все-таки не удовлетворяло. И в итоге я стал подавать документы в другие университеты на другие специальности. Я слушал курсы на Coursera и других площадках, не связанных с математикой. Стал интересоваться биохимией, нейронными сетями.

© Валентина Певцова/ТАСС

И так сошлись звезды, что мою заявку одобрили и мне предложили поступить на междисциплинарную программу в Университете Пердью в США.  В первый год на этой программе каждый студент проходит четыре так называемых ротации — у разных научных руководителей. Смотрит, что ему больше по душе. Причем ты выбираешь их сам. Я успел позаниматься программированием в области биоинформатики, был в лаборатории изучения нейронной деятельности. Даже мышек резал. Но никаких зверств, все было очень гуманно.

Я знаю, как аккуратно подключить электрод к мозгу мышки. А это очень непросто! Руководитель говорил, что у меня классно все получается. Но меня отвернул от этой работы… запах. Виварий, где мышки растут — он просто ужасно пахнул. После двух месяцев работы там мне казалось, что от меня постоянно пахнет виварием. Даже когда я менял одежду.

По итогу ротаций мой выбор пал на лабораторию химического факультета, которая занималась ЯМР-спектроскопией белков. В диссертации тематика сменилась с одной спектроскопии на другую — рентгеновскую. Защищался я уже во время пандемии, но не дистанционно. В большой аудитории на 100 человек были 4-5 членов комитета, рассаженные по разным концам комнаты. А потом я вернулся в Россию. Так получилось, что глава диссертационного комитета в Пердью, Николай Скрынников, также работал и здесь, в Лаборатории биомолекулярного ЯМР Института трансляционной биомедицины СПбГУ. Мы продолжаем развивать начатый еще во время работы над моей диссертацией проект, и сейчас я тружусь в его лаборатории.

О конкуренции и сотрудничестве

Сегодня наука — это коллективная работа. Конечно, мы конкурируем — например, за гранты. Тебе интересна какая-то тема, ты плюс-минус знаешь, какие люди занимаются ей по всему миру. И ищешь пробелы в работах других. Такие пробелы, которые бы принесли пользу. И хочется опубликовать свой результат раньше других.

Бывает так, что за полгода до твоей публикации кто-то другой выпускает статью по той же теме. Приходит разочарование, но ты пытаешься искать выходы из этой ситуации. Смотришь: ага, вот они сделали это, а я сделаю что-то другое. Похожее, но все-таки в другую сторону. 

На эту тему

Но нет такого, что наука — это джунгли, и тебя обязательно съедят. Конкуренция есть, но можно кому-то написать, посоветоваться. Можно даже договориться: “Я подожду, пока вы опубликуетесь, а я потом выпущу свой результат”. В мировой практике вообще приняты коллаборации — между учеными из разных стран, лабораторий.  У нас, например, есть коллаборации с университетами в Европе, Америке и Азии, например, с Ратгерским университетом в США и Университетом Цинхуа в Китае.

Знаете, я вспоминаю лекцию Джеймса Уотсона, первооткрывателя ДНК, которая проходила в СПбГУ, по-моему, в 2017 году. Его спросили, что для ученого важно в целом. А его область практически моя. И он сказал три вещи… Не ручаюсь за точность, но постараюсь передать смысл. Первое: stay curious. А второе: be kind. Третью я не запомнил, но первые две абсолютно, на мой взгляд, точны. Оставаться голодным до результатов и быть приятным по отношению к своим коллегам. Без этого сложно выстроить коммуникации и существовать в сообществе. 

О вкладе в науку и планах

Проблема рентгеновских моделей в том, что они статичны, а белок — система динамическая. В некоторых местах модель структуры белка получается “замыленной”, и непонятно, что там происходит. Моя задача как раз состоит в том, чтобы позволить программе “додумать”, как белок ведет себя в местах, пропущенных на рентгеновской картинке. 

Если этот инструмент найдет широкого пользователя — будет классно. Но это задача, так сказать, фундаментальная, внутренняя, научная. А если говорить о глобальных планах… Мне было бы интересно заниматься чем-то более прикладным, например, разработкой продуктов, которые уже в ближайшей перспективе могут помочь в борьбе с экологическими проблемами. Например, дизайном энзимов — это специальный класс белков — которые перерабатывают пластик. И дают окружающему нас миру ощутимую пользу уже сейчас.

© Валентина Певцова/ТАСС

Я все-таки не зря так часто менял свои области деятельности. Мне интересно то, что можно применить к природе, к миру, который нас окружает. Вообще, страшно идти в новую отрасль. Но как-то перебарываешь себя — и шагаешь в пропасть. А как иначе?

О превосходстве машин над человеком — и наоборот

Нейросеть не дает понимание того, как она приходит к выводу. Она выдает какой-то результат, но не объясняет, почему. Если нейросеть написала картину или музыку — она может мне нравиться, а может не нравиться. Мне интересно, когда барабанщик не попал в такт. Я буду думать: это сделано намеренно или случайно? Когда это сделала нейросеть — это абсолютно точно намеренно. Это алгоритм. Мы вроде как понимаем, что он делает, но не понимаем, что там внутри.

Машина — черный ящик, но и человек в каком-то смысле тоже. Бывает, у меня долго в голове не складывается какое-то решение. Или я не понимаю, как применять ту или иную формулу — когда-то, еще на матмехе, так было. И вдруг в какой-то момент я просыпаюсь и осознаю: вот зачем это нужно! Кто скажет, почему именно в этот момент все случилось? Что соединилось в мозге, под влиянием чего? Так что — да, человек тоже черный ящик. Но гораздо более интересный.

Подготовил Антон Солдатов

Строение белков

Среди органических веществ белки, или протеины, — самые многочисленные, наиболее разнообразные и имеющие первостепенное значение биополимеры. На их долю приходится 50 — 80% сухой массы клетки.

Молекулы белков имеют большие размеры, поэтому их называют макромолекулами. Кроме углерода, кислорода, водорода и азота, в состав белков могут входить сера, фосфор и железо. Белки отличаются друг от друга числом (от ста до нескольких тысяч), составом и последовательностью мономеров. Мономерами белков являются аминокислоты (рис. 1)

Бесконечное разнообразие белков создается за счет различного сочетания всего 20 аминокислот. Каждая аминокислота имеет свое название, особое строение и свойства. Их общую формулу можно представить в следующем виде:

Молекула аминокислоты состоит из двух одинаковых для всех аминокислот частей, одна из которых является аминогруппой (—NH2) с основными свойствами, другая — карбоксильной группой (—COOH) с кислотными свойствами. Часть молекулы, называемая радикалом (R), у разных аминокислот имеет различное строение. Наличие в одной молекуле аминокислоты основной и кислотной групп обусловливает их высокую реакционную способность. через эти группы происходит соединение аминокислот при образовании белка. При этом возникает молекула воды, а освободившиеся электроны образуют пептидную связь. Поэтому белки называют полипептидами.

Молекулы белков могут иметь различные пространственные конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной организации.

Последовательность аминокислот в составе полипептидной цепи представляет первичную структуру белка. Она уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
Большинство белков имеют вид спирали в результате образования водородных связей между —CO- и —NH- группами разных аминокислотных остатков полипептидной цепи. Водородные связи малопрочные, но в комплексе они обеспечивают довольно прочную структуру. Эта спираль — вторичная структура белка.

Третичная структура — трехмерная пространственная «упаковка» полипептидной цепи. В результате возникает причудливая, но для каждого белка специфическая конфигурация — глобула. Прочность третичной структуры обеспечивается разнообразными связями, возникающими между радикалами аминокислот.

Четвертичная структура характерна не для всех белков. Она возникает в результате соединения нескольких макромолекул с третичной структурой в сложный комплекс. Например, гемоглобин крови человека представляет комплекс из четырех макромолекул белка.
Такая сложность структуры белковых молекул связана с разнообразием функций, свойственных этим биополимерам.
Нарушение природной структуры белка называют денатурацией. Она может происходить под воздействием температуры, химических веществ, лучистой энергии и других факторов. При слабом воздействии распадается только четвертичная структура, при более сильном — третичная, а затем — вторичная, и белок остается в виде полипептидной цепи.
Этот процесс частично обратим: если не нарушена первичная структура, то денатурированный белок способен восстанавливать свою структуру. Отсюда следует, что все особенность строение макромолекулы белка определяются его первичной структурой.

Кроме простых белков, состоящих только из аминокислот, есть еще и сложные белки


Другие заметки по биологии

Что на самом деле происходит в вашем теле, когда вы едите белок

Белок является золотым ребенком среди макроэлементов. Это абсолютно несправедливо по отношению к углеводам и жирам, но белок, безусловно, делает достаточно, чтобы заслужить хорошую репутацию. Мы знаем, что белок (протеин) — это здорово, но зачем он нам нужен, и что с ним делает наш организм? Вот короткое описание того, что в действительности случается, когда вы едите белок.

Что такое белок на самом деле

Как мы уже упоминали, белок является одним из 3-х макроэлементов (т.е. питательных веществ, необходимых организму в значительных объёмах). Белок обычно не является главным источником энергии, хотя мы определенно получаем часть этой энергии из белка, который содержит 4 калории в каждом грамме. Но белок часто называют строительным блоком в организме из-за его центральной роли в росте и развитии.

Почти все продукты различного животного происхождения – молоко, мясо, яйца, птица, рыба — содержат значительное количество белка, поэтому, говоря о нашем рационе питания, они обозначаются как «белки». Но белок также присутствует во многих растительных продуктах питания. Например, в бобах, горохе, орехах и семенах есть большое количество белка, в то время как овощи и зерновые обычно содержат меньше.

Разнообразные виды белков

Белки состоят из маленьких блоков, которые называются аминокислотами. Аминокислоты — это органические соединения, содержащие структуры, состоящие из таких элементов, как водород, углерод, азот и кислород. Сотни или тысячи аминокислот соединяются, образуя сверхдлинные цепи, и последовательность этих цепочек определяет уникальную функцию белка.

Всего существует 20 разнообразных аминокислот, которые могут быть разделены на 2 группы. Девять из двадцати являются незаменимыми аминокислотами, что означает, что организм не в состоянии вырабатывать их самостоятельно, и поэтому мы должны получать их из еды. Остальные 11 заменимы, поскольку организм способен создавать их из незаменимых аминокислот или нормального процесса расщепления белков. Многие из этих заменимых аминокислот также считаются условными аминокислотами, поскольку они могут стать незаменимыми в редких и тяжелых случаях, когда организм не в состоянии синтезировать аминокислоты должным образом.

Теперь, когда белок является хорошим источником всех девяти незаменимых аминокислот, мы называем его полным белком. Все продукты различно животного происхождения являются полноценными белками, как и соя. Если какая-либо из незаменимых аминокислот отсутствует или уровень белка достаточно низок, он считается неполным. Большинство растительных продуктов питания считаются неполноценными белками.

Хорошая новость для вегетарианцев, веганов и любителей растительной пищи, что вы все еще можете легко получить все необходимые аминокислоты, питаясь широким диапазоном неполных белков. Неполные белки часто не содержат одной или двух аминокислот, поэтому можно восполнить недостаток другим продуктом. Например, в зернах мало аминокислот, называемых лизином, а в бобах и орехах мало метионина. Но когда вы едите, скажем, бобы и рис или пшеничные тосты с ореховым маслом, вы получаете все аминокислоты, которые вы получаете из курицы. 

Зачем нам вообще нужен белок
Данный материал является неотъемлемым элементом каждой клеточки организма, включая ваши мышцы. Если мы не получим достаточного количества протеина, наше тело не сможет восстановиться должным образом, и мы начнем терять мышечную массу.

Помимо роста мышц, протеин необходим для роста и восстановления практически всех клеток и тканей тела — кожи, волос и ногтей, костей, органов и жидкостей организма. Поэтому особенно важно получать его в достаточном количестве в период развития, например, в детстве и подростковом возрасте.
Белки также играют главную роль в таких важных функциях организма, как свертывание крови, реакция иммунной системы, зрение, жидкостной баланс и выработка различных ферментов и гормонов. А поскольку он содержит калории, он может обеспечить организм энергией.

Что происходит в вашем организме, когда вы едите белок

Мы же не едим кусочек курицы, а белок поступает прямо к нашим бицепсам. Диетический белок расщепляется и снова собирается в различные виды белков, которые существуют в организме. Независимо от того, какой белок вы едите, первая цель организма — разбить его на все различные аминокислотные блоки, из которых он создается.

Разложение белка требует больше времени и усилий, чем углеводов, но не столько, сколько для жира. Оно начинается во рту, так как белки и особенно животные белки обычно жуют больше, чем другие виды продуктов. Этот механический процесс — самый первый шаг пищеварения.

Затем эти кусочки белка перемешиваются с желудочными соками, в которых кислоты и ферменты, расщепляют пищу. Затем эта смесь поступает в тонкий кишечник, где находятся более специализированные ферменты и кислоты, что помогает расщепить этот белок до конца. Как только вы получите эти маленькие аминокислоты, они будут готовы работать.

Как организм использует белок

Эти аминокислоты попадают в печень, где перемешиваются и перестраиваются в любой тип белка, который нужен вашему организму. Ваш организм постоянно регенерируется и заменяет клетки и ткани, поэтому всегда есть потребность в разнообразных белках. Например, некоторые белки в организме составляют антитела, которые дают иммунной системе выводить из организма бактерии и вирусы. Другие помогают в синтезе ДНК, химических реакциях или переносе других молекул.

Количество белка, необходимого организму для восстановления тканей и роста, зависит от пола, возраста, состава тела, состояния здоровья и уровня активности, но большинство из нас получают более чем достаточно белка для удовлетворения этих потребностей. Проблема в том, что как только ваши ткани получат все необходимые аминокислоты, у них не будет никакой дополнительной пользы.
Так что же произойдет с остальным, когда потребление белка превысит потребности наших тканей? У нас практически нет возможности хранить белок в нашем организме. Вот почему вам необходимо употреблять белок в течение дня, каждый день.

Поскольку в дальнейшем мы не сможем использовать избыток по назначению, организм разрушает его и укладывает в жировую ткань. Для этого печень удаляет азот из аминокислот и утилизирует его через мочу в виде отходов, называемых карбамидом. Остается то, что называется альфа-кетокислотами, которые чаще всего подвергаются химическому процессу, превращающему их в триглицериды для хранения в наших жировых тканях.

То, через что мы только что прошли, все еще слишком упрощает реальность того, что происходит, когда мы едим белок (или любую другую пищу). Переваривание и обмен веществ — это сложные процессы, постоянно происходящие на клеточном уровне. Но даже это может заставить вас по-настоящему оценить, что ваше тело на самом деле делает с белком, который вы едите.

Белок — все статьи и новости

Белок — сложное органическое вещество, которое состоит из 20 аминокислот, связанных между собой пептидной связью, и является особенно значимым для процессов жизнедеятельности любого организма. Белки, например, управляют экспрессией генов — процессом, в ходе которого наследственная информация от генов преобразуется в РНК или белок. Поэтому другое название этих соединений — протеины, что в переводе с греческого означает «первый» или «главный». Свое русское наименование белки получили по веществу, обнаруженному в птичьих яйцах, которое при нагревании имеет свойство сворачиваться в массу белого цвета.

В живом организме среди всех имеющихся соединений больше всего именно аминокислотных. К настоящему моменту ученые смогли исследовать примерно 3 млрд белков, в человеческом организме удалось зафиксировать около 50 тысяч. Весь обнаруженный массив было принято делить на группы по различным признакам. Белки, напоминающие своей формой шар, называют глобулярными, а те, которые больше походят на вытянутую нить, — фибриллярными. По выполняемым в организме функциям данные соединения делятся на структурные, придающие клеточным тканям специальную форму; каталитические, или ферменты, ускоряющие биохимические реакции; регуляторные, к которым относится большинство гормонов, поддерживающих в организме необходимый баланс; защитные, которые способны узнавать и при необходимости атаковать чужеродные тела (к этой группе относятся белки, участвующие в процессе свертывания крови). Важным источником белков, не синтезируемых в человеческом организме, являются продукты животного происхождения.

Изучение белков ведется с конца XVIII века. Мощный рывок в биохимических исследованиях был сделан во второй половине XIX столетия, когда Теодор Шванн и Жан Корвизар установили, что белки образуются из аминокислот. Среди отечественных ученых особых высот в изучении белков достиг Владимир Энгельгардт. Ему принадлежат работы об антиферментах, свойствах гемоглобина и методов консервирования крови.

Источник картинки: http://wb.md/1oNaFaj

Флуоресценция белка может быть эффективным индикатором химической и радиационной токсичности

Красноярские ученые предложили использовать для изучения и регистрации токсичности простейшую биологическую систему — целентерамид-содержащие флуоресцентные белки.

Механизмы токсических эффектов представляют собой наиболее злободневный предмет фундаментальных исследований в области токсикологии. Известно, что токсичность — биологическое понятие; оно означает подавление физиологических функций организмов под действием химических агентов или радиации. Количественно токсичность определяется с помощью биотестовых систем; в качестве таких систем возможно использование организмов различной сложности — начиная от высших и заканчивая клеточными.

Обычно наибольший интерес вызывает токсическое воздействие на сложные биосистемы, такие как человеческий организм или высшие животные. Вместе с тем, изучение токсических эффектов с использованием более простых «кирпичиков» этих организмов — клеток или ферментативных реакций — позволяет понять механизмы токсических эффектов, соответственно, на клеточном или биохимическом уровне. Так, например, понимание биохимических механизмов токсичности дает возможность создавать лекарственные препараты направленного действия.

Недавно красноярские ученые предложили использовать для изучения токсичности еще более простую биологическую систему — особые флуоресцентные белки. Они полагают, что использование этих белков способно перевести понимание токсических эффектов на базовый уровень — уровень элементарных физико-химических процессов.

Сотрудники Института биофизики КНЦ СО РАН и Сибирского федерального университета (Красноярск) давно изучают токсические эффекты с помощью биотестовых систем, способных испускать свет — люминесцировать. Люминесценция — физическое явление, ее интенсивность регистрируется с помощью простых физических приборов. Именно поэтому люминесцентное биотестирование токсичности широко распространено в мировой практике. Наиболее часто используются люминесцентные морские бактерии — одноклеточные организмы, которые встречаются в море как в свободном виде, так и в светящихся органах рыб. В последние десятилетия набирают популярность ферментативные люминесцентные биотесты, то есть ферментативные реакции светящихся бактерий. Недавно сибирскими учеными предложено использование целентерамид-содержащих флуоресцентных белков, которые являются продуктами биолюминесцентных реакций некоторых морских светящихся кишечнополостных — медуз, полипов. В отличие от «зеленых» флуоресцентных белков, которые в настоящее время широко используются в качестве флуоресцентных меток в медицинских и биологических исследованиях, целентерамид-содержащие белки не получили широкого признания, и их потенциал явно недооценен. Спектры флуоресценции этих белков могут варьироваться за счет формирования различных флуоресцентных форм. Соотношение между этими формами определяется эффективностью фотохимического переноса протона, а она, в свою очередь, зависит от воздействия токсичных веществ на белковый комплекс.

Известно, что флуоресцентные белки состоят из ароматического флуорофора и полипептида. Флуорофором целентерамид-содержащих белков, как следует из их названия, является молекула целентерамида, образующая комплекс с полипептидом. Входящая в состав комплекса молекула целентерамида, фотохимически активна; при возбуждении светом она способна к отдаче протона, как показано на рис. 1.

Перенос протона меняет цвет флуоресценции целентерамида: форма целентарамида, содержащая протон, характеризующаяся «фиолетовой» флуоресценцией, депротонированная форма характеризуется «сине-зеленой» флуоресценцией.

Ученые Красноярска показали, что термические, химические и радиационные воздействия изменяют спектры флуоресценции целентерамид-содержащего белка. В качестве примера такого белка они использовали «разряженный обелин» — продукт биолюминесцентной реакции морского кишечнополостного обелии. На рис. 2 представлены спектры флуоресценции этого белка. Из рисунка видно, что воздействие химических агентов или радиации изменяет вклады цветных компонент — увеличивает вклад фиолетовой и уменьшает вклад сине-зеленой флуоресценции. Токсический эффект оценивается именно по изменению вкладов этих компонент.

Возможность использования целентерамид-содержащих белков для оценки химической и радиационной токсичности обоснована в недавнем обзоре красноярских ученых (Talanta, 2017). Преимущества использования этих белков связаны с их фотобиологической активностью: так как перенос протона в возбужденном состоянии — чрезвычайно быстрый (наносекундный) процесс, скорость одного измерения лимитируется только длительностью регистрации спектра флуоресценции. Причем воспроизводимость этих измерений высока; она соответствует воспроизводимости физических экспериментов. Это важно для решения проблемы воспроизводимости биологических измерений, которая всегда возникает при использовании организмов и ферментативных реакций.

Последнее исследование красноярских ученых было связано с изучением воздействия на флуоресцентный белок низкодозовой радиации. Оно выполнено в сотрудничестве с коллегами из Московского государственного университета (кафедра радиохимии), результаты опубликованы в журнале Analytical&Biochemical Chemistry. В качестве радиоактивного элемента в этих экспериментах выбран тритий, бета-излучающий изотоп водорода, который принято считать одним из наименее токсичных радиоизотопов.

На рис. 3 показано изменение вкладов фиолетовой и сине-зеленой компонент спектра флуоресценции белка под действием трития. Тритий входил в состав тритиевой воды, которую добавляли в раствор белка. Наблюдения проводили в течение 18 суток. Максимальная доза радиоактивности, накопленная образцом белка, оказалась равной 0,28 Грей, что близко к условной границе малых доз. Из рисунка видно, что воздействие трития приводит к увеличению вклада фиолетовой и уменьшению вклада сине-зеленой компонент по сравнению с контрольными образцами. Видно также, что даже сутки воздействия трития (соответствующего дозе 0,03 Грей) вызывают заметные изменения вкладов цветных компонент, что указывает на высокую чувствительность белка к низкодозовому излучению.

Таким образом, красноярскими учеными предложен принципиально новый подход к изучению токсичности с использованием простейшей биотестовой системы — флуоресцентного белка, его фотобиологических свойств и регистрации флуоресценции «цветных» компонент фотобиологического процесса. Предлагаемый подход переводит понимание токсических эффектов на уровень элементарных физико-химических процессов.

Надежда Кудряшева, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института биофизики Сибирского отделения РАН, ФИЦ КНЦ СО РАН

Тритий и его биологическая активность

Тритий в малых количествах всегда присутствует в окружающей среде, в основном в виде тритиевой воды, так как он постоянно образуется под действием космического излучения в верхних слоях атмосферы. До начала ядерной эры концентрация трития в природной воде была достаточно низкой — один атом трития на 1018 атомов нерадиоактивного изотопа водорода, протия. Однако после проведения испытаний термоядерного оружия в атмосфере (конец 50-х — начало 60-х годов ХХ века) концентрация трития повысилась почти в 1000 раз. И хотя после прекращения испытаний концентрация трития снижалась, в последние годы наблюдается локальное увеличение содержания трития в окружающей среде как результат работы атомных электростанций.

В процессе распада тритий (3H) превращается в положительно заряженный изотоп гелия-3 с испусканием электрона и антинейтрино. Максимальный пробег образующихся при распаде бета-частиц (электронов) в воздухе 5,8 мм при 20?С, в биологической ткани — 6,5 мкм. Бета-частицы трития полностью поглощаются роговыми слоями кожи, так что внешнее облучение организма тритием и его соединениями не представляет опасности. Опасно его попадание в организм через кожу, легкие или при приеме пищи и воды и распад уже в организме. Являясь изотопом водорода, тритий химически ведет себя так же, как и нерадиоактивный водород (протий), и поэтому способен замещать его во всех соединениях с кислородом, серой, азотом, легко проникая в протоплазму любой клетки. В этом случае распад трития способен серьезно повредить внутриклеточные структуры, включая генетический аппарат клеток.

Предложенный красноярскими учеными подход переводит понимание токсических эффектов на уровень элементарных физико-химических процессов

Важную роль в физико-химических процессах, сопровождающих распад трития, играет перераспределение электронной плотности в среде. При распаде трития возникает бета-частица и положительно заряженный ион гелия-3. Последняя частица чрезвычайно активна, она склонна к акцептированию электрона из окружающей среды (например, ближайшей органической молекулы) с образованием устойчивой оболочки инертного газа. При этом инициируются катион-радикалы различной активности. Таким образом, продукты бета-распада трития способны запускать (или активизировать) цепи переноса заряда/электрона в биохимических процессах. В результате описанных процессов локальное воздействие при распаде трития может быть достаточно эффективным. Поэтому изучение биологических эффектов трития является одной из актуальных задач современной биофизики и радиобиологии и имеет практическое значение для безопасного развития атомной индустрии.

Словарь

Флуорофор — фрагмент молекулы, придающий ей флуоресцентные свойства.

Пептид, полипептид, белок

Аминокислоты способны соединяться связями, которые называются пептидными, при этом образуется полимерная молекула. Если количество аминокислот не превышает 10, то новое соединение называется пептид; если от 10 до 40-50 аминокислот — полипептид, если аминокислот больше — белок.

Грей — единица поглощенной дозы ионизирующего излучения в Международной системе единиц. Доза равна одному грею, если в результате поглощения ионизирующего излучения вещество получило один джоуль энергии на один килограмм массы.

Путь к идеальному белку | Friso Russia

Давайте сегодня поговорим о белке, одном из наиболее важных компонентов питания ребенка первого года жизни. Функции белка разнообразны. Он является основным пластическим («строительным») материалом, поэтому, конечно же, очень важен в периоды бурного роста Вашего малыша. Белок играет огромную роль в работе практически всех органов и систем организма человека. От его количества и качества в большой степени зависит то, как Ваш ребенок будет расти, развиваться, справляться с инфекциями.

Молекулы белка являются, пожалуй, самыми сложными в организме человека. Белки состоят из 20 различных аминокислот, которые собираются в цепочки, как бусы, в различных комбинациях, чем определяют различные свойства белков. Некоторые из аминокислот являются незаменимыми, т. е. организм не может их синтезировать самостоятельно и должен получать с пищей. У детей таких незаменимых аминокислот больше, чем у взрослых. В процессе пищеварения специальные протеолитические ферменты расщепляют белки, поступившие с пищей, до аминокислот. В дальнейшем из этих аминокислот организм синтезирует собственные белки, необходимые для его жизнедеятельности.

Потребность в белке у детей разного возраста отличается. Более всего в белке нуждаются грудные и дети раннего возраста. Существуют строгие рекомендации по количеству этого компонента в рационе малыша, которых придерживаются все производители детского питания. Поэтому при выборе продуктов питания для Вашего ребенка обязательно обращайте внимание на маркировку, для какого возраста рекомендуется тот или иной продукт. Для правильного роста и развития ребенку нужно именно оптимальное количество белка, не должно быть как недостатка, так и избытка этого компонента.

Наряду с этим крайне важным является полноценность белка, которая определяется присутствием в его составе всех необходимых аминокислот в определенном количестве и соотношении. Возможно, что это звучит очень сложно и не понятно, как определить, качественный ли белок входит в рацион Вашего ребенка. В случае грудного вскармливания Вы можете быть уверены, что малыш получает полноценный белок в достаточном количестве. Именно грудное молоко является лучшим питанием на первом году жизни человека. Белок грудного молока имеет идеальный состав, в него входит весь спектр необходимых аминокислот, он прекрасно переваривается и усваивается. Доказано, что белок материнского молока не вызывает аллергических реакций и нарушений пищеварения. Дорогие мамы, кормите своего малыша грудью!

В тоже время, переход на искусственное вскармливание может быть связан с рядом сложностей, поскольку не все смеси одинаково перевариваются и усваиваются. Лучше сразу выбрать продукт, который будет хорошо переноситься ребенком, поскольку частая смена искусственных смесей может приводить к развитию запоров и других нарушений пищеварения. Но как это сделать? На что стоит обратить внимание при выборе детской молочной смеси для здорового ребенка?

Основой хорошей переносимости ребенком того или иного продукта, в первую очередь, является качество белкового компонента. Особенности переваривания белка зависят от нескольких факторов: это и рекомендуемый уровень белка в смеси, а этот показатель, как уже говорилось выше, обязательно соблюдается в рекомендованных пределах всеми производителями. Это и соотношение белковых фракций, поскольку для детей первого года жизни рекомендуется преобладание сывороточной фракции над казеином. А также качество молока, ведь именно молоко является источником белка в детской молочной смеси. Но как это может повлиять на усвоение белка из смеси? Для того, чтобы ответить на этот вопрос позвольте немного рассказать вам о том, как происходит создание тех детских молочных продуктов, которые вы видите на полках детских магазинов.

В процессе производства любой детской молочной смеси молоко подвергается температурной обработке, что в первую очередь оказывает влияние на свойства белка. Под длительным воздействием высоких температур происходит денатурация белка -изменение строения белковой молекулы, которая приобретает новые свойства. Такой измененный белок плохо усваивается ребенком, не расщепляется полностью пищеварительными ферментами, может приводить к развитию пищевой аллергии, возникновению запоров и кишечных колик.

Каким образом можно избежать этих негативных изменений белка в процессе производства? Ответственные производители прилагают много усилий для решения этого вопроса. Особого внимания заслуживает опыт голландской компании ФризлендКампина, которая производит современные детские молочные смеси Фрисо, обладающие как прекрасной переносимостью, так и отличными вкусовыми качествами. Компания ФризлендКампина начала свой путь к идеальному белку с полного контроля всей технологической цепочки, начиная с коровьего молока, которое получают на собственных фермах компании, и, заканчивая конечным продуктом, который родители покупают для своего ребенка.

В компании ФризлендКампина действуют строгие требования к состоянию здоровья коров, условиям их содержания и, конечно, качеству получаемого молока. Компания использует только свежее молоко с собственных фермерских хозяйств, что дает возможность использовать щадящую температурную обработку в процессе производства. Это позволяет добиться максимального сохранения натуральных свойств белка, хорошей переносимости, а также прекрасных вкусовых качеств детских молочных смесей Фрисо.

Помните, что правильное питание на первом году жизни человека – это залог здоровья в будущем!

 

Что такое белок? Биолог объясняет

Примечание редактора: Натан Альгрен — доцент кафедры биологии в Университете Кларка. В этом интервью он подробно объясняет, что такое белки, как они производятся, а также широкий спектр функций, которые они выполняют в организме человека.

Натан Альгрен объясняет, что делают белки в нашем организме.

Что такое белок?

Белок — это основная структура, которая встречается во всем живом. Это молекула.И главное в белке — это то, что он состоит из более мелких компонентов, называемых аминокислотами. Мне нравится думать о них как о бусинах разного цвета. Каждая бусина представляет собой аминокислоту, представляющую собой более мелкие молекулы, содержащие атомы углерода, кислорода, водорода и иногда атомы серы. Итак, белок — это, по сути, цепочка, состоящая из этих маленьких отдельных аминокислот. Есть 22 различных аминокислоты, которые вы можете комбинировать по-разному.

Белок обычно не существует в виде цепочки, но фактически сворачивается в определенную форму в зависимости от порядка и того, как эти разные аминокислоты взаимодействуют друг с другом.Эта форма влияет на то, что белок делает в нашем организме.

Откуда берутся аминокислоты?

Аминокислоты в нашем организме поступают из пищи, которую мы едим. Мы также производим их в нашем теле. Например, другие животные производят белки, а мы их едим. Наш организм берет эту цепочку и разбивает ее на отдельные аминокислоты. Затем он может преобразовать их в любой белок, который нам нужен.

После того, как белки расщепляются на аминокислоты в пищеварительной системе, они попадают в наши клетки и как бы плавают внутри клетки, как эти маленькие отдельные шарики в нашей аналогии.А внутри клетки ваше тело в основном связывает их вместе, чтобы вырабатывать белки, необходимые вашему организму.

Примерно половину необходимых нам аминокислот мы можем производить самостоятельно, а остальные мы должны получать из пищи.

Что делают белки в нашем организме?

Ученые не совсем уверены, но большинство из них согласны с тем, что в нашем организме около 20 000 различных белков. Некоторые исследования предполагают, что их может быть даже больше. Они выполняют множество функций — от некоторых метаболических преобразований до удержания ваших клеток вместе и заставляя ваши мышцы работать.

Их функции делятся на несколько широких категорий. Один структурный. Ваше тело состоит из множества различных структур — представьте себе струнные структуры, шарики, якоря и т. Д. Они образуют вещество, которое скрепляет ваше тело. Коллаген — это белок, который придает структуру вашей коже, костям и даже зубам. Интегрин — это белок, который обеспечивает гибкие связи между вашими клетками. Ваши волосы и ногти состоят из протеина, называемого кератином.

Еще одна важная роль, которую они берут на себя, — это биохимия — то, как ваше тело выполняет определенные реакции в вашей клетке, такие как расщепление жиров или аминокислот.Помните, я сказал, что наше тело расщепляет белок из пищи, которую мы едим? Даже эту функцию выполняют такие белки, как пепсин. Другой пример — гемоглобин — белок, переносящий кислород в крови. Итак, они проводят эти особые химические реакции внутри вас.

Белки также могут обрабатывать сигналы и информацию, например белки циркадных часов, которые отслеживают время в наших клетках, но это несколько основных категорий функций, которые белки выполняют в клетке.

Почему белок часто ассоциируется с мышцами и мясом?

Разные продукты имеют разное содержание белка. В таких растениях, как пшеница и рис, много углеводов, но они менее богаты белком. Но в мясе вообще больше белка. Для создания мышц вашего тела требуется много белка. Вот почему белок часто ассоциируется с употреблением мяса и наращиванием мышечной массы, но на самом деле белки участвуют в гораздо большем, чем это.

[ Получайте удовольствие от разговора каждые выходные. Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку.]

белков | Биология для майоров I

Описать структуру и функции белков

Белки — это полимеры аминокислот. Каждая аминокислота содержит центральный атом углерода, водород, карбоксильную группу, аминогруппу и переменную группу R. Группа R указывает, к какому классу аминокислот она принадлежит: электрически заряженные гидрофильные боковые цепи, полярные, но незаряженные боковые цепи, неполярные гидрофобные боковые цепи и особые случаи.

Белки имеют разные «слои» структуры: первичный, вторичный, третичный, четвертичный.

Белки выполняют в клетках самые разные функции. Основные функции включают действие в качестве ферментов, рецепторов, транспортных молекул, белков, регулирующих экспрессию генов, и так далее. Ферменты — это биологические катализаторы, которые ускоряют химическую реакцию без постоянных изменений. У них есть «активные центры», где связывается субстрат / реагент, и они могут быть либо активированы, либо ингибированы (конкурентные и / или неконкурентные ингибиторы).

Цели обучения

  • Продемонстрировать знакомство с мономерными единицами белков: аминокислоты
  • Определите различные слои структуры белка
  • Определите несколько основных функций белков

Аминокислоты

Белки являются одними из наиболее распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным набором функций среди всех макромолекул. Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными; они могут служить для транспортировки, хранения или перепонки; или они могут быть токсинами или ферментами.Каждая клетка живой системы может содержать тысячи белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Однако все они представляют собой полимеры из аминокислот и , расположенных в линейной последовательности.

Рис. 1. Аминокислоты имеют центральный асимметричный углерод, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и боковая цепь (R-группа).

Аминокислоты — это мономеры, из которых состоят белки. Каждая аминокислота имеет одинаковую фундаментальную структуру, которая состоит из центрального атома углерода, также известного как альфа ( α ) углерода, связанного с аминогруппой (Nh3), карбоксильной группой (COOH) и атомом водорода. .Каждая аминокислота также имеет другой атом или группу атомов, связанных с центральным атомом, известную как группа R (рис. 1).

Название «аминокислоты» происходит от того факта, что они содержат как аминогруппу, так и карбоксильно-кислотную группу в своей основной структуре. Как уже упоминалось, в белках присутствует 20 аминокислот. Десять из них считаются незаменимыми аминокислотами у человека, потому что человеческий организм не может их производить, и они получают их с пищей.

Для каждой аминокислоты группа R (или боковая цепь) отличается (рис. 2).

Практический вопрос

Рис. 2. В белках обычно встречаются 20 общих аминокислот, каждая из которых имеет свою R-группу (вариантная группа), которая определяет его химическую природу.

Какие категории аминокислот вы ожидаете найти на поверхности растворимого белка, а какие — внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в липидный бислой?

Показать ответ

Полярные и заряженные аминокислотные остатки (остаток после образования пептидной связи) с большей вероятностью будут обнаружены на поверхности растворимых белков, где они могут взаимодействовать с водой, и неполярные (например.g., боковые цепи аминокислот) с большей вероятностью будут обнаружены внутри, где они изолированы от воды. В мембранных белках неполярные и гидрофобные боковые цепи аминокислот связаны с гидрофобными хвостами фосфолипидов, в то время как полярные и заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют с полярными головными группами или с водным раствором. Однако бывают исключения. Иногда положительно и отрицательно заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют друг с другом внутри белка, а полярные или заряженные боковые цепи аминокислот, которые взаимодействуют с лигандом, могут быть обнаружены в кармане связывания лиганда.

Химическая природа боковой цепи определяет природу аминокислоты (то есть, является ли она кислотной, основной, полярной или неполярной). Например, аминокислота глицин имеет атом водорода в качестве группы R. Аминокислоты, такие как валин, метионин и аланин, неполярны или гидрофобны по природе, тогда как аминокислоты, такие как серин, треонин и цистеин, полярны и имеют гидрофильные боковые цепи. Боковые цепи лизина и аргинина заряжены положительно, поэтому эти аминокислоты также известны как основные аминокислоты.Пролин имеет группу R, которая связана с аминогруппой, образуя кольцеобразную структуру. Пролин является исключением из стандартной структуры анимокислоты, поскольку его аминогруппа не отделена от боковой цепи (рис. 2).

Аминокислоты обозначаются одной заглавной буквой или трехбуквенным сокращением. Например, валин обозначается буквой V или трехбуквенным символом val. Так же, как некоторые жирные кислоты необходимы для диеты, некоторые аминокислоты также необходимы. Они известны как незаменимые аминокислоты, а у людей они включают изолейцин, лейцин и цистеин.Незаменимые аминокислоты относятся к тем, которые необходимы для построения белков в организме, но не производятся организмом; Какие аминокислоты являются незаменимыми, варьируется от организма к организму.

Рис. 3. Образование пептидной связи — это реакция синтеза дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой входящей аминокислоты. При этом выделяется молекула воды.

Последовательность и количество аминокислот в конечном итоге определяют форму, размер и функцию белка.Каждая аминокислота присоединена к другой аминокислоте ковалентной связью, известной как пептидная связь, которая образуется в результате реакции дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа входящей аминокислоты объединяются, высвобождая молекулу воды. Полученная связь является пептидной связью (рис. 3).

Продукты, образованные такими связями, называются пептидами. Чем больше аминокислот присоединяется к этой растущей цепи, полученная цепь известна как полипептид. Каждый полипептид имеет свободную аминогруппу на одном конце.Этот конец называется N-концом или амино-концом, а другой конец имеет свободную карбоксильную группу, также известную как C или карбоксильный конец. Хотя термины полипептид и белок иногда используются взаимозаменяемо, полипептид технически представляет собой полимер аминокислот, тогда как термин белок используется для полипептида или полипептидов, которые объединились вместе, часто имеют связанные непептидные простетические группы, имеют различную форму. , и имеют уникальную функцию. После синтеза (трансляции) белков большинство белков модифицируются.Они известны как посттрансляционные модификации. Они могут подвергаться расщеплению, фосфорилированию или могут потребовать добавления других химических групп. Только после этих модификаций белок становится полностью функциональным.

Эволюционное значение цитохрома c

Цитохром c является важным компонентом цепи переноса электронов, частью клеточного дыхания, и обычно он находится в клеточной органелле, митохондрии. Этот белок имеет простетическую группу гема, а центральный ион гема попеременно восстанавливается и окисляется во время переноса электрона.Поскольку роль этого важного белка в производстве клеточной энергии имеет решающее значение, за миллионы лет он очень мало изменился. Секвенирование белков показало, что существует значительная степень гомологии аминокислотной последовательности цитохрома с среди различных видов; другими словами, эволюционное родство можно оценить путем измерения сходства или различий между последовательностями ДНК или белков различных видов.

Ученые определили, что цитохром с человека содержит 104 аминокислоты.Для каждой молекулы цитохрома с из разных организмов, которая была секвенирована на сегодняшний день, 37 из этих аминокислот появляются в одном и том же положении во всех образцах цитохрома с. Это указывает на то, что, возможно, был общий предок. При сравнении последовательностей белков человека и шимпанзе различий в последовательностях не обнаружено. Когда сравнивали последовательности человека и макаки-резуса, единственное обнаруженное различие заключалось в одной аминокислоте. В другом сравнении секвенирование человека и дрожжей показывает разницу в 44-м положении.

Структура белка

Как обсуждалось ранее, форма белка имеет решающее значение для его функции. Например, фермент может связываться со специфическим субстратом в сайте, известном как активный сайт. Если этот активный центр изменяется из-за локальных изменений или изменений в общей структуре белка, фермент может быть неспособен связываться с субстратом. Чтобы понять, как белок приобретает свою окончательную форму или конформацию, нам необходимо понять четыре уровня структуры белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.

Первичная структура

Уникальная последовательность аминокислот в полипептидной цепи — это ее первичная структура. Например, гормон поджелудочной железы инсулин имеет две полипептидные цепи, А и В, и они связаны между собой дисульфидными связями. N-концевой аминокислотой A-цепи является глицин, а C-концевой аминокислотой — аспарагин (рис. 4). Последовательности аминокислот в цепях A и B уникальны для инсулина.

Рис. 4. Инсулин бычьей сыворотки — это белковый гормон, состоящий из двух пептидных цепей: A (длиной 21 аминокислота) и B (длиной 30 аминокислот).В каждой цепи первичная структура обозначена трехбуквенными сокращениями, которые представляют названия аминокислот в порядке их присутствия. Аминокислота цистеин (cys) имеет сульфгидрильную (SH) группу в качестве боковой цепи. Две сульфгидрильные группы могут реагировать в присутствии кислорода с образованием дисульфидной (S-S) связи. Две дисульфидные связи соединяют цепи A и B вместе, а третья помогает цепи A свернуться в правильную форму. Обратите внимание, что все дисульфидные связи имеют одинаковую длину, но для ясности показаны разные размеры.

Уникальная последовательность каждого белка в конечном итоге определяется геном, кодирующим этот белок. Изменение нуклеотидной последовательности кодирующей области гена может привести к добавлению другой аминокислоты к растущей полипептидной цепи, вызывая изменение структуры и функции белка. При серповидно-клеточной анемии цепь гемоглобина β (небольшая часть которой показана на рисунке 5) имеет единственную аминокислотную замену, вызывающую изменение структуры и функции белка.

Рис. 5. Бета-цепь гемоглобина имеет длину 147 остатков, однако единственная аминокислотная замена приводит к серповидно-клеточной анемии. В нормальном гемоглобине аминокислота в седьмом положении — глутамат. В серповидно-клеточном гемоглобине этот глутамат заменен валином.

В частности, аминокислота глутаминовая кислота заменена валином в цепи β . Что наиболее примечательно, так это то, что молекула гемоглобина состоит из двух альфа-цепей и двух бета-цепей, каждая из которых состоит примерно из 150 аминокислот.Таким образом, молекула содержит около 600 аминокислот. Структурное различие между нормальной молекулой гемоглобина и молекулой серповидноклеточных клеток — что резко снижает продолжительность жизни — состоит в одной из 600 аминокислот. Что еще более примечательно, так это то, что эти 600 аминокислот кодируются тремя нуклеотидами каждая, и мутация вызвано одним изменением основания (точечной мутацией), 1 из 1800 оснований.

Рис. 6. В этом мазке крови, визуализированном при 535-кратном увеличении с помощью светлопольной микроскопии, серповидные клетки имеют форму полумесяца, а нормальные клетки имеют форму диска.(кредит: модификация работы Эда Усмана; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Из-за этого изменения одной аминокислоты в цепи молекулы гемоглобина образуют длинные волокна, которые искажают двояковогнутые или дискообразные эритроциты и принимают форму полумесяца или «серпа», что закупоривает артерии (рис. 6). Это может привести к множеству серьезных проблем со здоровьем, таких как одышка, головокружение, головные боли и боли в животе у людей, страдающих этим заболеванием.

Вторичная структура

Локальное сворачивание полипептида в некоторых областях приводит к вторичной структуре белка.Наиболее распространены листовые структуры α -спираль и β -гофрированные (рис. 7). Обе структуры представляют собой структуру α -спираль — спираль, форма которой удерживается водородными связями. Водородные связи образуются между атомом кислорода в карбонильной группе одной аминокислоты и другой аминокислотой, которая находится на четыре аминокислоты дальше по цепи.

Рис. 7. α-Спираль и β-складчатый лист — это вторичные структуры белков, которые образуются из-за водородных связей между карбонильными и аминогруппами в основной цепи пептида.Некоторые аминокислоты имеют склонность к образованию α-спирали, а другие — к образованию β-складчатого листа.

Каждый виток альфа-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка. Группы R (вариантные группы) полипептида выступают из α -спиральной цепи. В листе с складками β складки образованы водородными связями между атомами в основной цепи полипептидной цепи. Группы R прикреплены к атомам углерода и проходят выше и ниже складок складки.Гофрированные сегменты выровнены параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуются между частично положительным атомом азота в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе основной цепи пептида. α -спиральные и β -складчатые листовые структуры обнаружены в большинстве глобулярных и волокнистых белков, и они играют важную структурную роль.

Третичная структура

Уникальная трехмерная структура полипептида — это его третичная структура (рис. 8).Эта структура частично обусловлена ​​химическими взаимодействиями в полипептидной цепи. Прежде всего, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа групп R, присутствующих в задействованных аминокислотах, может противодействовать образованию водородных связей, описанных для стандартных вторичных структур. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Когда происходит сворачивание белка, гидрофобные группы R неполярных аминокислот лежат внутри белка, тогда как гидрофильные группы R лежат снаружи.Первые типы взаимодействий также известны как гидрофобные взаимодействия. Взаимодействие между боковыми цепями цистеина образует дисульфидные связи в присутствии кислорода, единственную ковалентную связь, образующуюся во время сворачивания белка.

Рис. 8. Третичная структура белков определяется множеством химических взаимодействий. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.

Все эти взаимодействия, слабые и сильные, определяют окончательную трехмерную форму белка.Когда белок теряет свою трехмерную форму, он может больше не функционировать.

Четвертичная структура

В природе некоторые белки образованы из нескольких полипептидов, также известных как субъединицы, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру. Слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет комбинацию водородных и дисульфидных связей, из-за которых он в основном собирается в шар.Инсулин начинается как отдельный полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности в присутствии посттрансляционной модификации после образования дисульфидных связей, которые удерживают вместе оставшиеся цепи. Шелк (волокнистый белок), однако, имеет складчатую листовую структуру β , которая является результатом водородных связей между различными цепями.

Четыре уровня структуры белка (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) показаны на Рисунке 9.

Рисунок 9.На этих иллюстрациях можно увидеть четыре уровня белковой структуры. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

Денатурация и сворачивание белков

Каждый белок имеет свою уникальную последовательность и форму, которые удерживаются вместе за счет химических взаимодействий. Если белок подвержен изменениям температуры, pH или воздействию химикатов, структура белка может измениться, потеряв свою форму без потери своей первичной последовательности в так называемой денатурации.Денатурация часто обратима, поскольку первичная структура полипептида сохраняется в процессе, если денатурирующий агент удаляется, позволяя белку возобновить свою функцию. Иногда денатурация необратима, что приводит к потере функции. Одним из примеров необратимой денатурации белка является жарение яйца. Белок альбумина в жидком яичном белке денатурируется при помещении на горячую сковороду. Не все белки денатурируются при высоких температурах; например, бактерии, которые выживают в горячих источниках, содержат белки, которые функционируют при температурах, близких к температуре кипения.Желудок также очень кислый, имеет низкий pH и денатурирует белки как часть процесса пищеварения; однако пищеварительные ферменты желудка в этих условиях сохраняют свою активность.

Сворачивание белка имеет решающее значение для его функции. Первоначально считалось, что сами белки несут ответственность за процесс сворачивания. Только недавно было обнаружено, что часто они получают помощь в процессе сворачивания от белков-помощников, известных как шапероны (или шаперонины), которые связываются с целевым белком во время процесса сворачивания.Они действуют, предотвращая агрегацию полипептидов, составляющих полную структуру белка, и отделяются от белка, как только целевой белок сворачивается.

Чтобы получить дополнительную информацию о белках, просмотрите этот анимационный ролик под названием «Биомолекулы: белки».

Функция белков

Основные типы и функции белков перечислены в таблице 1.

Таблица 1. Типы и функции белков
Тип Примеры Функции
Пищеварительные ферменты Амилаза, липаза, пепсин, трипсин Помощь в переваривании пищи за счет катаболизма питательных веществ до мономерных единиц
Транспорт Гемоглобин, альбумин Переносит вещества в крови или лимфе по всему телу
Строительный Актин, тубулин, кератин Создавать различные структуры, такие как цитоскелет
Гормоны Инсулин, тироксин Координировать деятельность различных систем организма
Оборона Иммуноглобулины Защитите организм от инородных патогенов
Сократимость Актин, миозин Эффект сокращения мышц
Хранилище Запасные белки бобовых, яичный белок (альбумин) Обеспечить питание на ранних этапах развития зародыша и проростка

Два специальных и распространенных типа белков — это ферменты и гормоны. Ферменты , которые продуцируются живыми клетками, являются катализаторами биохимических реакций (например, пищеварения) и обычно представляют собой сложные или конъюгированные белки. Каждый фермент специфичен для субстрата (реагента, который связывается с ферментом), на который он действует. Фермент может помочь в реакциях разложения, перегруппировки или синтеза. Ферменты, которые расщепляют свои субстраты, называются катаболическими ферментами, ферменты, которые строят более сложные молекулы из своих субстратов, называются анаболическими ферментами, а ферменты, влияющие на скорость реакции, называются каталитическими ферментами.Следует отметить, что все ферменты увеличивают скорость реакции и, следовательно, считаются органическими катализаторами. Примером фермента является амилаза слюны, которая гидролизует свою субстратную амилозу, компонент крахмала.

Гормоны — это химические сигнальные молекулы, обычно небольшие белки или стероиды, секретируемые эндокринными клетками, которые контролируют или регулируют определенные физиологические процессы, включая рост, развитие, метаболизм и размножение. Например, инсулин — это белковый гормон, который помогает регулировать уровень глюкозы в крови.

Белки имеют разную форму и молекулярную массу; некоторые белки имеют глобулярную форму, тогда как другие имеют волокнистую природу. Например, гемоглобин — это глобулярный белок, а коллаген, обнаруженный в нашей коже, — это волокнистый белок. Форма белка имеет решающее значение для его функции, и эта форма поддерживается многими различными типами химических связей. Изменения температуры, pH и воздействие химикатов могут привести к необратимым изменениям формы белка, что приведет к потере функции, известной как денатурация.Все белки состоят из 20 одних и тех же аминокислот по-разному.

Вкратце: Белки

Белки — это класс макромолекул, которые выполняют широкий спектр функций для клетки. Они помогают метаболизму, обеспечивая структурную поддержку и действуя как ферменты, переносчики или гормоны. Строительными блоками белков (мономеров) являются аминокислоты. Каждая аминокислота имеет центральный углерод, связанный с аминогруппой, карбоксильной группой, атомом водорода и R-группой или боковой цепью.Существует 20 обычно встречающихся аминокислот, каждая из которых отличается по группе R. Каждая аминокислота связана со своими соседями пептидной связью. Длинная цепь аминокислот известна как полипептид.

Белки подразделяются на четыре уровня: первичный, вторичный, третичный и (необязательно) четвертичный. Первичная структура — это уникальная последовательность аминокислот. Локальное сворачивание полипептида с образованием таких структур, как спираль α и складчатый лист β , составляет вторичную структуру.Общая трехмерная структура — это третичная структура. Когда два или более полипептида объединяются, чтобы сформировать полную структуру белка, такая конфигурация известна как четвертичная структура белка. Форма и функция белка неразрывно связаны; любое изменение формы, вызванное изменениями температуры или pH, может привести к денатурации белка и потере функции.

Проверьте свое понимание

Ответьте на вопросы ниже, чтобы увидеть, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе.В этой короткой викторине , а не засчитываются для вашей оценки в классе, и вы можете пересдавать ее неограниченное количество раз.

Используйте этот тест, чтобы проверить свое понимание и решить, следует ли (1) изучить предыдущий раздел дальше или (2) перейти к следующему разделу.

Protein Folding: хорошее, плохое и уродливое

Мы часто думаем о белках как о питательных веществах в пище, которые мы едим, или как о главном компоненте мышц, но белки также представляют собой микроскопические молекулы внутри клеток, которые выполняют разнообразные и жизненно важные функции.Завершив проект «Геном человека», ученые обращают внимание на «протеом» человека — каталог всех человеческих белков. Эта работа показала, что мир белков увлекателен, он полон молекул с такими замысловатыми формами и точными функциями, что они кажутся почти фантастическими.

Функция белка зависит от его формы, и, когда образование белка идет не так, получаемые в результате деформированные белки вызывают проблемы, которые варьируются от плохих, когда белки пренебрегают своей важной работой, до уродливых, когда они образуют липкую комковатую массу внутри клеток.Текущие исследования показывают, что мир белков далек от первозданного. Образование белка — это процесс, подверженный ошибкам, и ошибки на этом пути были связаны с рядом заболеваний человека.

Большой мир белков:

В типичной человеческой клетке содержится от 20 000 до более чем 100 000 уникальных типов белков. Почему так много? Белки — это рабочие лошадки клетки. Каждый мастерски выполняет конкретную задачу. Некоторые из них являются структурными, например, придают жесткость и жесткость мышечным клеткам или длинным тонким нейронам.Другие связываются с определенными молекулами и доставляют их в новые места, а третьи катализируют реакции, которые позволяют клеткам делиться и расти. Такое разнообразие и специфичность функций стало возможным благодаря, казалось бы, простому свойству белков: они сворачиваются.

Белки складываются в функциональную форму

Белок начинается в клетке как длинная цепочка, состоящая в среднем из 300 строительных блоков, называемых аминокислотами. Существует 22 различных типа аминокислот, и их порядок определяет, как белковая цепь будет складываться сама по себе.При складывании первыми обычно образуются конструкции двух типов. Некоторые области белковой цепи сворачиваются в тонкие образования, называемые «альфа-спиралями», в то время как другие области складываются в зигзагообразные узоры, называемые «бета-листами», которые напоминают складки бумажного веера. Эти две структуры могут взаимодействовать, образуя более сложные структуры. Например, в одной структуре белка несколько бета-листов обвиваются вокруг себя, образуя полую трубку с несколькими альфа-спиралями, выступающими из одного конца. Трубка короткая и приземистая, так что общая структура напоминает змей (альфа-спирали), выходящих из банки (бета-листовая трубка).Несколько других белковых структур с описательными названиями включают «бета-ствол», «бета-пропеллер», «альфа / бета-подкову» и «складку желе-ролла».

Эти сложные структуры позволяют белкам выполнять свою разнообразную работу в клетке. Белок «змеи в банке», будучи встроенным в клеточную мембрану, создает туннель, который позволяет входить и выходить из клеток. Другие белки образуют формы с карманами, называемыми «активными центрами», которые идеально подходят для связывания с определенной молекулой, например, с замком и ключом.Сворачиваясь в различные формы, белки могут выполнять очень разные роли, несмотря на то, что они состоят из одних и тех же основных строительных блоков. Чтобы провести аналогию, все автомобили сделаны из стали, но обтекаемая форма гоночного автомобиля побеждает в гонках, в то время как автобус, самосвал, кран или дзамбони имеют форму для выполнения своих уникальных задач.

Почему иногда происходит сбой сворачивания белка?

Сворачивание позволяет белку принимать функциональную форму, но это сложный процесс, который иногда терпит неудачу. Сворачивание белков может пойти не так по трем основным причинам:

1: Человек может обладать мутацией, которая изменяет аминокислоту в белковой цепи, что затрудняет поиск конкретным белком его предпочтительной складки или «нативного» состояния.Это относится к наследственным мутациям, например, приводящим к муковисцидозу или серповидно-клеточной анемии. Эти мутации расположены в последовательности ДНК или «гене», кодирующем один конкретный белок. Следовательно, эти типы унаследованных мутаций влияют только на этот конкретный белок и связанные с ним функции.

2: С другой стороны, нарушение сворачивания белков можно рассматривать как продолжающийся и более общий процесс, который влияет на многие белки. Когда создаются белки, машина, считывающая указания ДНК для создания длинных цепочек аминокислот, может делать ошибки.По оценкам ученых, этот механизм, рибосома, допускает ошибки в 1 из каждых 7 белков! Эти ошибки могут снизить вероятность правильного сворачивания полученных белков.

3: Даже если аминокислотная цепь не имеет мутаций или ошибок, она все равно может не достичь своей предпочтительной складчатой ​​формы просто потому, что белки не складываются правильно в 100% случаев. Сворачивание белка становится еще более трудным, если условия в клетке, такие как кислотность и температура, изменяются от тех, к которым привык организм.

Нарушение сворачивания белка вызывает несколько известных заболеваний, и ученые предполагают, что многие другие болезни могут быть связаны с проблемами сворачивания. Есть две совершенно разные проблемы, которые возникают в клетках, когда их белки не складываются должным образом.

Один тип проблемы, называемый «потеря функции», возникает, когда недостаточное количество определенного белка сворачивается должным образом, вызывая нехватку «специализированных работников», необходимых для выполнения конкретной работы. Например, представьте, что правильно свернутый белок имеет идеальную форму, чтобы связывать токсин и расщеплять его на менее токсичные побочные продукты.Без достаточного количества правильно сложенного белка токсин будет накапливаться до разрушительного уровня. В качестве другого примера, белок может отвечать за метаболизм сахара, так что клетка может использовать его для получения энергии. Клетка будет расти медленно из-за недостатка энергии, если в ее функциональном состоянии будет недостаточно белка. Причина, по которой клетка заболевает, в этих случаях связана с нехваткой одного специфического, правильно сложенного функционального белка. Муковисцидоз, болезнь Тея-Сакса, синдром Марфана и некоторые формы рака являются примерами заболеваний, которые возникают, когда один тип белка не может выполнять свою работу.Кто знал, что один тип белка из десятков тысяч может быть настолько важен?

Белки, которые сворачиваются неправильно, также могут повлиять на здоровье клетки независимо от функции белка. Когда белки не могут свернуться в свое функциональное состояние, полученные неправильно свернутые белки могут принимать форму, неблагоприятную для переполненной клеточной среды. Большинство белков содержат липкие, «ненавидящие воду» аминокислоты, которые они закапывают глубоко внутри своего ядра. Неправильно свернутые белки изнашиваются этими внутренними частями снаружи, как леденцы в шоколаде, раздавленные, чтобы обнажить липкую карамельную серединку.Эти неправильно свернутые белки часто слипаются, образуя сгустки, называемые «агрегатами». Ученые предполагают, что накопление неправильно свернутых белков играет роль в нескольких неврологических заболеваниях, включая болезнь Альцгеймера, Паркинсона, Хантингтона и болезнь Лу Герига (БАС), но ученые все еще работают над тем, чтобы выяснить, как именно эти неправильно свернутые липкие молекулы наносят ущерб клеткам. .

Один неправильно свернутый белок выделяется среди остальных и заслуживает особого внимания. «Прионный» белок при болезни Крейтцфельдта-Якоба, также известной как болезнь коровьего бешенства, является примером неправильно свернутого белка.Этот белок не только необратимо неправильно свернут, но и превращает другие функциональные белки в свое скрученное состояние.

Как наши клетки защищаются от неправильно свернутых белков?

Недавние исследования показывают, что неправильная укладка белков часто происходит внутри клеток. К счастью, клетки привыкли справляться с этой проблемой и имеют несколько систем для повторного укладки или разрушения аберрантных белковых образований.

Шапероны — одна из таких систем. Правильно названные, они сопровождают белки в процессе сворачивания, улучшая шансы белка на правильное сворачивание и даже позволяя некоторым неправильно свернутым белкам возможность повторно укладываться.Интересно, что шапероны сами по себе являются белками! Есть много разных типов шаперонов. Некоторые специально предназначены для того, чтобы помочь одному типу белка сворачиваться, в то время как другие действуют в более общем плане. Некоторые шапероны имеют форму больших полых камер и обеспечивают белкам безопасное пространство, изолированное от других молекул, в котором они могут складываться. Производство нескольких шаперонов увеличивается, когда клетка сталкивается с высокими температурами или другими условиями, затрудняющими сворачивание белка, таким образом, эти шапероны получили прозвище «белки теплового шока».”

Другая линия защиты клеток от неправильно свернутых белков называется протеасомой. Если неправильно свернутые белки задерживаются в клетке, они будут уничтожены этой машиной, которая пережевывает белки и выплевывает их в виде небольших фрагментов аминокислот. Протеасома похожа на центр переработки, позволяя клетке повторно использовать аминокислоты для производства большего количества белков. Сама протеасома — это не один белок, а множество действующих вместе. Белки часто взаимодействуют с образованием более крупных структур с важными клеточными функциями.Например, хвост спермы человека представляет собой структуру, состоящую из многих типов белков, которые работают вместе, образуя сложный роторный двигатель, который продвигает сперму вперед.

Будущие исследования сворачивания и неправильного сворачивания белков:

Почему некоторые неправильно свернутые белки способны уклоняться от таких систем, как шапероны и протеасома? Как липкие неправильно свернутые белки могут вызывать перечисленные выше нейродегенеративные заболевания? Некоторые белки неправильно складываются чаще, чем другие? Эти вопросы находятся в авангарде текущих исследований, направленных на понимание основ биологии белков и болезней, которые возникают в результате неправильного сворачивания белка.

Обширный мир белков с большим разнообразием форм наделяет клетки способностями, которые позволяют жизни существовать и допускают ее разнообразие (например, различия между клетками глаза, кожи, легких или сердца, а также различия между видами) . Возможно, по этой причине слово «белок» происходит от греческого слова «протас», что означает «первостепенное значение».

— Внесено Керри Гейлером, аспирантом 4-го курса Гарвардского факультета органической и эволюционной биологии

Аффимерные белки — универсальные и возобновляемые аффинные реагенты

  • Кристиан Тиде
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    CT, концептуализация, курирование данных, формальный анализ, надзор, проверка, исследование, методология, написание — первоначальный черновик, написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.
  • Роберт Бедфорд
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    РБ, Концептуализация, Исследование, Методология, Написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.
  • Софи Дж. Хезелтин
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    SJH, курирование данных, формальный анализ, надзор, расследование, методология, написание — оригинальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.
  • Джина Смит
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    GS, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — оригинальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Imeshi Wijetunga
    Институт онкологических исследований и патологии Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    IW, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Ребекка Росс
    Институт онкологических исследований и патологии Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    RR, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Дана АльКалаф
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    DA, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Эшли PE Робертс
    Институт Пирбрайта, Уокинг, Соединенное Королевство
    Вклад
    APER, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Александр Боллс
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    AB, курирование данных, расследование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Алистер Кёрд
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    AC, курирование данных, надзор, методология, написание — оригинальный черновик, написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Рут Э. Хьюз
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    REH, курирование данных, методология, написание — первоначальный черновик, написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Хизер Мартин
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    HM, курирование данных, расследование, методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Сара Р. Нидхэм
    Центральная лазерная установка, исследовательский комплекс в Харвелле, лаборатория STFC Резерфорд Эпплтон, Дидкот, Соединенное Королевство
    Вклад
    SRN, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Лаура К. Занетти-Домингес
    Центральная лазерная установка, исследовательский комплекс в Харвелле, лаборатория STFC Резерфорд Эпплтон, Дидкот, Соединенное Королевство
    Вклад
    LCZ-D, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Яшар Садиг
    Институт Пирбрайта, Уокинг, Соединенное Королевство
    Вклад
    YS, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Thomas P Peacock
    Институт Пирбрайта, Уокинг, Соединенное Королевство
    Вклад
    TPP, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Наоми Гибсон
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    НГ, Формальный анализ, Расследование, Методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Ханна Кайл
    Avacta Life Sciences, Уэтерби, Соединенное Королевство
    Вклад
    Гонконг, курирование данных, формальный анализ, надзор, расследование, методология, написание — оригинальный черновик
    Конкурирующие интересы
    HK: Работает на Avacta Life Sciences, которые использовали эту технологию в коммерческих целях.

  • Джеффри У Платт
    Avacta Life Sciences, Уэтерби, Соединенное Королевство
    Вклад
    GWP, Ресурсы, Формальный анализ, Надзор, Методология
    Конкурирующие интересы
    GWP: работает для Avacta Life Sciences, которые использовали эту технологию в коммерческих целях.

  • Томас Тейлор
    Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    TT, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Луиза П. Колетта
    Институт онкологических исследований и патологии Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    LPC, Формальный анализ, Надзор, Расследование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Иэн Мэнфилд
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    IM, курирование данных, надзор, получение финансирования
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.
  • Маргарет Ноулз
    Институт онкологических исследований и патологии Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    МК, Надзор, Привлечение финансирования, Методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Сандра Белл
    Институт биомедицинских и клинических наук Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    SB, Формальный анализ, Надзор, Расследование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Филомена Эстевес
    Институт онкологических исследований и патологии Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    ИП, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Азхар Макбул
    Институт сердечно-сосудистой и метаболической медицины Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    AM, курирование данных, формальный анализ, получение финансирования, расследование, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Радж К. Прасад
    Институт сердечно-сосудистой и метаболической медицины Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    РКП, Надзор, Методология, Написание — первоначальный вариант
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Марк Дринкхилл
    Институт сердечно-сосудистой и метаболической медицины Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    Доктор медицины, формальный анализ, надзор, привлечение финансирования, написание — оригинальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Робин С Бон
    Институт сердечно-сосудистой и метаболической медицины Лидса, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    RSB, курирование данных, формальный анализ, надзор, получение финансирования, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    RSB: владеет личными акциями Avacta Life Sciences

  • Викеш Патель
    DSTL Портон-Даун, Солсбери, Великобритания
    Вклад
    Вице-президент, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Сара Гудчайлд
    DSTL Портон-Даун, Солсбери, Великобритания
    Вклад
    SAG, курирование данных, формальный анализ, расследование, методология, написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Мариса Мартин-Фернандес
    Центральная лазерная установка, исследовательский комплекс в Харвелле, лаборатория STFC Резерфорд Эпплтон, Дидкот, Соединенное Королевство
    Вклад
    MM-F, Надзор, Методология, Написание — первоначальный черновик, Написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Рэй Дж. Оуэнс
    Oxford Protein Production Facility, Великобритания, Исследовательский комплекс в Харвелле, STFC Rutherford Appleton Laboratory, Дидкот, Великобритания
    Вклад
    RJO, надзор, расследование, методология, написание — оригинальный черновик
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Неттлшип Джоан Э.
    Oxford Protein Production Facility, Великобритания, Исследовательский комплекс в Харвелле, STFC Rutherford Appleton Laboratory, Дидкот, Великобритания
    Вклад
    JEN, Data curation, Methodology, Writing — original draft
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Майкл Э. Уэбб
    Школа химии, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    MEW, Ресурсы, Методология, Написание — первоначальный черновик, Написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Майкл Харрисон
    Школа биомедицинских наук, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    MH, Концептуализация, Надзор, Расследование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Джонатан Д. Липпиат
    Школа биомедицинских наук, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    JDL, Надзор, Расследование, Методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.

  • Sreenivasan Ponnambalam
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    ИП, Концептуализация, Надзор, Расследование, Методология
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.«Этот ORCID iD идентифицирует автора этой статьи:» 0000-0002-4452-7619
  • Мишель Пекхэм
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    MP, курирование данных, формальный анализ, надзор, методология, написание — первоначальный черновик, написание — просмотр и редактирование
    Конкурирующие интересы
    Никаких конкурирующих интересов не заявлено.«Этот ORCID iD идентифицирует автора этой статьи:» 0000-0002-3754-2028
  • Аластер Смит
    Avacta Life Sciences, Уэтерби, Соединенное Королевство
    Вклад
    AS, Ресурсы, Формальный анализ, Надзор, Методология
    Конкурирующие интересы
    AS: Работает на Avacta Life Sciences, которые использовали эту технологию в коммерческих целях.

  • Пол Ко Ферриньо
    Avacta Life Sciences, Уэтерби, Соединенное Королевство
    Вклад
    PKF, Надзор, Написание — первоначальный проект
    Конкурирующие интересы
    PKF: работает на Avacta Life Sciences, которые использовали эту технологию в коммерческих целях.

  • Мэтт Джонсон
    Avacta Life Sciences, Уэтерби, Соединенное Королевство
    Вклад
    MJ, Концептуализация, Ресурсы, Формальный анализ, Надзор, Методология
    Конкурирующие интересы
    MJ: Работает на Avacta Life Sciences, которые использовали эту технологию в коммерческих целях.

  • Майкл Дж. Макферсон
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    MJM, концептуализация, формальный анализ, надзор, получение финансирования, методология, написание — первоначальный проект, написание — просмотр и редактирование
    Для переписки
    М[email protected]
    Конкурирующие интересы
    MJM: соавтор технологии Adhiron / Affimer и владеет личными акциями Avacta Life Sciences. Патент Adhiron (номер заявки на патент PCT / GB2014 / 050435) принадлежит Университету Лидса и лицензирован Avacta Ltd. «Этот ORCID iD идентифицирует автора этой статьи:» 0000-0002-0719-6427
  • Даррен Чарльз Томлинсон
    1. Школа молекулярной и клеточной биологии, Университет Лидса, Лидс, Великобритания
    2. Центр структурной и молекулярной биологии Astbury, Университет Лидса, Лидс, Соединенное Королевство
    Вклад
    DCT, концептуализация, ресурсы, курирование данных, формальный анализ, надзор, получение финансирования, расследование, методология, написание — первоначальный черновик, администрирование проекта, написание — просмотр и редактирование
    Для переписки
    [email protected]
    Конкурирующие интересы
    DCT: Соавтор технологии Adhiron / Affimer. Патент Adhiron (номер заявки на патент PCT / GB2014 / 050435) принадлежит Университету Лидса и лицензирован Avacta Ltd. «Этот ORCID iD идентифицирует автора этой статьи:» 0000-0003-4134-7484
  • На конформации внутренне неупорядоченных белков влияет линейное распределение последовательностей противоположно заряженных остатков.

    Внутренне неупорядоченные белки (IDP) играют важную роль в белках, связанных с регуляцией транскрипции и передачей сигналов (1, 2).IDP не могут сворачиваться автономно, их последовательности лишены гидрофобных групп и обогащены полярными и заряженными остатками (3), а термодинамика и кинетика связанного сворачивания и связывания связаны с внутренними конформационными свойствами IDP (4⇓⇓⇓⇓⇓ ⇓⇓ – 12).

    IDP-последовательности включают оба типа зарядов, и по крайней мере 75% известных IDP являются полиамфолитами (13). Параметры грубого зерна, которые имеют отношение к описанию полиамфолитов, включают долю заряженных остатков (FCR) и чистый заряд на остаток (NCPR), которые определяются как FCR = ( f + + f ) и NCPR = | f + f |, где f + и f обозначают доли положительных и отрицательных зарядов соответственно.Полиамфолиты бывают сильными (FCR ≥ 0,3) или слабыми (FCR <0,3) и могут быть нейтральными (NCPR ∼ 0) или иметь чистый заряд. Измерения одиночных молекул использовались для измерения размеров трех различных полиамфолитических систем (8), а модель среднего поля (14), которая требует только FCR, NCPR и длины Дебая в качестве входных данных, была успешной для объяснения экспериментальных данных (8). . NCPR также служит параметром порядка для предсказания различия полиэлектролитических IDP на глобулы и набухшие спирали (7).

    Можно ли предсказать размеры и внутреннюю структуру всех полиамфолитических ВПЛ, используя только информацию, касающуюся f + и f ? Здесь мы отвечаем на этот вопрос, показывая, что NCPR неадекватен в качестве дескриптора отношений последовательность – ансамбль для большинства IDP, которые являются полиамфолитами. Напротив, FCR и специфичные для последовательности распределения противоположно заряженных остатков являются синергическими детерминантами конформационных свойств полиамфолитических IDP.

    Количественные исследования взаимосвязей последовательность – ансамбль полиамфолитических ВПЛ важны с учетом связанных с ними функций. Репрезентативные примеры включают M-домен прионного белка дрожжей Sup35 (5), неупорядоченные участки в РНК-шаперонах и факторах сплайсинга, которые претерпевают посттрансляционные модификации (15), и участки Pro-Glu-Val-Lys (PEVK) в гигантском мышечном белке тайтине. (16). Результаты наших исследований имеют отношение к пониманию выбора конкретных паттернов для линейного распределения последовательностей противоположно заряженных остатков, которые наблюдаются в полиамфолитических IDP.Например, важно ли, чтобы остатки Glu и Lys по существу чередовались в пределах PEVK участков тайтина? Будут ли изменения в структуре линейной последовательности противоположно заряженных остатков влиять на пассивную эластичность тайтина под действием физиологически релевантных сил растяжения? Чтобы иметь возможность ответить на эти типы вопросов, мы представляем структуру для взаимосвязей между последовательностью и ансамблем полиамфолитических IDP, которая основана на результатах моделирования атомистического метрополиса в Монте-Карло. Мы используем неявную модель сольватации ABSINTH (самосборку биомолекул, изучаемую с помощью неявного, нового и настраиваемого гамильтониана) и парадигму силового поля (17), комбинацию, которая дала достоверно точные результаты для других ВПЛ (7, 18).Мы вводим параметр формирования паттерна κ , чтобы различать различные варианты последовательностей на основе линейных распределений последовательностей противоположно заряженных остатков. Мы показываем, что типы конформаций, доступные для полиамфолитов, регулируются комбинацией их значений κ — и FCR. Наконец, мы вводим теорию масштабирования для объяснения зависимости конформационных свойств от κ и показываем, что дизайн последовательностей de novo может использоваться для модуляции отношений последовательность-ансамбль полиамфолитических IDP.

    Результаты

    Параметр

    κ .

    Капля относится к числу остатков, за пределами которых баланс энергий цепь – цепь, цепь – растворитель и растворитель – растворитель составляет порядка кТ (19). Здесь T обозначает температуру, а k — постоянная Больцмана. Радиус вращения блоба с остатками г и составляет г 1/2 , а для последовательностей, не содержащих остатков пролина, г ∼ 5 (20). Полная асимметрия заряда определяется как (19).Для каждого варианта последовательности мы вычисляем κ , разбивая последовательность на N blob перекрывающихся сегментов размером g . Для каждого сегмента остатка g мы вычисляем, что представляет собой асимметрию заряда для blob i в интересующей последовательности. Мы определяем квадрат отклонения от σ как. Различные варианты последовательностей будут иметь разные значения δ , и максимальное значение δ max для данного аминокислотного состава используется для определения, так что 0 ≤ κ ≤ 1.Мы вычисляем κ , используя два значения для размера капли: г = 5 и г = 6, а окончательное κ для данного варианта последовательности является средним из двух значений.

    На рис.1 показаны 30 вариантов последовательности синтетической сильной полиамфолитной системы (Glu-Lys) 25 , для которых n = 50, f + = f = 0,5, FCR = 1, и NCPR = σ = 0. Последовательности на рис. 1 охватывают диапазон значений κ , а SI Приложение , таблица S1 суммирует прогнозы их тенденций к беспорядку.Низкие значения κ реализуются для хорошо смешанных вариантов последовательности и κ → 1, если противоположно заряженные остатки сегрегированы в линейной последовательности. Числовая плотность последовательностей n ( κ ) с конкретными значениями κ будет высокой для низких значений κ и уменьшаться по мере увеличения κ ( SI Приложение , рис. S1).

    Рис. 1.

    Тридцать вариантов последовательности для системы (Glu-Lys) 25 . В столбце 1 показаны метки каждого варианта последовательности.В столбце 2 показана фактическая последовательность: остатки Glu выделены красным цветом, а остатки Lys — синим. В столбце 3 показаны значения κ.

    Конформационные свойства для вариантов последовательности (Glu-Lys)

    25 значительно отличаются от κ , несмотря на идентичные значения NCPR.

    На рис. 2 показаны усредненные по ансамблю радиусы гирации 〈 R g 〉 для вариантов последовательности (Glu-Lys) 25 с различными значениями κ . В целом 〈 R г 〉 уменьшается с увеличением κ .Линейный коэффициент корреляции Пирсона равен r = −0,83 со значимостью P = 6,1 × 10 −9 . Значения 〈 R g 〉 превышают ожидания для классических случайных катушек Флори (∼18 Å), а наименьшее значение 〈 R g 〉, полученное для κ → 1, в несколько раз больше. 1,6, чем значение 11 Å, ожидаемое для компактной глобулы (21). Кроме того, для хорошо перемешанных последовательностей значения 〈 R g 〉 немного больше, чем значения, ожидаемые для случайных блужданий с самоизбеганием (∼28 Å).

    Рис. 2.

    Усредненные по ансамблю радиусы инерции < R g > для вариантов последовательности системы (Glu-Lys) 25 . На вставках показаны репрезентативные конформации для четырех вариантов последовательности. Боковые цепи Glu показаны красным, а боковые цепи Lys показаны синим. Две пунктирные линии пересекают ординату при значениях < R g >, ожидаемых для всех вариантов последовательности системы (Glu-Lys) 25 , смоделированных в пределе EV или как случайные катушки Флори (FRC).

    Рис. 3 отображает 〈 R ij 〉, усредненные по ансамблю расстояния между остатками в зависимости от разделений последовательностей | j — i | для подмножества вариантов последовательности, перечисленных на рис. 1 ( SI Приложение , рис. S2). Эти профили 〈 R ij 〉 количественно определяют локальные концентрации сегментов цепи вокруг друг друга и облегчают прямую связь с измеренными парными распределениями из малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (22) и измерениями расстояний в экспериментах с одиночными молекулами (8).Для κ <0,05 〈 R ij 〉 монотонно возрастает с увеличением | j — i |. Для более высоких значений κ профили 〈 R ij 〉 демонстрируют свидетельства электростатического притяжения на больших расстояниях между противоположно заряженными блоками. Конформационные свойства для последовательностей с низкими значениями κ , в среднем, аналогичны случайным блужданиям, исключающим самоуправление, тогда как последовательности с высокими значениями κ являются образцом конформаций, подобных шпильке.Влияние изменений условий раствора, а именно концентрации соли и температуры, обсуждается в Приложении SI , рис. S3 – S5.

    Рис. 3. Профили

    < R ij > для вариантов последовательности системы (Glu-Lys) 25 . Красная кривая обозначает профиль, ожидаемый для полимеров (Glu-Lys) 25 в пределе EV. Черная кривая ожидается для FRC, а сплошная синяя кривая получена, когда полимеры (Glu-Lys) 25 образуют максимально компактные глобулы.Для компактных глобул < R ij > плато до значения, предписанного их плотностью.

    SI Приложение , рис. S6 отображает асферичность ( δ *) каждого варианта последовательности в сравнении с κ . Для идеальных сфер δ * ∼ 0 и δ * ∼ 1 для стержней (23). С увеличением κ значения асферичности уменьшаются с ∼0.6 до ∼0.2. Это уменьшение асферичности согласуется с переходом от удлиненных вытянутых эллипсоидов к полукомпактным шпилькам, как показано в приложении SI , рис.S7, который показывает репрезентативные конформации для различных вариантов последовательности (Glu-Lys) 25 .

    Феноменологическое объяснение

    κ -зависимости конформационных свойств.

    В нашем атомистическом моделировании потенциальная энергия U c , связанная с конкретной конформацией c, является суммой членов (т. Е. U c = U EV + U Disp + U тор + W Solv + W el ).Здесь U тор обозначает скручивающие потенциалы; U EV + U Disp моделирует взаимодействия Ван-дер-Ваальса с использованием модели Леннарда – Джонса, где U EV и U Disp относятся к короткодействующим условиям отталкивания и привлекательной дисперсии, соответственно. W Solv количественно определяет свободную энергию сольватации, зависящую от конформации, с использованием модели ABSINTH; W el моделирует эффекты изменений степеней сольватации, которые приводят к специфическому для конформации дескринированию внутрицепочечных электростатических взаимодействий.Этот термин охватывает эффекты опосредованных растворителем электростатических взаимодействий между всеми заряженными группами, включая заряженные боковые цепи, частичные заряды, которые приводят к образованию водородных связей в основной и боковой цепи, а также электростатические взаимодействия с участием подвижных ионов в растворе.

    Если все термины, кроме U EV , обнулены, то получится самоисключающееся распределение случайного блуждания, потому что полипептид выбирает конформации из предела исключенного объема (EV). Когда усредненные по ансамблю эффекты внутрицепочечного электростатического притяжения и отталкивания уравновешиваются, лежащее в основе поведение предела EV разоблачается, что имеет место для низких κ -вариантов (Glu-Lys) 25 (рис.3). Для коротких разделений последовательностей (| j — i | <2 g ) внутрицепочечных электростатических взаимодействий недостаточно, чтобы нарушить статистику цепочки за пределы предела EV. Таким образом, профили 〈 R ij 〉 для коротких разносов должны напоминать профили невозмущенных случайных блужданий с самоизбеганием. Для последовательностей с более высокими значениями κ должен быть диапазон промежуточных разделений последовательностей (2 g ≤ | j — i | ≤ l c ), где противоположно заряженные блоки действуют как облака противоионов для друг друга, что приводит к электростатическому притяжению, вызванному конформационными флуктуациями.Здесь g — длина капли, а l c — масштаб длины, на котором происходят отклонения от предела EV. Полученные в результате полукомпактные конформации, подобные шпилькам, или частичные конформации, подобные шпилькам, будут вызывать отклонение профилей 〈 R ij 〉 от профилей цепей в пределе EV. Степень этого отклонения будет зависеть от κ . Наконец, для разделений последовательностей, превышающих l c , сила электростатического притяжения, усредненного по ансамблю, составляет ∼kT , и поведение предела EV восстанавливается.

    Развитие теории масштабирования для 〈

    R ij 〉.

    Основываясь на предыдущем обсуждении, мы предполагаем, что изменение конформационных свойств для различных κ -вариантов (Glu-Lys) 25 может быть смоделировано с использованием теории масштабирования, аналогичной теории в работе Ямакова и др. . (24). Мы используем предельное распределение EV в качестве эталонного состояния, как это обосновано для (Glu-Lys) 25 в Приложении SI, рис. S8. Запишем 〈 R ij 〉 для всех разделений последовательности данной последовательности как.Здесь — неуниверсальный префактор, который описывает масштабирование 〈 R ij 〉 для полимеров (Glu-Lys) 25 как функцию от | j — i | в пределе EV. Показатель степени ν = 0,59 является универсальным и задает длину корреляции для полимеров в пределе EV (25). Функция масштабирования f (| j — i |) описывает отклонения от предела EV, которые возникают в результате несбалансированных электростатических взаимодействий. Форма для f (| j — i |), полученная из анализа профилей 〈 R ij 〉 для (Glu-Lys) 25 вариантов, является Результатом численного подбора к 〈 R ij Профиль〉 для sv30 (Glu-Lys) 25 с использованием теории масштабирования показан на рис.4, а результаты для всех других вариантов последовательности показаны в приложении SI , рис. S9. Коэффициенты p 0 и p 1 количественно определяют точку пересечения и наклон для линейной интерполяции между двумя режимами, которые показывают поведение, подобное пределу EV. Значения p 1 количественно определяют отклонения от предельных профилей EV и являются либо небольшими ( p 1 ∼ 0 для низкого значения κ ), либо отрицательными при увеличении κ ( SI Приложение , рис. .S10). Пересечение p 0 количественно определяет поправки к исключенному объему на остаток, которые являются результатом эффектов электростатических взаимодействий. Форма для f (| j — i |) для | j — i | > l c подразумевает, что разделения последовательностей между дистальными сегментами, которые восстанавливают поведение предела EV, перенормируются на меньшие эффективные расстояния, что приводит к непрерывным переходам между режимом, в котором отклонения вызваны внутрицепочечным электростатическим взаимодействием, и пределом EV.

    Рис. 4.

    Числовое соответствие профилю ij > для варианта последовательности sv30 системы (Glu-Lys) 25 . Красная, пурпурная и черная кривые соответствуют трем различным режимам, а именно: | j — i | <2 г , 2 г ≤ | j — i | ≤ l c , и | j — i | > л с соответственно.

    О выборе эталонного состояния для теории масштабирования.

    Наш выбор предела EV в качестве эталонного состояния для теории масштабирования был основан на наблюдении, что уравновешивание электростатического отталкивания и притяжения демаскирует поведение предела EV для хорошо смешанных вариантов последовательности (Glu-Lys) 25 .В системах с меньшими значениями FCR уравновешивание в хорошо смешанных вариантах последовательности может демаскировать другое эталонное состояние, такое как случайная катушка Флори. Точная форма эталонного состояния, которое разоблачается за счет уравновешивания электростатического отталкивания и притяжения в хорошо перемешанных последовательностях, будет зависеть от предпочтений, кодируемых коллективным вкладом неэлектростатических членов потенциальной функции. Соответственно, мы вводим предел внутренней сольватации (IS), посредством чего моделирование для генерации эталонного состояния выполняется с использованием всех членов потенциальной функции, кроме W el .Сравнение результатов моделирования, полученных с использованием полного гамильтониана, с результатами предела IS позволяет нам раскрыть специфические вклады κ , которые возникают из-за конкуренции между внутрицепочечным электростатическим притяжением и отталкиванием. Свободные энергии сольватации заряженных боковых цепей очень благоприятны (∼ −100 ккал / моль), а для высокого FCR ансамбли предела IS качественно аналогичны ансамблям предела EV, которые показаны в приложении SI , Инжир.S11 для вариантов последовательности (Glu-Lys) 25 . Однако по мере уменьшения FCR есть веские основания ожидать значительного отклонения профилей 〈 R ij 〉, рассчитанных в пределе IS, от профилей предела EV (которые будут показаны ниже). Следовательно, для последовательностей с FCR <1 разработка общей формы масштабного соотношения для 〈 R ij 〉 потребует использования соответствующих предельных профилей IS в качестве эталонных моделей.

    Вывод отклонений от предельного поведения из последовательности.

    Наличие несбалансированных внутрицепных электростатических взаимодействий можно оценить по информации о последовательности, если вычислить безразмерный параметр кулоновского взаимодействия Γ ij (26). Для пары блобов i и j,; ε = 78 — диэлектрическая проницаемость воды при 298 K, ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства, ξ = 6 Å — радиус капли ( SI Приложение , рис. S12) , R — постоянная идеального газа, T — температура, а z i и z j обозначают значения NCPR со знаком для блобов i и j, соответственно.Произведение z i z j является положительным или отрицательным в зависимости от того, имеют ли подписанные значения NCPR для BLOB-объектов одинаковые или противоположные знаки. Для данного варианта последовательности мы вычисляем произведение z i z j для всех пар блобов i и j, удовлетворяющих ограничению | j — i | > g = 5, и Γ ij вычисляется путем усреднения по значениям z i z j для всех пар блобов, соответствующих линейному разделению | j — i |.

    SI Приложение , рис. S13 отображает совокупную сумму в зависимости от линейного разделения между парами капель. Интересны шкалы длин, для которых отрицательная величина превышает RT . SI Приложение , рис. S14 в SI Приложение количественно определяет корреляцию между p и min (). Этот график показывает, что два параметра показывают значительную положительную корреляцию (Pearson r = 0,79). В первом приближении, если пренебречь небольшими вкладами p o и использовать уравнение для линии наилучшего соответствия, которая связывает p 1 с min (), мы можем получить качественные оценки степень, в которой электростатическое притяжение приведет к отклонению профиля 〈 R ij 〉 от эталонного состояния, такого как предел EV.

    Результаты для естественных полиамфолитических ВПЛ.

    SI Приложение , таблица S2 обобщает информацию о 10 последовательностях IDP, извлеченных из комбинации базы данных DisProt (13) и опубликованных экспериментальных данных. Для этих последовательностей 0,14 ≤ FCR ≤ 0,73 и 0,0 ≤ NCPR ≤ 0,25. SI Приложение , рис. S15 показывает профили 〈 R ij 〉 для этих последовательностей в пределе IS. Эти профили эталонного состояния находятся между профилями для предела EV и случайной катушки Флори, с общей тенденцией сходиться на последней по мере уменьшения FCR.Критический показатель, определяющий длину корреляции, переключается с ν = 0,59 в пределе EV до ν = 0,5 для случайной катушки Флори. Профили, имеющие сходство с последним, реализуются для полимеров в θ-растворителях, где статистические эффекты внутрицепных и цепочечных взаимодействий с растворителем уравновешиваются (27, 28).

    На рис. 5 показаны профили 〈 R ij 〉 из результатов моделирования, полученных с использованием полного гамильтониана ABSINTH для всех 10 последовательностей.Сравнение этих профилей с соответствующими профилями пределов искробезопасности показано в Приложении SI , рис. S16. Вклад внутрицепных электростатических взаимодействий, опосредованных растворителем, приводит либо к слабым отклонениям от предела IS, что наблюдалось для белка, связывающего полиглутаминовый тракт (PQBP-1), DP00166, DP00357, DP00503 и QSh32, либо к значительному уплотнению по сравнению с относительно предела IS, который наблюдался для остальных пяти последовательностей. Степень возмущения по отношению к пределу IS четко регулируется FCR.Hofmann et al. (28) недавно показали, что степень отклонения размеров развернутого состояния от эффективного θ-состояния, измеренная в условиях складывания, также зависит от FCR.

    Рис. 5. Профили

    < R ij > для 10 естественных ВПЛ. В легенде отображается DisProt или другой идентификатор для каждой последовательности. Сплошные кривые — эталонные профили, подобные профилям, описанным на рис. 3. В легенде показаны идентификаторы последовательности и комбинация значений FCR и κ в скобках.Для глобулообразователей значения κ не имеют значения, и для этих последовательностей легенда показывает только их значения FCR.

    Последовательности со значениями FCR <0,3 и NCPR <0,25 являются слабыми полиамфолитами, и уплотнение происходит в результате снижения FCR с заряженными остатками на поверхности глобул ( SI Приложение , рис. S17). SI, приложение , рис. S18 показывает температурную зависимость значений 〈 R г 2 〉 для 10 естественных полиамфолитических ВПЛ из SI, приложение , таблица S2.Эти результаты показывают, что конформационные свойства полиамфолитов с более низкими значениями FCR демонстрируют более выраженные температурные зависимости по сравнению с вариантами последовательностей (Glu-Lys) 25 .

    Конформационные свойства полиамфолитических IDP могут быть модулированы с помощью дизайна de Novo Sequence.

    N-концевой конец PQBP-1 включает WW-домен, который связывает РНК-полимеразу II и связан с C-концевым U5 связывающим участком 15 кДа (29) полиамфолитическим участком.Множество линий экспериментальных данных предполагают, что это полиамфолитическое растяжение представляет собой гибкую привязь, которая принимает расширенные конформации (29, 30). На рис. 6 показан профиль 〈 R ij 〉 для конструкции из 55 остатков WPP- (PQBP-1) 132–183 , для которой FCR = 0,73, NCPR = 0 и κ = 0,024. Мы пришли к выводу, что высокие κ -варианты этой последовательности должны иметь очень разные конформационные свойства. Мы проверили эту гипотезу, сравнив конформационные свойства последовательности WT со свойствами двух вариантов с более высокими значениями κ (рис.6). Результаты показывают значительные различия между профилем 〈 R ij 〉 последовательности WT и его более высокими κ -вариантами, так что изменения расстояния от конца до конца на ∼28 Å могут быть достигнуты перестановками последовательностей. . Для фиксированного аминокислотного состава системы с обозначением сильных полиамфолитов, вероятно, будут иметь более высокую пригодность для проектирования, чем слабые полиамфолиты, потому что значительная модуляция конформационных свойств достижима путем изменения κ .

    Рис. 6. Профили

    ij > для линкера WT из PQBP-1 и двух разработанных вариантов последовательности. Показаны последовательности растяжения WT и перестановки последовательностей. Сплошные красные, черные и синие кривые соответствуют профилям ij > для WPP- (PQBP-1) 132–183 : wt, моделируемые в пределе EV, FRC и компактном Lennard – Jones (LJ ) глобулы соответственно.

    Обсуждение

    Mao et al. (7) предложили прогнозирующую диаграмму состояний, согласно которой тип ансамбля (а именно глобула или клубок) может быть выведен на основе значения NCPR для данной последовательности.Мы аннотировали эту диаграмму состояний, используя подмножество последовательностей IDP из базы данных DisProt (13). Приблизительно 95% этих последовательностей имеют аминокислотный состав с NCPR <0,25, что означает, что они образуют компактные глобулы ( SI, приложение , рис. S19). Однако этот вывод сомнительный, потому что большинство последовательностей, аннотированных как глобулообразователи, на самом деле являются полиамфолитами. Если только NCPR был достаточным описателем конформационных свойств, то результаты на фиг.2, 3 и 5 соответствовали бы образованию глобул, независимо от значений κ — и FCR, что явно не так. Мы изменили исходную диаграмму состояний, чтобы учесть результаты этой работы. На модифицированной диаграмме состояний (рис.7) обнаружено, что около 70% IDP, которые были классифицированы как глобулы ( SI, приложение , рис. S19), имеют составы, которые помещают их либо в сильную полиамфолитическую область, либо на границу. между глобулами и прочными полиамфолитами.Последовательности внутри границы отличаются от глобулообразователей и прочных полиамфолитов. Выведение их взаимосвязей последовательность-ансамбль требует дополнительных соображений, таких как состав полярных остатков, содержание пролина и наличие участков последовательности с предпочтением конкретных вторичных структур.

    Рис. 7.

    Диаграмма состояний ВПЛ. Мы сосредотачиваемся на последовательностях, которые попадают ниже параметризованной линии (NCPR = 2.785H — 1.151), разработанной Uversky et al. (43) для отделения IDP от последовательностей, которые сворачиваются автономно.Здесь H означает оценку гидропатии. Область 1 соответствует либо слабым полиамфолитам, либо слабым полиэлектролитам, которые образуют глобулы или головастики-подобные конформации ( SI Приложение , рис. S17). Область 3 соответствует прочным полиамфолитам, которые образуют явно неглобулярные конформации, которые представляют собой клубок, шпильку или примеси. Граничная область, обозначенная 2, разделяет области 1 и 3, и конформации внутри этой области, вероятно, представляют континуум возможностей между типами конформаций, принятых последовательностями в областях 1 и 3.Последовательности с составами, соответствующими областям 4 и 5, являются сильными полиэлектролитами с FCR> 0,35 и NCPR> 0,3. Ожидается, что эти последовательности образуют спиралевидные конформации, которые во многом напоминают ансамбли предельных значений EV. Легенда суммирует статистику для различных регионов на основе последовательностей, взятых из базы данных DisProt. Рисунок включает аннотацию свойств последовательностей, которые Уверский (3) назвал «клубками» или «предварительно расплавленными глобулами» на основании измерений гидродинамических радиусов.Эти последовательности (перечисленные в SI Приложение , Таблицы S3 и S4), как ожидается, будут расширены по сравнению с свернутыми белками, и наша аннотация показывает, что, действительно, все последовательности, кроме одной, находятся вне области формирования глобул.

    Оценка теорий полиамфолитов.

    Теории среднего поля для полиамфолитов описывают зависимость R g и внутренней структуры от значений FCR, NCPR и N (14, 19, 31, 32). Эти теории предсказывают, что нейтральные полиамфолиты будут образовывать глобулы с жидкоподобной организацией противоположных зарядов внутри глобул, которые напоминают глобулы электролитов 1: 1.Альтернативные прогнозы предполагают более похожее на предельное поведение EV (33). Наши результаты противоречат предсказаниям типичных теорий среднего поля из-за двух слабостей этих теорий. Во-первых, они применяются к усредненной по ансамблю последовательности, которая получается усреднением по всем возможным вариантам последовательности для заданных FCR и NCPR (32). Следовательно, они не могут работать для отдельных вариантов последовательностей (34, 35). Во-вторых, все теории игнорируют эффекты очень благоприятных энергий свободной сольватации заряженных групп, которые явно требуют принципиально различных эталонных состояний, таких как предел IS.

    Мы представили предварительную теорию масштабирования для учета эффектов κ -специфических корреляций в вариантах последовательностей (Glu-Lys) 25 . Теория основана на наблюдении, что уравновешивание электростатического притяжения и отталкивания в хорошо перемешанных вариантах последовательности (Glu-Lys) 25 демаскирует конформационные предпочтения, полученные в пределе EV. Для хорошо смешанных вариантов более слабых полиамфолитов (0,3 ≤ FCR <1) уравновешивание электростатического притяжения и отталкивания демаскирует предел IS в качестве соответствующего эталонного состояния.Следовательно, для полиамфолитов с 0,3 ≤ FCR <1, которые демонстрируют конформационные свойства, специфичные для κ , расширение теории масштабирования может просто потребовать переключения эталонного критического показателя с ν = 0,59 на ν = 0,5. Однако для слабых полиамфолитов, образующих глобулы (FCR <0,3), коллапс становится слабо зависимым или даже независимым от κ . Поскольку предел IS напоминает случайный клубок Флори или эффективное θ-состояние, теоретическая основа для описания коллапса слабых полиамфолитов, вероятно, будет напоминать структуру теорий переходов из клубка в глобулу (36).Крупномасштабное моделирование, выполненное с использованием различных комбинаций FCR, NCPR и κ , и интегрирование этих результатов должно дать единую теоретическую основу для последовательностей, которые охватывают спектр значений FCR. Эта задача кажется выполнимой и будет решена в будущей работе.

    Более широкое значение.

    SI Приложение , рис. S20 показывает совместное распределение значений FCR и κ для сильных полиамфолитических IDP, извлеченных из базы данных DisProt.Распределение достигает пика около κ ∼ 0,2, что означает, что встречающиеся в природе последовательности достаточно хорошо перемешаны и, вероятно, имеют конформационные свойства, которые находятся между пределом EV и моделями случайной спирали Флори. Если IDP является сильным полиамфолитом, то посттрансляционная модификация, такая как фосфорилирование Ser / Thr, может увеличивать FCR и NCPR и приводить к клубковидным свойствам (37). Если фосфорилирование преобразует IDP из полиэлектролита в сильный полиамфолит (38), то конформационные свойства будут определяться комбинацией FCR и κ для модифицированной последовательности.Последовательности IDP также могут быть изменены с помощью альтернативного сплайсинга (39), а для полиамфолитических IDP эффекты сплайсинга приведут к изменению взаимоотношений между последовательностью и ансамблем на уровне белка. Следовательно, посттранскрипционная и посттрансляционная регуляции, по-видимому, позволяют настраивать отношения последовательность-ансамбль IDPs (40) — особенность, которая обеспечивается преимущественно полиамфолитической природой этих белков.

    Белки — что это такое и как они производятся — Science Learning Hub

    Белки являются ключевыми рабочими молекулами и строительными блоками во всех клетках.Они производятся во всех организмах с помощью аналогичного двухэтапного процесса — сначала ДНК транскрибируется в РНК, а затем РНК транслируется в белок.

    Перед отдельными генами последовательности ДНК, называемые промоторами, определяют, когда и в каких количествах производятся белки.

    Что такое белок?

    Белки являются основными «рабочими молекулами» в каждом организме. Помимо прочего, белки катализируют реакции, переносят кислород и защищают организмы от инфекций. Они также являются важными строительными блоками организмов.Они являются основными компонентами шерсти, хрящей и молока, они упаковывают ДНК в хромосомы и изолируют клетки нервной системы. Короче говоря, белки очень важны!

    Белки состоят из большого количества аминокислот, соединенных встык. Цепочки складываются, образуя трехмерные молекулы сложной формы — это можно представить как оригами с очень длинным и тонким листом бумаги. Точная форма каждого белка вместе с содержащимися в нем аминокислотами определяет, что он делает.

    Белки: ключевые примеры в Hub

    Ферменты — это белки. Многие ферменты находят полезное применение в медицинской или промышленной биотехнологии. Узнайте больше в видеоролике: Улучшение ферментов.

    Инсулин — это белок, регулирующий уровень глюкозы в крови. У диабетиков 1 типа инсулин не вырабатывается. Узнайте больше в видеоклипе: Сахарный диабет 1 типа.

    Мидии крепко держатся за камни и груды своей прочной биссальной нитью, состоящей из протеина. Узнайте больше в интерактиве: Как выращивают мидии в Новой Зеландии.

    Антитела — это белки, подробнее читайте в статье: Иммунная система.

    Казеин — это белок молока, из которого делают сыр. Узнайте больше в анимационном видео: Сыр: молекулярный взгляд.

    Факторы транскрипции — это специализированные белки, которые контролируют производство других белков. Узнайте больше в видеоклипе: Что влияет на телесный цвет яблока ?.

    Макрофибриллы шерсти состоят из белка. Узнайте больше в интерактивном материале: Структура и свойства шерстяных волокон.

    Белки экспрессируются генами

    Все организмы вырабатывают белки по существу одинаковым образом. Процесс начинается с гена — «инструкции» по созданию белка. По этой причине процесс создания белка также называется экспрессией генов.

    Экспрессия гена состоит из двух основных стадий: транскрипции и трансляции.

    Транскрипция

    Структуры в клетке идентифицируют начало и конец гена и считывают последовательность ДНК между ними (порядок оснований A, C, G и T в гене).Создается молекулярное сообщение (молекула мРНК), которое повторяет последовательность самого гена. Во многих отношениях мРНК похожа на одноцепочечный фрагмент ДНК.

    Трансляция

    Рибосома получает молекулу мРНК и начинает выстраивать цепочку аминокислот (белок), которая точно соответствует инструкциям внутри мРНК. Рибосома «считывает» последовательность мРНК как серию трехосновных фрагментов или кодонов. Каждый кодон сообщает аппарату по производству белка, какую аминокислоту добавить следующей.

    Генетический код, по сути, одинаков во всей природе.

    Примечательно, что во всей жизни каждый кодон имеет одно и то же «значение» в любой данной клетке (за некоторыми незначительными исключениями). Например, кодон AGA — это инструкция по добавлению аминокислоты аргинина к растущему белку — независимо от того, растет ли этот белок в бактериальных клетках или клетках человека. Другими словами, каждая клетка следует одним и тем же правилам при производстве нового белка.

    См. Статью Как добавить чужеродную ДНК к бактериям для получения дополнительной информации.

    Какие белки производятся, когда — сила промотора

    В любой клетке одновременно производится только часть белков. Белки, которые выполняют важные функции, производятся постоянно, в то время как другие экспрессируются только тогда, когда они необходимы. Клеткам также необходимы большие количества одних белков (таких как ферменты, участвующие в непрерывных процессах, таких как транскрипция и трансляция), и меньшие количества других (например, гормонов). Но как клетка решает, какие гены экспрессировать и сколько производить?

    Промоторы — это последовательности ДНК, которые определяют, когда экспрессируется ген.Эти участки ДНК располагаются перед генами и обеспечивают «место посадки» для факторов транскрипции (белков, которые включают и выключают экспрессию генов) и РНК-полимеразы (белка, который считывает ДНК и создает копию мРНК). Различные промоторные последовательности имеют разную силу, и гены с «сильными» промоторами экспрессируются на более высоком уровне, чем гены со «слабыми» промоторами.

    Промоторы и цвет мякоти яблока

    В компании Plant & Food Research Ричард Эспли и его коллеги изучают роль промоторов в определении того, имеют ли яблоки мякоть белого или красного цвета.Группа обнаружила фактор транскрипции (MYB10), который связывается с промотором нескольких генов, которые продуцируют красный пигмент в яблоках, вызывая их экспрессию. В яблоках с красной мякотью гораздо больше MYB10, чем в яблоках с белой мякотью, поэтому эти гены пигмента экспрессируются на более высоком уровне и производят больше красного пигмента.

    Подробнее читайте в статье: Узнайте, что контролирует цвет мякоти яблока.

    Белки и экспрессия генов

    Эти статьи содержат дополнительную информацию об экспрессии генов и белках.

    Глава 3. Белки и аминокислоты

    Глава 3. Белки и аминокислоты



    1. БЕЛКИ
    2. ПИЩЕВАРЕНИЕ БЕЛКОВ И МЕТАБОЛИЗМ
    3. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ К БЕЛКАМ
    4. АМИНОКИСЛОТЫ
    5. КОЛИЧЕСТВО ТРЕБОВАНИЯ К АМИНОКИСЛОТЕ
    6. ДОБАВКА ДИЕТЫ С АМИНОКИСЛОТАМИ
    7. ССЫЛКИ


    Дж. Э. Халвер
    Вашингтонский университет
    Сиэтл, Вашингтон

    1.1 Классификация
    1.2 Структура
    1.3 Свойства
    1.4 Химическое определение


    Белки представляют собой сложные органические соединения, состоящие из многих аминокислот, связанных вместе пептидными связями и поперечно связанных между цепями сульфгидрильными связями, водородными связями и силами Ван-дер-Ваальса. Химический состав белков больше, чем у любой другой группы биологически активных соединений. Белки в различных клетках животных и растений придают этим тканям их биологическую специфичность.

    1.1 Классификация

    Белки можно разделить на:

    (а) Простые белки. При гидролизе они дают только аминокислоты и иногда небольшие углеводные соединения. Примеры: альбумины, глобулины, глютелины, альбуминоиды, гистоны и протамины.

    (б) Конъюгированные белки. Это простые белки в сочетании с некоторыми небелковыми веществами в организме. Примеры: нуклеопротеины, гликопротеины, фосфопротеины, гемоглобины и лецитопротеины.

    (c) Производные белки. Это белки, полученные из простых или конъюгированных белков физическими или химическими способами. Примеры: денатурированные белки и пептиды.

    1,2 Конструкция

    Потенциальная конфигурация белковых молекул настолько сложна, что многие типы белковых молекул могут быть сконструированы и обнаружены в биологических материалах с различными физическими характеристиками. Глобулярные белки обнаруживаются в крови и тканевых жидкостях в аморфной глобулярной форме с очень тонкими или отсутствующими мембранами.Коллагеновые белки находятся в соединительной ткани, такой как кожа или клеточные мембраны. Волокнистые белки содержатся в волосах, мышцах и соединительной ткани. Кристаллические белки представлены хрусталиком глаза и подобными тканями. Ферменты — это белки с определенными химическими функциями, которые опосредуют большинство физиологических процессов жизни. Несколько небольших полипептидов действуют как гормоны в тканевых системах, контролируя различные химические или физиологические процессы. Мышечный белок состоит из нескольких форм полипептидов, которые позволяют мышцам сокращаться и расслабляться при физических движениях.

    1.3 Недвижимость

    Белки также можно охарактеризовать по их химическим реакциям. Большинство белков растворимы в воде, спирте, разбавленной основе или в различных концентрациях солевых растворов. Белки имеют характерную спиральную структуру, которая определяется последовательностью аминокислот в первичной полипептидной цепи и стереоконфигурацией радикальных групп, присоединенных к альфа-углероду каждой аминокислоты. Белки термолабильны, проявляя различную степень лабильности в зависимости от типа белка, раствора и температурного профиля.Белки могут быть обратимыми или необратимыми, денатурированными при нагревании, концентрации соли, замораживании, ультразвуковой нагрузке или старении. Белки подвергаются характерному связыванию с другими белками в так называемой пластеиновой реакции и соединяются со свободными альдегидными и гидроксильными группами углеводов с образованием соединений типа Майяра.

    1.4 Химическое определение

    Содержание азота в большинстве белков, обнаруженных в тканях животных, орехов и зерна, составляет около 16 процентов; поэтому содержание белка обычно выражается как содержание азота × 6.25.

    Проглоченные белки сначала расщепляются на более мелкие фрагменты пепсином в желудке или трипсином или химотрипсином из поджелудочной железы. Эти пептиды затем дополнительно восстанавливаются под действием карбоксипептидазы, которая гидролизует одну аминокислоту за раз, начиная со свободного карбоксильного конца молекулы, или с помощью аминопептидазы, которая отщепляет одну аминокислоту за раз, начиная со свободного амино-конца полипептида. цепь. Свободные аминокислоты, высвобождаемые в пищеварительную систему, затем всасываются через стенки желудочно-кишечного тракта в кровоток, где они затем повторно синтезируются в новые тканевые белки или катаболизируются для получения энергии или фрагментов для дальнейшего тканевого метаболизма.

    Валовая потребность в белке была определена для нескольких видов рыб (см. Таблицу 1). Имитация цельного яичного протеина в тестовых диетах содержит избыток незаменимых аминокислот. Эти диеты поддерживались приблизительно изокалорийными за счет корректировки общего белка и усвояемых углеводных компонентов до фиксированного количества, поскольку лечение белковыми диетами варьировалось в испытанных диапазонах. Испытания на кормлении мальков, сеголетков и годовалых рыб показали, что общие потребности в белке наиболее высоки у начальных кормовых мальков и что они уменьшаются по мере увеличения размера рыбы.Чтобы расти с максимальной скоростью, мальки должны иметь диету, в которой почти половина легкоусвояемых ингредиентов состоит из сбалансированного белка; через 6-8 недель это требование снижается примерно до 40 процентов рациона лосося и форели и примерно до 35 процентов рациона годовалых лососевых, выращенных при стандартной температуре окружающей среды (SET). См. Рисунки 1 и 2. Общие потребности в белке молоди сома, по-видимому, меньше, чем у лососевых. Первоначально кормление мальков требует, чтобы около 50 процентов усвояемых компонентов рациона составлял белок, и потребность в них уменьшается с увеличением размера.Некоторые испытания кормления лососем показали прямую связь между изменениями потребности в белке молоди рыбы и изменениями температуры воды. Лосось чавычи в воде с температурой 7 ° C требует около 40 процентов цельного яичного белка для максимального роста; той же рыбе в воде с температурой 15 ° C требуется около 50% белка. Лосось, форель и сом могут использовать больше белка, чем требуется для максимального роста, благодаря эффективному удалению азотистых отходов в виде растворимых соединений аммиака через ткань жабр непосредственно в водную среду.Эта система удаления азота более эффективна, чем система, доступная для птиц и млекопитающих. Птица и млекопитающие потребляют энергию для синтеза мочевины, мочевой кислоты или других соединений азота, которые выводятся через ткань почек и выводятся с мочой. Перевариваемые углеводы и жиры сохранят избыток белка в рационе до тех пор, пока удовлетворяются потребности в белке для максимального роста (рисунки 1 и 2).

    Таблица 1 — Расчетная потребность в белке с пищей для некоторых видов рыб 1/

    Виды

    Уровень сырого протеина в рационе для оптимального роста (г / кг)

    Радужная форель ( Salmo gairdneri )

    400-460

    Карп ( Cyprinus carpio )

    380

    Чавыча ( Oncorhynchus tshawytscha )

    400

    Угорь ( Ангилья японская )

    445

    Камбала ( Pleuronectes platessa )

    500

    Золотистый лещ ( Chrysophrys aurata )

    400

    Белый амур ( Ctenopharyngodon idella )

    410-430

    Brycon sp.

    356

    Морской лещ ( Chrysophrys major )

    550

    Желтохвост ( Seriola quinqueradiata )

    550

    1/ По материалам C.B. Cowey, 1978

    Рис. 1. Потребность в белке чавычи при 47 ° F. Верхняя кривая: начальный индивидуальный средний вес рыбы, 1.5г. Нижняя кривая: исходная индивидуальная средняя масса рыбы 5,6 г.

    Рис. 2. Потребность в белке чавычи при температуре 58 ° F. Верхняя кривая: исходный индивидуальный средний вес рыбы 2,6 г. Нижняя кривая: исходная индивидуальная средняя масса рыбы 5,8 г.

    (Оба рисунка взяты из: DeLong, D.C., J.E. Halver and E.T. Mertz, 1958, J.Nutr ., 65: 589-99)

    Обычно рыбе нужно давать диету, содержащую градуированные уровни высококачественного белка и энергии и адекватный баланс незаменимых жирных кислот, витаминов и минералов в течение длительного периода времени.Из полученной кривой доза / ответ потребность в белке обычно получают по графику Альмквиста. Считается, что эти различия в очевидной потребности в белке связаны с различиями в методах культивирования и составе рациона.

    Относительно высокий уровень пищевого белка, необходимый для максимального роста некоторых рыб, таких как белый амур, Ctenopharyngodon idella, и Brycon spp. Удивительны тем, что эти рыбы всеядны. Brycon spp.выращиваются на нежелательных фруктах и ​​другом растительном материале с низким содержанием белка, и в этих условиях, по-видимому, существенный вклад в потребление ими белка вносит естественная пищевая цепь.

    Потребность в белке эвриталинных рыб, таких как радужная форель, Salmo gairdneri, и кижуч, Oncorhynchus кисач, , выращенных в воде с соленостью 20 ppt, примерно такая же, как потребность в пресной воде. Нет данных о потребности этих видов в белке в морской воде с полной концентрацией.(35 п.


    4.1 Essential и заменимые аминокислоты
    4.2 Незаменимые Аминокислоты и качество протеина


    Аминокислоты являются строительными блоками белков; около 23 аминокислот были выделены из природных белков. Десять из них незаменимы для рыб. Животное не способно синтезировать незаменимые аминокислоты и поэтому должно получать их с пищей.

    4.1 Незаменимые и незаменимые аминокислоты

    Корм ​​для лосося, форели и канального сома, лишенный аргинина, гистидина, изолейцина, лейцина, лизина, метионина, фенилаланина, треонина, триптофана или валина, не рос (рис.3). Те же самые рыбы, которых кормили рационами, лишенными других L-аминокислот, росли так же, как и рыбы, получавшие все 18 протестированных аминокислот (рис. 4). Азотный компонент в тестируемых диетах состоял из 18 L-аминокислот по образцу, обнаруженному в цельном яичном протеине. Вся тестируемая рыба быстро выздоравливала, когда в рационе была заменена недостающая аминокислота. Наклон кривой роста в группе восстановления был идентичен таковому у рыб, получавших полный тест на аминокислотный рацион.

    Испытывали незаменимые аминокислоты: аланин, аспарагиновая кислота, цистин, глутаминовая кислота, глицин, пролин, серин и тирозин.Было обнаружено, что эти аминокислоты не являются необходимыми для роста лосося, форели и канального сома.

    Для количественных исследований потребностей в 10 незаменимых аминокислотах использовалась смесь казеина и желатина с добавлением кристаллических L-аминокислот. Тестовая диета содержала 40 процентов цельного яичного белка для азотного компонента. Эксперименты, проведенные с карпом и угрем, показали аналогичное отсутствие роста, когда в рационе отсутствовала незаменимая аминокислота.

    Рис. 3. Рост рыб с дефицитом аргинина. Группа с дефицитом была разделена через шесть недель на диете с дефицитом, и недостающая аминокислота была заменена в одной из двух частей.

    Рис. 4. Рост рыб с дефицитом цистина.

    (Оба рисунка взяты из: DeLong, D.C., J.E. Halver and E.T. Mertz, 1958, J.Nutr., 65: 589-99)

    4.2 Основные аминокислоты и качество белка

    Если известны потребности рыбы в незаменимых аминокислотах, должно быть возможно удовлетворить эти потребности в системах культивирования различными способами за счет различных пищевых белков или комбинаций пищевых белков.

    Фенилаланин избавлен от тирозина. Неизвестно, что он химически модифицирован или становится недоступным из-за суровых условий, которым обычно подвергаются кормовые белки во время обработки. Измерение фенилаланина в белках несложно, поэтому обеспечение и оценка фенилаланина в белках в практических диетах не представляет особых трудностей.

    Лизин — основная аминокислота. В дополнение к -аминокислотной группе, обычно связанной пептидной связью, он также содержит вторую -аминогруппу.Эта альфа-аминогруппа должна быть свободной и реактивной, иначе лизин, хотя и поддается химическому измерению, не будет доступен биологически. Во время обработки белков корма α-аминогруппа лизина может реагировать с небелковыми молекулами, присутствующими в корме, с образованием дополнительных соединений, которые делают лизин биологически недоступным.

    Цистин избавлен от метионина. Однако измерить содержание метионина в кормовых белках непросто, поскольку аминокислота подвержена окислению во время обработки.После обработки метионин может присутствовать как таковой, или в виде сульфоксида, или в виде сульфона. Сульфоксид может образовываться из метионина во время кислотного гидролиза кормового белка перед измерением его кислотного состава, не содержащего кислоты. Кислотный гидролиз белков перед анализом нарушает исходное равновесие между двумя соединениями, так что состав гидролизата больше не отражает состав белка. При определении содержания метионина в чистых белках окисление аминокислоты до метионинсульфона обычно является количественным.Однако в случае кормовых белков это не покажет, сколько метионина или сульфоксида метионина присутствовало в белке до его окисления и гидролиза.

    Сульфоксид метионина может иметь некоторую биологическую ценность для рыб, которые могут иметь некоторую способность обратного преобразования его в метионин и, таким образом, частично восполнять часть метионина, окисленного во время обработки.

    Недавно появились сообщения о методах измерения метионина в белках с использованием йодоплатинатного реагента до и после восстановления трихлоридом титана, чтобы получить значения как для метионина, так и для сульфоксида в исходном белке.Также был описан способ измерения метионина конкретно по расщеплению цианогенбромида. Оба метода еще предстоит оценить независимо. Микробиологический анализ метионина в белках кормов является ценным инструментом, хотя существует опасность того, что оксиды метионина могут различаться по своей активности в отношении микроорганизмов и искажать значения.

    Количественные потребности лососевых в десяти незаменимых аминокислотах определялись путем кормления линейными приращениями одной аминокислоты за раз в тестируемой диете, содержащей аминокислотный профиль, идентичный цельному яичному белку, за исключением тестируемой аминокислоты.Повторяющиеся группы рыб подвергались диетическому лечению до тех пор, пока не появлялись большие различия в росте исследуемых партий. График реакции роста Альмквиста показывает уровень аминокислот, необходимый для максимального роста в этих конкретных условиях испытания. Рационы были разработаны таким образом, чтобы содержать белок на уровне или немного ниже оптимальной потребности в белке для данного вида и условий тестирования, чтобы гарантировать максимальное использование ограничивающей аминокислоты. Сравнение требований к десяти незаменимым аминокислотам между видами показано в таблице 2.

    Недавним нововведением стало использование в тестовых диетах белков, относительно дефицитных по данной незаменимой аминокислоте. Таким образом, комбинации рыбной муки и зеина использовались в тестовых диетах для определения потребности радужной форели в аргинине. Рационы, содержащие различные относительные количества казеина и желатина, показали, что увеличение уровня связанного с белками аргинина с 11 до 17 г / кг привело к значительному увеличению роста канального сома.

    Таблица 2 Потребность семи животных в аминокислотах 1/

    Аминокислота

    Молодь угря

    Карп мальки

    Канальный сом

    Молодь чавычи

    Цыпленок

    Молодой поросенок

    Крыса

    Аргинин

    3.9 (1,7 / 42)

    4,3 (1,65 / 38,5)

    6,0 (2,4 / 40)

    6,1 (1,1 / 18)

    1,5 (0,2 / 13)

    1,0 (0,2 / 19)

    Гистидин

    1,9 (0,8 / 42)

    1,8 (0,7 / 40)

    1,7 (0,3 / 18)

    1.5 (0,2 / 13)

    2,1 (0,4 / 19)

    Изолейцин

    3,6 (1,5 / 42)

    2,6 (1,0 / 38,5)

    2,2 (0,9 / 41)

    4,4 (0,8 / 18)

    4,6 (0,6 / 13)

    3,9 (0,5 / 13)

    лейцин

    4.1 (1,7 / 42)

    3,9 (1,5 / 38,5)

    3,9 (1,6 / 41)

    6,7 (1,2 / 18)

    4,6 (0,6 / 13)

    4,5 (0,9 / 19)

    Лизин

    4,8 (2,0 / 42)

    5,1 (1,23 / 24,0)

    5,0 (2,0 / 40)

    6.1 (1.1 / 18)

    4,7 (0,65 / 13)

    5,4 (1,0 / 19)

    метионин 2/

    4,5 (2,1 / 42) 3/

    3,1 (1,2 / 38,5)

    2,3 (0,56 / 24,0)

    4,0 (1,6 / 40) 3/

    4.4 (0,8 / 18)

    3,0 (0,6 / 20)

    3,0 (0,6 / 20)

    Фенилаланин 4/

    5,1 (2,1 / 41) 5/

    7,2 (1,3 / 18)

    3.6 (0,45 / 13)

    5,3 (0,9 / 17)

    Треонин

    3,6 (1,5 / 42)

    2,2 (0,9 / 40)

    3,3 (0,6 / 18)

    3,0 (0,4 / 13)

    3,1 (0,2 / 19)

    Триптофан

    1,0 (0,4 / 42)

    0.5 (0,2 / 40)

    1,1 (0,2 / 18)

    0,8 (0,2 / 25)

    1,0 (0,2 / 19)

    Валин

    3,6 (1,5 / 42)

    3,2 (1,3 / 40)

    4,4 (0,8 / 18)

    3,1 (0,4 / 13)

    3,1 (0,4 / 13)

    1/ Выражается в процентах от диетического белка.В скобках числители — это потребности в процентах от сухого рациона, а знаменатели — это процент общего содержания белка в рационе.

    2/ При отсутствии цистина

    3/ Метионин плюс цистин

    4/ При отсутствии tyro sine

    5/ Фенилаланин плюс тирозин

    (по материалам: Национальный исследовательский совет, 1977 г.)

    Потребность радужной форели в аргинине была определена по стандартной кривой доза / реакция (рост), а также путем измерения уровней свободного аргинина в тканях (крови и мышцах) в группах форели, получавших возрастающее количество аргинина в рационе.После того, как диетическая потребность форели в аргинине была удовлетворена, любое дальнейшее увеличение потребления аргинина привело к увеличению концентрации свободного аргинина в крови и мышцах. Было получено хорошее согласие между двумя методами.

    Данные, представленные в таблице 2, позволяют предположить, что между видами рыб существуют реальные различия в их потребностях в определенных аминокислотах. Это приводит к трудностям при составлении белкового компонента практического рациона для тех видов, потребности которых в аминокислотах еще не известны.Возможное решение — использовать для каждой аминокислоты наивысший уровень, необходимый для любого из тех видов, по которым имеются данные. Необходимость дополнительных количественных данных о потребностях рыб в аминокислотах, особенно тех, которые действительно или потенциально могут использоваться в качестве сельскохозяйственных животных, очевидна.

    Одним из решений использования белков, относительно дефицитных по одной или нескольким аминокислотам, является добавление в белок соответствующих количеств аминокислоты, необходимых в практических диетах. Рыба, по-видимому, использует свободные аминокислоты с разной степенью эффективности.

    Молодой карп, Cyprinus carpio, оказался неспособным расти на диетах, в которых белковый компонент (казеин, желатин) был заменен смесью аминокислот, аналогичных по общему составу. Гидролизат трипсина казеина также оказался неэффективным. Однако, если диета, содержащая свободные аминокислоты в качестве белкового компонента, тщательно нейтрализуется NaOH до pH 6,5-6,7, то некоторый рост молоди карпа действительно происходит. Этот рост был заметно ниже, чем при сопоставимой казеиновой диете в тех же условиях.

    Канальный сом также не может использовать свободные аминокислоты в качестве добавок к дефицитным белкам. Когда соевый шрот был заменен изоназотом на муку менхадена, рост и эффективность корма канального сома были значительно снижены. Добавление свободного метионина, цистина или лизина, наиболее ограничивающих аминокислот, к этим заменителям сои не привело к увеличению веса.

    Повышение уровня аргинина в рационах сома с 11 до 17 г / кг путем изонитрогенной замены желатина на казеин значительно увеличивало набор веса, но добавление свободного аргинина, цистина, триптофана или метионина к казеину мало влияло на рост или преобразование пищи.

    Лососевые могут использовать свободные аминокислоты для роста. Было показано, что зеин-желатиновая диета с добавлением лизина и тритофана заметно превосходит зеин-желатиновую диету для радужной форели, когда в качестве критериев использовались прибавка в весе и использование белка.

    Несколько исследователей продемонстрировали возможность дополнения белков с дефицитом аминокислот ограничивающими аминокислотами в рационах лососевых. Казеин с добавкой шести аминокислот давал коэффициенты конверсии корма для атлантического лосося, аналогичные тем, которые были получены при использовании изолированного рыбного белка в качестве источника пищевого белка.Соевый шрот с добавлением пяти или более аминокислот (включая метионин и лизин) был лучшим источником белка для радужной форели по сравнению с одним соевым шротом. Однако однократное добавление метионина и лизина не привело к повышению ценности соевого шрота. Эти результаты позволяют предположить, что аминокислотный спектр выделенного рыбьего белка, который они использовали, может приблизительно соответствовать потребности в аминокислотах радужной форели. Пищевая ценность изолята соевого белка может быть увеличена путем добавления в него первой ограничивающей аминокислоты; я.е., метионин.

    Рационы, содержащие в качестве белкового компонента рыбную муку, мясо-костную муку, а также дрожжевую и соевую муку, можно улучшить путем одновременного добавления цистина (10 г / кг) и триптофана (5 г / кг). Рыбную муку можно полностью заменить без снижения конверсии корма в рационах для радужной форели смесью из субпродуктов домашней птицы и перьевой муки вместе с 17 г лизина HCL / кг, 4,8 г DL-метионина / кг и 1,44 г DL. -триптофан / кг.

    Коуи, К.Б. и Дж. Р. Сардженты, 1972 Кормление рыб. Adv.Mar.Biol., 10: 383-492

    Cowey, C.B., 1979 Потребности рыб в белках и аминокислотах. В Технология кормления и кормления рыб, под редакцией Дж. Э. Халвера и К. Тьюса. Материалы Всемирного симпозиума, спонсируемого EIFAC / FAO, ICES и IUNS, Гамбург, 20-23 июня 1978 г. Schr . Bundesforschungsanst . Fisch ., Hamb ., (14/15) vol. 1: 3-16

    Мерц, Э.Т., 1972 г. Потребности в белке и аминокислотах. В Рыбное питание, под редакцией Дж. Э. Халвера. Нью-Йорк, Academic Press, стр. 106-43.

    Национальный исследовательский совет, Подкомитет по тепловодным рыбам 1977 года, Потребности теплопроводных рыб в питательных веществах. Вашингтон, округ Колумбия, Национальная академия наук (потребности домашних животных в питательных веществах) 78 стр.


    .

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *