А.Г.Безусько. Науковий підхід до викладання теми...

Протеоміка, історія виникнення. Геноміка, протеоміка та біоінформатика. Структурна протеоміка. Дипептиди, трипептиди, олігопептиди. Секвенування білків. Просторова структура білків. Значення конформаційних змін білка

для здійснення функції. Біоінформатика і протеоміка. Функціональна протеоміка. Практична протеоміка.

Успіхи біохімії, молекулярної біології та обчислювальної техніки призвели до народження геноміки. Першим був розшифрований геном бактеріофага phi Х-174 (біля 5·103 основ), потім у першої бактерії – Haemophilus influenzae .

Із завершенням XX ст. було закінчено розшифровку повного генома людини – виявлено послідовність приблизно 3 млрд основ нуклеїнових кислот.

Саме в цей період народжуються дві нові біологічні науки: в 1987 г. вперше в науковий роботах було використано слово «геноміка», а в 1993 г. – «біоінформатика».

Від генів до білків. Виділення та визначення структури

всіх білків залишається актуальною задачею (пряме визначення структури білків сьогодні здійснено лише для 10% білків людини).

На додаток до геноміки з’явився термін “протеоміка”, об’єктом дослідження якої є протеом (від англ. PROTEins – білки і genOMe – геном). А в науковій літературі згадка про протеом вперше з’явилась у 1995 р.

Геноміка – наука, яка займається вивченням структури та функцій сукупності всіх генів організму.

Біоінформатика – наука, що займається вивченням біологічної інформації за допомогою математичних, статистичних та комп’ютерних методів.

Протеоміка– наука, яка займається вивчення сукупності білків та їх взаємодій в живих організміах. Протеом – сукупність всіх білків організму.

Протеоміка поділяється на структурну протеоміку, функціональну протеоміку та прикладну протеоміку.

Структурне різноманіття білків. Кількість амінокислотних залишків

( від 2 у олігопептидів) до десятків тисяч.

Титин людини складається з 34 350 амінокислотних залишків і на сьогодні вважається рекордсменом – найбільшою з усіх відомих білкових молекул.

Для вивчення протеома необхідно виділити і очистити білкову фракцію від інших молекул.

Бета-аланін+гістидін= карнозин.

Міститься в скелетних м’язах і тканинах мозку.

Антиоксидант

Карнозин було відкрито у складі безбілкового екстракту м’язів російським біохіміком В.С. Гулевичем у 1900 р.

Біологічне значення карнозину для функції збудливих тканин стала зрозумілою з робіт академіка С.Є. Северина (1901-1993) та його учнів. Северин вперше продемонстрував, що карнозин здатний відновлювати м’язову активність.

Має геропротекторні та антистресорні властивості.

Трипептид, що складається з глутамінової кислоти, цистеїну та гліцину. Бере участь у окисно-відновних реакціях

Може існувати в окисненій (Г-S—S-Г) та відновленій (Г-SН) формі. Відновлена форма Г захищає SH-групи білків від окиснення. Механізм захисту полягає в окисненні SH-групи самого Г з утворенням окисненої форми і збереженням SH-груп білків в активній відновленій формі.

Г виступає кофактором деяких оксидоредуктаз — гліоксилази, формальдегіддегідрогенази.

Важлива роль належить Г у зв’язуванні вільних радикалів, відновленні пероксиду водню та інших пероксидів, що запобігає розвитку вільнорадикальних процесів.

Г бере участь у транспорті амінокислот через плазматичні мембрани ентероцитів та інших клітин (мозку, нирок).

Шляхом кон’югації з Г під дією ферменту Г-трансферази знешкоджується низка ксенобіотиків, а також інактивуються деякі ендогенні метаболіти (естрадіол, простагландини, лейкотрієни).

Пептидний нейрогормон, складається з 9 амінокислот. Впливає на поведінку як нейромедіатор.

Клітини продукують переважно окситоцин

Клітини продукують переважно вазопресин

Складається з 9 амінокислот.

Антидіуретичний гормон.

Бере учать в системі регуляції соціальної поведінки

Експресія вазопресинових рецепторів ( та їхня кількість в прилеглому ядрі та інших відділах мозку) залежить від некодуючої ділянки ДНК – мікросателіта, що розміщений попереду від гена рецептора V1альфа.

У моногамних тварин мікросателіт довше.

У людини розміри мікросателіта корелює з часом статевого дозрівання, а також з рисами характеру, що пов’язані з альтруїзмом.

Ф. Сенгер Нобелевські

премії(1958, 1980)

Визначаючи аміногрупи у білках, Сенгер уперше припустив наявність упорядкованості у структурі молекул білків. Він був першим серед дослідників, хто визначив первинну амінокислотну послідовність

Працював з гормоном інсуліном

двомірна електрофореграма білків з

екстракту печінки миші

двомірна електрофореграма пептидів з цереброспинальної

рідини людини

Таким чином, задача структурної протеоміки полягає у виділенні, очищенні, визначенні первинної, вторинної та третинної структур всіх білків живого організму, а її основними методами сьогодні задишаються: двомірний електрофорез, мас-спектрометрія та біоінформатика.

Третинну структуру білка встановлюють за допомогою рентгеноструктурного аналізу і метода ядерного магнітного резонансу.

Джон Коудрі Кендрю Дата народження – 24

березня 1917. Дата смерті- 23 серпня 1997.

Англійський біохімік, фахівець в області молекулярної біології і кристалографії, член Лондонського королівського товариства

В 1957 році вперше визначив просторове розташування поліпептидних ланцюжків в молекулі білку міоглобіну; у 1959 встановив його детальну будову, підтвердивши наявність в ньому α-спіралей, передбачених в 1951 році Лайнусом Поллінгом.

Лауреат Нобелєвської премії з хімії 1962 року, спільно з Максом Перуцом

Макс Фердинанд Перуц Дата народження – 19 травня

1914 . Дата смерті —6 лютого 2002,

Англійський біохімік австрійського походження, що спеціалізувався в області молекулярної біологіїі кристалографії, член Лондонського королівського товариства (з 1954 року). Член Американської академії мистецтв(з 1963року), член Австрійської академії наук (з 1963 року) і багатьох наукових товариств.

Основні роботи Перуца по вивченню структури білка за допомогою вдосконаленого ним методу рентгеноструктурного аналізу. Вперше розшифрував просторову будову молекули гемоглобіну. За цю роботу отримав Нобелєвмьку премію з хімії 1962 року.

Існування величезної кількості різних білків визначило необхідність створення інформаційних баз даних, до яких мають заноситись всі відомі про них відомості.

В наш час існує дуже багато загальних та спеціалізованих баз даних. У загальних базах містяться відомості про всі відомі білки живих організмів, про глобальний протеом всього живого. Прикладом такої бази є SwissProt-TrEMBL (Швейцарія- Німеччина), в якій містяться структури майже 200000 білків, що встановлені аналітичним методами і ще майже 2 млн структур які визначені в результаті трансляції з нуклеотидних послідовностей.

Таким чином, задачами біоінформатики є: а)накопичення інформації про фізико-хімічні та біологічні властивості білків,

б)аналіз цієї інформації, в)каталогізація і підготовка

інформаційної бази і обчислювальних методів для виявлення механізмів функціонування білків.

Білкові молекули взаємодіють з іншими або такими ж структурами, що приводить до виникнення функціональних реакцій спершу на молекулярному рівні, а потім і на макроскопічному. Відомо дуже багато таких процесів за участю білків. Серед них взаємодія фермента з субстратом, антигена з антитілом, пептидів з рецепторами, токсинів з іонними каналами тощо.

Для встановлення механізмів цих процесів проводяться експериментальні дослідження індивідуальних учасників взаємодії, також і системні дослідження із залученням засобів біоінформатики.

Функціональними частинами молекул цих пептидів є дуже подібні зони в правій частині молекули. Однак ці пептиди мають протилежний вплив на поведінку: гастрини викликають у людини відчуття голоду, тоді як холецистокініни відчуття ситості. Можливо така відмінність обумовлена тим, що в первинній послідовності холецистокінінів положення залишку тирозина Y зміщено на один крок порівняно з гастринами.

Виявлені у тварин від комах до ссавців. У ссавців цей олігопептид складається

з 9 амінокислот. Хіміки синтезували різні фрагменти і досліджували активність зв’язування з рецептором. Однак з’ясувалось, що лише ціла молекула має максимальну активність.

У всіх молекулах присутня однакова послідовність. Можливо під час еволюції вона виявилась найбільш вдалою і сьогодні –це біологічно активна речовина ссавців.

Просторова структура ендотеліну 1 людини

Просторова структура сарафотоксину 6b

ізраїльскої змії Atractaspis engaddesis

С. Прусінер

Нобелевська премія

(1997)

Пріони – інфекційні білки

Нозологічна форма Природний хазяїн

Хвороба Kрейтцфельда- Якоба Людина

Kуру Людина

Синдром Герстманна-Штреусслера-Шейнкера Людина

Смертельне родинне безсоння Людина

Скрейпі Вівці, кози

Трансміссивна енцефалопатіяя норок Норки

Хронічна виснажлива хвороба Олені

Губкоподібна енцефалопатія великої рогатої худоби

Kорови и бики

Губкоподібна енцефалопатія котів Kішки

Губкоподібна енцефалопатія екзотичних копитнихАнтилопи і великий

куду

95% всіх фармакологічних засобів впливають на білки. Протеоміка з своїм системним підходом може допомогти ідентифікувати і оцінити важливість появи нових білків ефективніше, що може прискорити розробку нових діагностичних тестів та терапевтичних засобів.

Перше практичне застосування протеомних досліджень відбулось задовго до появи терміну «протеоміка», ще на початку XX ст., коли було встановлено роль інсуліну в розвитку такого важкого захворювання, як діабет. Створення інсулінових препаратів врятувало життя мільйонам людей.

Створення протеомних карт патологічно змінених і нормальних тканин дозволяє виявити мішені.

Перспективним напрямком буде створення протеомних карт крові.

Подібне порівняння протеомів пухлинних та нормальних клітин, клітин до и після впливу певних факторів (фізичних або хімічних) використання біологічних рідин в діагностичних цілях – все це відкриває нові перспективи в медицині, фармакології.