Белковая форма жизни: Белковая форма жизни

Содержание

5 признаков, что в вашем рационе недостаточно белка

Человек это в буквальном смысле белковая форма жизни. Протеины (от греческого слова prota – в буквальном переводе «первый») играют важную роль при формировании мышц и сухожилий, важны для поддержания здоровья внутренних органов и сохранения плотности и эластичности кожи. Кроме того, белки необходимы для производства иммуноглобулина, пищеварительных ферментов, гормонов, нейромедиаторов и многого другого.


Вот почему так важно следить за своим рационом и употреблять достаточно белковой пищи, даже если у вас нет интенсивных физических нагрузок.


Определить белковую недостаточность несложно. Вот пять ключевых признаков, которые являются наиболее яркими маркерами проблемы.


Внешний вид


Тусклая кожа, ломкие ногти, тонкие волосы и отеки по утрам – одни из первых признаков того, что в вашем рационе не хватает белка. Если вы в таком состоянии решите пить коллаген, делать уколы гиалуроновой кислоты или принимать витамины, то видимого эффекта либо не будет, либо он будет слабо выражен. Все, что организм получит дополнительно извне, он потратит на нужды значимых органов и систем тела, а это не кожа или волосы.


Многие женщины, которые привыкли годами сидеть на скудном калораже и критически не добирать белка, отмечают, что их внешний вид значительно улучшился, когда они стали есть больше мяса, рыбы, молочных продуктов и яиц.


Это связано с тем, что волосы, кожа и ногти являются белковыми структурами (коллаген, кератин, эластин) и при нехватке белка в рационе не дополучают ключевых веществ для создания новых клеток. С учетом того, что верхний слой кожи постоянно обновляется, а волосы и ногти растут на протяжении всей жизни, дефицит белка сказывается на нашем внешнем виде напрямую.


Самочувствие


Апатия, быстрая утомляемость, сложности с концентрацией, чувство усталости и сонливости – еще одна группа маркеров характерных для тех, в чьем рационе длительное время отмечается нехватка белка. Как правило, такое самочувствие – не единственный признак белковой недостаточности. Чаще всего наблюдается в сочетании с тусклым цветом лица, ломкими ногтями и волосами.


Иммунитет


Белки участвуют в формировании антител1,2, которые организм вырабатывает для защиты от вирусов, инфекций, болезнетворных бактерий. Кстати, первый сывороточный протеин, который выпустили на рынок в начале 90-х, рекламировался не только как спортивное питание, но и как БАД, способствующий укреплению иммунитета3.


Похудение и тренировки


Для тех, кто хочет похудеть и получить желаемый результат от тренировок, белок особенно важен4. Белковая пища дает длительное чувство сытости, помогает проще контролировать тягу к сладкому и компульсивному перееданию. Подтянутая кожа, хороший мышечный каркас – без достаточного количества белка в рационе получить это невозможно.


Внешние негативные факторы. Тут можно выделить три условных группы:


  • Болезнь и восстановление после неё. В этот период, как правило, не до того, чтобы соблюдать нормы по белкам и вообще есть часто не хочется ничего или нельзя именно белкового (или конкретно любимых белковых продуктов). В общем, сложный период, который нужно пережить и вернуться после него к оптимальному рациону.


  • Ограничительное питание без рекомендации врача: монодиеты, веганство, сыроедение, вегетарианство, экстремальные диеты, долгий пост итп. На эту тему уже написано достаточно много статей. Если причины вашей исключающей диеты религиозные или этические, необходимо проконсультироваться с врачом и, возможно, сдать анализы на соответствующие группы нутриентов, чтобы избежать их дефицита. Белковая пища, которую употребляют вегетарианцы и веганы, чтобы компенсировать дефициты, значительно проигрывает в нутритивной ценности и биодоступности аналогичным продуктам животного происхождения. Поэтому регулярный чекап – обязательная мера для тех, кто хочет поддерживать выбранный рацион и оставаться здоровым.


    Если вы рассчитываете таким образом похудеть, то, возможно, и получите какой-то результат, но с очень высокой вероятностью не сможете его сохранить.


  • Стресс, депрессия, нарушения циркадных ритмов. Проблемы психологического характера также негативно влияют на наше пищевое поведение. Например, нарушение циркадных ритмов ведет к хроническому недосыпанию, после которого подналечь на простые углеводы или жирную и жареную пищу хочется особенно сильно. Депрессивные состояния разной этиологии – отдельная тема, но и они негативно влияют на пищевое поведение. Каждый случай стоит разбирать отдельно. Какие-то проблемы можно скорректировать самостоятельно, для решения других необходимо обратиться к специалисту.


Выход из этой ситуации в большинстве случаев простой и очевидный: есть больше белковой пищи или принимать дополнительно аминокислотные комплексы. Что особенно важно – источники белка в вашем рационе должны быть максимально разнообразными.



Если вы физически не можете съесть в сутки столько мяса, творога, рыбы и яиц, стоит обратить внимание на дополнительные альтернативные варианты. Это, конечно же протеины.


В ассортименте Эвалар есть два вида протеинового питания: сывороточный и мультикомпонентный.


Протеины SportExpert — натуральные продукты, в которых в качестве загустителя используется ксантановая камедь (она же применяется для детского питания), есть дополнительная добавка в виде витамина B6, который не только полезен для нервной системы, но и благотворно влияет на усвоение аминокислот, а также помогает нормализовать липидный обмен.


Оба протеина достаточно универсальны, содержат большое количество белка, минимум жиров и углеводов. Их можно использовать и тем, кто хочет получить качественный прирост мышечной массы, и тем, кто стремится избавиться от лишних килограммов, и тем, кому нужно сбалансировать свой рацион по белкам.


Протеиновое питание «Турбослим» также относится к классу многокомпонентных протеинов, но в отличие от SportExpert тут более насыщенный состав и другая упаковка, о которой стоит сказать отдельно.


Это порционные саше, которые можно взять с собой и приготовить свежий протеиновый коктейль в любой удобный момент или добавить протеин в смузи, сок, творог, холодный кофе. В «Протеиновом питании» от Турбослим содержится комплекс витаминов и минералов, а также коэнзим Q10, аминокислота L-орнитин, гиалуроновая кислота, экстракт виноградных косточек.




1Amino acids and immune function
Peng Li, Yu-Long Yin, Defa Li, Sung Woo Kim, Guoyao Wu
2Structure and Function of Immunoglobulins
Harry W Schroeder, Jr, M.D., Ph.D., Lisa Cavacini, Ph. D.
3Густав Буну: «Иммуномодулирующие свойства пищевых сывороточных белков у мышей: роль глютатиона», «Сывороточные белки и профилактика рака», «Влияние пищевых сывороточных белков на тканевый глютатион и возрастные заболевания».
4A high-protein diet for reducing body fat: mechanisms and possible caveats
Dominik H Pesta and Varman T Samuel

«Неклеточные формы жизни. Вирусы». – Учительская газета

Цели урока: 1. Образовательная: расширить и углубить знания учащихся о неклеточных формах жизни – вирусах и бактериофагах. Раскрыть особенности их строения и жизнедеятельности как внутриклеточных паразитов растений, животных и человека. 2. Развивающая: развитие познавательных процессов: памяти – через работу с новыми понятиями, логического мышления – через построение умозаключений, внимания – через умение анализировать, сравнивать, делать выводы, подводить итоги. Развитие умений графического построения, работы с учебником, таблицами.3. Воспитательная: формирование патриотического воспитания через гордость за отечественного ученого, сделавшего величайшее открытие в области вирусологии. Осуществление санитарно-гигиенического воспитания. Развитие стремления прийти на помощь, навыков работы в группе.

: таблица по общей биологии «Вирусы», стенд «Вирусология». Иллюстрация с сайта:  http://www.epochtimes.ru/content/view/37488/7/

Оборудование

Ход урока

Грипп, ОРЗ, СПИД, ящур, атипичная пневмония, бешенство, краснуха, корь, энцефалит, детский паралич…

Список можно продолжить. Наверняка каждый из нас неоднократно слышал об этих заболеваниях. Что у них общего? Каким образом они возникают?

Сегодня на уроке мы постараемся ответить на эти и другие вопросы. Запишите тему урока «Неклеточные формы жизни. Вирусы».

1) История открытия и развития знаний о вирусах:

…Его имя в науке о вирусах следует рассматривать почти в том же свете, как имена Пастера и Коха в бактериологии. Имеются все основания считать Ивановского отцом новой науки – вирусологии…

У.Стэнли

В 1887 году в Крыму плантации табака поразила неизвестная болезнь: листья растений покрывались абстрактным рисунком, растекавшимся по листу, словно красочная мозаика, переливающаяся с одного листа на другой, от одного растения к другому. Сельское хозяйство несло большие убытки.

На место происшествия был направлен молодой ученый, выпускник Санкт-Петербургского университета Дмитрий Ивановский. Сделано бессчетное количество опытов и исследований по изучению возбудителя.

И вот в 1892 году мир науки сотрясла новость – обнаружена новая, неизвестная ранее форма жизни, открыты необычайно микроскопические организмы, проходящие сквозь самые узкие отверстия фильтров.

Открытые организмы Ивановский назвал «фильтрующимися вирусами», это название использовалось в научных кругах несколько лет, пока в 1899 году голландский ученый Мартин Бейеринк не применил понятия «вирусы», что в переводе с латинского (vira) означает «яд».

За открытием Ивановского последовали новые открытия вирусов и вирусных заболеваний растений, животных и человека: грипп, ящур, оспа, чума, герпес – и, наконец, открыт вирус СПИДа.

Все эти открытия не только укрепили позиции новой области биологии, но и позволили появиться новой самостоятельной науке – вирусологии («vira» – яд, «logos» – учение).

Открытие вирусов принесло мировую славу отечественному ученому – Дмитрию Иосифовичу Ивановскому.

Какую форму жизни открыл Д.И.Ивановский?

Прежде чем ответить на этот вопрос, давайте вспомним уровни клеточной организации живых организмов.

Ответ: Уровни организации живых организмов

Клеточные организмы Неклеточные организмы

Прокариоты Эукариоты

Одноклеточные Многоклеточные

2) Вирусы – неклеточная форма жизни: особенности строения, химической организации и классификации вирусов.

Естествознание так ясно показывает, что самое таинственное, самое волшебное протекает необыкновенно просто, открыто и без всякой магии.

В.Гете

Вирусы – это неклеточная форма жизни. Они являются внутриклеточными облигатными паразитами. Вне клетки-хозяина вирусы не проявляют никаких свойств живого организма.

Вирусы – мельчайшие организмы. Их размеры меньше половины длины световой волны, поэтому их размеры измеряют в нанометрах (1 нм = 10-9 м). Размеры вирусов колеблются в пределах от 20 до 300 нм. Форма вирусных частиц бывает самой разнообразной.

Вне зависимости от типа инфекции и характера вызываемого заболевания все вирусы можно рассматривать как генетические элементы, одетые в защитную белковую оболочку и способные переходить из одной клетки в другую.

Вирусы довольно просто устроены. Отдельная вирусная частица называется вирионом. Вирион представляет собой симметричное тело, состоящее из повторяющихся элементов. В сердцевине вириона находится генетический материал, представленный молекулами нуклеиновых кислот.

Какие виды нуклеиновых кислот вам известны и каково строение их макромолекул?

ДНК – две спирально закрученные нити, состоящие из отдельных дезоксинуклеотидов;

РНК – линейный одноцепочечный полимер, состоящий из рибонуклеотидов.

Генетический материал вирусов, называемый геномом, состоит из молекул ДНК или РНК, никогда обе кислоты не встречаются в вирионе одного вируса.

На этом основании все вирусы делятся на две большие группы:

I. ДНК-содержащие вирусы – дезоксивирусы;

II. РНК-содержащие вирусы – рибовирусы.

В свою очередь и ДНК, и РНК у разных вирусов могут быть представлены в единичном экземпляре, в виде линейного полимера или в виде двухцепочечной конфигурации. Геном вирусов окружен белковой оболочкой, которая называется капсид (от латинского «capsa» – вместилище).

Капсид защищает вирус от действия ультрафиолета и других разрушающих веществ.

Многие вирусы помимо белкового капсида имеют внешнюю мембрану, состоящую из белков, липидов и полисахаридов. Такая внешняя оболочка называется суперкапсидом.

(Демонстрация наглядного пособия «Строение вирусов»)

Рисунок «Модель вируса табачной мозаики»

Модель вируса табачной мозаики: 1 – белковая оболочка, 2 – РНК.

Таким образом, подводя итоги строения и химической организации, мы можем выделить химические вещества, входящие в состав вирусов:

1. ДНК

2. РНК

3. Белки

4. Липиды

5. Углеводы

Размножение вирусов принципиально отличается от размножения других организмов.

Оно происходит только внутри клетки-хозяина и включает три этапа:

1. Вирусная нуклеиновая размножается путем репликации.

2. Синтезируются белки капсида.

3. Происходит сборка вириона (формирование вирусный частицы).

В результате в одной клетке образуется большое количество вирусных частиц, а клетки хозяина погибают. Возникает инфекционный процесс.

Вирусы вызывают различные заболевания растений, животных и человека. О некоторых вирусных инфекциях человека нам расскажут специалисты.

Выступления учащихся с докладами:

1. Грипп

2. Атипичная пневмония

3. СПИД

4. Бешенство.

Давайте подведем итоги.

Являются ли вирусы представителями живой природы?

Чтобы ответить на этот вопрос, давайте вспомним критерии живого вещества (признаки живых организмов).

Для живого характерны следующие критерии:

1. Единство химического состава.

2. Обмен веществ и энергии.

3. Способность к самовоспроизведению.

4. Наследственность.

5. Изменчивость.

6. Способность к росту и развитию.

7. Раздражимость.

8. Дискретность.

9. Авторегуляция.

10. Ритмичность.

Лишь весь этот комплекс критериев можно считать достаточным и необходимым для определения живого. Если тело не отвечает хотя бы одному критерию, то его живым считать нельзя.

Теперь давайте вспомним характеристики вирусов:

1. Химический состав представлен только органическими веществами, а такие важные неорганические компоненты, как вода и минеральные соли, отсутствуют.

2. Вирусы не вырабатывают энергии, не потребляют пищу.

3. Вирусы не растут и не имеют обмена веществ.

Но – они способны:

1. Воспроизводить себе подобных (размножаться).

2. Обладают наследственностью и изменчивостью, т.к. обладают генетическим материалом.

Какой вывод можно сделать, вирусы – живые или неживые организмы?

Вирусы относятся к живым организмам, т.к. обладают рядом свойств живого организма.

Отличия вирусов от организмов с клеточной организацией:

1. Не имеют структурных составляющих.

2. Могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не могут размножаться вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.

3. Содержат лишь один из типов нуклеиновых кислот – либо ДНК, либо РНК (все клеточные организмы содержат и ДНК, и РНК одновременно).

4. Для размножения вирусов нужна только нуклеиновая кислота.

5. Не имеют собственных систем метаболизма.

Домашнее задание

Ответьте на вопросы:

1. Вирусы вызывают различные заболевания растений, животных и человека. Трудно ли с ними бороться? (Ответ мотивируйте).

2. Грипп и СПИД – заболевания, вызываемые вирусами. Почему грипп почти всегда излечим, а СПИД – смертелен?

Ирина Месникова, учитель биологии гимназии № 4 г. Норильска, участник конкурса «Сто друзей-2004»

Нобелевский лауреат рассказал о влиянии белковых молекул на жизнь – Москва 24, 24.12.2014

Нобелевский лауреат рассказал о влиянии белковых молекул на жизнь

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Что такое магниторезонансный томограф?

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

Что такое прионообусловленные заболевания?

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

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

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

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

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

Какие методы работы вы применяете?

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

Что это за семь измерений?

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

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

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

Сюжет:
Лекции на M24.ru: расшифровки

нобелевские лауреаты Лекции: Наука Московский фестиваль науки смотреть онлайн на m24.ru молекулы белок

Первая молекула жизни была белком, а не РНК, новая модель предлагает

Из Quanta Magazine ( найти оригинал здесь ).

Белки, как правило, уступают место молекулам РНК в предположениях ученых о том, как зародилась жизнь на Земле. Тем не менее, новая вычислительная модель, которая описывает, как ранние биополимеры могли расти достаточно долго, чтобы складываться в полезные формы, может изменить это. Если она подтвердится, модель, которая сейчас используется для подтверждения в лабораторных экспериментах, может восстановить репутацию белков как оригинальных самовоспроизводящихся биомолекул.

Для ученых, изучающих происхождение жизни, один из величайших вопросов, связанных с курицей или яйцом, звучит так: что появилось раньше — белки или нуклеиновые кислоты, такие как ДНК и РНК? Четыре миллиарда лет назад или около того основные химические строительные блоки привели к появлению более длинных полимеров, которые обладали способностью к самовоспроизведению и выполняли функции, необходимые для жизни, а именно: хранили информацию и катализировали химические реакции. На протяжении большей части истории жизни нуклеиновые кислоты выполняли первую работу, а белки — вторую. Однако ДНК и РНК несут инструкции по созданию белков, а белки извлекают и копируют эти инструкции в виде ДНК или РНК. Какой из них изначально мог справиться с обеими задачами самостоятельно?

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

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

Кен Дилл и Елизавета Гусева из Университета Стоуни-Брук в Нью-Йорке вместе с Рональдом Цукерманом из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли в Калифорнии представили возможное решение головоломки в Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS ) этим летом. Что касается моделей, то они очень простые. Дилл разработал его в 1985 году, чтобы помочь решить «проблему свертывания белка», которая касается того, как последовательность аминокислот в белке определяет его свернутую структуру. В его гидрофобно-полярной (ГП) модели свертывания белка 20 аминокислот рассматриваются как всего два типа субъединиц, которые он сравнил с разноцветными бусинками на ожерелье: синие, водолюбивые (полярные мономеры), и красные, водоненавидящие. (неполярные мономеры). Модель может сложить цепочку из этих бусин в последовательном порядке по вершинам двумерной решетки, подобно размещению их на смежных клетках шахматной доски. Какой квадрат в конечном итоге займет данная бусина, зависит от тенденции красных гидрофобных бусинок слипаться вместе, чтобы они могли лучше избегать воды.

Дилл, биофизик, использовал этот вид вычислений на протяжении 1990-х годов, чтобы ответить на вопросы об энергетических ландшафтах и ​​состояниях сворачивания белковых последовательностей. Только недавно он додумался применить эту модель к ранней Земле и к переходу от пребиотической химии к биологии. «Химия не корыстна, в отличие от биологии», — сказал Дилл. «Каковы были первые семена этого корыстного интереса?»

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

Этот патч может служить привлекательной липкой посадочной площадкой для гидрофобных участков последовательностей, проплывающих мимо. Если одна красная бусинка и цепочка с красным хвостом приземляются на гидрофобный участок одновременно, термодинамика благоприятствует соединению двух последовательностей вместе. Другими словами, пластырь действует как катализатор удлинения полимеров, ускоряя эти реакции в десять раз. Хотя это увеличение скорости небольшое, по словам Дилла, оно является значительным.

Автокаталитическое оригами

Большинство этих удлиненных полимеров просто продолжают свой путь. Но некоторые в конечном итоге складываются, а у некоторых даже есть собственный гидрофобный участок, как и у исходного катализатора. Когда это происходит, свернутые молекулы с посадочными площадками не только продолжают формировать длинные полимеры во все большем и большем количестве, но и могут в конечном итоге составить так называемый автокаталитический набор, в котором фолдамеры прямо или косвенно катализируют образование копий самих себя. . Иногда два или более фолдамеров могут участвовать во взаимном катализе, усиливая реакции, которые формируют друг друга. Хотя такие наборы встречаются редко, количество этих молекул будет расти экспоненциально и в конечном итоге преобладать над пребиотическим супом. «Это все равно, что зажечь спичку и разжечь лесной пожар», — сказал Дилл.

«В этом вся магия, — добавил он, — способность небольшого события использовать себя для гораздо более крупных событий».

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

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

«Людям не понравилась гипотеза о белках, потому что мы не знаем, как реплицировать белки», — добавил он. «Это попытка показать, что, хотя вы не можете воспроизводить белки так же, как вы можете воспроизводить РНК, вы все равно можете строить и развивать мир без такого точного хранения информации».

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

В поисках доказательств с помощью пептоидов

Конечно, ключ ко всему этому лежит в настоящих экспериментах. «Все, что уходит в прошлое более чем на 2,5–3 миллиарда лет, является предположением», — сказал Эрих Борнберг-Бауэр, профессор молекулярной эволюции Вестфальского университета Вильгельма в Мюнстере в Германии. Он описал работу Дилла как «настоящее доказательство концепции». Эту модель все еще необходимо проверить на других теоретических моделях и экспериментальных исследованиях в лаборатории, если она действительно хочет дать хороший отпор гипотезе мира РНК. В противном случае «это похоже на шутку о физиках [предполагающих], что коровы — это идеально эластичные сферические объекты», — сказал Андрей Лупас, директор отдела эволюции белков в Институте биологии развития им. Макса Планка в Германии, который верит в мир РНК-пептидов. , в котором эти двое развивались вместе. «Любое значение в конечном итоге исходит из эмпирических подходов».

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

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

Это наверняка будет грязно и сложно. Модель HP Дилла сильно упрощена и не учитывает многих сложных молекулярных деталей и химических взаимодействий, характерных для реальной жизни. «Это означает, что мы столкнемся с реальностью атомного уровня, которую модель не способна увидеть», — сказал Цукерманн.

Одной из таких реалий может быть то, что пара фолдамеров будет объединяться, а не катализировать производство друг друга. Скептики гипотезы Дилла опасаются, что гидрофобным участкам будет гораздо легче взаимодействовать друг с другом, чем с другими полимерными цепями. Но, по словам Похорилла, возможность агрегации не означает автоматически, что Дилл ошибается в том, что эти гидрофобные участки нужны для запуска автокатализа. «Современные ферменты — это не просто гладкие шарики. Ферменты содержат щели, которые помогают процессу катализа», — объяснил он. Если между фолдамерами происходит агрегация через их посадочные площадки, вполне возможно, что полученная структура также может обладать такими свойствами.

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

Пока, по крайней мере, господствует гипотеза мира РНК. Тем не менее, Дилл и Цукерманн сохраняют оптимизм в отношении результатов дальнейших исследований. Дилл планирует использовать эту модель для изучения других вопросов о происхождении жизни, в том числе о том, как и почему возник генетический код. И Цукерманн надеется, что исследование — в дополнение к подтверждению (или опровержению) вычислений Дила — также поможет ему создать фолдамеры, которые могут действовать как транспортные средства для доставки лекарств, синтетических антител или диагностических инструментов.

«Эта модель дает таким экспериментаторам, как я, отправную точку, — сказал Цукерманн. «Это ставит задачу найти эти примитивные катализаторы, показать, как они работают, и сказать: это действительно могло произойти».

Перепечатано с разрешения Quanta Magazine , редакционно-независимой публикации Фонда Саймонса , чья миссия состоит в том, чтобы улучшить общественное понимание науки, освещая научные разработки и тенденции в математике, физических науках и науках о жизни. .

ОБ АВТОРАХ

    Джордана Чепелевич — научный писатель из Нью-Йорка.

    Происхождение жизни — гипотеза «мира белковых взаимодействий»: белковые взаимодействия были первой формой самовоспроизводящейся жизни, а нуклеиновые кислоты эволюционировали позже в виде молекул памяти

    . 2005;64(4):678-88.

    doi: 10.1016/j.mehy.2004.11.029.

    Питер Андрас
    1
     , Чаба Андрас

    принадлежность

    • 1 Школа компьютерных наук Университета Ньюкасл-апон-Тайн, Ньюкасл-апон-Тайн NE1 7RU, Великобритания. [email protected]

    • PMID:

      15694682

    • DOI:

      10. 1016/j.mehy.2004.11.029

    Питер Андрас и др.

    Мед Гипотезы.

    2005.

    . 2005;64(4):678-88.

    doi: 10.1016/j.mehy.2004.11.029.

    Авторы

    Питер Андрас
    1
     , Чаба Андрас

    принадлежность

    • 1 Школа компьютерных наук Университета Ньюкасл-апон-Тайн, Ньюкасл-апон-Тайн NE1 7RU, Великобритания. [email protected]

    • PMID:

      15694682

    • DOI:

      10.1016/j.mehy.2004.11.029

    Абстрактный

    Гипотеза происхождения жизни о «белковом мире взаимодействия» (PIW) предполагает, что жизнь возникла как самовоспроизводящаяся и расширяющаяся система белковых взаимодействий. В основной молекулярной биологии «репликация» относится к материальному копированию молекул, таких как нуклеиновые кислоты. Однако PIW концептуализируется как абстрактная коммуникационная система, состоящая из взаимодействий между белками, в которой «репликация» происходит на уровне самовоспроизведения этих взаимодействий между белками. Плотно сконцентрированные системы взаимодействия пептидов могли воспроизводиться и расширяться в виде везикул «протоклеток», окруженных липидными двухслойными мембранами. Протоклетки привели к появлению молекул прото-РНК с большей химической стабильностью, которые служили химически дифференцированными «памятями» состояний взаимодействия пептидов, тем самым облегчая размножение и экспансию протоклеток. Расширение, вызванное упрощением, привело к выбору биотических аминокислот и сокращению типичного алфавита РНК до четырех обычных оснований (A, C, G и U). Плотные взаимодействия между молекулами РНК привели к возникновению подсистемы РНК-взаимодействий клетки, а также к возникновению «памяти» РНК-взаимодействий в виде молекул ДНК с большей химической устойчивостью. Расширение взаимодействий молекул ДНК привело к плотной кластеризации и инкапсуляции молекул ДНК внутри клеточного ядра. Таким образом, молекулы РНК служат памятью о взаимодействиях белков, а молекулы ДНК — памятью о взаимодействиях РНК. Мы считаем, что гипотеза PIW более правдоподобна с точки зрения эволюции, чем основная гипотеза мира РНК, и обладает большей объяснительной силой.

    Похожие статьи

    • Белок и нуклеиновая кислота вместе: механизм возникновения биологического отбора.

      Дейл Т.
      Дейл Т.
      Дж Теор Биол. 2006 7 июня; 240 (3): 337-42. doi: 10.1016/j.jtbi.2005.09.027. Epub 2005, 14 ноября.
      Дж Теор Биол. 2006.

      PMID: 16289611

    • Обклетки как протоорганизмы: мембранная наследственность, литофосфорилирование и происхождение генетического кода, первые клетки и фотосинтез.

      Кавалер-Смит Т.
      Кавалье-Смит Т.
      Дж Мол Эвол. 2001 г., октябрь-ноябрь; 53 (4-5): 555-95. doi: 10.1007/s0023245.
      Дж Мол Эвол. 2001.

      PMID: 11675615

    • Возможные шаги к возникновению жизни: гипотеза [GADV]-белкового мира.

      Икехара К.
      Икехара К.
      Рек. хим. 2005;5(2):107-18. doi: 10.1002/tcr.20037.
      Рек. хим. 2005.

      PMID: 15828060

      Обзор.

    • Происхождение мира РНК: коэволюция генов и метаболизма.

      Копли С.Д., Смит Э., Моровиц Х.Дж.
      Копли С.Д. и др.
      Биоорг хим. 2007 г., декабрь 35(6):430-43. doi: 10.1016/j.bioorg.2007.08.001. Epub 2007, 25 сентября.
      Биоорг хим. 2007.

      PMID: 17897696

    • Пептидные нуклеиновые кислоты и происхождение жизни.

      Нильсен ЧП.
      Нильсен ЧП.
      Химические биодайверы. 2007 Сентябрь;4(9):1996-2002. doi: 10.1002/cbdv.2007

      • .
      Химические биодайверы. 2007.

      PMID: 17886856

      Обзор.

    Посмотреть все похожие статьи

    Цитируется

    • Привлекательные возобновляемые материалы в зеленой химии.

      Касти Ф., Басокку Ф., Моччи Р., Де Лука Л., Порчедду А., Кукку Ф.
      Касти Ф. и др.
      Молекулы. 2022 19 марта;27(6):1988. doi: 10.3390/молекулы27061988.
      Молекулы. 2022.

      PMID: 35335350
      Бесплатная статья ЧВК.

      Обзор.

    • Сила универсальных контекстуализированных встраиваний белков в предсказании межвидовых функций белков.

      ван ден Бент И., Макродитрис С., Рейндерс М.
      ван ден Бент I и др.
      Эвол Биоинформ Онлайн. 2021 3 декабря; 17:11769343211062608. дои: 10.1177/11769343211062608. Электронная коллекция 2021.
      Эвол Биоинформ Онлайн. 2021.

      PMID: 34880594
      Бесплатная статья ЧВК.

    • Пролиферирующие капли коацервата как недостающее звено между химией и биологией в происхождении жизни.

      Мацуо М., Курихара К.
      Мацуо М. и др.
      Нац коммун. 2021 24 сентября; 12 (1): 5487. doi: 10.1038/s41467-021-25530-6.
      Нац коммун. 2021.

      PMID: 34561428
      Бесплатная статья ЧВК.

    • Полиэфиры как модельная система для создания примитивных биологий из небиологической пребиотической химии.

      Чандру К., Мамаджанов И., Кливз Х.Дж. 2-й, Цзя Т.З.
      Чандру К. и др.
      Жизнь (Базель). 2020 19 января; 10 (1): 6. doi: 10.3390/life10010006.
      Жизнь (Базель). 2020.

      PMID: 31963928
      Бесплатная статья ЧВК.

    • Вирусы и эволюция — сначала вирусы? Личная перспектива.

      Меллинг К., Брокер Ф.
      Меллинг К. и др.
      Фронт микробиол. 2019 19 марта; 10:523. doi: 10.3389/fmicb.2019.00523. Электронная коллекция 2019.
      Фронт микробиол. 2019.

      PMID: 30941110
      Бесплатная статья ЧВК.

    Просмотреть все статьи «Цитируется по»

    термины MeSH

    вещества

    Теория происхождения жизни с участием гибрида РНК и белка получает новую поддержку0013

    Химики говорят, что они решили важнейшую проблему теории происхождения жизни, продемонстрировав, что молекулы РНК могут связывать короткие цепи аминокислот вместе.

    Результаты, опубликованные 11 мая в журнале Nature 1 , подтверждают вариант гипотезы «мира РНК», согласно которой до эволюции ДНК и белков, которые она кодирует, первые организмы основывались на цепочках РНК — молекула, которая может хранить генетическую информацию — в виде последовательностей нуклеозидов A, C, G и U — и действовать как катализатор химических реакций.

    Открытие «открывает широкие и принципиально новые возможности для изучения ранней химической эволюции», — говорит Билл Мартин, изучающий молекулярную эволюцию в Дюссельдорфском университете имени Генриха Гейне в Германии.

    Как биологи создают живые клетки с нуля

    Согласно стандартной теории, в мире РНК жизнь могла существовать в виде сложных нитей прото-РНК, способных копировать себя и конкурировать с другими цепями. Позже эти «РНК-ферменты» могли развить способность строить белки и, в конечном счете, переносить свою генетическую информацию в более стабильную ДНК. Как именно это могло произойти, оставалось открытым вопросом, отчасти потому, что катализаторы, состоящие только из РНК, гораздо менее эффективны, чем белковые ферменты, присутствующие сегодня во всех живых клетках. «Хотя катализаторы [РНК] были открыты, их каталитическая сила паршивая», — говорит Томас Карелл, химик-органик из Мюнхенского университета Людвига-Максимилиана в Германии.

    РНК-рибосома

    Исследуя эту загадку, Карелл и его сотрудники были вдохновлены той ролью, которую РНК играет в том, как все современные организмы строят белки: цепь РНК, кодирующая ген (обычно скопированный из последовательности оснований ДНК), проходит через большая молекулярная машина, называемая рибосомой, которая строит соответствующий белок по одной аминокислоте за раз.

    В отличие от большинства ферментов, сама рибосома состоит не только из белков, но и из сегментов РНК, которые играют важную роль в синтезе белков. Более того, рибосома содержит модифицированные версии стандартных нуклеозидов РНК A, C, G и U. Эти экзотические нуклеозиды долгое время считались возможными остатками первичного бульона.

    Команда Карелла построила синтетическую молекулу РНК, которая включала два таких модифицированных нуклеозида, путем соединения двух фрагментов РНК, обычно встречающихся в живых клетках. В первом из экзотических участков синтетическая молекула могла связываться с аминокислотой, которая затем перемещалась вбок, чтобы связать второй соседний экзотический нуклеозид. Затем команда отделила исходные нити РНК и ввела новую, несущую собственную аминокислоту. Это было правильное положение для образования прочной ковалентной связи с аминокислотой, ранее присоединенной ко второй цепи. Процесс продолжался шаг за шагом, наращивая короткую цепочку аминокислот — мини-белок, называемый пептидом, — который прикреплялся к РНК. Для образования связей между аминокислотами требуется энергия, которую исследователи обеспечили путем заполнения аминокислот различными реагентами в растворе.

    Окаменелость древнего червя возвращает нас к происхождению животного мира

    «Это очень интересное открытие, — говорит Мартин, — не только потому, что оно намечает новый путь образования пептидов на основе РНК, но и потому, что оно раскрывает новое эволюционное значение встречающихся в природе модифицированных оснований РНК». «Результаты указывают на важную роль, которую играет РНК в происхождении жизни, но при этом не требуется, чтобы для самовоспроизведения использовалась только РНК», — добавляет Мартин.

    Лорен Уильямс, химик-биофизик из Технологического института Джорджии в Атланте, соглашается. «Если происхождение РНК и происхождение белка связаны, а их появление не является независимым, то математика радикально смещается в пользу мира РНК-белка, а не мира РНК», — говорит он.

    Чтобы показать, что это возможное происхождение жизни, ученые должны выполнить еще несколько шагов. Пептиды, образующиеся на РНК команды, состоят из случайной последовательности аминокислот, а не из той, которая определяется информацией, хранящейся в РНК. Карелл говорит, что более крупные структуры РНК могут иметь участки, которые складываются в формы, которые «узнают» определенные аминокислоты в определенных местах, создавая четко определенную структуру. И некоторые из этих сложных РНК-пептидных гибридов могут обладать каталитическими свойствами и подвергаться эволюционному давлению, чтобы стать более эффективными.