Електронна презентація до уроку хімії на тему "Дослідження білків"

Дослідження білків

Історія дослідження. Білки були виділені в окремий клас біологічних молекул в 18 столітті в результаті робіт французького хіміка Антуан Франсуа де Фуркруа та інших учених, в яких було відмічено властивість білків коагулювати при нагріванні або під дією кислот. У той час були досліджені такі білки, як альбумін з яєчних білків, фібрин з крові і глютен із зерна пшениці. Стрічкова молекулярна модель білка — ядерного антигену проліферуючих клітин (PCNA) людини.

Голландський хімік Герріт Мульдер провів аналіз складу білків і виявив, що практично всі білки мають однакову емпіричну формулу. Мульдер також визначив продукти руйнування білків — амінокислоти — і для однієї з них (лейцину) майже точно визначив молекулярну масу — 131 дальтон.

Мульдеру також належить перша модель хімічної будови білків, запропонована ним у 1836 році. Виходячи з теорії радикалів, він сформулював поняття про мінімальну структурну одиницю в складі білків. Саме ця одиниця зі складом C16 H24 N405 отримала пізніше назву «протеїну» (Рr), а концепція — теорії протеїну. Сам термін «протеїн», що в сучасному розумінні означає білок більшістю європейських мов, був запропонований у 1838 році співробітником Мульдера Якобом Берцеліусом. Перевірка цієї моделі привернула увагу відомих хіміків свого часу, таких як Юстус Лібіх і Жан-Батист Дюма. Під впливом нових даних теорія протеїну декілька разів корегувалася, але все ж до кінця 1850-х років від неї довелося повністю відмовитися.

До кінця 19-го століття вже було досліджено більшість амінокислот, що входять до складу білків. В 1894 році німецький фізіолог Альбрехт Коссель висунув теорію, що амінокислоти є головними структурними елементами білків. На початку 20-го століття німецький хімік Еміль Фішер експериментально доказав, що білки збудовані з залишків амінокислот, сполучених пептидними зв'язками. Також він виконав перші аналізи амінокислотного складу білків та дав пояснення протеолізу. Після 1926 року також стала зрозумілою центральна роль білків в організмах, коли американський хімік Джеймс Самнер (згодом — лауреат Нобелевскої премії) показав, що фермент уреаза також є білком.

Вивченню білків перешкоджала складність їхнього виділення. Тому перші дослідження білків проводилися з використанням тих поліпептидів, які могли бути очищені у великій кількості, тобто білків крові, курячих яєць, різних токсинів і травних/метаболічних ферментів, які можна було виділити в місцях забою худоби. В кінці 1950-х років компанія Armour Hot Dog Co. змогла очистити кілограм бичачої панкреатичної рибонуклеази А, яка стала експериментальним об'єктом для багатьох учених.Ідея про те, що вторинна структура білків утворюється в результаті формування водневих зв'язків між амінокислотами, була висловлена Вільямом Астбері в 1933 році, але Лайнус Полінг вважається першим ученим, який зміг успішно передбачити вторинну структуру білків. Пізніше Волтер Каузман, спираючись на роботи Кая Ліндерстрем-Ланга, вніс вагомий внесок до розуміння законів утворення третинної структури білків і ролі в цьому процесі гідрофобних взаємодій. У 1949 році Фред Сенгер визначив амінокислотну послідовність інсуліну, продемонструвавши таким способом, що білки — це лінійні полімери амінокислот, а не розгалужені (як у деяких цукрів) ланцюжки, колоїди або циклоли.

Вільямом АстберіЛайнус Полінг. Фред Сенгер

Перші структури білків, засновані на методах рентгеноструктурного аналізу на рівні окремих атомів, були отримані в 1960-х роках, а за допомогою ЯМР-спектроскопії — в 1980-х роках. У 2006 році Банк даних білків (Protein Data Bank) містив біля 40 000 структур білків. В наш час кріоелектрона мікроскопія великих білкових комплексів за роздільною здатністю наближається до атомного рівня. Особливістю досліджень білків початку 21-го століття є одночасне отримання даних про білковий склад цілих клітин, тканин або організмів — протеоміка. В результаті необхідності аналізу цих даних та росту можливостей обчислювальних технологій активно розвиваються методи біоінформатики аналізу та порівняння білкових структур та обчислювальні методи передбачення структури білків, наприклад, методи молекулярної динаміки, призначені замінити в майбутньому експериментальне визначення білкових структур.

Дослідження білків у XXI ст.

Вчені детально досліджували функцію так званих білків теплового шок Група Крістін Квейч із Чиказького університету досліджували так званий білок теплового шоку - Hsp90. Він захищає інші білки від високої температури і небажаних впливів хімічних речовин, а також сприяє тому, щоб вони прийняли правильну форму. Hsp90 відкидає всі 'рацпропозиції' природи, що їх висувають з метою зміни генетики та будови організму. Проте при різкій зміні умов навколишнього середовища активність білка знижується, у результаті чого зростає генетична варіативність тварин, що належать до одного виду. Квейч і її колеги переконалися, що навмисне придушення Hsp90 дозволить вивести нові сорти рослин, а також допомогти досліджувати гени, що перешкоджають розвитку різних захворювань. Як відомо, Hsp90 за своїми властивостями аж ніяк не унікальний - схожими особливостями володіють і багато інших організмів. А значить, вивчивши 'принцип дії' таких протеїнів, можна буде глибоко зрозуміти природні механізми спадковості та мінливості.

Американські вчені відкрили й дослідили білок, здатний визначати ступінь нагрівання поверхні шкіри Група Ардема Патапутіана з Дослідницького інституту Скріппса (ТSRI) вперше виділила і клонувала ген NTPV3. Головне у відкритому гені те, що він кодує один з мембранних білків клітин шкіри, що дозволяє нам відчувати тепло. У момент, коли шкіра піддається впливу температурі понад 33 градусів Цельсія, активність білка NTPV3 підвищується. Він 'відкривається' і дозволяє проникнути в клітину позитивно зарядженим йонам. При цьому утворюється електричний сигнал, який пересилається в мозок. Правда, поки невідомо, як центральна нервова система отримує послання від NTPV3. На відміну від нейронів, клітини шкіри кератиноцити, в яких міститься білок, не пов'язані з мозком безпосередньо. Однак кератиноцити стикаються з нервовими волокнами, і можливо, в результаті цих контактів центральна система і отримує відомості про нагріванні поверхні шкіри. Це припущення дослідницька група в даний час намагається перевірити. Учені також не виключають, що зниження активності відкритого ними білка зможе ослабити больову чутливість. А значить, речовини, що пригнічують функцію TRPV3, зможуть стати чудовими знеболюючими засобами. Найближчим часом учені спробують заблокувати 'роботу' білка у щурів і подивитися, що з цього вийде.

Вчені дослідили процес зникнення свіжої інформації у мозку. Дослідники вже багато років не можуть зійтися в думці, чому свіжоотримані знання у більшості людей легко випаровуються з часом. Одні вважали, що причиною цьому природна нестабільність свіжих спогадів, другі вважали, що це відбувається у зв’язку з надходженням до мозку нової інформації. Вчені з Лабораторії Колд Спрінг Харбор у США, під керівництвом професора І Чжуна, вперше показали, що процес стирання свіжої інформації у мозку активно протікає під впливом спеціального біохімічного процесу. У роботі з плодовими мушками-дрозофілами учені показали, що за стирання інформації з мозку відповідає спеціальний білок, який називається Rac. Блокування його роботи під час експерименту призводило до того, що мушки істотно довше зберігали пам’ять про отриману від учених інформацію. Якщо ж рівень цього білка був підвищений штучним чином, то інформація у мушок стиралася помітно швидше, ніж у підконтрольної групи. Для того, щоб показати це, вчені провели серію експериментів, в яких використовували два огидних для мушок запахи. Піддаючи мушок невеликому електричному удару в разі вдихання ними одного із запахів, вчені прищепили комахам бажання уникнути цього запаху на користь іншого. У першому експерименті вчені через певні проміжки часу просто перевіряли, чи здатні мушки пригадати, що одного із запахів слід уникати.

У другому експерименті вчені змусили мушок навчитися розрізняти два інших запахи, після чого, у третьому експерименті, повністю заплутали комах, супроводжуючи електрошоком дію того запаху, до якого мушки після першого експерименту повинні були тягтися, аби уникнути удару струмом. В усіх випадках мушки поступово забували те, чому їх спочатку навчили, причому це відбувалося під впливом білка Rac, активація роботи якого відбувалася істотно раніше, якщо мушок змушували завчити нову інформацію, або збивали з пантелику протилежними за змістом даними. Учені показали, що якщо генетичним шляхом блокувати роботу цього білка, то мушки здатні утримувати спогади набагато довше, ніж звичайно. Штучне ж підвищення рівня Ràñ провокувало швидшу втрату завченої інформації. Автори дослідження вважають, що розуміння того, як відбувається втрата завченої інформації на рівні біологічних молекул, дозволить вченим зрозуміти яким чином влаштована пам’ять. "Ми досі точно не знаємо, як відбувається запам’ятовування інформації на клітинному і молекулярному рівнях: що утворюється і що стирається" сказав Чжун, слова якого наводить прес-служба видавництва Cell Press, що випускає журнал. Механізм, відкритий ученими на прикладі дрозофіл, може бути актуальним і для ссавців, у тому числі і людей. "Крім того, білок Rac або пов’язані з ним біологічні молекули можуть бути використані як мішені для ліків, призначених для стирання спогадів", - додав Чжун в інтерв’ю виданню Live Science. Такі ліки можуть використовуватися для стирання у людей обтяжливих або неприємних спогадів, наприклад про перенесену травму. Нагадаємо, у лютому минулого року голландські вчені описали властивість ліків від сердечних хвороб стирати з пам’яті тяжкі спогади.