Курсовая работа: Блистающий мир белков и пептидов
Одним из таких заболеваний является серповидноклеточная анемия, распространенная в ряде областей Африки, Индии, в некоторых средиземноморских странах и среди негритянского населения Северной Америки. У больных этой болезнью периодически (чаще под влиянием физической нагрузки) возникают приступы резкой слабости, тошноты и одышки. Внешняя причина – в необычно большом количестве незрелых эритроцитов и эритроцитов, имеющих форму тонкого серпа, что послужило основанием для такого названия этой болезни. Однако есть и более глубокое объяснение. Оказалось, что нормальные эритроциты содержат нормальный гемоглобин А, а серповидноклеточные – аномальный гемоглобин S. Выяснилось, что эти два белка отличаются всего одним аминокислотным остатком – в результате мутации в аномальном гемоглобине вместо остатка глутаминовой кислоты (E, табл. 1) на положенном месте стоит остаток валина (V). Замена лишь одного остатка и приводит к этому тяжкому заболеванию.
Обратившись к табл. 1, можно увидеть, что эти остатки несут принципиально разные боковые радикалы, и в мутантном гемоглобине осуществляется замена заряженного (отрицательно) радикала на гидрофобный.
В результате такой гемоглобин складывается в другую пространственную конфигурацию, и происходят последующие изменения как на клеточном уровне, так и на уровне целого организма.
Другой пример относится к онкологии. У человека, заболевшего одним из видов легочной карциномы, обнаруживают олигопептиды, которых у здорового организма нет. Эти олигопептиды – бомбезин и физалаэмин – в норме встречаются у европейской (Bombina bombina) и южноамериканской (Physalaemus fuseumaculatus) лягушек. В данном случае мутаций не было. В процессе начавшегося канцерогенеза у человека стали экспрессироваться (попросту говоря, работать) ранее «молчавшие» гены, в результате чего и образовались олигопептиды, информация о которых хранилась и в здоровом организме.
К проблеме здоровья относится также и то, насколько свежую (неиспорченную) пищу мы потребляем. При хранении открытых продуктов питания на воздухе в них поселяются различные патогенные микроорганизмы, и при достижении некоторого уровня их содержания пища может стать опасной для здоровья. Так почему же не добавлять к этим продуктам природные (человеческие) антибактериальные олигопептиды? Это безопасно для человека и позволяет дольше сохранять пищу при том, что сами эти вещества будут хотя и небольшим, но также пищевым компонентом.
Пошатнувшееся здоровье чаще всего лечат с помощью лекарств. Среди них – множество веществ абиогенного происхождения. Однако в ряде случаев наиболее эффективными являются такие, которые содержат природные белки или олигопептиды. Давно всем известны различные сыворотки, содержащие белки. А с недавнего времени стали применяться препараты, основным компонентом которых являются короткие пептидные молекулы. Так, в списке работ, удостоенных Государственной премии России за 2001 г., стоит разработка нового лекарственного препарата СЕМАК, название которого расшифровывается чрезвычайно просто, поскольку его главным компонентом является олигопептид, состоящий из СЕМи АминоКислотных остатков.
История с географией
Исторические и географические открытия обычно переплетены так, что трудно рассказывать об одном, не упоминая другое. Область научных открытий – не исключение, поскольку и они делались в определенное время и в определенном месте. Самые первые открытия, связанные с белками и пептидами, будут тому подтверждением (рис. 3).
Первой аминокислотой, открытой в живой природе, оказался не самый простой по химической структуре – глицин, а аспарагин (N). Его в 1806 г. выделили Луи Никола Воклен (1763–1829) и Пьер Жан Робике (1780–1840) во Франции. Попутно заметим, что открытие всех 20 стандартных аминокислот длилось больше века и завершилось лишь в 1937 г. открытием треонина (Т).
Первым ученым, внесшим весомый вклад в установление химической природы белков, был выдающийся немецкий химик-органик Герман Эмиль Фишер (1852–1919), который в 1902 г. открыл то, что аминокислоты в белках соединены пептидными связями.
А первую химическую формулу простейшего природного олигопептида (дипептида карнозина) в 1900 г. определили наши соотечественники профессор Московского университета В.С. Гулевич (1867–1933) и его ученик С.Амираджиби.
Повторим также, что географические названия можно увидеть и в названиях пептидов. Однако исторические и географические аспекты имеются не только в отдельных открытиях, но и во всей совокупности белков и пептидов. Из каких только организмов не выделялись! Наверное, практически все млекопитающие всех континентов и всего Мирового океана уже послужили объектами белково-пептидных исследований. Экспериментальные лягушки были и европейскими, и азиатскими, и африканскими, и австралийскими, и из обеих Америк.
Даже антарктические пингвины не обойдены вниманием исследователей. Так, число видов животных, использованных для изучения только гемоглобина, уже приближается к тысяче, а число видов, из которых выделялись разные вещества пептидной природы, на порядок больше. В табл. 6 приведены первичные структуры гомологичных олигопептидов – окситоцинов и вазопрессинов, – демонстрирующие не только биологическое разнообразие исследуемого материала, но и эволюционную консервативность структур данных веществ, поскольку наблюдаемые замены аминокислотных остатков не затрагивают функциональных свойств структур одного функционального класса.
Полученный уникальный материал представляет большой интерес для изучения исторического процесса эволюции и географического заселения нашей планеты различными организмами.
Литература
Вероятно, основой (элементарной единицей) литературы можно считать слово. Как известно, слова состоят из букв определенного алфавита, и при этом в различных языках число букв также различно – в кириллице используется 33 буквы, в латинице – 26 и т.д. И тут выявляется очевидная аналогия: в живом организме есть своя специфическая литература, слова которой – белки, а алфавит – 20 аминокислотных остатков. Более того, литература живого организма пишется природой на двух языках, поскольку кроме «белковой» литературы в нем также заключена и литература «нуклеиновая», написанная всего 4 буквами. При этом перевод с одного языка на другой осуществляет сам живой организм, и делает он это феноменально точно.
Использование подобной аналогии позволяет дать наглядное описание того, как осуществляется расшифровка аминокислотных последовательностей белков (чтение слов).
Выделенный в чистом виде белок (слово) с помощью различных протеолитических ферментов расщепляют на фрагменты (слоги). Разные ферменты разрывают пептидные связи между разными парами аминокислотных остатков, поэтому можно получить разные короткие фрагменты одного и того же белка. Воспользуемся кириллицей для того, чтобы наглядно продемонстрировать процесс расшифровки последовательности букв (аминокислотных остатков).
Допустим, что в результате одного типа расщепления слова мы получили слоги:
БЕЛ ЗНИ СНОВ ОКО АЖИ
а в результате другого:
ЕЕ ИЗ ОСН ЛОК ОВАЖ НИ
Тогда, определив (с помощью химических методов) концевые буквы фрагментов, полученных при расщеплении исходной последовательности двумя разными фрагментами, можно однозначно восстановить следующую (в данном случае осмысленную, хотя и неграмотно написанную) последовательность:
(Пример взят из книги: Волькенштейн М.В. Молекулы и жизнь, – М., 1969.)
Первое время белковые слова читали именно таким образом. Однако в связи с автоматизацией химических методов (создание секвенаторов, от англ. sequence – последовательность), с появлением новых точных методов определения молекулярных масс (масс-спектрометрия), в связи с развитием и применением вычислительной техники и т.д., этот процесс существенно ускорился. В настоящее время в год «читается» около 20 000 белковых слов, т.е. аминокислотных последовательностей.
Погрешности текстового изложения могут исказить суть сказанного. Например, в одной из публикаций было написано: «Не считая вопросы приоритета существенными для истории науки, я все же должен отметить роль великого ученого...», за что автора этой фразы подвергли жесткой критике за игнорирование приоритета. Однако автор сослался на опечатку, поскольку должно было быть: «Но, считая...» Изменение всего лишь одной буквы изменило смысл на полностью противоположный!
Таблица. 6. Структурно-гомологичное семейство окситоцин/вазопрессинов
Точно так же замена одной белковой буквы (аминокислотного остатка) может привести (а может и не привести, как в случае с окситоцин/вазопрессинами, табл. 6) к искажению нормальных функций белка или пептида. С этим мы уже встретились при описании причин тяжелейшего заболевания – серповидноклеточной анемии. Можно привести множество и других примеров. Однажды ко мне обратился один из физиологов с такой проблемой. Он проводил на кроликах серию экспериментов по изучению влияния олигопептида нейротензина на различные формы поведения, и в какой-то момент введение этого вещества стало приводить к немедленной гибели животного. «Я всегда вводил нейротензин, и ничего такого не было. А сейчас кролик гибнет буквально на острие шприца». Я попросил показать мне ампулу с исходным веществом, и оказалось, что на ней написано Trp11-Neurotensin. В названии было слово нейротензин, но было также указание и на то, что 11-й остаток тирозина в нем заменен на остаток триптофана. Ранее экспериментатор пользовался другой ампулой, маркированной как просто «Neurotensin», а когда в ней вещество иссякло, то он взял новую, не обратив внимания на маленькую деталь («опечатку»), которая стала причиной столь серьезного последствия.
Следует еще раз отметить, что чтение последовательности букв одного белка представляет собой чтение лишь одного слова из всей «белковой литературы». Однако и один белок (его первичная структура) может рассматриваться не только как слово, но текст, который в соответствии с физико-химическими и биологическими законами содержит в себе информацию о его пространственной структуре.
Искусство
Определение места белков и пептидов в этой области человеческой деятельности, по-видимому, еще не было предметом специального анализа, но уже и сегодня можно привести ряд известных примеров.
С древних времен, когда еще ничего не было известно о белках как особых веществах, они (например, белки куриного яйца) использовались в качестве эффективного клея при строительстве архитектурных сооружений (например, церквей), а также в изобразительном искусстве при приготовлении прочных красок.
В то же время богатейшее многообразие молекулярных белковых форм может служить сытной пищей для художников, скульпторов и архитекторов. И иногда даже уже служит. Так, скульптурная композиция, изображающая изящную пространственную структуру калиевого комплекса пептида валиномицина, украшает лужайку перед главным входом в Институт биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской Академии наук в Москве. Эта композиция олицетворяет большую работу, посвященную детальному изучению пептидного антибиотика, выполненную именно в этом институте.
Вспомним также и голландского художника Мариуса Корнелиуса Эшера (1898–1972), который при создании знаменитых парадоксальных фигур часто использовал объекты из живой природы. Будучи представителем сугубо гуманитарной профессии, он тем не менее посещал и научные мероприятия (например, конгрессы, посвященные проблемам кристаллографии), чтобы из докладов ученых почерпнуть новые формы для своего творчества.
Пока нам не удалось найти живописное произведение, в котором отчетливо звучали бы белковые мотивы. Однако очень вероятно, что они уже существуют (не встречался ли с ними кто-нибудь из читателей?), а если и нет, то с уверенностью предположим, что такие произведения обязательно будут созданы.
Можно привести пример также и из сравнительно молодого искусства – кинематографии. В 1989 г. целой группе природных пептидов было присвоено «поведенческое» название, поскольку в соответствующих экспериментах оказалось, что введение их омару приводит к тому, что тот начинает вести себя весьма непочтительно по отношению к другим омарам, стоящим выше него в социальной иерархии. Таким пептидам было присвоено название Кинг-Конг по имени страшной гориллы, известного киногероя США 30-х гг. прошлого века.
Спорт
Этот вид деятельности характеризуется тем, что при занятии спортом человек принимает на себя максимально возможные для своего организма физические нагрузки. Рабочая нагрузка, которую человек в состоянии преодолевать, ограничена тремя основными факторами: количеством энергии, имеющимся в мышцах, снабжением мышц кислородом и способностью организма к терморегуляции.
Энергетика спортсмена базируется на целом ряде биохимических процессов, которые различаются, например, у спринтеров (бегунов на короткие дистанции) и стайеров (преодолевающих большие расстояния). Однако во всех случаях в биохимических процессах участвуют ферменты, т.е. белки. Так, при кратковременных нагрузках определяющую роль играет, в частности, аденозинтрифосфат (АТФ), который расщепляется специальным ферментом (белком) АТФазой.
Снабжение мышц кислородом осуществляется при участии таких белков, как гемоглобин и эритропоэтин.
Гемоглобин, содержащийся в красных кровяных тельцах крови, переносит кислород от легких к различным периферическим тканям, а эритропоэтин – непременный участник дифференцировки и пролиферации эритроцитов (эритропоэза), т.е. увеличения их числа, что приводит к увеличению количества гемоглобина и, как следствие, транспортируемого кислорода. У многих еще свежи воспоминания о драматических эпизодох Олимпиады в Солт-Лейк Сити, когда ряд спортсменов (в том числе и нашей страны) были обвинены и наказаны за то, что у них в крови обнаружили аналог эритропоэтина, применение которого могло заметно улучшить спортивные результаты.
И наконец, терморегуляция также является важным процессом у спортсменов во время соревнований. Достаточно отметить, что при марафонском беге ректальная температура человека может повышаться до 41оС (и выше) и даже привести к тепловому удару. В процессе терморегуляции важную роль играют многие короткие пептиды, которые выполняют эту функцию, будучи активными и по другим физиологическим показателям (явление полифункциональности). Яркими представителями пептидных терморегуляторов являются нейротензин (13 аминокислотных остатков), природные опиаты – энкефалины (5) и гормон ТRH (3).
***
Белки и пептиды везде и кругом! И если ученые изучают их свойства, то вся остальная неизмеримо большая часть человечества либо пользуется результатами деятельности ученых, либо незаметно для себя испытывает влияние белков и пептидов на себе и окружающих.
Однако может возникнуть вопрос: почему автор отдал предпочтение именно белкам и пептидам? Наверное, есть и другие вещества, явления или процессы, заслуживающие не меньшего внимания. Так в чем же дело? Немедленно откладывайте все свои дела и напишите о другом, таком же ярком и всеобъемлющем.
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.1september.ru/
