Протеомика
Протеомика — наука, основным предметом изучения которой являются белки и их взаимодействия в живых организмах, в том числе — в человеческом. Учёные в области протеомики исследуют «производство» белков, их декомпозицию и замену белков внутри тела. Они также изучают как белки модифицируются после их синтеза в организме.
|
| Стиль этой статьи неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Статью следует исправить согласно стилистическим правилам Традиции. |
Любая хорошая наука начинается с хороших аналитических технологий, и протеомика не является исключением. В этой быстро развивающейся области основным вызовом является понимание механизма взаимодействия около 300,000 белков в человеческом организме.
Какова потенциальная выгода установления этих механизмов? Быстрая разработка лекарственных средств и новейших методов излечения болезней, с которыми медицина боролась веками. В настоящее время большая часть работ в протеомике выполняется с использованием 2-D PAGE (двумерного гель-электрофореза на полиакриламиде). Этот метод по-прежнему будет играть большую роль в протеомных исследованиях. Однако объём работ, которые необходимо выполнить, требует использования методов и приборов с бо́льшими производительностями, информативностью и чувствительностью. Большинство учёных мира, работающих в области протеомики сегодня, уверены, что методы, комбинирующие высокоэффективную жидкостную хроматографию и тандемную масс-спектрометрию, могут обеспечить быстрый прорыв в протеомике.
Введение в протеомику[править | править код]
Белки известны около 200 лет. В начале XIX века химики выбрали имя протеины для этих веществ от греческого слова proteios, означающего «удерживающий первое место». В русском языке эти вещества называются белками, что, вероятно, связано с цветом одного из самых распространенных белков — альбумина, когда он сворачивается под действием высокой температуры. Протеинами в русском языке принято называть простые белки, состоящие только из аминокислот.
Важность протеомики можно представить себе по одному примеру её раннего развития. В начале XX века исследователи обнаружили альтернативные формы инсулина и, таким образом, спасли и продлили миллионы жизней людей, страдающих диабетом.
Часто можно прослеживать связь между изменениями белков и их взаимодействием и болезненными состояниями. Таким образом, протеомика может значительно ускорять разработку лекарственных средств и гораздо быстрее вложить в руки пациента новое эффективное лекарство. Сегодня более 95 процентов всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на белки. Протеомика может помочь идентифицировать и оценить новые целевые белки гораздо эффективнее и с систематизированным подходом, что, в свою очередь, может ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.
Несмотря на особую важность исследования этих веществ, большая часть работ в биологии во второй половине XX века была сосредоточена на исследованиях генов и ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты). Эти работы базировались на основополагающем открытии, сделанном Джеймсом Уотсоном, Фрэнсисом Криком и Морисом Уилкинзом, которые получили в 1962 году Нобелевскую премию за объяснение двойной спиральной структуры ДНК.
Генные исследования и протеомика комплиментарны в том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических белков. Однако, как писал в 1998 году исследователь Norman G. Anderson «ДНК — это, на самом деле, не нижняя точка: любой современный учебник биологии объясняет, что белки определяют активную жизнь клетки, в то время как нуклеиновые кислоты представляют собой только план этой активности». Другими словами, биология в действительности реализуется на уровне белков.
Наиболее значимый и разрекламированный прорыв последних лет это картирование генома человека, в результате чего создается атлас, включающий от 30 000 до 40 000 генов, определяющих составляющие человеческого тела. По сравнению с этим вызов, стоящий перед протеомикой, значительно серьёзнее. По некоторым оценкам, число белков в человеческом теле около 300 000 или больше — в 10 раз больше, чем количество генов в человеческом теле. Эти белки, конечно, могут взаимодействовать друг с другом, и число таких взаимодействий не поддается подсчету.
В то время как определение последовательностей генома человека является основой полномасштабного исследования белков, необходимо помнить, что исследования белков были предметом интереса учёных в течение длительного времени. Исследователи, работающее в протеомике, просто смеются над утверждениями о том, что эта область науки только сейчас появилась. На самом деле, в начале 1980 годов Anderson возглавлял специальную группу индексирования белков человека, которая пыталась проводить систематические исследования протеома человека и развивать аналитические методы, необходимые для этих исследований. Эти попытки натолкнулись на отсутствие как политической поддержки и финансирования, так и ограничений со стороны технологии. Сегодня исследования белков оказались в центре внимания по двум причинам. Во-первых, геном расшифрован и ускорение протеомных исследований является следующим логическим шагом. Во-вторых, технология проведения протеомных исследований быстро развивается.
20 аминокислот, образующих белки[править | править код]
Таблица 20 аминокислот, образующих белки.
Букварь белков[править | править код]
Белки служат для выполнения огромного числа функций в организме. Эти белки включают:
- Энзимные белки, которые служат катализаторами биохимических реакций в клатках и таких функций как пищеварение
- Транспортные белки, такие как гемоглобин, который переносит кислород из лёгких к другим частям тела
- Структурные белки, такие как колаген и эластин, которые обеспечивают фиброзную основу соединительных тканей в животных организмах
- Резервные (запа́сные) белки, такие как казеин, который является главным источником аминокислот для организмов детёнышей млекопитающих
- Гормональные белки, такие как инсулин, который помогает регулировать концентрацию сахара в крови
- Рецепторные белки, которые встраиваются в мембраны нервных клеток и детектируют химические сигналы, передаваемые другими нервными клетками
- Сократимые белки, такие как миозин, который играет большую роль в движении мышц
- Защитные белки, включающие антитела, которые защищают организм от болезней
Белки синтезируются через посредника — рибонуклеиновую кислоту (RNA или РНК), которая определяется ДНК в генах. Процесс реализации информации о структуре белка из нуклеиновых кислот в материальную форму называется «экспрессией». Каждый белок — это цепочка или несколько цепочек аминокислот. В человеческом организме для производства белков используются только 20 аминокислот, но эти аминокислоты выстраиваются в цепочки бесчисленным количеством способов. Порядок или последовательность аминокислот играет огромную роль в определении функции конкретного белка в организме. Другим определяющим фактором является пространственная структура белка.
Порядок, в котором выстраиваются аминокислоты, диктуется определенными фрагментами ДНК, называемыми нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит сахарную группу, фосфатную группу и одно из четырёх соединений, называемых базовыми. Эти четыре базы — аденин, тимин, цитозин и гуанин. Прядь спирали ДНК в действительности состоит из цепочки нуклеотидов. Три нуклеотида в ряд образуют кодон, и порядок базовых веществ в кодоне диктует, какая из 20 аминокислот будет производиться. Например, если три базовых вещества стоят в следющем порядке — тимин, цитозин, аденин — будет производиться серин. Однако, если базы стоят в следующем порядке — аденин, цитозин, тимин — будет производиться треонин. Таким образом, цепочка ДНК кодирует многочисленные аминокислоты, которые затем связываются друг с другом, формируя первичную структуру белка.
Проблемы с белками[править | править код]
Многие болезни могут быть прослежены до изменений, происходящих на уровне белков.[Источник?] Например: генетические мутации на уровне ДНК могут вызвать неправильное производство белков. К примеру, это происходит при серповидно-клеточной анемии. Белок гемоглобин вызывает превращение красных кровяных телец в ненормальную серповидную форму, поскольку одно из базовых веществ в кодоне неправильно заменено другим. Формирование одной неправильной аминокислоты вызывает ненормальность в гемоглобине, что придаёт клеткам эритроцитов серповидную форму.
Часто белки требуют модификации после трансляции (то есть после создания по плану ДНК) для того, чтобы способствовать выполнению ими определенных функций в организме. Например, белки, которые вызывают образование кровяных тромбов, остаются неактивными до тех пор, пока не претерпевают соответствующих изменений. Следовательно, неправильная послетрансляционная модификация является второй причиной неправильного функционирования белков.
Ещё одна причина проблем, проявляющихся на уровне белков — это полиморфизм. Это небольшие вариации ДНК, которые делают индивидуальных живых особей отличными друг от друга. Этот же полиморфизм также делает некоторые особи более склонными к определенным болезням и эту склонность можно обнаружить на уровне нарушений синтеза и взаимодействия белков.
Протеомика открывает прекрасную возможность систематического изучения процессов синтеза и взаимодействия белков.