Головна
Реферати » Реферати з біології » Блискучий світ білків і пептидів

Блискучий світ білків і пептидів

білків м'яса - міозин - походить від відповідного грецького слова м'яз (mаj - МІОС), а ціла група білків гістонів отримала назву від грецького слова (istТ - хістос), який характеризує поняття тканину. Прикладом використання назви тварини служить ксенопсін, виділений з африканської гладкою шпорцевой жаби Xenopus laevis. Функціональні властивості олигопептидов відображені, наприклад, в назвах брадикининов і тахікінінов, що викликають, зокрема, ослаблення (брадикардію) і посилення (тахікардія) серцевої діяльності. Деякі назви зберігають у собі назву місця, де вони були відкриті: Ригина - у м. Рига (Латвія), а тафтцін - в Тафтского університеті (США). Можна довго розповідати про цю сторону предмета, оскільки число подібних прикладів обчислюється тисячами. Однак надамо це заняття професійним історикам науки для всебічного і повного дослідження, тим більше що такі роботи вже ведуться. Наведемо лише один приклад.

У 30-і рр.. минулого століття в Німеччині з сироватки крові коня було виділено речовину, якому привласнили назву субстанція P (P - латинське). У той час ще не вміли визначати хімічну структуру досить великих пептидів, однак було ясно, що сполука відноситься до цього класу речовин. Через багато років, коли автора роботи вже не було в живих, постало питання: а чому речовина названо саме так? У результаті з'явилося три гіпотези, жодна з яких досі однозначно не обгрунтована. Перша з них очевидна - отримано білок, й у назві використана перша буква від англійського слова protein. Друга заснована на тому, що речовина було отримано у вигляді порошку, а це англійське слово (pouder) також починається з букви "P". І, нарешті, третя звернена до рідної мови автора, цією мовою (німецькою) тварина, з якого виділено речовину (кінь), пишеться як das Pferd.

Білки і пептиди вивчають мало не у всіх країнах, а в наукових публікаціях на цю тему використовуються мови багатьох народів світу. Якщо на початку історії вивчення цих речовин більшість наукових робіт вважалося престижним писати французькою або німецькою, то приблизно з середини минулого століття стало традицією публікувати роботу з новими принциповими результатами поряд із рідною мовою також і англійською.

Елементарна математика та інформатика

Дивовижна простота початкової (первинної) структури білків і олігопептидів дозволяє провести простий математичний аналіз всієї сукупності цих речовин. Спочатку задамося питанням: скільки існує різних лінійних послідовностей, в написанні яких може бути використано 20 стандартних амінокислотних залишків? Якщо через N позначити число можливих послідовностей, а через n - кількість амінокислотних залишків в молекулі, то відповідь на поставлене питання дасть найпростіша алгебраїчна формула, що враховує всі можливі повтори амінокислотних залишків в одній структурі:

N = 20n .

З цієї формули випливає, що максимальне число різних дипептидов (n = 2) одно 400, тріпептідов (n = 3) - 8000, тетрапептид (n = 4) - 160 000 і т.д. Як бачимо (див. табл. 2), число N дуже швидко росте із збільшенням n.

Блистающий мир белков и пептидов

Тоді виникає інше питання: а які можливості живого організму вміщати в себе подібну інформацію? Первинна інформація міститься в нуклеотидноїпослідовності, і хоча вона й дуже велика, але все ж не безмежна. У табл. 3 представлені числа азотистих основ сумарною ДНК у представників різних царств живої природи. Перше, на що звертаєш увагу, це те, що загальна їх кількість варіює в дуже широких межах і може складати від 107 (деякі бактерії і гриби) до 1011 (представники рослин і риб). При цьому зауважимо, що цар природи людина аж ніяк не є чемпіоном серед інших представників живої природи, вдовольняючись лише приблизно одним мільярдом азотистих основ. Але для нас головне не це. Виявляється, найбільший геном не може вмістити інформацію навіть про всіх можливих декапептид (n = 10) при їх послідовному розташуванні.

Дійсно, при n = 10:

N = 6,7 х1011.

Eсли врахувати те, що для запису одного амінокислотного залишку потрібно 3 азотистих підстави і що частина генома, шифрующая амінокислотні послідовності, складає тільки декілька відсотків від його загальної величини, то виходить, що найбільший геном здатний вмістити інформацію про послідовність, що складається лише з 109 амінокислотних залишків. Таким чином, в ньому може міститися інформація менш ніж про 1% всіх можливих декапептид. А адже відомі білки, що містять більше 5 тис. амінокислотних залишків!

Блистающий мир белков и пептидов

Звідси випливає висновок про те, що в природі зустрічаються далеко не всі лінійні комбінації амінокислотних залишків. Це підтверджується комп'ютерним аналізом зустрічається різних лінійних комбінацій амінокислотних залишків у всіх розшифрованих білках і пептидах (більше 100 тис.). Отримані результати наведені в табл. 2, дані якої свідчать про те, що в разі вже октапептид (N = 8) зустрічається всього лише близько 0,001% можливих лінійних комбінацій амінокислотних залишків.

А чи здатна математика відповісти на питання, вирішене лінгвістикою: чи можна дати суворе визначення різниці між малими і великими пептидами (олигопептидами і поліпептидами)?

Спробуємо на нього відповісти, користуючись міркуваннями нашого великого співвітчизника математика Андрія Миколайовича Колмогорова (1903-1987), про малих (S) і великих (G) числах, свідком яких автор був на семінарі в МГУ в 1958 Колмогоров міркував приблизно так. Числа існують у певній системі числення. Система числення, якою користується переважна частина людства, визначається величиною m = 10. Тоді в рамках цієї десяткової системи малими числами будуть такі, які задовольняють умові m> S> m, а великі - G >> m. Іншими словами, малі числа по порядку величини можна порівняти з величиною підстави системи числення, а великі - в багато разів її більше.

До олігопептиди і білкам ці міркування можна застосувати таким чином. Ще раз відзначимо те, що ці речовини формуються з 20 різних амінокислотних залишків, а які зазвичай використовуються числа утворюються з 10 різних цифр. Отже, аналогом числової системи числення у нашому випадку є аминокислотная система числення, що характеризується величиною 20, і тоді малими (олигопептидами) можна вважати такі, в яких міститься менше або більше 20 амінокислотних залишків (20> n> 20), а великі - у яких їх багато більше 20, (n >> 20). Цей критерій є суто математичним, але, проте, його можна побачити і в фізичних, і в біологічних властивості олигопептидов і білків. Але про це буде розказано в наступних розділах.

Фізика

Ключовими у фізиці є поняття: взаємодії, енергія і ентропія (ентропія - міра невпорядкованості, відповідно, негативна ентропія - міра упорядкованості). При фізичному погляді на світ білків і олігопептидів такі поняття також вельми корисні. Молекули цих речовин здійснюють взаємодії як всередині себе, так і з зовнішніми молекулами. Ці взаємодії спрямовані на придбання окремими молекулами або молекулярними комплексами певної просторової форми (конфігурації або конформації), що в конкретних умовах призводить до досягнення мінімально можливої ??енергії при даній ступеня невпорядкованості. А різноманіття можливих амінокислотних послідовностей лежить в основі незмірно більшого різноманіття їх можливих просторових (вже не лінійних) конфігурацій.

Як порівняно просто влаштована ДНК! Для виявлення загальної конфігурації її подвійний спіралі на початку 1950-х рр.. минулого століття Вотсону і Крику, любили обговорювати наукові проблеми за чашкою кави, знадобилося випити не дуже багато літрів цього тонізуючого напою, щоб розібратися в принципах її організації. Так само небагато часу (всього кілька років) знадобилося на те, щоб в 1960-х рр.. описати, як послідовність азотистих основ ДНК і РНК транслюється (перекладається) на мову амінокислотних залишків. Здавалося б, ще трохи (припустимо, не більше 10 років), і загальні принципи формування просторової структури білків будуть знайдені! Ця проблема отримала назву проблеми фолдинга (від англ. Fold - складати). Однак немає. Минуло вже майже 40 років після початку експериментального отримання просторових структур білків, а таємниця поки не розкрита. Тисячі вчених різних спеціальностей протягом цього часу (деякі - все своє творче життя) намагалися створити універсальний метод побудови просторової структури білків по амінокислотної послідовності (як це робиться в природі), але нікому дану проблему не вдалося вирішити навіть для однієї дуже протяжної структури. Чому?

На відміну від ДНК або РНК, складених лише з 4 стандартних азотистих основ, білки включають 20 стандартних амінокислотних залишків. Це призводить до того, що число можливих взаємодій пар залишків (як сусідніх, так і віддалених) виявляється більш ніж на порядок більше, ніж для пар азотистих основ. А в просторі можуть взаємодіяти одночасно не 2, а більш залишків, в результаті чого число можливих взаємодіючих одиниць на багато порядків більше. Важливим є те, що весь остов транслювали пептидного ланцюга є міцним, оскільки всі його елементи, включаючи і пептидний зв'язок, об'єднані сильними хімічними (ковалентними) зв'язками. Хімічна зв'язок між віддаленими амінокислотними залишками буває, як правило, тільки одного типу в разі, коли два залишку цистеїну утворюють дисульфідні зв'язки (SS зв'язок, або SS місток). Це суттєво зменшує число можливих конфігурацій. Однак і за наявності SS зв'язків у протяжних поліпептидів залишається ще багато

Сторінки: 1 2 3 4 5