100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ученые создают молекулы для выведения белков из клеток

Ученые выяснили, как работают ликвидаторы белкового "мусора" в мозге

ТАСС, 18 февраля. Японские молекулярные биологи открыли ранее неизвестный клеточный механизм, который защищает нейроны в мозге от накопления белкового мусора, а также развития болезни Альцгеймера и прочих нейродегенеративных заболеваний. Исследование ученых опубликовал научный журнал Journal of Cell Biology.

Зарядка замедлила накопление белкового "мусора" в клетках у людей с болезнью Альцгеймера

"Мы выяснили, что белки-кластерины представляют собой особый тип молекул-"оберток", которые присоединяются к заготовкам других пептидов и защищают их от повреждений. Если мы сможем создать аналогичное вещество, которое будет соединяться с бета-амилоидом, то тогда его можно будет использовать для лечения болезни Альцгеймера", – рассказал о своей работе один из авторов статьи, доцент Университета Тиба (Япония) Эйсукэ Итакура.

Сегодня ученые предполагают, что главный признак и возможная причина развития болезни Альцгеймера – накопление внутри клеток мозга так называемого бета-амилоида, патогенного белка. Он представляет собой обрывки белка APP, который играет важную роль в формировании связей между нейронами.

По пока неизвестным причинам в организме некоторых людей нарушается переработка старых молекул АРР. В результате "обрезки" этого белка скапливаются в клетках и тканях мозга и формируются токсичные саморазмножающиеся клубки. Они постепенно убивают нейроны, в результате чего в конечном итоге развивается деменция и человек может погибнуть.

Биологи пока не создали и не открыли веществ, которые могли бы безопасно и действенно уничтожать клубки бета-амилоида или мешать их формированию. Поэтому медики активно ищут другие варианты, которые могли бы замедлить болезнь Альцгеймера, в том числе при помощи генной терапии и задействования ресурсов самого организма.

Клеточный "пылесос"

Итакура и его коллеги открыли один из примеров того, как клетки могут проводить подобную самоочистку. Они наблюдали за тем, как культуры человеческих клеток избавлялись от поврежденных белковых молекул, которые возникают внутри них в результате сбоев работе систем сборки цепочек аминокислот.

Внимание ученых привлекли белки из класса кластеринов, большое количество которых человеческие нервные клетки выделяют в окружающую их среду. Эти цепочки аминокислот, как давно предполагают ученые, специализируются на очистке окружающей среды от обрывков различных молекул, которые накапливаются там в результате апоптоза – запрограммированной гибели других клеток.

Японские исследователи предположили, что кластерины могут участвовать и в ликвидации "заготовок" бета-амилоида, а также уже сформировавшихся клубков белкового мусора. Они проверили, так ли это на самом деле, повреждая гены, связанные с синтезом кластеринов и наблюдая за тем, как меняется жизнедеятельность клеток.

Эти опыты подтвердили, что кластерин действительно участвует в уничтожении бета-амилоида, а также раскрыли механизм его работы. Для того, чтобы очистить окружающую среду от "мусора", он должен захватить поврежденную молекулу белка и присоединиться к особому клеточному рецептору, молекуле гепарансульфата, которая раньше считалась одним из путей проникновения вирусов в человеческий организм.

Такой рецептор должен "рассказать" нейрону о доставке новой порции "мусора" и заставит его подготовить лизосому, специальную капсулу для уничтожения подобных отходов жизнедеятельности, где бета-амилоид будет расщеплен на аминокислоты.

Эта особенность кластерина, как отмечают исследователи, позволяет использовать его искусственные копии в качестве своеобразного "пылесоса", который будет заставлять клетки активнее перерабатывать мусор, который будут собирать эти молекулы. Как надеются ученые, подобный подход позволит не только бороться с болезнью Альцгеймера, но и с многими другими нейродегенеративными заболеваниями, которые связаны с накоплением поврежденных молекул в организме.

О чем вы много думали, но боялись узнать #2 — мРНК вакцина, выработка иммунитета, S-белок

Начать я бы хотел с разъяснения некоторых основ биологии, которые помогут в понимании как мРНК вакцин, так и аденовирусных векторных вакцин, о которых я рассказывал раньше. Также меня резонно упрекнули в слишком сильном упрощении ДНК-РНК мира, и первой частью своего рассказа я исправляю данную неточность.

В начале 1950-х Фрэнсис Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии, которая и по сей день остается актуальной, но с некоторыми оговорками. Мы не будем вдаваться в частные случаи, которые не соответствуют центральной догме, а перейдем к общему описанию умозаключений Ф. Крика. Итак, в основе всей жизни на земле лежит информационный поток от ДНК к РНК (транскрипция) и от РНК к белку (трансляция) (Рисунок 1a). Частным случаем является обратная транскрипция, при которой информация передается от РНК к ДНК. В эукариотах (к которым относятся животные и растения) обратная транскрипция наблюдается крайне редко и связана прежде всего с ретротранспозонами (генетическое наследие вирусов) и теломеразой (специальный фермент). Зато вирусы используют этот механизм для внедрения своего генетического кода в человеческую ДНК; но это относится никак не к аденовирусам, а к ретровирусам, самым известным представителем которых является ВИЧ. После трансляции белок еще не представлен в своей окончательной форме, а проходит ряд модификаций (одна из которых фолдинг), чтобы принять свою законченную форму. Также, белки часто представлены не отдельной структурой, а составляют целые комплексы со множеством взаимодействующих белков.

Так что же из себя представляют эти ДНК и РНК? В предыдущем посте я написал, что РНК представляет собой половину молекулы ДНК. Но на самом деле это не является определяющим отличием ДНК от РНК. Основное различие ДНК от РНК заключается в той основе, на которой они построены (Рисунок 1b): ДНК — дезоксирибоза, РНК — рибоза. В остальном они абсолютно подобны: обе имеют присоединенное азотистое основание и фосфатную группу. Общие азотистые основания ДНК и РНК — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С); ДНК имеет тимин (Т), а РНК — урацил (U). По своей структуре ДНК в человеческих клетках представлен в основном в виде двух линейных антипараллельных цепочек, кодирующих наследуемую информацию в ядре (Рисунок 2). Также, в митохондриях (генерирует необходимую для клетки энергию) присутствует своя кольцевая двухцепочечная ДНК. Структура РНК в человеческом организме намного разнообразнее и представлена как линейной одноцепочечной молекулой в матричной РНК (мРНК) или при РНК интерференции (РНКи), так и различными по своему функционалу одноцепочечными РНК, которые могут составлять сложные трехмерные структуры (днк РНК — длинные некодирующие РНК, мнкРНК — малые некодирующие РНК, тРНК — транспортная РНК, рРНК — рибосомной РНК). Особую функцию несет мРНК — с нее как с шаблона делаются белки (тот самый S-белок тоже создается на мРНК). В то время как в клетках животных РНК ограничены одноцепочечным представлением, а ДНК ограничены двойной цепью, в вирусах присутствует полное разнообразие — ДНК и РНК в них представлены как в одноцепочечном представлении, так и в двухцепочечном.

Читайте так же:
Что нельзя писать в SMS-сообщениях — распишем все нюансы

А теперь зная о том, как же все-таки появляются белки, давайте посмотрим свежим взглядом на аденовирусные векторные вакцины, где с ДНК вируса считывается сначала РНК, кодирующая шип белок, а потом по шаблону этой РНК создается множество копий S-белка.

В мРНК вакцинах информация течет иначе, чем в аденовирусных векторных вакцинах. Итак, мРНК вакцина представляет собой липидную (жировую) оболочку, содержащую внутри ту самую мРНК, кодирующую S-белок. При непосредственном контакте клетки и липидной оболочки, липидная оболочка оказывается поглощенной клеткой (Рискнок 3.1а). Липидная оболочка с мРНК вводится совместно с веществами, которые призваны усилить иммунный ответ — адъювантами (Рисунок 3.1b). В дальнейшем мРНК вакцина дрейфует внутри клетки (Рисунок 3.2) до тех пор пока в связи с изменением pH липидная оболочка не окажется разорванной (Рисунок 3.3). Высвободившаяся мРНК попадает в эндоплазматический ретикулум (Рисунок 3.4) (специально организванное пространство в клетке), где в рРНК (из предыдущей части) комплексах с нее не происходит копирование протеина (Рисунок 3.5), который в дальнейшем будет свернут в рабочий S-белок (Рисунок 3.6). Доставки S-белка на поверхность клетки (Рисунок 3.8) обеспечивается с помощью аппарата Гольджи (Рисунок 3.7). На поверхности клетки иммунная система, заранее активированная адъювантами (Рисунок 3.1b), определяет его как чужеродный (Рисунок 3.9).

Казалось бы, что такого сложного сделать мРНК вакцину — берешь липидную оболочку и синтезированную мРНК S-белка? Проще же чем аденовирусная вакцина, или нет? Нет, не все так просто, когда нужно создать искуственную наноконструкцию с нуля. Существует ряд проблем, которые необходимо решить, чтобы создать мРНК вакцину:

  • Липидные наночастицы должны быть стабильны до того момента, пока не проникнут внутрь клетки.
  • Внутри клетки наоборот они должны эффективно освобождать мРНК.
  • Липидные наночастицы должны быть устойчивы как к окислительным агентам и действию ферментов (нуклеазы).
  • мРНК должны быть стабильны при длительном хранении
  • мРНК должны произвести большое количество S-белка, прежде чем быть уничтожены внутри клетки.
  • Произведенный S-белок должен эффективно взаимодействовать с иммунной системой, предоставляя иммуной системе для запоминания «правильные» эпитопы (об этом будет дальше).

При такой начальной сложности разработки у мРНК вакцин есть существенное преимущество перед аденовирусными векторными вакцинами — они достаточно просты в производстве. Также единожды разработанная технология по упаковке мРНК позволяет очень быстро разрабатывать последующие вакцин; достаточно просто «адаптировать» существующую мРНК под новый белок-антиген.

Что же происходит после того, как организм обнаруживает чужеродный белок, представленный на поверхности антиген-презентующей клетки (Рисунок 4.1а)? В ответ на чужеродные белок активизируются специализированные лимфоциты — Т-хелперы и Т-киллеры (Рисунки 4.2 и 4.4). Т-хелперы выпускают специальные сигнальные молекулы, которые активируют имунную систему и приводят организм в состояние готовности, а также помогают другим иммунным клеткам понять с каким инфекционным агентом они имеют дело. Т-киллеры при этом (Рисунок 4.7) определяют зараженные клетки и инициируют процесс контролируемой клеточной гибели; также они выпускают специальные молекулы, которые уничтожают вирусные частицы. Другой класс лимфоцитов, В-клетки, обеспечивают иной класс защиты от чужеродных частиц: при определении вирусного белока, они активизируются (Рисунок 4.1b) и через некоторое время могут трансформироваться в плазматическую клетку (Рисунок 4.8). При этом основная задача плазматической клетки — выработка специфических белков (антител) к конкретному патогену, которые блокируют функционирование патогена, а также помогают иммунной системе легче распознать недружественные элементы. Кроме всего прочего, Т-хелперы имеют способность усиливать и регулировать активность Т-киллеров и В-клеток (Рисунок 4.4). Т-хелперы обладают способностью становиться Т-хелперами памяти (Рисунок 4.3), которые долгое время могут помнить «сигнатуру» вируса и в любой момент могут перейти в активированную форму мобилизуя всю иммунную систему на войну с уже известным врагом. Т-киллеры и В-клетки также обладают способностью формировать клетки памяти (Рисунок 4.6) и хранить информацию о прошлых своих «мишенях». Т-хелперы в этом случае также помогают этим клеткам дольше сохранять знания о прошлых патогенах.

Так зачем же нужны две дозы вакцины, если клетки способные запоминать патогены? Особенность иммунной системы в том, что некоторые патогены наша иммунная система запоминает отлично, а вот другие плохо. Для того, чтобы усилить «иммунную память» и необходима вторая доза вакцины через определенный промежуток времени. При повторном попадании такого же или похожего патагена в организм (Рисунок 4.5) происходит активация уже существующих Т-хелперов памяти, Т-киллеров памяти и В-клеток памяти. При этом дополнительное усиление Т-хелперами памяти Т-киллеров и В-клеток. Таким образом, вызывается усиливающий каскад в иммунной системе, который мгновенно рекрутирует иммунную систему на противодействие (именно поэтому часто после второго укола наблюдается повышенная температура, головная боль и т.д.). При этом формируются более устойчивые клетки памяти.

С глобальным механизмом работы иммунной системы мы разобрались. Но почему же ученые нацеливают иммунную систему на S-белок прежде всего? Почему нельзя взять за мишень какой-либо другой белок коронавируса? Для начала рассмотрим что же собой представляет S-белок. На Рисунке 5 приведена модель S-белка, который является достаточно крупным сам по себе — 180 kDa. Если вы были наблюдательными, то могли уже заметить, что сам S-белок представлен тремя мономерами (оранжевый, синий, зеленый), т.е. состоит из трех одинаковых белков. На виде сверху (левая часть) отлично видна симметрия тримера S-белка. И каждый мономер этого гигантского белка содержит в своем составе рецептор-связывающий домен (RBD-домен) и домен N-конца (NTD-домен).

Читайте так же:
Горка для детей своими руками

Так вот коронавирус использует S-белок для связывания с рецептором клетки и проникновения внутрь; без него вирус просто не сможет проникнуть внутрь клетки. И одной из важнейших компонентой этого механизма является RBD-домен, который распознает АСЕ2 рецептор и инициирует процесс проникновения внутрь клетки. Если заблокировать данный домен антителами, которые вырабатывают упомянутые выше плазматические клетки, то вирус перестанет распространяться. Чтобы понять, как работает блокирование S-белка антителами давайте обратимся к Рисунку 6. На нем изображен тримерный S-белок и антитела, которые к нему прикрепились. Нейтрализующие антитела содежат два конца, которыми они могут прикрепляться к патогену и блокировать его. Участок, который находится на патогене и опознается антителами называется эпитоп; участки на концах антитела, которые опознают патоген называются паратопами. Если мы идем в микромир клеток и белков, то очевидные нам явления и обычная житейская логика перестают существовать. Этот мир подчиняется законам, где даже слабые водородные и электростатические силы начинают играть роль. Кстати, а хотите статью, в которой бы рассказывалось об особенностях существования микромира клетки?

Соединение эпитопа и паратопа, как и любых белков внутри клетки, обсуловлено прежде всего слабыми взаимодействиями — электростатические, водородные, ван-дер-ваальса и гидрофобные связи. Это очень слабые связи и на них очень сильно влияет расстояние между двумя аминоксилотами (из них состоят протеины), а также само количество этих связей. Для того, чтобы антитело распознало эпитоп достаточно всего лишь 4-12 аминокислот. На Рисунке 6 внизу показано, что одни паратопы подходят к эпитопам, как детали конструктора (Рисунок 6, слева) и формируют более крепкие связи, а другие из-за их конфигурации не могут создать устойчивую пару (Рисунок 6, справа).

На Рисунке 5 справа изображен тот же самый тримерный S-белок, но с одной особенностью — один из RBD-доменов находится в активированом состоянии (M1′). Такая активация кроме того, что изменяет 3д структуру белка и прячет некоторые известные иммунной системе эпитопы, также усиливает возможность S-белка связываться с рецептором клетки. Такая активация S-белка просходит под воздействием протеаз (специальный фермент) не только в RBD-домене (S2′), но и между двумя структурным частями (S1/S2). Эти структурные изменения связывают в коронавирусе с его патогенностью.

Также как и RBD-домен должен быть достаточно специфичен к АСЕ2 рецептору, чтобы проникнуть внутрь клетки (а изменения в RBD-домене S-белка улучшают его возможность связываться с АСЕ2 рецептором), так и нейтрализующее антитело должно быть специфично к S-белку, а именно к RBD-домену. Размер всего S-белка составляет 1273 аминокислоты, RBD-домена — 222 аминокислоты и NTD-домена — 292 аминокислоты (размер распозноваемого эпитопа при этом 4-12 аминокислот). Таким образом на S-белке и его доменах может находиться множество эпитопов для антител, и иммунные клетки производят антитела сразу ко множеству эпитопов.

Я не зря упоминаю NTD-домен, так как нейтрализующие антитела к нему тоже блокируют возможность вируса проникать внутрь клеток. Однако, так как RBD-домен используется как своеобразный «ключ» и от его пространственной конфигурации зависит его возможность отпереть «замок» (АСЕ2 рецептор), то мутации, сильно изменяющие данный участок S-белка, приводят к потере возможности проникать внутрь клетки. С другой стороны, мутации NTD-домена не так сильно сказываются на способность коронавируса проникать внутрь клетки и следовательно этот домен мутирует намного сильнее, «пряча» S-белок от нейтрализующих антител. Таким образом, основной целью оказывается RBD-домен и мутации как раз в нем (Рисунок 5, правая нижняя картинка) связывают с возникновением наиболее сильных штаммов вируса: B117(Английский) ключевая мутация N501Y; B1351(Южноафриканский) — N501Y, E484K, K417N; P1(Бразильский) — N501Y, E484K; B1427-9(Калифорнийский) — L452R; B1671(Индийский) — E484K, L452R; B1.1.222(Мексиканский) — T478K.

В статье Effects of common mutations in the SARS-CoV-2 Spike RBD domain and its ligand the human ACE2 receptor on binding affinity and kinetics было определено, что мутации в RBD-домене N501Y и S477N повышают трансмиссивность вируса, мутации K417N/T в том же домене усиливают способность избегать иммуную система, а мутация E484K приводит и к тому и к другому. В той же статье была оценена способность вируса заражать клетки. При оценке способности вируса заражать клетки оценивается возможность S-белка взаимодействовать с АСЕ2 рецептором, которая определяется константой диссоциации. Константа диссоциации (Kd) в биохимии это специфическая константа равновесия, которая определяет возможность крупного объекта разделиться (обратимо) на более мелкие объекты. Так вот, для немутировавшего RBD-домена Kd = 74.4 нМ (наномолей), для мутации N501Y Kd = 7.0 нМ, т.е. при такой мутации RBD-домен S-белка в 10.5 раз сильнее связывается с АСЕ2 рецептором. Для бразильского штамма (E484K/N501Y) эта константа составляет 5.1 нМ, т.е. в 14.5 раза сильнее. В то время как мутация K417N увеличивает константу диссоциации до 364 нМ.

Как клетка синтезирует белок

Роль основных «рабочих лошадок» в клетках и, следовательно, во всем нашем организме исполняют разнообразные белки. Мы – многоклеточные существа (у шестиклассника, например, 30 триллионов клеток!), следовательно, белков нам нужно много. И это должны быть не те же самые белки, которых в целом литре газировки всего 1 грамм, а в одной котлете – 25. Это наши собственные белки, только нам свойственные, по крупинкам собранные из того, что мы съели, переварили и усвоили. Итак, если белок – главный работник, то его надо много, и он должен быть качественным, именно тем, какой положен (запрограммирован, зашифрован!). Значит клетка, словно завод по производству белков, должна иметь, во-первых, надежные станки по производству этих белков, а во-вторых, надежную программу-инструкцию для производства каждого конкретного белка.

Читайте так же:
Как рождаются муравьи

Мы решаем контрольную или спим на уроке, мерзнем на остановке или едим дома горячую котлету – и организм постоянно приспосабливает работу наших клеток, а стало быть белков, под набор тех условий, в которые мы его, организм, поместили. Поэтому так не бывает, чтобы один белок работал вечно. Поработал – клетка его расщепила и чаще всего пересобрала во что-то другое, в другой белок. И эта белковая карусель крутится все время, пока живет организм. А мы еще помним, что белков очень много – и по общему количеству молекул, и по их разновидностям. И для каждого вида белка при каждом станке – своя инструкция по сборке. Имеет смысл микроскопической клетке хранить килограмм инструкций у каждого станка на все случаи жизни? Разумеется, нет.

В работе у занятой делом клетки должны быть только самые нужные на данный момент инструкции, а остальные пусть хранятся в сборниках инструкций в библиотеке. Нужна инструкция – библиотекарь нашел нужную страницу в сборнике – помощник откопировал ее – персонал, обслуживающий станок, по инструкции собрал нужное количество белка – белок пошел работать, пока не настанет срок разобрать его на запчасти, да и отслужившая инструкция тоже разбирается. В клетке никакое добро не пропадает. А кто все эти сотрудники клетки? Разумеется, это тоже белки, точнее – особый их класс – ферменты. Белки, управляющие процессами в клетках и многократно ускоряющие их.

Итак, давайте все-таки ближе к биологии. Библиотека – это набор наших хромосом в ядре каждой клетки. Основа каждой хромосомы – длинная молекула под названием ДНК* (шестиклассник про ДНК уж наверняка хоть раз, да слышал). Сборник инструкций – одна нить ДНК. Но чтобы заработало производство конкретного белка, весь сборник не нужен, нужна только инструкция-информация о составе этого белка. Эта информация – малая часть цепочки ДНК под названием «ген». (Тоже наверняка знакомое слово. Если у вас абсолютный музыкальный слух – как у мамы, то она всем радостно хвастает, что это у вас ее гены). Текст гена в каком-то смысле гораздо проще, чем любой текст на любом языке. Он написан только четырьмя буквами! Откуда же тогда такое многообразие кодируемых генами белков и признаков? В «тексте» гена чаще всего сотни или тысячи «букв», и комбинация букв может быть любой. (Кстати, «буквы» – это структурные части молекулы ДНК, ее блоки под названием нуклеотиды, запоминайте. Их четыре типа: А, Т, Г и Ц**).

Копирование инструкции по сборке белка, т. е. гена, – это процесс транскрипции (дословно – переписывание). Он происходит в ядре клетки. Образуется копия гена – молекула-матрица, или матричная РНК*. Но она, как ни странно, не очень-то похожа на исходный ген ДНК. Более того, она является в некотором смысле «копией наоборот», как негативное фотоизображение, где белое становится черным, а черное – белым. К слову, РНК тоже состоит из нуклеотидов, и их тоже четыре типа – те же А, Г, Ц, но есть замена: вместо Т – У**. Как получается «негативная» копия, да еще и с заменой буквы? В клетке работает особое правило – комплементарности. Разбираемся.

Комплимент/комплемент – дословно – дополнение! Вам сделали комплимент? Это такое приятное дополнение к вашей неотразимости. Комплимент от шефа – вкусное бесплатное дополнение к вашему заказу в ресторане. Комплементарность в биологии – взаимная дополняемость биологических молекул или их частей. Согласно правилу комплементарности фермент-копировальщик, собирающий РНК, напротив «буквы»-нуклеотида А в образце, молекуле ДНК, обязан поставить «букву» У в РНК, напротив Т – А, напротив Г – Ц, напротив Ц – Г. (Проще всего запомнить Г–Ц и наоборот, не так ли?). Например, в ДНК было ГТАЦ, а в РНК станет ЦАУГ. И так далее – десять тысяч раз подряд и без ошибок! А главное – с умопомрачительной скоростью, которую обеспечивают быстрые и точные работники-ферменты.

Итак, непохожая, перешифрованная, но все-таки копия (!) фрагмента ДНК – матричная РНК готова, ее можно «выносить» за пределы «библиотеки». Именно она послужит той матрицей-инструкцией, по которой персонал по обслуживанию «станка» по производству белка осуществит его многократный синтез. Синтез белка, к сведению, идет уже не в ядре, а в более просторной цитоплазме клетки. Белка, мы помним, надо много, а в ядре – тесно, да и не надо его лишний раз беспокоить такой суетой: хромосомы должны храниться в тишине и порядке. Всё как в настоящей библиотеке.

Матричная РНК выходит на работу. По записанной в ней инструкции клеточный органоид (маленький орган) рибосома будет синтезировать белок. Именно рибосома является тем самым «станком» по производству белка. Но белки состоят не из нуклеотидов. Белки – тоже длинные молекулы, состоящие из других блоков – аминокислот. Их 20 разновидностей. Т. е. «язык» белков – это целых 20 букв! Как текст-комбинацию из 4 букв перевести в текст-комбинацию из 20 букв? Просто. Каждая аминокислота белка зашифрована последовательностью из трех нуклеотидов матричной РНК, каждой из комбинаций трех нуклеотидов РНК соответствует одна аминокислота (за исключением трех случаев – последовательностей УАГ, УГА и УАА). Таких комбинаций получается 61, а вместе с тремя исключениями – 64. Это число всех возможных комбинаций трех нуклеотидов четырех разновидностей. Хотите – проверьте перебором.

Чтобы было понятнее, поясним на примере. Возьмем последовательность нуклеотидов ГЦУ на матрице РНК. Ей, к сведению, соответствует аминокислота под названием аланин. И – о радость! – никто не заставит учить наизусть, какая аминокислота какой последовательности нуклеотидов в РНК соответствует – на это есть специальная таблица генетического кода. А в ней, кстати, есть повторы нуклеотидных последовательностей. Мы помним, аминокислот 20, а кодирующих комбинаций из трех нуклеотидов – 61, поэтому повторы неизбежны.

Читайте так же:
Чтобы просыпаться счастливым: рассматриваем все нюансы

Рибосома-«станок» нанизывается на свою инструкцию, матричную РНК, как бусина на нитку. (А чтобы не терять время, обычно сразу много «станков»-рибосом по очереди нанизывается на инструкцию-матрицу). И начинается настоящий балет с участием обслуживающих его ферментов и еще одного вида РНК – транспортных РНК. Именно они помогают расшифровать код матричной РНК (они знают таблицу генетического кода наизусть!) и собрать аминокислоты в единую белковую цепочку.

Транспортные молекулы тоже состоят из нуклеотидов, все те же «положенные» для РНК знакомые А, У, Г и Ц. Но только в отличие от матричной РНК, транспортная гораздо более легкая и компактная, специально свернутая для мобильности наподобие листа клевера. И на верхушке этого «листа» находится ключевая последовательность из трех нуклеотидов, комплементарных трем кодирующим «буквам» матричной РНК. Так, например, уже знакомую аминокислоту аланин принесет транспортная РНК с «ключом» ЦГА на верхушке, встанет рядом с ГЦУ в матричной РНК – ага, подошло! Таких транспортных РНК (тРНК для краткости) – 61 вид.

Итак, создаем белок из аминокислот по нуклеотидной инструкции матричной РНК на «станке»-рибосоме. В активном центре рибосомы как на парковке встают рядом две комплементарно подходящие к матрице транспортные РНК со своими «ключами» на макушке – тройками нуклеотидов, и «прицепами» на хвосте – соответствующими аминокислотами. Предположим, это только начало синтеза: у каждой транспортной молекулы по одному прицепу. Но особый фермент-сшивальщик, который всегда рядом, соединяет между собой оказавшиеся рядом «прицепы»-аминокислоты. А со стороны выглядит это так, словно одна тРНК, к примеру, правая на «парковке», говорит левой «подержи мой прицеп, а я сейчас…» – и быстро-быстро улепетывает. И у доброй левой тРНК оказывается уже двойной прицеп – из двух аминокислот: ближайший к ней – свой, а дальний – чужой.

И тут рибосома сдвигается на три нуклеотида влево. Не удивляйтесь, «гаражи»-рибосомы сами тоже вполне мобильны и, как мы помним, норовят по очереди нанизаться на нитку матричной РНК. В итоге бывшая левая тРНК со своим двойным прицепом становится правой. Слева, соответственно, освобождается новое парковочное место». Приходит новая тРНК, паркуется слева. И тут уже уставшая держать двойной «хвост» из аминокислот поумневшая правая тРНК говорит левой «подержи мой прицеп, а я сейчас…» – и быстро-быстро… Ну вы поняли. Так образуется цепочка-хвост из трех, потом четырех… до многих тысяч аминокислот. Процесс называется трансляция (дословно – перенос, перемещение, передача).

Синтез белковой цепочки обрывается, когда в активном центре рибосомы оказывается одна из трех последовательностей нуклеотидов матричной РНК, у которых нет в принципе соответствующих аминокислот. Это те самые исключения УАГ, УГА или УАА. На этих последовательностях нарастание белковой нитки прекращается, поскольку не бывает тРНК с «ключами» АУЦ, АЦУ или АУУ на верхушке, некому везти «прицепы»-аминокислоты к месту сборки.

Белковая цепочка сворачивается в компактную структуру и отправляется на работу. Если на сегодня всё, и белка такого типа клетке больше не нужно, она с помощью специальных ферментов разбирает инструкцию по его сборке, т. е. матричную РНК, на нуклеотиды, чтобы потом повторно их использовать. А если и сам белок уже свое отработал – то и его разбирает. На аминокислоты, конечно же. И карусель транскрипции-трансляции работает дальше, обслуживая новые потребности клетки. Шестиклассник написал контрольную – пора есть котлету.

* ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, РНК — рибонуклеиновая.
** Названия нуклеотидов: А — адениловый, Т — тимидиловый, Г — гуаниловый, Ц — цитидиловый, У — урациловый.

Создан первый в мире искусственный белок

Folding@Home предназначен для расчета математической модели «правильного» сворачивания белка в трехмерную структуру и сулит новые перспективы для продления активной жизни человека.

Предполагается, что использованная методика будет использована при конструировании других белков, столь необходимых для медицины человека.

Эта разработка группы биологов под руководством Дэвида Бэйкера (David Baker) проливает свет на загадку фолдинга белков.

Компьютерная модель первого синтетического протеина Top7
Компьютерная модель первого синтетического протеина Top7
Источник: Gautam Dantas/University of Washington

Напомним, что ученым до сих пор непонятны принципы, в соответствии с которыми белки сворачиваются в трехмерном пространстве, принимая особую форму (это явление и получило название «фолдинг белков»).

Успешный эксперимент по конструированию синтетического протеина Top7 проливает определенный свет на механизм фолдинга белков.

Теперь, по словам Дэвида Бэйкера, стали понятны хотя бы некоторые характеристики таинственного процесса 1 .

В настоящее время ученые из университета Вашингтона (Univeristy of Washington’s Howard Hughes Medical Institute) продолжают работу.

Исследовательская группа поставила своей целью сконструировать протеины с точно запрограммированными функциями.

Ожидается, что это будет настоящий прорыв — и не только в медицине.

Что такое фолдинг

Протеин: синтез, структура и фолдинг
Источник: Folding@Home

В клетках за производство протеинов отвечают рибосомы, где белки собираются из отдельных аминокислот в соответствии с последовательностью, считываемой из ДНК.

Результатом работы такого биологического конвейера являются длинные молекулы — «заготовки» для протеинов. И хотя геном сегодня расшифрован, то есть, известна структура некоторого количества белков, в том числе — человека, даже в этом случае невозможно судить о его функциях. Последние проявляются только после того, как длинная цепочка аминокислот свернется и примет необходимую форму.

Примечательно, что из миллионов потенциально возможных пространственных комбинаций протеин принимает одну-единственную заранее известную форму. Этот процесс и называется фолдингом. Таким образом, в организме образуются готовые к работе гемоглобин, инсулин и другие необходимые для жизнедеятельности белки.

Процесс сворачивания может проходить в несколько стадий длительностью от нескольких секунд до нескольких минут. В последней — решающей — фазе протеин из «предварительного состояния» мгновенно принимает окончательную форму. Именно эта фаза продолжительностью несколько десятков микросекунд представляет собой сложнейшую проблему для моделирования.

Ситуация с принятием окончательной формы усугубляется тем, что процесс в значительной степени зависит от условий внешней среды, в том числе температуры. Одна молекула мгновенно, «естественным образом», сворачивается в природных условиях. Но моделирование этого, казалось бы, простого процесса может занимать годы непрерывной работы многих компьютеров.

Читайте так же:
Как устроен металлургический комбинат?

В наше время ученые развернули активную деятельность в попытках понять, каким образом протеины выполняют фолдинг так быстро и так надежно.

Понимание этого процесса позволит не только с легкостью создавать усовершенствованные версии белков, существующих в природе, но и моделировать абсолютно новые структуры с новыми свойствами — синтетические «самосборные» протеины с запрограммированной функциональностью. Некоторые даже говорят о будущих «нанороботах», появление которых приведет к настоящей технологической революции, в том числе в медицине.

Первый синтетический протеин создан учеными из Медицинского института Ховарда Хьюза при университете Вашингтона. Именно этот институт является главным спонсором известного проекта Folding@Home 2 — программы распределенных вычислений для расчета фолдинга разнообразных синтетических белков.

Так получилось, что одной из задач, моделирование которой требует огромной вычислительной мощности, является фолдинг протеинов. На современном ПК расчет 1 наносекуды фолдинга белка при определенных температурных условиях занимает примерно 1 день. Для расчета всего процесса требуется в десятки тысяч раз больше вычислительной мощности, потому что фолдинг продолжается несколько десятков микросекунд. Кроме того, необходимо моделировать сворачиваемость разных модификаций молекулы при разных температурах. Для выполнения этой задачи любой вычислительной мощности будет недостаточно.

Визуализация фолдинга на экране
Источник: Folding@Home

Folding@Home — один из самых крупных научных проектов распределенных вычислений. На сайте можно скачать программу-клиент, которая работает под Windows, Linux или Macintosh в фоновом режиме или в виде красивого скринсейвера (см. слева). Кстати, работа программы в фоновом режиме с низким приоритетом практически не сказывается на общей производительности системы.

Сейчас в проекте Folding@Home участвуют уже более 270 тыс. пользователей со всех регионов мира. Работает более 570 тыс. компьютеров, их количество постоянно растет. Недавно к числу спонсоров присоединилась компания Google. Она внедрила фоновый обсчет фолдинга в свою популярную надстройку Google Toolbar для браузера Internet Explorer.

Компьютерная модель виллина
Компьютерная модель виллина
Симуляция Folding@Home

На первой стадии развития Folding@Home с октября 2000 г. по октябрь 2001 г. были успешно смоделированы несколько простых, быстро сворачивающихся протеинов, в том числе виллин (количество аминокислот — 36, время фолдинга — 10 микросекунд). Ученые на практике, в результате лабораторных экспериментов, подтвердили корректность полученных результатов.

Хотя виллин (см. рисунок справа) стал «визитной карточкой» проекта, в настоящее время рассчитывается фолдинг более сложных и больших молекул. Так, скоро начнется обсчет протеина Alzheimer Amyloid Beta, который вызывает токсический эффект в болезни Альцгеймера.

Неправильный фолдинг и болезнь Альцгеймера

Сейчас специалисты знают о фолдинге гораздо больше, чем Паулиг и Анфинсен, которые получили Нобелевскую премию за открытие этого процесса полвека назад.

Известно, что протеиновая цепочка иногда может сворачиваться в неправильную форму. Кроме того, были открыты специальные протеины, получившие название чапероны, единственное предназначение которых — помогать другим протеинам сворачиваться и следить за тем, чтобы процесс проходил в соответствии с «инструкцией».

Для корректного фолдинга одной молекулы белка иногда требуется последовательное участие пяти различных чаперонов. Без них процесс может выйти из-под контроля. В этом случае цепочка из аминокислот может присоединиться к другой цепочке с образованием мусора.

Схема фолдинга протеина, а также примеры нарушения на различных стадиях (FASEB J. 10, 52 (1996)
Схема фолдинга протеина, а также примеры нарушения на различных стадиях (FASEB J. 10, 52 (1996)

Простейший пример нарушения фолдинга знаком каждому человеку, который варил яйцо. В процессе нагревания молекулы протеинов внутри яйца теряют свою форму. После этого они уже не могут свернуться правильным образом и образуют твердую, нефункциональную, но вкусную массу (такое нарушение изображено на рисунке справа).

Примерно то же самое происходит с одним из протеинов в организме человека, пораженного болезнью Альцгеймера 3 . Нефункциональная белковая масса, образовавшаяся в результате неправильного фолдинга одного-единственного протеина, откладывается в определенных участках мозга и мешает его работе.

Безусловно, получение синтетических протеинов будет способствовать созданию новых, эффективных лекарств от болезни Альцгеймера и других недугов, многие из которых свойственны именно пожилым людям. Таким образом, можно ожидать, что человечество сделает новый шаг на пути к увеличению продолжительности человеческой жизни. Предполагается, что в самом ближайшем будущем люди смогут сохранять хорошее здоровье до 80-100 лет, и это уже совсем не фантастика.

1 Статья с описанием работы ученых опубликована 21 ноября 2003 г. в журнале Science.

2 Программа Folding@Home — лишь один из многочисленных проектов распределенных вычислений, которые работают через интернет.
Первым подобным проектом был знаменитый SETI@Home — обработка на компьютере записи аналогового сигнала с радиотелескопа, получавшего сигналы из космоса. Любой пользователь ПК, где бы он ни находился, мог скачать на свой домашний компьютер кусочек радиоспектра из далекой галактики, проанализировать его на предмет наличия аномалий и отправить результаты в институт SETI в США. Этот проект приобрел настолько широкую популярность, что в 1999 году программу-клиент с заявленного сайта скачали миллионы людей. Напомним, что в то время вышел фильм «Контакт» с Джуди Фостер, так что поиск инопланетян с помощью радиотелескопов стал очень модным увлечением, особенно в США.
Поиск внеземного разума продолжается до сих пор, но главной заслугой проекта SETI@Home стало то, что он подтвердил работоспособность схемы распределенных вычислений, когда сотни тысяч обычных «персоналок» совершенно бесплатно выполняют работу, непосильную для самых мощных суперкомпьютеров стоимостью миллионы долларов.

3 Болезнь Альцгеймера — это болезнь 21 века, так как ей подвержены пожилые люди.
По статистике, болезнью Альцгеймера заболевают около 10% населения старше 65 лет и около 50% старше 85 лет. В США умирают из-за этого недуга примерно 100 тыс. человек ежегодно.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию