Макромолекулы как обьекты изучения молекулярной биологии

Белки, их роль в обеспечении биологической специфичности. Аминокислоты, их свойства. Формирование полипептидной цепи. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры белка. Конформация – основа свойств белка. Фолдинг. Понятие о прионных заболеваниях. Классификация белков согласно их биологическим функциям. Белки-переносчики, сигнальные, защитные, структурные, рецепторные, регуляторные, ферменты. Понятие о протеомике.

Макромолекулы клетки.Из простых органических молекул синтезируются более крупные макромолекулы. Макромолекула — это крупная молекула, построенная из многих повторяющихся единиц. Она представляет собой полимер, состоящий из мономеров. Существует 3 типа макромолекул: белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Некоторые липиды условно можно считать макромолекулами. Макромолекулы составляют до 90 % сухой массы клеток.

Белки.

Клетки в значительной степени состоят из белков, на долю которых приходится более половины от сухого вещества. Белки определяют структуру и форму клетки; кроме того, они служат инструментами мо­лекулярного узнавания и катализа. Белки непосредственно участвуют в процессах обмена веществ, метаболизме и поддержании всех функций клетки.

Белки – это полимерные биоорганические соединения, мономерами которых являются остатки аминокислот, соединенных кислото – амидными (пептидными) связями (─NH─C(O)─).

Аминокислоты. Аминокислотами называются соединения, содержащие одновременно амино- и карбоксильную группу:

По числу аминных и карбоксильных групп, а также в зависимости от радикала R аминокислоты подразделяются на моноаминокарбоновые (глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, серин, треонин, метионин, цистеин, цистин), диаминокарбоновые (лизин, аргинин), аминодикарбоновые (аспарагиновая и глутаминовая кислоты), ароматические (фенилаланин, тирозин) и гетероциклические (пролин, оксипролин, гистидин, триптофан).

Если принять во внимание полярность и заряд радикала R, то можно разделить аминокислоты на четыре класса:

–аминокислоты с неполярными (гидрофобными) R-группами (аланин, валин, лейцин, изолейцин, метионин, пролин, триптофан, фенилаланин);

–аминокислоты с полярными (гидрофильными) незаряженными R-группами (глицин, серин, треонин, цистеин, тирозин, аспарагин, глутамин);

–аминокислоты с отрицательно заряженными R-группами (кислые аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты);

–аминокислоты с положительно заряженными R-группами (основные аминокислоты – лизин, аргинин, гистидин).

Отмеченные 20 аминокислот входят в состав природных белков и пептидов и называются протеиногенными. Они имеют такие свойства: 1) кислотно – основные, т.е., являясь амфотерными электролитами, могут диссоциировать с образованием анионов или катионов; 2) полярность – могут быть гидрофильными или гидрофобными; 3) оптичность – ά-атом углерода представляет центр молекулы всех (кроме глицина) аминокислот и они поэтому являются оптически активными соединениями; 4) способность к образованию кислотно – амидных (пептидных) связей; 5) химические реакции (нингидриновая, флуорескаминовая, ксантопротеиновая, Милона, Сакагучи, Эрлиха, Фоля ), которые используются в аналитической и клинической биохимии для идентификации и количественного определения отдельных аминокислот(в плазме крови, моче и др.).

По своей абсолютной конфигурации протеиногенные аминокислоты являются стереоизомерами L- ряда (L- аминокислотами).D- аминокислоты в состав природных белков не входят. Они есть в некоторых антибиотиках – грамицидине и актиномицине D.

Из 20 протеиногенных аминокислот 10 являются для человека незаменимыми, то есть не синтезируемыми в организме - аргинин, лизин, валин, гистидин, лейцин, изолейцин, треонин, триптофан, метионин, фенилаланин. Исключение какой-либо незаменимой аминокислоты из пищи приводит к развитию отрицательного азотистого баланса, истощению, остановке роста. Дефицит в пище отдельных незаменимых аминокислот вызывает нарушение синтеза белка с последующими клиническими симптомами. Например, дефицит триптофана вызывает развитие катаракты, выпадение волос, поражение зубов, снижение массы тела. Триптофан является предшественником в биосинтезе таких физиологически активных соединений, гормонального и медиаторного действия, как серотонин и никотиновая кислота. Дефицит лизина вызывает повышенную восприимчивость к шуму, тошноту, головокружение. Отсутствие лейцина у молодых людей сопровождается головными болями, потерей аппетита, быстрой утомляемостью, психической подавленностью. При нарушении метаболизма лейцина, изолейцина и валина развивается болезнь «кленового сиропа» (замедление роста, нарушение питания, сонливость, неврологические состояния). Важным участником внутриклеточного метаболизма и донором метильной (─CH3) группы в многочисленных реакциях метилирования является метионин. Аргинин принимает участие в образовании мочевины – конечного продукта аминобмена. Кроме того, установлена роль аргинина как предшественника в генерации оксида азота (NO) – модулятора таких физиологических функций: регуляции тонуса гладких мышц, иммунных процессов и нейротрансмиссии. Фенилаланин и тирозин обеспечивают образование главных катехоламинов организма (дофамина, норадреналина, адреналина), тиреоидных гормонов и меланинов. Нарушение обмена этих аминокислот приводит к ряду заболеваний: фенилкетонурии, алкаптонурии, альбинизму, тирозинемии. Аминокислота гистидин путем декарбоксилирования превращается в гистамин – важнейший медиатор аллергии, а также физиологический регулятор деятельности различных клеток и систем, включая иммунокомпетентную систему.

Аминокислоты, поступающие в организм с пищей, образующиеся при катаболизме белков и в результате синтеза, формируют аминокислотный пул организма — источник аминокислот для образования различных веществ (рис.1).

Рис.1. Пути превращения аминокислот

Обмен аминокислот в тканях можно условно разделить на общие и специфические пути превращения. К общим путям обмена аминокислот относятся:

дезаминирование;

трансаминирование;

декарбоксилирование.

Дезаминирование - процесс отщепления аминогруппы в виде аммиака с образованием а-кетокислоты.

Трансаминирование — процесс переноса аминогруппы аминокислоты на кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Процесс трансаминирования имеет большое значение для синтеза заменимых аминокислот в организме животных и человека. Через а-кетоглутарат аммиак используется для синтеза заменимых аминокислот, этим же путем аминогруппа переносится на аминосахара, порфирины, креатин.

Нарушение процессов трансаминирования может быть следствием изменения соотношения продуктов реакции (избыток аминокислот в организме), нарушений в процессах окисления в цикле трикарбоновых кислот или синтеза трансаминаз.

Кроме приведенных 20 аминокислот (пролин – иминокислота), участвующих в построении молекул белков, в тканях живых организмов имеются и другие аминокислоты, важные промежуточные продукты обмена веществ (орнитин, цистатионин и др.).

Белки. Если от двух молекул аминокислот отнять одну молекулу воды, то образуются неполные ангидриды, которые называются дипептидами. Они имеют пептидную связь ─NH─C(O)─. Дипептид обладает способностью взаимодействовать с новой молекулой аминокислоты с образованием нового неполного ангидрида – трипептида. Таким же способом могут быть получены тетрапептиды, пентапептиды и т.д., носящие общее название полипептидов. Последние играют очень важную роль в построении молекул белков.

В макромолекулу белка входит одна или несколько пептидных цепей, связанных друг с другом поперечными химическими связями, чаще всего через серу (дисульфидные мостики, образуемые остатками цистеина). Химическую структуру пептидных цепей принято называть первичной структурой белка или секвенцией.

Для построения пространственной структуры белка пептидные цепи должны принять определенную, свойственную данному белку конфигурацию, которая закрепляется водородными связями, возникающими между пептидными группировками отдельных участков молекулярной цепи. По мере образования водородных связей пептидные цепи закручиваются в спирали (α-спираль), стремясь к образованию максимального числа водородных связей и соответственно к энергетически наиболее выгодной конфигурации.

В зависимости от образования определенной пространственной структуры (конформации) различают вторичную, третичную, четвертичную и доменную организацию белков (рис.2).

Вторичная структура белков – это ряд конформаций, образуемых водородными связями. Различают два основных типа упорядоченной вторичной структуры белковых молекул: правозакрученная α-спираль и β- структура. Последняя представляет собой слоистую молекулу, состоящую из зигзагообразных развернутых полипептидных цепей, расположенных рядом и соединенных водородными связями. Многие белки имеют оба типа вторичной структуры.

Третичная структура белков образуется путем укладки в трехмерном пространстве полипептидной цепи с определенной вторичной структурой. В образовании и стабилизации третичной структуры принимают участие водородные, ионные и гидрофобные связи. В зависимости от формы и особенностей трехмерной пространственной структуры, все белки делятся на два класса: глобулярные и фибриллярные. Глобулярные белки (ферменты, антитела, некоторые гормоны и др.) имеют округлую форму, а фибриллярные (коллаген, эластин, α-кератин и др.) – вытянутую.

Четвертичная структура белков (гемоглобин и др.) – результат объединения (агрегации) нескольких полипептидных цепей или протомеров, каждый из которых имеет свою типичную конформацию. Отдельные протомеры (субъединицы) в таких белках соединяются нековалентными связями, что приводит к их диссоциации и потере биологической активности при изменении условий среды.

Рис.2. Уровни структурной организации белков: а) - первичная структура - линейная последовательность аминокислот (образование полипептидов); б) — вторичная структура - образование спирали из полипептидной цепи или β-структуры; в) - третичная структура - образование глобулы из полипептидной спирали и β-структуры; г) - чет­вертичная структура - образование белкового комплекса, состоящего из нескольких полипептидных глобул

Доменная организация белков (р-53, фосфоглицераткиназа и др.) представляет собой глобулярные участки (100 – 150 аминокислотных остатков), расположенные в середине молекулы с третичной структурой. Отдельные домены – это относительно функциональные автономные образования в составе белковых молекул, связанные между собой пептидными фрагментами («шарнирными» участками), которые можно расщепить только при помощи протеолитических ферментов.

Процесс сворачивания пептидной цепи в пространственную структуру и достижение белком правильной конфигурации называется фолдингом. Для небольших белков характерно самопроизвольное образование третичной структуры, а для фолдинга крупных белков необходимы специальные вспомогательные белки – шапероны и ферменты - фолдазы. Фолдинг с участием фолдаз и шаперонов обычно приводит полипептидную цепь к «правильной», наиболее оптимальной в энергетическом и функциональном отношениях, структуре.

Однако бывают случаи «неправильного» фолдинга. Существует группа тяжелых неврологических болезней, которые обусловлены закономерно повторяющимся «неправильным» фолдингом одного, вполне определенного белка. Данный белок, если он находится в нормальной конформации, называется прион - протеином. Он кодируется геном, расположенным у человека в 20-й хромосоме. Белок входит в состав наружных клеточных мембран и участвует в эндоцитозе и катаболизме клеток. Его могут синтезировать многие клетки организма, но самый высокий уровень концентрации этого белка выявлен в нейронах. Роль нормального прион-протеина у здоровых индивидуумов еще до конца не установлена, но известно, что он поддерживает «циркадианные» ритмы, то есть околосуточные ритмы активности и покоя в клетках, тканях органах и в организме в целом.

К настоящему времени установлено 18 различных мутаций человеческого гена прион – протеина, которые связаны с различными прионовыми болезнями. В результате мутаций этого гена образуется белок с другой конформацией. Он имеет участки с β-структурой, почти отсутствующие в нативной форме, и повышенную склонность к агрегации. В данной форме он, видимо, не способен выполнять свои обычные функции и вызывает заболевание – прионовые энцефалопатии. Прионовые болезни уникальны с генетической и инфекционной точки зрения, т.е. они являются одновременно и наследственными (аутосомно–доминантный тип наследования), и инфекционными (трансмиссия инфекционного агента алиментарным или ятрогенным путем). При попадании инфекционного прионного белка в здоровый организм, его молекулы соединяются с молекулами клеточного (нормального) прион-протеина, в котором происходят конформационные изменения: две из четырех спирально завитых структур вытягиваются, и молекула такого белка становится инфекционной, т.е. происходит как бы фолдинг наоборот. Более того, процесс является автокаталитическим: вновь образовавшиеся порции «испорченного» белка начинают «портить» очередные порции нативного белка до тех пор, пока весь белок не оказывается «испорчен».

Таким образом, в отличие от всех известных инфекционных агентов, инфекционный прионный белок не синтезируется заново, а накапливается исключительно за счет превращения нормального клеточного белка в инфекционный. Процесс происходит относительно медленно – болезнь развивается в течение нескольких лет, но неотвратимо приводит к гибели животного или человека.

У коров инфекционные прионы вызывают губчатую энцефалопатию или коровье бешенство. Употребление человеком мяса таких коров вызывает новый вариант болезни Крейцфельда-Якоба (инкубационный период более 10 лет). При развитии клинических проявлений (нарушения психики, чувствительной и двигательной сферы) нет ни признаков воспаления, ни биологических аномалий в крови, ни тестов неинвазивных, ни прямых, ни косвенных, позволяющих уверенно поставить диагноз. Это заболевание опасно тем, что оно может передаться от заболевшей матери ребенку, вызвав всплеск преждевременных смертей в следующем поколении людей.

Начиная с 1995 года, в течение 5 лет от этой болезни умерло 86 человек. К прионовым болезням относятся также куру, которая поражает туземцев Новой Гвинеи, и скрепи (почесуха) овец.

Таким образом, как видим, фолдинг – очень важный этап в формировании белков.

Функции белков.Белки являются наиболее распространенными из всех классов биомолекул; они входят в состав всех клеточных компонентов микроорганизмов, растений, животных (ядра, биомембран, цитоплазмы) и межклеточных структур. Белковый состав живых клеток усложняется пропорционально степени сложности генома и этапов эволюционного развития организма.

Белковые молекулы - важнейшие нутриенты. Взрослый человек должен получать ежесуточно 100-120 г белка (при энергозатратах 12 000 кДж). Потребность в белке возрастает при физической нагрузке, беременности, лактации. При беременности (2 и 1 триместры) дополнительно требуется 6 г белка в сутки, во время лактации прием белка должен увеличиваться на 15 г.

При сбалансированном питании не менее 5% энергетических затрат должно покрываться за счет белков (оптимальным уровнем считается 18%).

Одним из путей превращения компонентов аминокислотного пула организма является синтез белков плазмы крови, принимающих участие в поддержании рН крови, определении вязкости, коллоидно-осмотического давления, в транспорте гормонов, липидов, жирных кислот, пигментов, жирорастворимых витаминов, поддержании уровня катионов крови, в свертывании крови, иммунных и других процессах.

Плазма содержит свыше 300 белков, но только незначительное их число определяется в повседневной клинической практике. Большинство белков плазмы — гликопротеины, количество углеводов в их составе варьирует от 1% до 40%. Исследования белков плазмы, кроме специфической нозологической информации, дают определенное представление о состоянии белкового обмена в целом. Основная масса белков плазмы синтезируется в печени. Гепатоциты участвуют в синтезе 95% альбуминов, в синтезе фибриногена, a- и b-глобулинов. компонентов свертывающей системы. Большая часть b- и y-глобулинов синтезируется в клетках иммунной системы.

Одно из центральных мест в диагностике патологических состояний организма человека занимают исследования белкового спектра, активности ферментов крови и других биологических жидкостей.

В соответствии с биологическими функциями можно выделить белки – переносчики, сигнальные, защитные, структурные, рецепторные, регуляторные, ферменты и др.

Ферментативная (каталитическая) функция. Все ферменты (биокатализаторы) по своей химической природе являются белками или комплексами белков с низкомолекулярными небелковыми соединениями (коферментами, кофакторами).

Ферменты (Ф) — протеины, содержащие хиральные распознаю­щие участки для специфических субстратов, и, в силу этого, являющиеся высокоэффективными биокатализаторами, ускоряющими хими­ческие реакции в 10ю—1016 раз. Слово «фермент» — производное от латинского fermentum, т. е. «закваска», а часто употребляемый си­ноним «энзим» произошел от греческого «эн зюме», что означает «в дрожжах».

Энзимы могут быть однокомпонентными (простые белки), двухкомпонентными и многокомпонентными; большинство из них - глобулярные белки.

В составе Ф есть активный центр — особый участок в моле­куле белка, с которым связывается субстрат с образованием фер­мент - субстратного комплекса (Ф—С). В полипептидной последова­тельности аминокислотные остатки, составляющие активный центр, могут находиться далеко друг от друга, однако благодаря специ­фичной для каждой белковой молекулы упаковке, эти фрагменты пространственно сближены. Формирование комплекса Ф-С осуществляется, как правило, без ковалентного связывания, за счет водородных связей, ион-дипольного, диполь-дипольного или ван-дер-ваальсового взаимодействия.

Во многих случаях в непосредственной близости к активному цен­тру Ф находится небелковый компонент. Последний получил назва­ние кофермента (коэнзима) или кофактора, а белковая часть—апо-фермента (ароЕ). В качестве коферментов могут выступать как органические молекулы (главным образом витамины или их произ­водные), так и ионы Са2+, Zn2+, Mn2+, Se2+, Cu2f, Fe2+ и др. В ряде случаев кофакторы образуют с Ф прочные связи. При этом небелко­вую часть Ф принято называть простетической группой.

В настоящее время зарегистрировано около 106 Ф, у млеко­питающих их примерно 2400. Ф классифицируются не как индивидуальные химические соединения, а по типу катализируемых ими реакций. Выделяют шесть классов Ф, каждый из которых подразделяется на подклассы и более мелкие группы.

Оксидоредуктазы - окислительно-восстановительные Ф. Их систематическое название складывается из названия восстановителя (электронодонора), окислителя (электроно-акцептора) и названия класса. Например, Ф, катализирующий окис­ление этанола до ацетальдегида при участии NAD+ , носит назва­ние — алкоголь: NАD+-оксидоредуктаза или алкогольдегидрогеназа.

Известно более 200 биохимических реакций окисления спирто­вых групп до карбонильных и несколько десятков превращений кар­бонильных групп в карбоксильные, протекающих при участии никотинамидных коферментов. Большинство из этих процессов обратимы. Однако, как правило, биологически значимым является только одно направление. Чрезвычайно важная роль в защите организма на молекулярном и клеточном уровнях от повреждающего действия сильного окислите­ля — радикала Н02- принадлежит супероксиддисмутазе. Этот Ф является металлопротеидом и может содержать в качестве кофактора ионы Zn2+, Mn2+, Cu2+, Fe2+.

Трансферазы. Катализируют перенос различных групп с одной молекулы на другую. Такого рода превращения играют чрезвычайно важную роль в синтезе пиримидиновых и пуриновых оснований. В качестве коферментов, переносящих одноуглеродные фрагменты, в этих реакциях выступают тетрагидрофолат и S-аденозилметионин. Последний является главным метилирующим агентом в клет­ках и участвует в десятках реакций, катализируемых метилтрансферазами. Энзимы, катализирующие перенос альдегидных и кетогрупп представлены транскетолазой и трансальдолазой, участвующие в синтезе моно- и полисахаридов.

Ацетилтрансферазы катализи­руют такие важные биохимические процессы как перенос ацильных остатков. Гликозилтрансферазы катализируют перенос гликозильных остатков. Эти Ф играют ве­дущую роль в синтезе и первом этапе деструкции полисахаридов.

Очень важной группой Ф являются аминотрансферазы. Они катализируют реакции образования и деградации аминокислот.

Гидролазы. Катализируют процессы гидролитического расщепления различных связей. Ф, гидролизующие внутренние пептидные связи в белках, называют протеазами, а катализирующие отщепление N-концевой аминокислоты — аминопептидазами, отщепление С-концевой аминокислоты — карбоксипептидазами, гидролиз нуклеиновых кислот — нуклеазами. Значи­тельная часть гидролаз представлена пищеварительными ферментами (амилазы, липазы, фосфолипазы, пепсин и т. п.), с помощью которых поступающие с пищей полисахариды, жиры и протеины расщепляются соответственно до моносахаридов, глицерина и жирных кислот, пепти­дов и аминокислот. Последующая реутилизация образовавшихся моно­меров в ходе анаболических процессов, протекающих согласно наслед­ственным программам, приводит к построению новых биополимеров, присущих данному организму.

Кроме утилизирующей роли следует подчеркнуть и такую функ­цию протеаз, как процессинг белков и РНК. Процессингом называют образование «зрелых» молекул белков из их синтетических пред­шественников. Многие протеины, которые реализуют свою актив­ность вне пределов синтезирующей их клетки (некоторые Ф, гормо­ны, иммуноглобулины), секретируются этими клетками в виде пробелков. Предшественники Ф носят название зимогенов. Послед­ние имеют на N-конце первичной полипептидной цепи специальную сигнальную последовательность, состоящую из 15—20 аминокислотных остатков. После отщепления этой сигнальной последовательности с помощью мембранных протеаз белок активируется не сразу, а по достижении им определенной мишени.

Системы протеаз обеспечивают течение таких важных физиологических процессов, как свертывание крови, регуляция АД, расщепление чужеродных антигенов после их связывания с антителом и др. Нарушение нормального функционирования какого-либо из перечисленных процессов влечет за собой развитие серьезных патологических состояний. В этой связи многие протеазы являют­ся мишенями для биологически активных веществ.

Лиазы. Они катализируют про­цессы негидролитического расщепления субстрата с образованием кратной связи (реже цикла), либо присоединения по такой связи. Декарбоксилазы катализируют отщепление С02 от карбоновых кислот. Например, образующаяся при спиртовом брожении глюкозы пировиноградная кислота декарбоксилируется под действием пируват декарбоксилазы с образованием уксусного альдегида.

Ферментативным путем происходит декарбоксилирование ряда аминокислот с образованием важных нейромедиаторов. Так, L-глутаминовая кислота под действием глутамат декарбоксилазы превращается в ГАМК. Другой Ф этой же группы — декарбоксилаза ароматических аминокислот — катализирует декарбоксилирование l-(3,4-диоксифенил) - аланина (L-ДОФА), превращая последний в норадреналин.

Изомеразы. Катализируют процессы изомеризации, с помощью которых про­исходит обращение конфигурации при асимметрическом атоме угле­рода. Энзим катализирует обращение конфигурации в обоих направ­лениях, что приводит к образованию рацемической смеси. Такие Ф получили название рацемаз.

При наличии в молекуле нескольких хиральных центров обращение конфигурации при одном из них приводит к образованию диастереомерной пары. Ф, катализирующие такие процессы, называют эпимеразами. Они играют важную роль во взаимопревращениях углеводов.

Следует отметить, что не все биохимические процессы, завершающиеся изомеризацией какого-либо субстрата, катализируют Ф этого класса. Например, пре­вращение лимонной кислоты в изолимонную осуществляется при участии лиазы.

Лигазы (синтетазы). Катализируют реакции конденса­ции или присоединения, сопряженные с пиролизом одной из пирофосфатных связей в молекуле АТФ или ГТФ.

Ряд лиаз катализируют реакцию конденсации аминокислоты с ОН-группой З'-концевого аденозина в транспортной РНК (тРНК). В результате таких реакций, происходящих с каждой из входящих в состав белков 20 аминокис­лот, последние оказываются распределенными в строгом соответствии с тРНК. Это имеет решающее значение при сборке белковых молекул на рибосомах, где распознавание осуществляется не по аминокислот­ным остаткам, а по связанным с ними тРНК.

Принципы действия ферментов.В качестве модели Ф-С взаимодействия более 60 лет просущество­вала аналогия «замок — ключ», предложенная в конце XIX в. Fisher. Суть ее в том, что к Ф (замку) подходит лишь свой субстрат (ключ). В 1959 г. Koshland была высказана гипотеза «индуцированного соот­ветствия». Согласно этой общепризнанной в настоящее время моде­ли связывание Ф с соответствующим ему субстратом индуцирует в белке небольшие конформационные изменения. В результате катали­тические группы Ф ориентируются таким образом, что становится воз­можным превращение субстрата в продукт. Модель индуцированного соответствия допускает также некоторую конформационную пере­стройку в молекуле субстрата, которая получила название напряже­ния. Гипотеза о возникновении конформационных изменений в Ф и субстрате при их связывании позволяет объяснить тот факт, что мо­лекулы, очень близкие по строению к истинному субстрату, могут связываться с Ф, но при этом не превращаются в продукт, т. е. дей­ствуют как ингибиторы.

Скорость (1010–1016) ферментативной реакции зависит от природы реагирующих веществ (субстрата и Ф), их концентраций, температу­ры (увеличивается до определенного предела, пока не начинается денатурация белка), концентрации коферментов, рН, а также от кон­центрации активаторов и ингибиторов ферментов.

Структурная функция. Белки входят в структуру биомембран, являются основой цитоскелета (микротрабекулярная сетка, микрофилламенты), межклеточного матрикса (коллаген, эластин) и определенных специализированных тканей (кератины).

Коллаген, наиболее распространенный белок млекопитающих, образует основу сухожилий, костей, кожи, зубов и хрящей. Структурной единицей коллагенового волокна является тропоколлагеновая мо­лекула, состоящая из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 амино­кислотных остатков. В зависимости от функции коллагена его полипептидные цепи либо идентич­ны, либо имеют довольно близкие последователь­ности.

Аминокислотный состав коллагена необычен. Во-первых, примерно одну треть всех остатков сос­тавляют остатки глицина, и, во-вторых, имеется большое число остатков пролина. Кроме того, в коллагене встречаются остатки двух аминокислот, обычно не обнаруживаемых в белках,- гидроксипролина и гидроксилизина. Боковые цепи этих ами­нокислот содержат гидроксильную (ОН) группу, присоединенную к одному из углеродных атомов вместо атома водорода. Гидроксилирование осу­ществляется специфическими ферментами после включения пролина или лизина в полипептидную цепь коллагена.

Кератин - важный белковый компонент волос, шерсти, ногтей, когтей и перьев. В одной из форм, называемой ос-кератином, в основе структуры поли­пептидной цепи лежит правая а-спираль. В кератине две, а возможно и три цепи за­кручиваются одна вокруг другой, образуя некую ви­тую (coiled-coil) структуру, называемую протофибриллой. 11 протофибрилл формируют микрофибрил­лу, а пучок микрофибрилл - кератиновое волокно. а-Кератины легкорастяжимы, поскольку при вы­тягивании разрываются водородные связи и поли­пептидные цепи приобретают β-структурную кон­формацию. При этом образуются межцепочечные водородные связи и формируются β-слои. Кера­тины с такой структурой называются β-кератинами.

Регуляторные белки. Во всех клетках экспрессия генов контролируется регуляторными белками, которые связываются с определенным участком ДНК и таким образом стимулируют или подавляют транскрипцию гена. Действие регуляторных белков обратимо и, как правило, требует присутствия лиганда. Постоянно открывают все новые и новые регуляторные белки, в настоящее время известна, вероятно, только малая их часть. Регуляторный белок, который влияет на транскрипцию генов, называют фактором транскрипции. Белок, подавляющий транскрипцию, называют репрессором, а стимулирующий — индуктором образования.

Регуляторные белки, чаще называемые гормонами, участвуют в различных физиологических процессах. Например, гормон инсулин состоит из двух a-цепей, соединенных дисульфидными мостиками. Инсулин регулирует обменные процессы с участием глюкозы, его отсутствие ведет к диабету.

В гипофизе мозга синтезируется гормон, регулирующий рост организма. Существуют регуляторные белки, контролирующие биосинтез различных ферментов в организме. Белковую и пептидную природу имеют многочисленные биорегуляторы – гормоны, медиаторы и модуляторы, которые вырабатываются в эндокринной системе, нейронах головного мозга, иммунной системе: простые белки (инсулин, глюкагон и т. д.), гликопротеины (тропные гормоны гипофиза и др.), низкомолекулярные пептиды (окситоцин, вазопрессин, опиоидные пептиды мозга, пептиди тимоцитов и т. д.).

Биорегуляторы - естественные регуляторы жизненно важных функций человеческого организма. Эта обширная группа биологически активных веществ, которая контролирует сердечную деятельность, дыхание, тонус мышц и сосудов, пищеварение, иммунитет, а также высшую психическую деятельность - эмоции, мышление, память. Биорегуляторы еще часто называют «гормональным» или «биохимическим» оружием.

Четкого определения термина «биорегулятор», как и классификации, на сегодняшний день не существует. Слишком многочисленна и разнообразна эта группа веществ. К биорегуляторам относят гормоны, цитокинины, простагландины, лейкотриены, медиаторы, ферменты и многие другие вещества. Наиболее общим признаком для всех этих соединений является высокая биологическая активность в сверхмалых дозах -1x10^-15 и даже 1x10^-18 молей.

Рецепторная функция. Белковую природу имеют мембранные рецепторы для физиологически активных соединений, которые принимают химический сигнал от гормонов, нейромедиаторов (адренорецепторы, холинорецепторы, гистаминовые рецепторы и др.), биологически активных веществ (БАВ) и др. Для врача и фармацевта очень важно знать принцип взаимодействия ЛЕКАРСТВО-РЕЦЕПТОР.

Клетки, как правило, содержат большое количество различных мембранных, цитоплазматических и ядерных рецепторов БАВ: ионные каналы, ферменты, нейромедиаторы, транспортные системы и гены. Они необходимы организму для нормального функционирования и адекватного реагирования на из­менения внешней и внутренней среды и, в конечном счете, для под­держания гомеостаза. Наличие у живых существ органов, восприни­мающих внешние сигналы, было отмечено учеными еще в глубокой древности. Однако понимание роли рецепторов как внутренней сис­темы «органов чувств», позволяющей организмам адаптироваться к окружающей среде, стало складываться только в середине XIX в. Основоположником рецепторной теории действия лекарств следует признать P. Ehrlich (1907 г.). Он же впервые ввел термин «рецептор» и сформулировал основной постулат: «corpora non agun nisi fixata» — «вещества не действуют, если не фиксируются». Это обобщение стало теоретической базой химиотерапии. P. Ehrlich предполагал, что клетки содержат так называемые боковые ветви, или рецепторы, в результате селективного взаимодействия с которыми ЛВ индуцируют свой эффект. Согласно этой теории, лекарство имеет два структурных фрагмента, один из которых, соединяясь с рецептором, позволяет тем самым другому фрагменту осуществлять биологический ответ. Многочисленные исследования подтвердили правильность теории P. Ehrlich о рецеп­торах как участках тканей, селективно связывающих ЛВ и опосре­дующих реализацию их фармакологических эффектов.

В обобщенном виде понятие «рецептор» можно сформулировать следующим образом: рецептором может быть любая высокомолекуляр­ная конформационно подвижная биоструктура, специфически связываю­щая химическое соединение (лиганд, лекарство) на поверхности или внутри клетки и трансформирующая полученную информацию в биологический ответ. К таким макромолекулам относятся белки и нуклеиновые кис­лоты. Специфическое взаимодействие лиганда с рецептором следует отличать от неспецифического связывания эндогенных или экзогенных БАВ с белками плазмы крови или мукополисахаридами соединитель­ной ткани. Белковые структуры такого типа получили название «мол­чащих» рецепторов. В результате связывания с ними не реализуются никакие эффекты. Плазменные белки количественно, а не качественно влияют на проявление эффектов ЛВ.

К началу 90-х гг. было выявлено более 30 групп различных рецепторов. В последнее десятилетие, благодаря расшифровке генома человека, этот список значительно расширился и продолжает пополняться.

Во всем многообразии рецепторов выделяют 4 следующих типа:

· рецепторы, осуществляющие контроль за функцией ионных каналов (н-холинорецепторы, GАВАА-рецепторы, глутаматные рецепторы);

· рецепторы, сопряженные с эффектором через систему G-протеины — вторичные посредники или G-протеины — ионные каналы (рецепторы некоторых белковых гормонов и пептидов — ангиотензина, брадикинина, эндотелина и др.; биогенных аминов — адреналина, дофамина, гистамина, серотонина; липидов — канабиноидов, простагландинов, лейкотриенов, тромбоксанов; нуклеозидов и нуклеотидов — аденозина, АТФ, АДФ и др., а также ионов Са2+);

· рецепторы, осуществляющие прямой контроль за функцией эффекторного фермента (они непосредственно связаны с тирозинкиназой и регулируют фосфорилирование белков — рецепторы инсулина и гормонов роста);

· рецепторы, контролирующие транскрипцию ДНК — растворимые цитозольные или ядерные белки (рецепторы стероидных и тиреоидных гормонов).

Первые три типа рецепторов принадлежат к числу мембранных, а последний — к ядерным. Большинство рецепторов представляют собой белки, точнее липо- или гликопротеины, которые располагаются на цитоплазматической мембране или мембранах органелл клетки. Они мо­гут пронизывать всю толщу мембраны или находиться с ее внутренней стороны. Если лиганды рецептора представляют собой гидрофильные молекулы, например, нейромедиаторы, то связывающие участки рецептора должны обяза­тельно находиться с внешней стороны клетки. Рецепторы гидрофобных молекул слабо связаны с мембранами, и образующиеся комплексы с лигандами могут выходить из мембраны в цитоплазму.

В процессе эволюции образовались также рецепторы, локализо­ванные внутри клеток. Их лиганды, например, стероидные или тиреоидные гормоны, обладают способностью за счет своих гидро­фобных свойств проникать через мембраны путем пассивной диффузии или активного транспорта. Структура и функции внутренних рецепторов менее изучены, чем мембранных, поскольку пер­вые труднее выделить, не изменив при этом их первоначальной структуры. Известно присутствие рецепторов различных лигандов па рибосомах (к антибиотикам), в ядре (к стероидным и тиреоидным гормонам, тиазолидиндионам, жирным эссенциальным кисло­там, фибратам), в комплексе Гольджи (к гормонам), в микросомах (к гормонам). Биологический смысл такой внутриклеточной ре­цепции заключается в более глубоком и продолжительном из­менении функций клетки в ответ на получение внешнего сигнала.

Белковые цепи и домены, образующие рецептор, имеют опре­деленную организацию. Установлено, что в механизме, обеспе­чивающем закрытие ионного канала, ведущая роль принадлежит н-ацетилхолинорецептору, состоящему из пяти белковых субъеди­ниц, каждая из которых имеет четыре трансмембранных домена. Последние образованы пронизывающими всю мембрану гидрофобными a-спиралями. Один из доменов — М2, выстилаю­щий канал с внутренней стороны, гидрофилен. В нем преоблада­ют ориентированные особым образом анионсодержащие фрагмен­ты аминокислот, что обеспечивает распознавание катионов. При взаимодействии лиганда с таким рецептором, за счет изменений в трансмембранном домене М2, происходит конформационная перестройка белков, образующих стенки канала, и закрытие его просвета.

Представление о строении рецепторов, передача сигналов от котoрых осуществляется с участием G-протеинов, можно составить по (рис.3) из которого видно, что единственная полипептидная цепь имеет семь трансмембранных а-спиралей, а находящаяся вне мемб­раны цепь с терминальной NН2-группой, гликозилирована. Петли, выходящие в цитоплазму клетки, различаются по количеству амино­кислотных остатков. Первая состоит из 10—20 аминокислот, вторая содержит до 20 и третья — до 50 аминокислотных остатков. На треть­ей петле расположены участки связывания с G-протеинами. Оканчи­вается G-сопряженный рецептор цепью из 100 аминокислот и содер­жит концевую карбоксильную группу, которая также обеспечивает связывание с G-белками. Сведения о пространственном строении рецепторов этого типа стали доступны лишь недавно. Благодаря рентгено-структурному исследованию (РСИ) бычьего родопсина была впервые предложена трехмерная (3D) модель рецептора, сопряжен­ного с G-белками.

Рис.3. Схематическое изображение рецептора, связанного с G-белками: G — домены, обеспечивающие связывание с G-протеинами

В настоящее время в результате расшифровки генома человека выявлено нес­колько сотен рецепторов, сопряженных с G-белками. Из них толь­ко 30 являются мишенями широко распространенных ЛВ, а для 210 — идентифицированы лишь эндогенные лиганды. К этим груп­пам принадлежат рецепторы пептидов, биогенных аминов, нуклеозидов и лейкотриенов. Примерно 160 рецепторов, выявленных в человеческом геноме, относят к так называемым «рецепторам-сиротам», т. к. их лиганды и физиологические функции пока не уста­новлены.

Обособленную группу образует семейство рецепторов, в передаче сигналов от которых участвует тирозинкиназа. К их числу принадлежат инсулиновые рецепторы и рецепторы факторов роста. Тирозиновый домен находится внутри клетки. Экстрацеллюлярная часть содержит области, богатые цистеиновыми остатками, которые, вероятно, и обеспечивают вторичную структуру, необходимую для мест связывания лигандов.

Характерной особенностью внутриклеточных рецепторов стеро­идных гормонов является наличие домена, способного связы­вать полипептидные цепи с лигандом за счет Zn-пальцев: цистеиновые остатки окружают атомы Zn и обеспечивают связь с ДНК.

Взаимодействие лигандов с рецепторами осуществляется благода­ря образованию либо водородных и координационных связей, либо комплексов с переносом заряда, ион-ионного, ион-дипольного или дисперсионного взаимодействия.

Транспортная функция. Белки связывают и осуществляют межклеточный и внутриклеточный (трансмембранный цитоплазматический) транспорт разных лигандов – биомолекул, ионов металлов, чужеродных химических соединений (ксенобиотиков). Транспортными белками крови являются сывороточные альбумины (переносят жирные кислоты, билирубин, лекарственные и токсические соединения), гемоглобин эритроцитов (транспортирует кислород), липопротеины (транспортируют липиды), трансферин (транспортирует железо).

Рис.4. Гемоглобин (тетрамер) с гемом в центре

Гемоглобин- это белок, переносящий кислород от легких к тканям и осуществляющий транспорт углекислого газа от тканей обратно к легким. Гемоглобин локализован в красных кровяных клетках-эритроцитах. Молекула гемоглобина состоит из четырех полипептидных цепей- двух идентичных α-цепей (обозначаемых α₁ и α₂) и двух идентичных β-цепей (обозначаемых β₁ и β₂). Каждая цепь связана с особой группой- гемом (рис.4).

Миоглобин- это белок, переносящий кислород в мышечных клетках. Он состоит из одной полипептидной цепи и имеет один гем.

Третичная структура α- и β-цепей гемоглобина и цепи миоглобина оказалась сходной. Гем состоит из атомов углерода, азота и во­дорода, образующих плоское кольцо, называемое порфирином. В центре этого кольца находится атом железа, связанный с атомами кольца четырьмя из шести своих возможных координационных свя­зей.

Дезоксигемоглобин- это гемоглобин, не связан­ный с кислородом. В дезоксигемоглобине атом же­леза находится вне плоскости порфиринового коль­ца и, кроме того, имеется несколько солевых мос­тиков, и водородных связей, которых нет в оксигенированной форме белка.

Оксигемоглобин-это гемоглобин, связанный с кислородом. Кислород занимает шестое координа­ционное положение атома железа гема и распола­гается рядом с дальним остатком гистидина. При связывании кислорода атом железа перемещается в плоскость порфиринового кольца. Одновременно с этим происходят и некоторые другие конформационные изменения.

Гемоглобин плода человека (фетальный гемогло­бин) отличается от гемоглобина взрослых тем, что в нем две β-цепи заменены двумя γ-цепями. Ге­моглобин плода связывает ДФГ менее сильно, чем дезоксигемоглобин взрослых, и поэтому имеет более высокое сродство к кислороду. В результате, когда кровь плода обогащается кислородом за счет ма­теринской крови, что имеет место в плаценте, кис­лород переходит от матери к плоду с высокой эффективностью.

Серповидноклеточная анемия- заболевание, воз­никающее при замене остатка глутаминовой кисло­ты в шестом положении β-цепи гемоглобина на оста­ток валина. Это единственное изменение приводит к уменьшению растворимости дезоксигемоглобина и к появлению у него способности агрегировать с образованием длинных волокон. В результате эритроциты приобретают вытянутую форму, напо­минающую серп. Деформированные таким образом, они могут закупоривать капилляры, нарушая нормальное кровообращение, либо легко подвергаться лизису, что и является непосредственной причиной наблюдаемой анемии.

Сократительная функция. Белки являются молекулярными структурами, которые реализуют сократительную функция мышц (актин, миозин), жгутиков и ресничек (тубулины, динеины). Сократительные и двигательные белки придают организму способность сокращаться, изменять форму и перемещаться, прежде всего, речь идет о мышцах. 40% от массы всех белков, содержащихся в мышцах, составляет миозин (mys, myos, греч. – мышца). Его молекула содержит одновременно фибриллярную и глобулярную часть (рис.5).

Такие молекулы объединяются в крупные агрегаты, содержащие 300–400 молекул. При изменении концентрации ионов кальция в пространстве, окружающем мышечные волокна, происходит обратимое изменение конформации молекул – изменение формы цепи за счет поворота отдельных фрагментов вокруг валентных связей. Это приводит к сокращению и расслаблению мышц, сигнал для изменения концентрации ионов кальция поступает от нервных окончаний в мышечных волокнах. Искусственное сокращение мышц можно вызвать действием электрических импульсов, приводящих к резкому изменению концентрации ионов кальция, на этом основана стимуляция сердечной мышцы для восстановления работы сердца.

Рис.6. Схематическое изображение структуры иммуноглобулина

Защитная функция. Белки выполняют функцию иммунной защиты (иммуноглобулины, лимфокины, интерлейкины), противодействуют кровотечению и тромбообразованию (белки сворачивающейся, антикоагулянтной и фибринолитической систем крови).

Защитные белки позволяют уберечь организм от вторжения атакующих его бактерий, вирусов и от проникновения чужеродных белков (обобщенное название чужеродных тел – антигены). Роль защитных белков выполняют иммуноглобулины (другое их название – антитела), они распознают антигены, проникшие в организм, и прочно связываются с ними. В организме млекопитающих, включая человека, есть пять классов иммуноглобулинов: M, G, A, D и E.

Их структура, как следует из названия, глобулярная, кроме того, все они построены сходным образом. Молекулярная организация антител показана на примере иммуноглобулина класса G (рис.6). Молекула содержит четыре полипептидные цепи, объединенные тремя дисульфидными мостиками S-S (на рис. они показаны с утолщенными валентными связями и крупными символами S), кроме того, каждая полимерная цепь содержит внутрицепные дисульфидные перемычки. Две большие полимерные цепи содержат 400–600 аминокислотных остатков. Две другие цепи почти вдвое короче, они содержат приблизительно 220 аминокислотных остатков. Все четыре цепи расположены таким образом, что концевые H₂N-группы направлены в одну сторону.

Молекула состоит из четырех полимерных цепей, соединенных дисульфидными мостиками -S-S-, которые отмечены утолщенными валентными связями и крупными символами S. Области, захватывающие инородный белок – антиген, выделены светло-синим и светло-зеленым цветом. В центральной части молекулы находится шарнирная область, которая обеспечивает независимую подвижность областей захвата. Фрагмент реальной структуры иммуноглобулина показан в нижней части рисунка, справа. Это глобулярная молекула, содержащая b-структуры, соединенные одиночными цепями.

После контакта организма с чужеродным белком (антигеном), клетки иммунной системы начинают вырабатывать иммуноглобулины (антитела), которые накапливаются в сыворотке крови. На первом этапе основную работу совершают участки цепей, содержащие концевые H₂N. Это области захвата антигенов. В процессе синтеза иммуноглобулина эти участки формируется таким образом, чтобы их строение и конфигурация максимально соответствовали структуре приблизившегося антигена (как ключ к замку, подобно ферментам, но задачи в данном случае иные). Таким образом, для каждого антигена в качестве иммунного ответа создается строго индивидуальное антитело. Столь «пластично» изменять строение в зависимости от внешних факторов, помимо иммуноглобулинов, не может ни один известный белок. Ферменты решают задачу структурного соответствия реагенту иным путем – с помощью гигантского набора разнообразных ферментов в расчете на все возможные случаи, а иммуноглобулины каждый раз заново перестраивают «рабочий инструмент». Сверх того, шарнирный участок иммуноглобулина обеспечивает двум областям захвата некоторую независимую подвижность, в результате молекула иммуноглобулина может «найти» сразу два наиболее удобных для захвата участка в антигене с тем, чтобы его надежно зафиксировать.

Далее включается цепь последовательных реакций иммунной системы организма, подключаются иммуноглобулины других классов, в результате происходит дезактивация чужеродного белка, а затем уничтожение и удаление антигена (постороннего микроорганизма или токсина).

После контакта с антигеном максимальная концентрация иммуноглобулина достигается (в зависимости от природы антигена и индивидуальных особенностей самого организма) в течение нескольких часов (иногда нескольких дней). Организм сохраняет память о таком контакте, и при повторной атаке таким же антигеном иммуноглобулины накапливаются в сыворотке крови значительно быстрее и в большем количестве – возникает приобретенный иммунитет.

Иммуноглобулин G. Приблизительно 75% иммуноглобулинов плазмы представлены IgG — основным классом антител, продуцируемых при вторичном ответе. IgG лучше, чем другие иммуноглобулины, диффундирует во внесосудистое пространство, а также проходит через плаценту, обеспечивая пассивный иммунитет новорожденным в первые недели жизни. Иммуноглобулины нейтрализуют бактериальные токсины и связываются с микроорганизмами, усиливают фагоцитоз.

Иммуноглобулин A — основной класс антител в секретах, таких, как слеза, слюна, респираторные секреты, мочеполовые и желудочно-кишечные секреты. Иммуноглобулины существуют в виде одиночных иммуноглобулиновых единиц или в виде димеров, связанных секреторной единицей (ММ 60 000) и дополнительной пептидной цепью (J-цепь, ММ 20000). IgA покрывают микроорганизмы и угнетают их способность прикрепляться к поверхности слизистых оболочек.

Иммуноглобулин M — основной класс антител, секретируемых на ранних стадиях первичного иммунного ответа. Эти иммуноглобулины являются полимерами пяти иммуноглобулиновых единиц, объединенных вокруг J-цепи. Они в основном прикреплены к поверхности сосудов и являются эффективными цитолитическими антителами. После рождения уровни IgM прогрессивно растут, так как новорожденные подвергаются антигенному стимулированию. Определение IgM у новорожденных используется как индикатор внутриматочной инфекции.

Иммуноглобулин D определен на поверхности неактивированных В-лимфоцитов, где он, вероятно, выполняет функцию рецепторов для антигенов. Концентрация иммуноглобулинов данного типа в плазме очень низка.

Иммуноглобулин Е представлен антителами, связанными с поверхностью тучных клеток. В плазме IgE присутствуют в незначительных количествах. Связывание антигена приводит к дегрануляции тучных клеток с высвобождением активных аминов (гистамин), повышающих реакции гиперчувствительности.

Приведенная функциональная классификация белков носит в определенной степени условный характер, например белок тромбин, упомянутый среди защитных белков, по существу представляет собой фермент, катализирующий гидролиз пептидных связей, то есть, относится к классу протеаз.

Белки как источники питания. Белки в живом организме постоянно расщепляются на исходные аминокислоты (с непременным участием ферментов), одни аминокислоты переходят в другие, затем белки вновь синтезируются (также с участием ферментов), т.е. организм постоянно обновляется. Некоторые белки (коллаген кожи, волос) не обновляются, организм непрерывно их теряет и взамен синтезирует новые. Белки как источники питания выполняют две основные функции: они поставляют в организм строительный материал для синтеза новых белковых молекул и, кроме того, снабжают организм энергией (источники калорий). Плотоядные млекопитающие (в том числе и человек) получают необходимые белки с растительной и животной пищей. Ни один из полученных с пищей белков не встраивается в организм в неизменном виде. В пищеварительном тракте все поглощенные белки расщепляются до аминокислот, и уже из них строятся белки, необходимые конкретному организму, при этом из 8 незаменимых кислот в организме могут синтезироваться остальные 12, если они не поступают в достаточном количестве с пищей, но незаменимые кислоты должны поступать с пищей непременно. Атомы серы в цистеине организм получает с незаменимой аминокислотой – метионином. Часть белков распадается, выделяя энергию, необходимую для поддержания жизнедеятельности, а содержавшийся в них азот выводится из организма с мочой. Обычно организм человека теряет 25–30 г. белка в сутки, поэтому белковая пища должны постоянно присутствовать в нужном количестве. Минимальная суточная потребность в белке составляет у мужчин 37 г, у женщин 29 г, однако рекомендованные нормы потребления почти вдвое выше. При оценке пищевых продуктов важно учитывать качество белка. При отсутствии или низком содержании незаменимых аминокислот белок считается малоценным, поэтому такие белки должны потребляться в большем количестве. Так, белки бобовых культур содержат мало метионина, а в белках пшеницы и кукурузы низкое содержанием лизина (обе аминокислоты незаменимые). Животные белки (исключая коллагены) относят к полноценным пищевым продуктам. Полный набор всех незаменимых кислот содержит казеин молока, а также приготовляемые из него творог и сыр, поэтому вегетарианская диета, в том случае, если она очень строгая, т.е. «безмолочная», требует усиленного потребления бобовых культур, орехов и грибов для снабжения организма незаменимыми аминокислотами в нужном количестве.

Конец XX и начало XXI столетий ознаменовались величайшими открытиями в области молекулярной биологии и генетики, которые революционым образом изменили наше представление о механизмах кодирования и реализации наследственной информации у эукариот, создали возможности для изучения генов и геномов.

В настоящее время можно говорит о создании нового направления в молекулярной генетике - геномики. К числу открытий геномики относятся расшифровка геномов многих микроорганизмов, ряда многоклеточных, в том числе лабораторных животных (дрозофила, мышь), и, наконец, практически полная расшифровка генома человека. Оказалось, что этот геном содержит значительно меньшее количество генов, чем предполагалось ранее. По предварительным оценкам, в геноме человека от 22000 до 25000 структурных генов. Однако они имеют чрезвычайно сложное строение и механизмы экспрессии. Классическая гипотеза «один ген - один фермент» претерпела существенные изменения: найдены механизмы кодирования нескольких белков одним геном. Общее количество синтезируемых у человека белков в периоде онтогенеза предположительно достигает 250 000. Совокупность белков, синтезируемых организмом в течение жизни, получила название протеом. В настоящее время понятно, что только изучение протеома позволит уточнить функции многих генов и завершит изучение генома человека. Поэтому появилось второе важное направление современной молекулярной биологии - протеомика. Слово «протеом» образовано от слова «протеин» (белок) и окончания слова «геном», так что в самом названии как бы слиты воедино белок и геном (ДНК). Это подчеркивает их теснейшую взаимосвязь. Однако между геномикой и протеомикой, между геномом и протеомом есть одно фундаментальное различие, которое вызывает к жизни совершенно новые методы исследования, новые стратегии.

Протеом - понятие динамическое, тогда как геном стабилен и постоянен, иначе было бы невозможно передать наследственные свойства от поколения к поколению, обеспечить сохранение видов и т.д. Изменчивость генома всегда происходит на фоне его высокой стабильности и ни в коей мере ее не отменяет. Протеом - набор белков данной клетки в данной фазе ее развития в данный момент времени - меньше генома по общему объему информации. В любой клетке человеческого организма никогда не функционируют все 22-25 тыс. генов, работает лишь их часть - иногда меньшая, иногда большая. Хотя точные цифры привести пока трудно, но в обычной специализированной клетке, например клетке печени или легкого, одновременно присутствуют, вероятно, не более 10 тыс. белков, причем в резко различных количествах - от нескольких молекул на клетку до нескольких процентов общего клеточного белка. Набор белков постоянно меняется в зависимости от фазы клеточного деления, тканевой специализации клетки, стадии ее дифференцировки, принадлежности к нормальным или злокачественным клеткам, состояния стресса или покоя, воздействия внеклеточных физиологически активных веществ и так до бесконечности. Поэтому белковый «портрет» клетки зависит от множества факторов и воздействий, подвержен практически непрерывным изменениям, что делает его изучение особенно трудным.

Изменчивость протеома связана не только с тем, что в данный момент времени работает одна часть генов, а в другой момент - иная. Набор белков сильно зависит от процессов, протекающих на пути от ДНК к матричной РНК (мРНК). Здесь большая часть первичных генных продуктов (РНК) подвергается так называемому альтернативному сплайсингу, суть которого состоит в том, что до образования зрелой матричной РНК из нее удаляются разные части молекулы. В результате один ген может породить множество белков, различающихся первичной структурой. Таким образом, стало очевидно, что одна из старых догм биохимии и молекулярной биологии - «Один ген - один фермент» - нуждается в модернизации. Для очень многих случаев справедлива формула: «Один ген - много белков».

Однако и это еще не все. После синтеза белки претерпевают множество химических изменений (модификаций), которые создают их огромное разнообразие, хотя исходно они кодированы одним геном. К числу таких модификаций относятся реакции фосфорилирования, ацетилирования, метилирования, гликозилирования и многие другие. Если учесть, что на большом белке есть множество мест, где эти модификации могут происходить, то легко себе представить, какое практически бесконечное разнообразие форм одной и той же белковой молекулы может возникнуть. Подавляющее большинство модификаций существенно сказывается на биологической активности данной молекулы белка, а также на ее способности взаимодействовать с другими белковыми молекулами. В итоге мы приходим к заключению, что когда в клетке работает, скажем, 10% всех генов, допустим 8 тыс., то количество разных белков может превысить эту величину в 10 раз. Исследователи и раньше догадывались, что такая ситуация возможна, однако только теперь реально представляют ее истинные масштабы. Крайне важным разделом протеомики, безусловно, следует считать изучение белок - белковых и белок - нуклеиновых взаимодействий. В течение жизни клетки практически каждый белок при своем функционировании взаимодействует с множеством макромолекул, а также низкомолекулярных лигандов. В связи с этим, один из руководителей проекта «Геном человека» Дж. Крейг Вентер считает, что для полного определения функций всех генов может потребоваться около ста лет.