Главная > Птицеводство > Вадим валерьевич корпачев целебная фауна. Белки, их строение и функции


Вадим валерьевич корпачев целебная фауна. Белки, их строение и функции




Глава III. БЕЛКИ

§ 6. АМИНОКИСЛОТЫ КАК СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ БЕЛКОВ

Природные аминокислоты

Аминокислоты в живых организмах встречаются преимущественно в составе белков. Белки построены в основном двадцатью стандартными аминокислотами. Они являются a-аминокислотами и отличаются друг от друга строением боковых групп (радикалов), обозначаемых буквой R:

Разнообразие боковых радикалов аминокислот играет ключевую роль при формировании пространственной структуры белков, при функционировании активного центра ферментов.

Структура стандартных аминокислот приведена в конце параграфа в табл.3. Природные аминокислоты имеют тривиальные названия, оперировать которыми при записях структуры белков неудобно. Поэтому для них введены трехбуквенные и однобуквенные обозначения, которые также представлены в табл.3.

Пространственная изомерия

У всех аминокислот, за исключением глицина, a-углеродный атом является хиральным, т.е. для них характерна оптическая изомерия. В табл. 3 хиральный атом углерода обозначен звездочкой. Например, для аланина проекции Фишера обоих изомеров выглядят следующим образом:

Для их обозначения, как и для углеводов, используется D, L-номенклатура. В состав белков входят только L-аминокислоты.

L- и D-изомеры могут взаимно превращаться друг в друга. Этот процесс называется рацемизацией.

Интересно знать! В белке зубов – дентине – L -аспарагиновая кислота самопроизвольно рацемизуется при температуре человеческого тела со скорость 0,10 % в год. В период формирования зубов в дентине содержится только L -аспарагиновая кислота, у взрослого же человека в результате рацемизации образуется D -аспарагиновая кислота. Чем старше человек, тем выше содержание D-изомера. Определив соотношение D- и L-изомеров, можно достаточно точно установить возраст. Так были изобличены жители горных селений Эквадора, приписывавшие себе слишком большой возраст.

Химические свойства

Аминокислоты содержат амино- и карбоксильную группы. В силу этого они проявляют амфотерные свойства, то есть свойства и кислот и оснований.

При растворении аминокислоты в воде, например, глицина, его карбоксильная группа диссоциирует с образованием иона водорода. Далее ион водорода присоединяется за счет неподеленной пары электронов у атома азота к аминогруппе. Образуется ион, в котором одновременно присутствуют положительный и отрицательный заряды, так называемый цвиттер-ион:

Такая форма аминокислоты является преобладающей в нейтральном растворе. В кислой среде аминокислота, присоединяя ион водорода, образует катион:

В щелочной среде образуется анион:

Таким образом, в зависимости от рН среды аминокислота может быть положительно заряженной, отрицательно заряженной и электронейтральной (при равенстве положительных и отрицательных зарядов). Значение рН раствора, при котором суммарный заряд аминокислоты равен нулю, называется изоэлектрической точкой данной аминокислоты. Для многих аминокислот изоэлектрическая точка лежит вблизи рН 6. Например, изоэлектрические точки глицина и аланина имеют значения 5,97 и 6,02 соответственно.

Две аминокислоты могут реагировать друг с другом, в результате чего отщепляется молекула воды и образуется продукт, который называется дипептидом :

Связь, соединяющая две аминокислоты, носит название пептидной связи . Если пользоваться буквенными обозначениями аминокислот, образование дипептида можно схематически представить следующим образом:

Аналогично образуются трипептиды, тетрапептиды и т.д.:

H 2 N – лиз – ала – гли – СООН – трипептид

H 2 N – трп – гис – ала – ала – СООН – тетрапептид

H 2 N – тир – лиз – гли – ала – лей – гли – трп – СООН – гептапептид

Пептиды, состоящие из небольшого числа аминокислотных остатков, имеют общее название олигопептиды .

Интересно знать! Многие олигопептиды обладают высокой биологической активностью. К ним относится ряд гормонов, например, окситоцин (нанопептид) стимулирует сокращение матки, брадикинин (нанопептид) подавляет воспалительные процессы в тканях. Антибиотик грамицидин С (циклический декапептид) нарушает регуляцию ионной проницаемости в мембранах бактерий и тем самым убивает их. Грибные яды аманитины (октапептиды), блокируя синтез белка, способны вызвать сильное отравление у человека. Широко известен аспартам - метиловый эфир аспартилфенилаланина. Аспартам имеет сладкий вкус и используется для придания сладкого вкуса различным продуктам, напиткам.

Классификация аминокислот

Существует несколько подходов к классификации аминокислот, но наиболее предпочтительной является классификация, основанная на строении их радикалов. Выделяют четыре класса аминокислот, содержащих радикалы следующих типов; 1) неполярные (или гидрофобные); 2) полярные незаряженные; 3) отрицательно заряженные и 4) положительно заряженные:


К неполярным (гидрофобным) относятся аминокислоты с неполярными алифатическими (аланин, валин, лейцин, изолейцин) или ароматическими (фенилаланин и триптофан) R-группами и одна серусодержащая аминокислота – метионин.

Полярные незаряженные аминокислоты в сравнении с неполярными лучше растворяются в воде, более гидрофильны, так как их функциональные группы образуют водородные связи с молекулами воды. К ним относятся аминокислоты, содержащие полярную НО-группу (серин, треонин и тирозин), HS-группу (цистеин), амидную группу (глутамин, аспарагин) и глицин (R-группа глицина, представленная одним атомом водорода, слишком мала, чтобы компенсировать сильную полярность a-аминогруппы и a-карбоксильной группы).

Аспарагиновая и глутаминовая кислоты относятся к отрицательно заряженным аминокислотам. Они содержат по две карбоксильные и по одной аминогруппе, поэтому в ионизированном состоянии их молекулы будут иметь суммарный отрицательный заряд:

К положительно заряженным аминокислотам принадлежат лизин, гистидин и аргинин, в ионизированном виде они имеют суммарный положительный заряд:

В зависимости от характера радикалов природные аминокислоты также подразделяются на нейтральные, кислые и основные . К нейтральным относятся неполярные и полярные незаряженные, к кислым – отрицательно заряженные, к основным – положительно заряженные.

Десять из 20 аминокислот, входящих в состав белков, могут синтезироваться в человеческом организме. Остальные должны содержаться в нашей пище. К ним относятся аргинин, валин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин и гистидин. Эти аминокислоты называются незаменимыми. Незаменимые аминокислоты входят часто в состав пищевых добавок, используются в качестве лекарственных препаратов.

Интересно знать! Исключительно важную роль играет сбалансированность питания человека по аминокислотам. При недостатке незаменимых аминокислот в пище организм саморазрушается. При этом страдает в первую очередь головной мозг, что приводит к различным заболеваниям центральной нервной системы, психическим расстройствам. Особенно уязвим молодой растущий организм. Так, например, при нарушении синтеза тирозина из фенилаланина у детей развивается тяжелое заболевание финилпировиноградная олигофрения, вызывающее тяжелую умственную отсталость или гибель ребенка.

Таблица 3

Стандартные аминокислоты

Аминокислота

(тривиальное название)

Условные обозначения

Структурная формула

Латинское

трехбук- венное

однобук-венное

НЕПОЛЯРНЫЕ (ГИДРОФОБНЫЕ)

Изолейцин

Фенилаланин

Триптофан

Метионин

ПОЛЯРНЫЕ НЕЗАРЯЖЕННЫЕ

Аспарагин

Глутамин

Спешл фо 218 (=^_^ =)

За основу взяты старые задачи- 113 штук. Те, которые выбросили из нового списка, просто не буду печатать. Хотя некоторых у меня просто напросто нет. Ответы здесь конечно не айс, но все равно, хоть что-то взять отсюда можно.

    В: В пептидной цепи между радикалами аминокислот могут возникать химические связи. Выберите пары аминокислот, способные их образовать: а) вал-изолей; б) цис-цис; в) глу-лиз; г) фен-асп. Ответ обоснуйте.

О: а) образуют связь – гидрофобная связь, т.к. обе аминокислоты гидрофобные

б) образуют связь – дисульфидная связь за счет SH

в) образуют связь – ионная связь, т.к. кислая и основная аминокислоты

г) не образуют связи

2. В: Напишите формулу трипептида: лиз-арг-гис. В какой среде находится его ИЭТ? Ответ обоснуйте.

О: ИЭТ – это значение pH, при котором заряд белка стремится к нулю. В этом трипептиде все аминокислоты основные. А значит ИЭТ в щелочной среде.

3: В: Напишите формулу трипептида: глу-асп-ала. Определите его заряд в нейтральной среде. Как изменится заряд в кислой среде? Растворимость? Почему?

О: Глу и асп – кислые аминокислоты, ала – гидрофобная. При рН =7 заряд трипептида отрицательный. В кислой среде (при добавлении протонов Н +) заряд будет уменьшаться, т.е стремиться к ИЭТ. При уменьшении заряда уменьшается и растворимость.

4. В: Трипептид: вал-лей-ала. Уточните его способность растворяться в воде. Почему?

О: Трипептид образован гидрофобными аминокислотами, между радикалами которых образуются гидрофобные связи. Поэтому в воде не растворяется.

5. В: Два пациента больны дизентерией. У одного величина белкового коэффициента – 0,9, у другого – 1,9. Какова тактика врача в обоих случаях?

О: Дизентерия – это инфекционное заболевание. Обусловленное внедрением в макроорганизм микроорганизма.

БК – это соотношение альбуминов к глобулинам в сыворотке крови. БК= [А]/[Г]=1,5 – 2,3. При внедрении микроорганизма запускается гуморальный иммунитет, что обуславливает выработку гамма-глобулинов. При увеличении глобулинов в крови значение БК уменьшается – значит организм борется с инфекцией- как у первого пациента. Во втором случае БК=1,9, т.е гамма-глобулины не вырабатываются, а значит организм не борется с микроорганизмом. Следовательно, состояние хуже у второго больного. В первом случае – врач назначает антибиотики, которые действуют на мембрану микроба, проникают внутрь клетки, действуют на ДНК микроорганизма, тем самым не позволяя размножаться. Во втором случае назначают иммуностимуляторы- взрослым, а детям и старикам – вводят готовые антитела. Так же и в 1ом и во 2ом случаях дают водно-солевые растворы для предотвращения обезвоживания.

6. В: Объясните механизм образования кефира из молока. Почему белки кефира лучше усваиваются детским организмом?

О: Кефир – продукт кисломолочного брожения, как следствие работы микроорганизмов, продуктами питания которых являются углеводы. Конечный продукт этого процесса – молочная кислота. В молоке лактоза подвергается брожения с образованием молочной кислоты. При этом меняется рН с нейтральной на кислую. Подавляющее большинство белков – кислые, в том числе и белки молока. При изменении рН меняется и заряд белков – он уменьшается, уменьшается также и растворимость. Молочная кислота действует на химические связи между радикалами аминокислот белков молока, рвет эти связи – т.е происходит денатурация) белки разворачиваются). В кефире белки не осаждаются, а остаются на поверхности. Детьми белки кефира, т.к. они находятся в развернутом виде, усваиваются лучше – т.к. доступны пептидные связи.

7. В: Какие белки плазмы крови альбумины или глобулины быстрее движется при электрофорезе? Почему?

О: Электрофорез – это движение частиц раствора, помещенного в электрическое поле. Скорость движения частиц прямо пропорциональна заряду, и обратно пропорциональна массе частиц. Альбумины и глобулины – кислые белки, значит имеют «-» заряд, но у альбуминов величина этого заряда выше. По массе: альбумины меньше, чем глобулины. Значит по 2м критериям видно, что альбумины при электрофорезе движется быстрее.

8. В: Где в медицине применяют способность белков к денатурации.?

О: Три направления медицины

А) ПРОФИЛАКТИКА: кварцевание, обработка хирургического поля, обработка кожи перед уколом, стерилизация.

Б) ЛЕЧЕНИЕ: химиотерапия – разрушение опухоли, остановка кровотечения – коагуляция (свертывание)

В) ДИАГНОСТИКА: осаждение белков для определения их количества, осаждение для определения количества других веществ в био.жидкостях.

9. В: Что лучше растворяется в воде нуклеиновые кислоты или нуклеопротеиды? Почему?

При уменьшении заряда, уменьшается и растворимость. Значит лучше растворяются в воде НК.

10. В: Чем опасны неумеренные попытки загореть?

О: При попытке загореть в организме увеличивается синтез меланина. Значит действие УФИ не очень предпочтительно. Если меланина в организме вырабатывается недостаточно, то УФ проникает в более глубокие слои кожи. Таким образом он действует на клетки кожи. А именно на их мембраны. В основе мембран клеток лежит билипидный слой, состоящий из ФЛ, ВЖК. А ВЖК имеют следующий тип строения: -С-С-С-.. т.е. цепь из углеродных атомов. А УФ луч – это сгусток энергии, который рвет эту цепь по гомолитическому типу распада связи, т.е. образуются свободные радикалы, имеющие неспаренный электрон. Именно эти радикалы и запускают ПОЛ. При этом процессе повреждаемся мембрана клетки, и УФ луч проникает внутрь. А внутри клетки с большом количестве находятся белки и НК, которые являются полимерами. При действии на них УФИ – происходит денатурация. Последствия: ожоги, опухоли. Так же при неумеренных попытках загореть провоцируется избыточный синтез витамина D, чо может привести к гипервитаминозу, последствиями чего является увеличения концентрации Са2+ в крови, и он может откладываться в тканях и органах, нарушая их деятельность.

11. : В: У пепсина ИЭТ равна 1. Какие аминокислоты преобладают в его молекуле?

О: Кислые аминокислоты.

12: В: Приходилось ли вам наблюдать за работой ферментов? Приведите примеры.

О: Углеводы: брожение – молочнокислое, спиртовое, лимоннокислое, уксуснокислое и т.д. (йогурты, кефир, квас, квашение капусты, кислое тесто)

Липиды: прогоркание сливочного масла

Белки: гниение (тухлые яйца, испорченные продукты, плесневелый сыр)

13. В: Напишите реакцию декарбоксилирования глутамата. Назовите класс фермента. Роль продукта.

О:

Продукт – гамма-аминомасляная кислота – тормозный медиатор. Фермент- ГЛУТАМАТДЕКАРБОКСИЛАЗА. Класс фермента – лиазы (рвет –С-С- связь)

14. В: Укажите класс фермента альдолазы гликолиза. Ответ обоснуйте

О: Класс фермента- лиаза. Рвет –С-С- связь. С помощью этого фермента фруктоза-1,6-дифосфат превращается в ГА-3-Ф и ДГАФ.

    в новых задачах нет!

    В: Что опаснее ожог кислотой или щелочью (при их равной ионной силе)? Ответ поясните.

О: Опаснее ожог щелочью. И кислота, и щелочь при попадании на кожу вызывают денатурацию белков ткани. Но кислота обладает свойством – гигроскопичности. Это свойство обуславливает захват воды из ткани, т.е при попадании на кожу кислота как бы вытягивает всю воду из ткани и остается сухая корочка. Она и является препятствием для дальнейшего проникновения кислоты в более глубокие слои кожи. Щелочь же таким свойством не обладает и поэтому может вызвать денатурацию белков более глубоких слоев кожи.

    В: С какой целью кварцуют операционные? Механизм явления.

О: Кварцевание – воздействие УФИ на какую-либо поверхность. Кварцевание используют для обезвреживания микроорганизмов. В основе этого лежит денатурация белков этих микроорганизмов, причем в первую очередь рвутся гидрофобные взаимодействия радикалов аминокислот в пептидах, что «открывает» пептидные связи первичной структуры белка.

    В: Первая помощь при отравлении солями тяжелых металлов. Ответ поясните

О: Главная задача – предотвратить всасывание этих солей. Для этого внутрь вводят раствор природных белков. Чаще это молоко. Белки молока связываются с солями, что вызывает их денатурацию и они осаждаются на слизистую, уменьшая доступ солей к слизистой. После этого делают промывание.

    В: Сколько глюкозы в норме в моче и почему?

О: В норме глюкозы в моче нет, т.к. она полностью реабсорбируется почечными канальцами. В первичной моче есть глюкоза, но затем она полностью реабсорбируется, причем реабсорбция идет путем активного транспорта, т.е. с затратой энергии. При хронической гипергликемии (9-10 ммоль/л) уменьшается процент реабсорбции этого соединения, т.к. не хватает энергии и может развиться глюкозурия.

    В: Назовите фермент, принимающий участи в синтезе и распаде гликогена. Формулы реакций.

О:

Фермент – ФОСФОГЕКСОМУТАЗА.

21.В: Чем грозит ранее и неумеренное употребление легкоусвояемых углеводов у детей? Почему?

О: Легкоусвояемые углеводы детям можно давать с 5 лет. До этого срока нельзя, т.к. чревато:

а) диатез,

б) кариес,

в) в крови наблюдается гипергликемия – а значит выработка инсулина, что ведет к липогенезу в липоцитах - как следствие ожирение, в печени липогенез – жировая инфильтрация (перерождение) печени,

г) может развиться СД II типа,

д) увеличивается синтез ХС – атеросклероз,

е) увеличенное поступление ХС в печень, выводится с желчью, если его содержание в желчи превышено – осаждение, желчные камни.

    В: Разница в использовании гликогена в мышцах и печени.

23.: Почему блок глюкозо-6-фосфатазы обуславливает стимуляцию синтеза гликогена? Пример патологии.

О: Дефицит глюкозо-6-фосфатазы составляет основу болезни Гирке, или гликогеноза типа 1. Недостаточность этого фермента приводит к невозможности превращения глюкозо-6-фосфата в глюкозу, что сопровождается накоплением гликогена в печени и почках. Болезнь наследуется по аутосомно-рецессивному типу.

Поступление глюкозы в организм с пищей, в принципе, дает возможность поддерживать в крови нормальный уровень глюкозы, однако для этого поступление пищи, содержащей глюкозу, должно быть практически непрерывным. В реальных условиях существования, т. е. при отсутствии непрерывного поступления глюкозы, в здоровом организме последняя депонируется в виде гликогена, который при необходимости используется при его полимеризации.

Первичное нарушение при болезни Гирке происходит на генетическом уровне. Оно состоит в полной или почти полной неспособности клеток продуцировать глюкозо-6-фосфатазу, обеспечивающую отщепление свободной глюкозы от глюкозо-6-фосфата. В результате этого гликогенолиз прерывается на уровне глюкозо-6-фосфата и дальше не идет. Дефосфорилирование с участием глюкозо-6-фосфатазы является ключевой реакцией не только гликогенолиза, но и глюконеогенеза, который, таким образом, при болезни Гирке также прерывается на уровне глюкозо-6-фосфата. Возникновение устойчивой гипогликемии, которая в реальных условиях неизбежна из-за непоступления в кровь глюкозы как конечного продукта гликогенолиза и глюконеогенеза, в свою очередь приводит к постоянной повышенной секреции глюкагона как стимулятора гликогенолиза. Глюкагон, однако, в условиях прерывания этого процесса способен лишь без пользы для организма непрерывно стимулировать его начальные стадии.

В практике здравоохранения широкое применение нашел спленин. Этот препарат селезенки был получен в 1945 г. в Лаборатории экспериментальной эндокринологии (Институт экспериментальной биологии и патологии им. А. А. Богомольца) академиком АН УССР В. П. Комиссаренко. Химическая природа спленина изучена довольно подробно. В препарате обнаружено большое количество аминокислот, пептид, содержащий 13 аминокислот, множество жирных кислот, а также липиды, микроэлементы и витамины. Активное начало спленина еще не выделено.

Эксперименты на различных видах животных показали выраженное детоксикационное действие препарата.

Испытание действия спленина при токсикозах на ранних сроках беременности, проведенное в различных учреждениях нашей страны, показало, что он высокоэффективен при лечении этой патологии. Кроме того, применяя спленин при лечении осложнений у больных после рентгенотерапии, медики заметили, что уже после 3 – 4 инъекций препарата общее состояние человека значительно улучшается: прекращаются тошнота и рвота, головные боли, появляется аппетит, нормализуется сон. Благодаря ярко выраженным детоксикационным свойствам препарат оказывает выраженный терапевтический эффект при лечении различных форм гепатитов и функциональных нарушений печени, тиреотоксикоза, недостаточности паращитовидных желез, шизофрении и диабета.

Исследователями была обнаружена еще одна способность препарата – угнетать проявление аллергических реакций. Спленин оказывал выраженный терапевтический эффект при лечении аллергического насморка, крапивницы и аллергических дерматитов.

Многие эффекты спленина можно объяснить его мембранотропными свойствами, т. е. способностью стабилизировать клеточную мембрану. Так, эритроциты, обработанные этим препаратом, менее чувствительны к гипотоническому шоку. Механизм многих эффектов спленина изучен еще недостаточно. Не выяснена химическая природа биологически активных факторов, входящих в его состав. Изучение препарата продолжается.

В настоящее время из селезенки выделено только два пептида, структура которых установлена: 1. Тафцин, биосинтез которого происходит в селезенке в виде лейкокинина, а окончательная структура формируется на поверхности мембран лейкоцитов. В настоящее время тафцин синтезирован, а также получены его биологически активные аналоги. 2. Фактор, напоминающий по своей структуре тимопоэтин и названный спленином. Он так же,как и тимопоэтин, состоит из 49 аминокислот и имеет активный участок из пяти

Тир-Лиз-Про-Арг

Тафцин

аминокислот, который был назван спленопентином. Спленопентин отличается от тимопентина одной аминокислотой.

Арг-Лиз-Асп-Вал-Тир

Тимопентин

Арг-Лиз-Глу-Вал-Тир

Спленопентин

Биологические эффекты спленопентина и тимопентина имеют существенные различия.

Изучением гуморальных факторов селезенки занимаются в Киевском научно-исследовательском институте эндокринологии и обмена веществ. В последние годы здесь получен ряд новых важных данных, позволивших значительно расширить наши представления о физиологии и патологии функций селезенки, о значении тех явлений, которые возникают при ее нарушении. Однако многие загадки этого органа остаются еще неразгаданными.

Парадоксы животного мира

При изучении биологически активных веществ различной природы и различного происхождения становится очевидной условность их разделения на медиаторы, обеспечивающие межклеточные связи, гормоны, передающие сигналы на более далекие расстояния, феромоны, являющиеся средствами общения между организмами, и токсины, служащие животным для защиты.

Анализ строения биологических регуляторов показывает, что одно и то же соединение у различных видов животного царства может выполнять разную роль. Люлиберин в системе гипоталамус – гипофиз выступает в роли гормона, в то время как тот же пептид в симпатическом ганглии лягушки является нейромедиатором. Феромон спаривания у дрожжей α-фактор связывается с рецепторами гипофиза млекопитающих и при действии на гонадотропы в тканевой культуре вызывает секрецию лютеинизирующего гормона. Изучение его химического состава показало, что он имеет с люлиберином обширную гомологию последовательностей аминокислот.

Структурная гомология играет важную роль во взаимодействии биостимулятора с рецептором, в то время как физиологический ответ определяется функциональной системой, на которую он действует.

В 1931 г. фон Эйлер и Гэддум обнаружили в экстрактах мозга и кишечника животных вещество, которое при введении наркотизированному кролику вызывало снижение кровяного давления и усиливало сокращение изолированного кишечника. Его назвали «вещество Р». В дальнейшем было установлено, что оно является нейромедиатором чувствительных нейронов и содержание его в задних (чувствительных) корешках спинного мозга превышает в два раза концентрацию в передних корешках. Структура вещества была определена через 40 лет, и оказалось, что она сходна со строением таких пептидов, как физалемин, выделенный из кожи южноафриканской лягушки, и эледозин, обнаруженный в слюнных железах осьминогов.

Арг-Про-Лиз-Про-Гли-Гли-Фен-Гли-Лей-Мет-NH 2

Вещество Р

Пироглу-Ала-Асп-Про-Асп-Лиз-Феп-Три-Гли-Лей-Мет-NH 2

Физалемин

Пироглу-Про-Сер-Лиз-Асп-Ала-Фен-Илей-Гли-Гли-Лей-Мет-NH 2

Эледозин

Эти три вещества имеют сходную структуру, включающую гомологичные участки пептидов, в то время как получены они из разных источников и выполняют разные функции.

В качестве другого примера можно привести пептид бомбезин, который был выделен из кожи европейской лягушки Bombina bombina, а затем обнаружен в Р-клетках слизистой желудка и двенадцатиперстной кишки млекопитающих. Бомбезин выполняет функцию освобождающего фактора при выделении гастрина и холецистокинина. В связи с этим он вызывает стимуляцию желудка и поджелудочной железы, сокращает желчный пузырь и усиливает движение кишечника. С помощью иммунологических методов исследования было установлено, что в нервных клетках коры головного мозга, гипоталамуса, гипофиза, шишковидной железы и мозжечка, кроме обычных гормонов органов пищеварения, содержится и бомбезин. Он не имеет себе равных среди известных веществ по способности воздействовать на терморегуляцию. При введении его в гипоталамическую структуру мозга крысы при 4° происходит снижение температуры тела – она оказывается на несколько градусов ниже, чем обычно у крысы. При 36° температура тела повышалась. Этот пептид был эффективен только при введении в гипоталамус, там, где расположен центр терморегуляции. С этим свойством, вероятно, связано его участие в зимней спячке некоторых животных. Введение бомбезина в желудочки мозга крысы вызывало изменение поведения и снижение болевой чувствительности. Кроме того, он увеличивает содержание глюкозы в крови, повышает концентрацию глюкагона, снижает уровень инсулина и угнетает потребление пищи голодными крысами. Это единственный пептид, который регулирует чувство насыщения, так как он влияет не на частоту приема пищи, а лишь на съеденное количество. Поступление бомбезина в желудочки мозга препятствовало возникновению язв желудка при стрессе. При этом снижалась секреция соляной кислоты и возрастало выведение слизи. Бомбезин стимулирует также секрецию соматотропного и лактотропного гормонов. Его свойства позволяют предполагать, что он является нейромедиатором в нервных структурах.

В зарубежном журнале «Biochem. J.» (1981. Т. 197, № 3) опубликовано сообщение, что из голов падальной мухи Calliphora vomitoria выделено вещество, подобное полипептиду поджелудочной железы млекопитающих, а в другом иностранном журнале (Insect. Biochem. 1977. Т. 7. № 5 – 6) описаны белковые фракции, выделенные из жуков Adalia bipunctata, бабочек Galleria mellonella и пчел, которые по своим свойствам близки к соматотропному гормону сыворотки крови быка.

Таким образом, рибосома создаёт нужные организму белки строго по рецепту, записанному в ДНК в виде последовательности нуклеотидов. А сами белки, в свою очередь, отвечают за разные признаки и свойства конкретного живого организма.

Получается серьезная аналогия с компьютерной программой. Допустим, целью и результатом работы какой-нибудь компьютерной программы является построение определенного изображения на компьютерном мониторе. Пусть это будет «прорисовка» какого-нибудь виртуального игрового персонажа. Например, какой-нибудь виртуальной девушки. Помимо прорисовки соответствующего виртуального объекта, будет неплохо, если компьютерная программа обеспечит еще и правильное «функционирование » этого изображения на компьютерном мониторе – запрограммирует соответствующие движения игрового персонажа, обеспечит целесообразное взаимодействие этой виртуальной девушки с окружающим её игровым миром. И тому подобное.

Точно так же, целью и результатом работы генетической программы, записанной в ДНК, является построение конкретного живого существа. И поддержание его существования. То есть, результатом работы генетической программы является не только построение тела живого существа (инфузории, дождевого червя или колибри), но еще и то, как это тело будет взаимодействовать с миром: избегать опасностей, искать источники пищи и т.п.

Таким образом, определенные аналогии между компьютерной и генетической программой очевидны.

Ну а отличием между этими программами (генетической и компьютерной), является, во-первых, природа носителей информации (там намагниченные жесткие диски, а здесь длинные органические молекулы). Во-вторых, генетическая программа отличается от нашей (даже самой современной) компьютерной программы - запредельной сложностью. Наши компьютерные программы пока еще примитивны в сравнении с генетическими программами, по которым строятся живые организмы. Генетические программы живых существ (отдельные их части нередко называют генными сетями ) насыщены генами-«включателями», «выключателями» и «переключателями», которые контролируют подотчетные им отдельные гены или целые генные каскады, а так же друг друга. В результате получается примерно вот что (Рис. 15):

Рисунок 15. Генная сеть, то есть комплекс генов, так или иначе взаимодействующих с геном FOXP2, одним из ключевых генов, ответственных за формирование речи (Konopka et al., 2009). Здесь показаны только те гены, которые активно реагируют на разные модификации гена FOXP2 (человеческий или шимпанзиный). Есть еще и другие гены, тоже связанные с геном FOXP2, но работающие с ним независимо от того, какой конкретный вариант гена FOXP2 перед ними.



Понятно, что разобраться в таких генетических программах очень непросто. Легче всего установить, что с чем взаимодействует. А вот для чего взаимодействует - здесь еще пока, как говорится, «черт ногу сломит» (С).

Так же запредельно сложны и сами живые существа (на организменном, тканевом, клеточном и молекулярном уровнях организации). Организация жизни на молекулярном уровне вообще представляет собой, по сути, чрезвычайно продвинутые нано-технологии. Даже в простейшей живой клетке успешно работают конвейерные линии из нано-машин и нано-механизмов, о которых мы пока можем лишь мечтать в смелых проектах. Например, знаменитый фермент АТФ-синтаза является самым маленьким роторным мотором в природе. Понятно, что сделаны все эти нано-машины из органики.

И самым замечательным свойством живых систем является их способность непрерывно и самостоятельно чинить самих себя (непрерывно самовоспроизводиться). Например, чтобы заменить мотор у вашей машины, Вы должны, во-первых, поставить вашу машину в гараж и выключить. И потом Вы будете заменять ей мотор (а не она сама). А вот воробей летит себе по своим делам, но прямо в это время в его сердце «отработанные» белки сердечной мышцы постепенно заменяются на новые. То есть, сердечная мышца сама себя всё время отстраивает и обновляет прямо в ходе работы. И таким образом непрерывно самовоспроизводится не только сердечная мышца, но и вообще всё тело воробья.

Однако вернемся к ДНК. Другими аналогиями ДНК могут являться: чертеж, рецепт или книга. Но аналогия с компьютерной программой, всё-таки, ближе всего к сути дела. Итак (еще раз) имеется определенная генетическая программа, согласно которой строится (и существует) тот или иной организм. Эта программа записана на специальном носителе - длинных органических молекулах ДНК с помощью специального языка (генетического кода).



Эту программу можно разбить на некоторые отрезки, участки молекулы ДНК, которые ответственны за тот или иной конкретный признак организма. И эти отрезки, отвечающие за конкретные признаки, называются генами. А вся совокупность имеющихся генов (то есть вся генетическая программа отдельного организма в целом) называется генотипом . В качестве аналогии с компьютерными технологиями, отдельные гены можно уподобить отдельным программным функциям в общей компьютерной программе.

И вот теперь представьте. Допустим, я изучаю несколько генов уже упомянутой выше Николь Кидман, и несколько аналогичных генов кролика. И вижу, что в целом, эти гены похожи друг на друга. То есть, общая последовательность нуклеотидов сходна и у Николь Кидман, и у кролика на целом ряде отрезков ДНК. Но я вижу и серьезные отличия. Многие нуклеотиды заменены на другие. В результате, на выходе должен получаться несколько другой белок (с другой последовательностью аминокислот).

Изобразим это наглядно. Допустим, первая строчка – нуклеотидная последовательность одного из генов Николь Кидман, а вторая строчка – нуклеотидная последовательность такого же гена кролика (я выделил жирным шрифтом отличающиеся участки):

АГТЦЦЦЦЦГГТААТГАЦАТЦАТАТГТГГГГГТАГАЦАТГТЦЦЦЦГТАААГТЦЦГТАГ

АГАААА ЦЦТТ ТААТГТТТТТ АТАГ ГТГЦЦ ГГТАГАТ АТГГАА ЦЦА ТАААГТЦЦГТТТ

При этом мы еще не конца понимаем, есть ли в этих (зафиксированных) различиях какой-то биологический смысл, и если есть, то какой именно? Ведь мы пока научились только читать генетические «тексты». А вот до понимания этих текстов нам пока еще далеко. То есть, важны ли эти различия для того, чтобы в первом случае получилась (и успешно функционировала) именно Николь Кидман, а во втором – именно кролик? Или эти различия не важны?

Хотя приблизительные методики для определения таких вещей уже есть. Например, для того, чтобы сделать вывод, важны ли установленные различия, или нет, сравнивается доля так называемых синонимичных замен по отношению к не синонимичным.

Синонимичные замены – это такие замены нуклеотидов, которые вообще не приводят к замене аминокислоты в белке. Это получается за счет вырожденности генетического кода. Посмотрите на таблицу генетического кода выше (Рис. 14). Вы увидите, что, например, аминокислоту пролин может кодировать сразу четыре разных кодона: ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ. По сути, аминокислота пролин кодируется только двумя первыми нуклеотидами «ЦЦ». А вот какой там будет третий нуклеотид – уже не важно. Каким бы этот третий нуклеотид ни был, всё равно рибосома на выходе выдаст именно аминокислоту пролин, если прочитает в двух первых «буквах» этого кодона «ЦЦ».

Поэтому если мы увидим, например, в гене Николь Кидман в определенном месте ЦЦЦ, а у кролика в этом же месте мы увидим ЦЦУ, то это значит, что конечные продукты (белки) Николь Кидман и кролика – не будут различаться по этой аминокислоте. Такая замена нуклеотидов называется – синонимичной.

В результате может получиться даже вот что. Допустим, и у Николь Кидман, и у кролика имеется похожий белок, состоящий из 100 аминокислот (соединенных между собой в строго определенной последовательности). Поскольку каждая из этих аминокислот кодируется с помощью кодона из 3 нуклеотидов, то получается, что для записи «рецепта» этого белка в ДНК необходимо задействовать 300 нуклеотидов. И допустим, примерно треть из этих нуклеотидов у Николь Кидман и у кролика – различаются. То есть, различия, казалось бы, большие (100 из 300 нуклеотидов). Но если это будут только синонимичные замены, то получится, что у Николь Кидман и кролика обсуждаемые белки будут вообще идентичны по своим аминокислотным последовательностям. То есть, будут совпадать на 100% .

Какие выводы можно отсюда сделать? Во-первых, отсюда можно предположить, что данный белок – чрезвычайно важен для обоих организмов. Причем важна даже каждая аминокислота. То есть, каждая аминокислота должна в этом белке находиться именно там, где она и находится. Иначе белок сразу же потеряет свою работоспособность.

Поэтому такие случайные мутации , которые приводили к замене той или иной аминокислоты – гарантированно приводили к гибели мутантной особи. И поэтому ни одна из таких мутаций не смогла закрепиться в данном белке.

А смогли закрепиться только такие мутации, которые вообще не изменяли аминокислотный состав данного белка. В результате, смогли закрепиться только те самые синонимичные замены, о которых мы только что говорили. Таким образом, когда мы наблюдаем именно описанную картину – идентичность аминокислотного состава белка, при наличии только синонимичных замен, мы можем сделать следующие выводы:

1). Первичное строение данного белка вообще нельзя изменить (чтобы не нарушить его функцию). На «языке» теории эволюции в таком случае говорится, что данный ген находится под очень мощным давлением стабилизирующего отбора .

2). Число синонимичных замен может указывать на время существования (линии предков) данных существ. Если синонимичных замен – много, то значит, данная линия организмов существует на Земле уже долгое время. Ведь точечные мутации – это достаточно редкое событие. И если значительная часть синонимичных замен уже успела случиться, то значит, прошло уже достаточно большое время (с некоего момента X). Если же число даже синонимичных замен – невысоко, то, следовательно, линия предков этих существ тоже имеет скромную историю (по длительности).

Но чаще всего наблюдаются другие варианты различий в генах и белках.

Допустим, мы видим, что обсуждаемый белок, состоящий из 100 аминокислот (соответственно, записанный в ДНК на 300 нуклеотидах), различается у Николь и кролика в 30 местах (по 30 нуклеотидам). Причем имеют место 50% синонимичных замен, и еще 50% не синонимичных замен (так называемые значимые замены). То есть, 15 нуклеотидов не приводят к замене аминокислоты в белке, но другие 15 нуклеотидов заставляют рибосому встроить в белок уже другую аминокислоту.

Что можно предположить в этом случае?

Во-первых, мы можем предположить (в рамках теории эволюции), что прошло еще не слишком много времени после расхождения линии предков, которые в конечном итоге привели к Николь Кидман, от линии предков, которая привела к кроликам. Потому что за это время успела накопиться только небольшая часть синонимичных замен (из всех возможных).

Во-вторых, мы можем сделать вывод, что и сам этот белок – достаточно «демократичен» (терпим) к собственному аминокислотному составу. То есть, аминокислотный состав данного белка вполне может измениться (например, на озвученные 15 аминокислот), но, тем не менее, этот белок всё равно останется способным выполнять свою работу. А раз так, тогда и эти (значимые) мутации тоже являются биологически нейтральными . И тоже могли накопиться за это время чисто случайным образом.

Или мы можем высказать, наоборот, противоположную гипотезу. Мы можем предположить, что эти белки у Николь Кидман и кролика различаются отнюдь не случайно , а как раз потому, что они и должны различаться. То есть, эти белки должны работать по-разному, чтобы Николь Кидман была именно Николью, а кролик – оставался кроликом.

Чтобы определить, какое из двух последних предположений более верно, нужны дополнительные исследования. Например, изучение специфики работы конкретно этого белка у кролика и у Николь.

И наконец, третий случай. Допустим, у нас всё тот же белок, состоящий из 100 аминокислот. Но мы видим, что только 10 нуклеотидных различий в соответствующем гене (кодирующем этот белок) – имеют синонимичный характер (не приводят к замене аминокислоты), а вот другие 40 отличий в нуклеотидном составе – являются не синонимичными. То есть, мы видим резкое преобладание значимых замен над синонимичными. Какой вывод можно сделать из такого расклада?

В данном случае становится ясно, что исследуемые белки у Николь и у кролика работают, действительно, по-разному. Может быть даже, вообще выполняют разные функции. И эти белки и должны работать по-разному. То есть, становится понятно, что этот конкретный белок как раз и относится к тем признакам и свойствам, которые (в том числе) делают из Николь Кидман именно Николь, а из кролика – именно кролика.

На случайность мы здесь можем списать сравнительно небольшое число всех отличий, пропорциональное числу синонимичных замен. А вот оставшуюся часть различий, найденных между этими генами, на случайность уже списать нельзя . Ведь не синонимичных замен в данном случае намного больше, чем синонимичных. Отсюда следует вывод, что ген подвергся не случайным изменениям, а направленной модификации под действием определенной силы .

И вот на роль этой силы, модифицирующей гены в тех или иных направлениях, в современной биологии по умолчанию (без каких-либо особенных доказательств) назначается именно естественный отбор .

То есть, если обнаруживаются серьезные различия между генами разных организмов, и если эти различия подпадают под только что описанный нами случай (преобладание значимых замен над синонимичными), то делается вывод, что это исключительно результат естественного отбора . И ничего другого.

Вот наш очередной биолог-популяризатор и пишет соответствующую фразу (Наймарк, 2014):

…Выяснилось, что гены, которые экспрессируются больше у рабочей касты, прошли сильный положительный отбор …

Чувствуется, что данный автор настолько привык к мысли, будто изменять гены может только естественный отбор и ничего больше, что даже не замечает, как озвучивает совершенно недоказанные вещи. На самом деле, установленным фактом здесь является только то, что обсуждаемые гены – различаются (определенным образом). А рассуждения про «положительный естественный отбор» - это просто домыслы, сделанные чуть ли не автоматически в рамках принятой (сегодня) теории эволюции.

Давайте попробуем посмотреть, как бы всё это выглядело в компьютерной области. Допустим, какой-нибудь «сумасшедший биолог» сел за пустующее рабочее кресло рядом с чужим включенным компьютером, и решил исследовать на предмет сходства и различия не генетические программы разных живых существ, а загадочный набор символов, которые он увидел записанными на мониторе этого компьютера. Загадочные символы, которые привлекли внимание биолога, были записаны в текстовом редакторе в виде двух похожих строчек:

753.11F.FF7.F1W.FF1.1HQ.1HU.811.WAC.2G8.2G6.555

Напоминаем, что наш «сумасшедший биолог» до этого привык работать вот с такими генетическими текстами, например, у двух разных видов синиц (Рис. 16):

Рисунок 16: Изображены представители двух видов синиц (слева большая синица, справа лазоревка). Показан (воображаемый) участок ДНК этих двух видов - последовательность нуклеотидов, которая с одной стороны, весьма схожа у этих видов, но в то же время несколько различается (отличающиеся нуклеотиды выделены красным цветом).

Биолог привык выискивать в таких строчках черты сходства и различия. И обнаруженное сходство списывать или на «общего предка» (этих двух синиц), или на «стабилизирующий отбор» . А обнаруженные различия – либо на результат «положительного отбора» , либо на «нейтральные мутации» , которые успели накопиться у этих двух видов синиц со времени их расхождения от общего эволюционного предка.

А на экране компьютерного монитора наш биолог видит несколько другие строчки:

753.11F.FF7.F13.FF1.1BQ.1H1.811.WA8.2G9.2G6.555

753.11F.FF7.F1W .FF1.1H Q.1HU .811.WAC .2G8 .2G6.555

Биолог замечает, что значительная часть этих двух строчек идентична друг другу. Естественно, наш биолог cделает вывод, что это получилось благодаря общему происхождению этих двух кусков текста (от некоего общего предка ). Ну а найденные различия (выделены жирным шрифтом) между этими двумя строчками наш биолог, наверное, спишет на то, что один из этих участков «прошёл сильный положительный отбор» (в ходе борьбы за существование). Биолог подсчитает, что число точечных замен во второй строчке по сравнению с первой составляет 5 из 36. То есть, имеет место примерно 14% замен. Следовательно, данные строчки гомологичны друг другу на 86% .

И всё будет очень здорово, пока на своё рабочее место не вернется хозяин этого компьютера, и не выгонит из-за стола нашего сумасшедшего биолога.

При этом хозяин компьютера объяснит биологу, что в этих строчках, на самом деле, закодированы черты лиц двух виртуальных девушек, которые были созданы (хозяином компьютера) в качестве двух разных героинь известной компьютерной игры Mass Effect 3 .

Хозяин компьютера объяснит, что в этой игре при создании лица компьютерного персонажа используется специальный набор символов, с помощью которого кодируются разные черты (признаки) лица. Поэтому любое созданное лицо в этой игре можно просто записать в виде закодированной строки символов. И если это лицо понравится, то можно потом использовать этот код в любое время, при создании новых персонажей. Конкретно, те лица, которые соответствуют двум написанным выше кодовым строчкам, в этой игре выглядят вот так (Рис. 17):

Под редакцией Кнунянца И.Л. - М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 397 c.
Скачать (прямая ссылка): uoc1.djv Предыдущая 1 .. 66 > .. >> Следующая

Лиз. Лиз. Apr. Apr. Про. Вал. Лиз. Вал " "

15 16 17 18 19 20 Й" A " " "¦

" - Н.Лиз. Apr.

Н. Apr. Про. Вал. Лиз. ОН ¦ Н. Лиз. Apr. Apr. ОН

Таким образом, тйдролизат не содержал пептидов с л из ил-лизильной связью, а также пептидов с N-концевым аргинил-аргинильным остатком, но пептид с С-концевой аргиниларги-нильной группой был найден. Присутствия пептида Н.Про. ВалЛиз.ОН не было установлено, хотя выделение пептида Н.Лиз.Арг.Арг.ОН свидетельствует о разрыве связи -Apr.

Про-. Условия гидролиза кортикотропина овцы "(рН9,3, 38е, їв

6 час) отличались от условий, в которых гидролизовался кортикотропин свиньи (pH 7,8-9,0, 25°, 4 час), но это обстоятельство не может объяснить совершенно иного хода гидролиза, гормона трипсином. Возможно, что причиной этого являются реакции транспептидирования , как и в случае полилизина (см. стр. 181-183).

Меланофоростимулирующие гормоны. Кортикотропин по-.мимо кортикотропной активности обладает также меланофо-ростимулйрующей активностью, равной примерно Vioo активности чистого меланофоростимулирующего гормона (МСГ), выделенного из гипофиза свиньи . Гипофиз ісвиньи содержит два активных. меланофоростимулирующих

гормона. Основной компонент гормона (а-МСГ) и второй компонент (?-МСГ) были выделены в

R. Сер. Тир. Сер. Мет. Глу. Гис. Фе. Apr. Три. Гли. Лиз. Про. Вал. NH2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Il 12 13

Связи, расщепляемые

трипсином I . " "

химотрипсином

Связи, расщепляемые

первую очередь

P н с. 7. Порядок расположения аминокислот в а-МСГ и связи в нем, гидролизуемые трипсином и химотрипсином.

чистом виде. Последовательность аминокислот в а-МСГ и р-МСГ [І20, 142] была определена на очень небольших количествах вещества.

Н. Асп. Глу. Глн. Про. Тир. Лиз. Мет. Глу. Гнс. Фе. Apr -

1 23456 7 8 9 10 11

Связи, расщепляемые

трипсином химотрипсином

Связи расщепляемые

трипсином химотрипсином

¦ Три. Гли. Сер. Про. Про. Лиз. Асп. ОН

12 13 14 15 16 17 is

T Связи, расщепляемые f Прочие расщепляемые в первую очередь

Рис. 8. Порядок расположения аминокислот в?-МСГ и связи в нем, гидролизуемые трипсином и химотрипсином.

а-МСГ (рис. 7) имеет тот же порядок расположения первых тринадцати аминокислот N-концевого участка цепи, что и кортикотропин, но его а-аминогруппа содержит неизвестный

Селективное расщепление белков

заместитель. Кроме того, а-МОГ имеет С-концевую амидную группу. ?-МСГ (рис. 8) характеризуется такой же последовательностью аминокислот в положениях 7-13, как а-МСГ и кортикотропин в положениях 4-10, но имеет другую последовательность расположения аминокислот на N- и С-конце-вых участках цепи.

Гидролиз а-МСГ под действием трипсина дал только два осколка , соответствующих разрыву связи -Apr.Три-.

Как и в случае кортикотропина, связь -Лиз.Про- оказалась

устойчивой.

Из?-МСГ под действием трипсина образовалось три осколка , при этом связь -Лиз.Асп.ОН оказалась устойчивой. Выход всех пептидных осколков превышал 80%. Поскольку в инсулине С-концевая связь -Лиз.Ала.ОН разрывалась трипсином, устойчивость связи -Лиз.Асп.ОН в?-МСГ, по-видимому, обусловлена комбинированным эффектом а- и f-карбоксильных групп аспарагиновой кислоты, так как в обоих случаях перед указанными С-концевыми группами находится пролильный остаток. Установлено , что ли-зиновая связь устойчива в Н.Тир.Лиз.Глу.ОН, но не в Н.Тир.Лиз.Глу.Тир.ОН. В рибонуклеазе (рис. 4) связи -Арг.Глу- и -Лиз.Асп- легко разрывались.

Гипертенсии. При действии реннина на белок сыворотки крови образуется несколько веществ, повышающих кровяное давление . Порядок расположения аминокислот

Н. Асп. Apr. Вал. Тир. Вал. Гнс. Про. Фе. Гис. Лей. ОН

Связи, расщепляемые

трипсином I

химотрипсином I I

Рис. 9. Порядок расположения аминокислот в гнпертенсине и связи в нем, гидролизуемые трипсином н химотрипсином.

в основном компоненте, получаемом из сыворотки крови быка, - гнпертенсине I, который является декапептидом , Показан на рис. 9.

Аналогичная последовательность аминокислот, но с изо-лейцином вместо валина, была установлена для декапвптида,

Реагенты, расщепляющие связи в полипептидной цепи

выделенного из сыворотки крови лошади . Этот декапеп-тид под действием присутствующего в плазме крови фермента отщепляет гистидиниллейцин от С-концевого участка и превращается в октапептид гипертенсин II.

Трипсин, как этого следовало ожидать на основании данных о его специфичности действия, разрывает в молекуле связь - Арг.Вал- .

Другие белки. При изучении последовательности расположения аминокислот в других белках с помощью гидролиза трипсином получены результаты, которые согласуются с имеющимися данными о специфичности действия трипсина. Однако в тех случаях, когда точное расположение аминокислот в исследуемом веществе неизвестно, влияние последовательности аминокислот на гидролиз данного белкового соединения трипсином оценить не удается.