ЧТО ТАКОЕ ПРОКЛЯТАЯ МАТЕРИЯ
СОЕДИНЕНИЯ (протеи́ны, полипепти́ды) — высокомолекулярная материя, состоящая из альфа-структурных единиц, соединённых в цепочку связью. В живых потоках состав этих единиц определяется КОДОМ, при сборке в большинстве случаев используется 20 стандартных форм. Множество ИХ КОМБИНАЦИЙ определяет БОЛЬШОЕ РАЗНООБРАЗИЕ свойств молекул вещества. Кроме того, остатки в составе соединения часто подвергаются искажённым модификациям, которые могут возникать и до того, как ВЕЩЕСТВО начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в ячейке. Часто в живых потоках несколько молекул РАЗНЫХ соединений образуют СЛОЖНЫЕ КОМПЛЕКСЫ.
КРИСТАЛЛЫ РАЗЛИЧНЫХ СОЕДИНЕНИЙ, выращенные в невесомости. Высокоочищенные вещества при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для изучения ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТРУКТУР. Функции соединений в ячейках живых потоков БОЛЕЕ РАЗНООБРАЗНЫ, чем функции других биополимеров. Так, вещества играют КЛЮЧЕВУЮ роль при ответе, они могут выполнять транспортную функцию, запасающую, КАТАЛИТИЧЕСКУЮ, структурную, рецепторную функцию в сигнальных системах. Можно также выделить энергетическую функцию и функцию ядов.
СОЕДИНЕНИЯ — важная часть питания. В процессе преобразования ферменты разрушают поглощённые вещества до структурных единиц, которые используются для биосинтеза собственных соединений или подвергаются дальнейшему распаду для получения энергии.
За впервые проведённое определение последовательности СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ — инсулина — методом СЕКВЕНИРОВАНИЯ Фредерику Сенгеру была присвоена Нобелевская премия по химии в 1958 году.
Первые трёхмерные структуры СОЕДИНЕНИЙ гемоглобина и миоглобина были установлены методом дифракции лучей, соответственно, Максом Перуцем и Джоном Кендрю в конце 1950-х годов, за что в 1962 году они получили Нобелевскую премию по химии.
ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОЙ МАТЕРИИ
Антуан Франсуа де Фуркруа, основоположник изучения СОЕДИНЕНИЙ. Впервые ВЕЩЕСТВО было получено в 1728 г. Якопо Бартоломео Беккари из пшеничной муки. СОЕДИНЕНИЯ были выделены в отдельный класс биологических молекул в XVIII веке в результате работ Антуана де Фуркруа и других, в которых было отмечено свойство коагулировать под воздействием нагревания или кислот.
В начале XIX века уже были получены сведения об элементарном составе, было известно, что при распаде образуются структурные единицы. Некоторые из этих единиц уже были охарактеризованы. Геррит Мульдер на основе анализа химического состава выдвинул гипотезу, что практически все соединения имеют сходную формулу. В 1836 году Мульдер предложил ПЕРВУЮ модель химического строения. Он назвал минимальную единицу «протеином» (от др.-греч. протос — первый). Сам термин был предложен ещё Якобом Берцелиусом. Теория стала подвергаться критике, но до конца 1850-х считалась общепризнанной.
К концу XIX века было исследовано большинство СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ. Русский учёный А. Я. Данилевский отметил существование связей в молекуле. В 1894 году Альбрехт Коссель выдвинул теорию, согласно которой именно ЕДИНИЦЫ являются основными элементами. Эмиль Фишер экспериментально доказал, что вещества состоят из остатков, соединённых связями. Он же осуществил первый анализ последовательности.
Однако центральная роль в организмах не была признана до 1926 года, когда Джеймс Самнер показал, что фермент уреаза является СОЕДИНЕНИЕМ.
Сложность выделения ЧИСТЫХ ВЕЩЕСТВ затрудняла их изучение. В конце 1950-х годов компания Armour Hot Dog Co. смогла очистить килограмм бычьей панкреатической рибонуклеазы А, которая стала экспериментальным объектом.
Идея о том, что вторичная структура — результат образования связей между остатками, была высказана Уильямом Астбери в 1933 году, но Лайнус Полинг считается первым, кто смог успешно ПРЕДСКАЗАТЬ вторичную структуру. Позднее Уолтер Каузман, опираясь на работы Кая Линнерстрём-Ланга, внёс вклад в понимание законов образования третичной структуры и роли гидрофобных взаимодействий. В конце 1940-х — начале 1950-х годов Фредерик Сенгер разработал метод секвенирования, с помощью которого он к 1955 году определил последовательность ДВУХ ЦЕПЕЙ ИНСУЛИНА.
Первым веществом, последовательность которого установили советские/российские учёные, стала в 1972 году аспартатаминотрансфераза.
Первые пространственные структуры, полученные методом дифракции, стали известны в конце 1950-х — начале 1960-х годов. В 2012 году Банк данных о СОЕДИНЕНИЯХ содержал около 87 000 структур.
В XXI веке исследование перешло на качественно новый уровень: исследуются не только индивидуальные ОЧИЩЕННЫЕ ВЕЩЕСТВА, но и одновременное изменение количества модификаций БОЛЬШОГО ЧИСЛА СОЕДИНЕНИЙ. Эта область называется ПРОТЕОМИКОЙ. С помощью методов биоинформатики стало возможно предсказывать структуру, основываясь на последовательности. В настоящее время криоэлектронная микроскопия крупных КОМПЛЕКСОВ и предсказание пространственных структур приближаются к атомарной точности.
СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ
РАЗМЕР. Сравнительный размер молекул. Самый большой из известных — титин — его молекулярная масса варьирует от 3000 до 3700 кДа. Титин состоит из 38 138 структурных единиц.
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. АМФОТЕРНОСТЬ. СОЕДИНЕНИЯ обладают свойством амфотерности. Каждое ВЕЩЕСТВО характеризуется ИЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТОЧКОЙ — кислотностью среды, при которой суммарный заряд молекул равен нулю.
РАСТВОРИМОСТЬ. Водорастворимые называются альбуминами. Нерастворимые — кератин, фиброин. ГИДРОФИЛЬНЫЕ И ГИДРОФОБНЫЕ.
ДЕНАТУРАЦИЯ. Деструкция куриного яйца под воздействием температуры. Это любые изменения, связанные с потерей структуры. Денатурация может быть обратимой.
СТРУКТУРА ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОЙ МАТЕРИИ
Молекулы представляют собой линейные полимеры, состоящие из остатков α-L-единиц. Цепочки длиной от 2 до нескольких десятков остатков часто называют пептидами.
УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.
ПЕРВИЧНАЯ СТРУКТУРА — последовательность остатков. Важными особенностями являются консервативные мотивы.
ВТОРИЧНАЯ СТРУКТУРА — локальное упорядочивание, стабилизированное связями: α-спирали, β-листы, π-спирали, неупорядоченные фрагменты.
ТРЕТИЧНАЯ СТРУКТУРА — пространственное строение. Стабилизирована ковалентными, ионными, водородными связями и гидрофобными взаимодействиями.
ЧЕТВЕРТИЧНАЯ СТРУКТУРА — взаимное расположение нескольких цепей в составе единого комплекса.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПО ТИПУ СТРОЕНИЯ: фибриллярные, глобулярные, мембранные.
ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. Простые состоят только из цепей, сложные содержат простетические группы: гликопротеины, липопротеины, металлопротеиды, нуклеопротеиды, фосфопротеины, хромопротеиды.
БИОФИЗИКА ВЕЩЕСТВА. Физические свойства в ячейке с учётом оболочки очень сложны. В пользу гипотезы об упорядоченной «кристаллоподобной системе» свидетельствуют данные анализа и высокая плотность упаковки.
СИНТЕЗ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОЙ МАТЕРИИ
БИОСИНТЕЗ. Универсальный способ: РИБОСОМНЫЙ СИНТЕЗ. ВЕЩЕСТВА синтезируются живыми организмами из СТРУКТУРНЫХ ЕДИНИЦ на основе информации, закодированной в генах. Генетический код определяет соответствие кодонов и определённых единиц. Процесс называется ТРАНСЛЯЦИЕЙ.
НЕРИБОСОМНЫЙ СИНТЕЗ известен у низших грибов и бактерий.
ХИМИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ. Короткие цепочки могут быть синтезированы химическим путём. Метод позволяет вводить не встречающиеся в природе остатки.
ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ — более двухсот вариантов. Модификации делят на: изменения главной цепи, отщепление остатков, ограниченный распад, присоединение групп, изменения боковых цепей.
ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ
ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ТРАНСПОРТ И СОРТИРОВКА. Для попадания в отдел ячейки ВЕЩЕСТВО должно обладать меткой — лидерным фрагментом.
ПОДДЕРЖАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДЕГРАДАЦИЯ. Неправильное сворачивание приводит к агрегации. ШАПЕРОНЫ — группа, обеспечивающая правильное сворачивание. ПРОТЕОЛИЗ — ферменты, разрушающие соединения (протеазы). ОСОБЫЙ ТИП — ПРОТЕАСОМА. АУТОФАГИЯ — процесс деградации в лизосомах. JUNQ и IPOD — временные органеллы для денатурированных веществ.
ФУНКЦИИ СОЕДИНЕНИЙ В ОРГАНИЗМЕ
КАТАЛИТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ. Ферменты ускоряют реакции в 10¹⁷ раз. Активный центр — часть молекулы, обеспечивающая катализ.
СТРУКТУРНАЯ ФУНКЦИЯ. Цитоскелет, коллаген, эластин, кератин.
ЗАЩИТНАЯ ФУНКЦИЯ: физическая (коллаген, кератин), химическая (ферменты печени), иммунная (антитела).
РЕГУЛЯТОРНАЯ ФУНКЦИЯ. Факторы транскрипции, протеинкиназы.
СИГНАЛЬНАЯ ФУНКЦИЯ. Гормоны, цитокины, факторы роста. Инсулин.
ТРАНСПОРТНАЯ ФУНКЦИЯ. Гемоглобин, белки-каналы, белки-переносчики.
ЗАПАСНАЯ ФУНКЦИЯ. Резервные соединения в семенах растений и яйцеклетках.
РЕЦЕПТОРНАЯ ФУНКЦИЯ. Молекулы-рецепторы воспринимают сигнал (свет, химическое вещество).
МОТОРНАЯ ФУНКЦИЯ. Миозин, кинезин, динеин — движение ресничек, жгутиков, внутриклеточный транспорт.
СОЕДИНЕНИЯ В ОБМЕНЕ ВЕЩЕСТВ
Большинство микроорганизмов и растений могут синтезировать 20 стандартных единиц. НЕЗАМЕНИМЫЕ ЕДИНИЦЫ не синтезируются животными.
СЛАДКИЕ ВЕЩЕСТВА — группа природных растительных соединений, обладающих сладким вкусом (тауматин, браззеин, монеллин, куркулин). Они в 100-3000 раз слаще сахарозы, низкокалорийны, не влияют на выработку инсулина.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНОЙ МАТЕРИИ
МЕТОДЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ: зелёный флуоресцентный белок (GFP), иммуногистохимия, иммуноэлектронная микроскопия, сайт-направленный мутагенез.
БИОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ: центрифугирование, высаливание, хроматография (аффинная, никель-хелатная), электрофорез, масс-спектрометрия. Методы определения количества: биуретовый, Бредфорда, Лоури.
ПРОТЕОМИКА: 2D-электрофорез, масс-спектрометрия, белковые микрочипы, дрожжевая двугибридная система. ИНТЕРАКТОМ — совокупность всех взаимодействий.
ПРЕДСКАЗАНИЕ СТРУКТУРЫ И МОДЕЛИРОВАНИЕ: гомологическое моделирование, молекулярная динамика (проект Folding@home).