Информация о том, в каких продуктах содержится больше всего белка, – безусловно, важна. Но не менее важно знать о коэффициенте усвояемости протеина, который у всех продуктов разный. Так, у цельного молока и изолированного соевого белка этот показатель достигает 100 %, у говядины и рыбы – 92 %, мяса птицы – 70 %, а у продуктов растительного происхождения – 27-68 %. Поэтому, формируя здоровый рацион, важно учитывать этот критерий: если в меню преобладает белок растительного происхождения, его количество следует увеличить пропорционально коэффициенту усвояемости. Если хочется добавить в рацион больше белка, но не хочется заниматься готовкой сложных блюд из мяса или рыбы, есть отличная альтернатива: компания Herbalife предлагает протеиновые коктейли, способные заменить полноценный прием пищи. Преимущества таких смесей – это:

• быстрое приготовление. Всего 2 минуты – и вкусный завтрак/обед/ужин в стакане готов! А еще на протеиновых коктейлях готовят панкейки и блинчики, получается очень вкусно и полезно;
• высокое содержание белка и минералов. Содержится клетчатка. 1 порция – 17 грамм белка, в том числе соевого, а также 30 % антиоксидантов от дневной нормы;
• большой выбор вкусов. Дыня, маракуйя, ваниль, клубника, шоколад – и это далеко не все! 

Еще один важный нюанс. После тренировок или физических нагрузок иного рода следует отдать предпочтение животному протеину. Он эффективнее восстанавливает мышцы, чем белок растительного происхождения, что особенно актуально для тех, кто увлечен не просто похудением или здоровым образом жизни, а построением красивого тела. Поэтому лучше выбирать животные белки в продуктах, а растительные протеины предпочесть в относительно спокойные периоды физической активности.

Автор: Будь в Форме

Оцените материал!

Добавить отзыв

Отзывы

Мне казалось, что продукты богатые белком это только мясо и молоко с яйцами. Здорово, что это не так. Времени на готовку нет совершенно, протеиновые коктейли в этом плане действительно здорово выручают!

Роль белков, жиров и углеводов в организме человека

2 Видеолекторий на тему: «Роль белков, жиров и углеводов в организме человека»

Белки, жиры и углеводы играют важную роль в организме человека.

Белки—сложные вещества, состоящие из аминокислот. Являются неизменной составляющей частью рациона. Это главный строительный материал, без которого невозможен рост мускулатуры и тканей в целом. Белки подразделяются на 2 категории:

Животный, который поступает из продуктов животного происхождения. К этой категории можно отнести мясо, птицу, рыбу, молоко, творог и яйца.

Растительный, который организм получает из растений. Здесь стоит выделить рожь, овсянку, грецкие орехи, чечевицу, фасоль, сою и морские водоросли.

Жиры — это органические соединения, отвечающие за «резервный фонд» энергии в организме, главные поставщики энергии в периоды дефицита пищи и болезней, когда организм получает малый объем питательных элементов или же не получает их вовсе. Жиры необходимы для эластичности кровеносных сосудов, благодаря чему полезные элементы быстрее проникают к тканям и клеткам, способствуют нормализации состояния кожных покровов, ногтевых пластин и волос. Жиры в больших количествах содержатся в орехах, масле сливочном, маргарине, жире свином, сыре твердом.

Углеводы — это главный источник энергии для людей. В зависимости от количества структурных единиц углеводы делятся на простые и сложные. Углеводы, называемые простыми или «быстрыми», легко усваиваются организмом и повышают уровень сахара в крови, что может повлечь набор лишнего веса и ухудшение метаболизма.

Сложные углеводы состоят из множества связанных сахаридов, включая в себя от десятков до сотен элементов. Подобные углеводы считаются полезными, поскольку при переваривании в желудке они отдают свою энергию постепенно, обеспечивая стабильное и долговременное чувство насыщения.

Также важную роль в организме играют витамины и микроэлементы, которые не включены в структуру тканей, однако без их участия не выполнялись бы многие жизненно важные функции, происходящие в человеческом организме.

Практически все жизненные процессы в нашем теле находятся в зависимости от того, что мы употребляем в пищу. Достаточно богаты углеводами свежие фрукты. Необходимо избегать чрезмерного употребления сладостей, мучных изделий, сахара. Рациональное питание имеет существенное значение  – и это подразумевает не только своевременное употребление вкусно приготовленной еды, но и включение в ежедневный рацион оптимального соотношения таких важных для правильной жизнедеятельности веществ, как белки, жиры, углеводы, витамины и микроэлементы. От  гармоничного сочетания всех этих веществ зависит поддержание нормальной  жизнедеятельности человека.

Структура белка | Изучайте науку в Scitable

Строительными блоками белков являются аминокислоты, которые представляют собой небольшие органические молекулы, состоящие из альфа (центрального) атома углерода, связанного с аминогруппой, карбоксильной группы, атома водорода и вариабельного компонента, называемого боковой цепью (см. Ниже ). Внутри белка несколько аминокислот связаны между собой пептидными связями , тем самым образуя длинную цепь. Пептидные связи образуются в результате биохимической реакции, которая извлекает молекулу воды, поскольку она соединяет аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой соседней аминокислоты.Линейная последовательность аминокислот в белке считается первичной структурой белка.

Белки состоят из набора всего из двадцати аминокислот, каждая из которых имеет уникальную боковую цепь. Боковые цепи аминокислот имеют разный химический состав. Самая большая группа аминокислот имеет неполярные боковые цепи. Некоторые другие аминокислоты имеют боковые цепи с положительными или отрицательными зарядами, в то время как другие имеют полярные, но незаряженные боковые цепи. Химический состав боковых цепей аминокислот имеет решающее значение для структуры белка, потому что эти боковые цепи могут связываться друг с другом, чтобы удерживать длину белка в определенной форме или конформации.Боковые цепи заряженных аминокислот могут образовывать ионные связи, а полярные аминокислоты способны образовывать водородные связи. Гидрофобные боковые цепи взаимодействуют друг с другом посредством слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий. Подавляющее большинство связей, образованных этими боковыми цепями, нековалентны. Фактически, цистеины — единственные аминокислоты, способные образовывать ковалентные связи, что они и делают со своими конкретными боковыми цепями. Из-за взаимодействий боковых цепей последовательность и расположение аминокислот в конкретном белке определяют, где в этом белке происходят изгибы и складки (рис. 1).

Рис. 1. Взаимосвязь между боковыми цепями аминокислот и конформацией белка

Определяющим признаком аминокислоты является ее боковая цепь (вверху — синий кружок; внизу — все цветные кружки). Когда аминокислоты соединяются серией пептидных связей, они образуют полипептид, другое слово для обозначения белка. Затем полипептид сворачивается в определенную конформацию в зависимости от взаимодействий (пунктирные линии) между его боковыми аминокислотными цепями.

Рисунок 2: Структура белка бактериородопсина

Бактериородопсин — это мембранный белок бактерий, который действует как протонный насос. Его форма важна для его функции. Общая структура белка включает как альфа-спирали (зеленый), так и бета-листы (красный).

Окончательная форма, принятая вновь синтезированным белком, обычно является наиболее энергетически выгодной.Когда белки сворачиваются, они тестируют множество конформаций, прежде чем достичь своей окончательной формы, которая является уникальной и компактной. Сложенные белки стабилизированы тысячами нековалентных связей между аминокислотами. Кроме того, химические силы между белком и его непосредственным окружением способствуют формированию и стабильности белка. Например, белки, растворенные в цитоплазме клетки, имеют на своей поверхности гидрофильные (водолюбивые) химические группы, тогда как их гидрофобные (водоотталкивающие) элементы имеют тенденцию скрываться внутри.Напротив, белки, которые вставлены в клеточные мембраны, демонстрируют некоторые гидрофобные химические группы на своей поверхности, особенно в тех областях, где поверхность белка подвергается воздействию липидов мембран. Однако важно отметить, что полностью свернутые белки не замораживаются. Скорее, атомы в этих белках остаются способными совершать небольшие движения.

Несмотря на то, что белки считаются макромолекулами, они слишком малы, чтобы их можно было визуализировать даже в микроскоп.Итак, ученые должны использовать косвенные методы, чтобы выяснить, как они выглядят и как сложены. Наиболее распространенным методом исследования структуры белков является рентгеновская кристаллография . С помощью этого метода твердые кристаллы очищенного белка помещаются в пучок рентгеновских лучей, и картина отклоненных рентгеновских лучей используется для прогнозирования положений тысяч атомов в кристалле белка.

Что такое белки и для чего они нужны ?: MedlinePlus Genetics

Белки — это большие сложные молекулы, которые играют важную роль в организме.Они выполняют большую часть работы в клетках и необходимы для структуры, функции и регулирования тканей и органов тела.

Белки состоят из сотен или тысяч более мелких единиц, называемых аминокислотами, которые связаны друг с другом длинными цепями. Существует 20 различных типов аминокислот, которые можно комбинировать для получения белка. Последовательность аминокислот определяет уникальную трехмерную структуру каждого белка и его конкретную функцию. Аминокислоты кодируются комбинациями трех строительных блоков ДНК (нуклеотидов), определяемых последовательностью генов.

Белки можно описать в соответствии с их широким спектром функций в организме, перечисленных в алфавитном порядке:

Четыре типа структуры белка

Белки — это биологические полимеры, состоящие из аминокислот.Аминокислоты, связанные пептидными связями, образуют полипептидную цепь. Одна или несколько полипептидных цепей, скрученных в трехмерную форму, образуют белок. Белки имеют сложную форму, которая включает в себя различные складки, петли и изгибы. Сворачивание белков происходит спонтанно. Химическая связь между частями полипептидной цепи помогает удерживать белок вместе и придавать ему форму. Есть два основных класса белковых молекул: глобулярные белки и волокнистые белки. Глобулярные белки обычно компактны, растворимы и имеют сферическую форму.Волокнистые белки обычно имеют удлиненную форму и нерастворимы. Глобулярные и волокнистые белки могут иметь один или несколько из четырех типов белковой структуры.

Четыре типа структуры белка

Четыре уровня структуры белка отличаются друг от друга степенью сложности полипептидной цепи. Одна молекула белка может содержать один или несколько типов структуры белка: первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуру.

1.Первичная структура

Первичная структура описывает уникальный порядок, в котором аминокислоты соединяются вместе с образованием белка. Белки состоят из 20 аминокислот. Обычно аминокислоты обладают следующими структурными свойствами:

• Углерод (альфа-углерод), связанный с четырьмя группами ниже:
• Атом водорода (H)
• Карбоксильная группа (-COOH)
• Аминогруппа (-Nh3)
• Группа «переменная» или группа «R»

Все аминокислоты имеют альфа-углерод, связанный с атомом водорода, карбоксильной группой и аминогруппой.Группа «R» варьируется среди аминокислот и определяет различия между этими мономерами белка. Аминокислотная последовательность белка определяется информацией, содержащейся в клеточном генетическом коде. Порядок аминокислот в полипептидной цепи уникален и специфичен для конкретного белка. Изменение одной аминокислоты вызывает мутацию гена, которая чаще всего приводит к нефункционирующему белку.

2. Вторичная структура

Вторичная структура относится к свертыванию или сворачиванию полипептидной цепи, которая придает белку его трехмерную форму.В белках наблюдаются два типа вторичных структур. Одним из типов является структура альфа (α) спирали . Эта структура напоминает спиральную пружину и закреплена водородными связями в полипептидной цепи. Второй тип вторичной структуры белков — это бета (β) складчатый лист . Эта структура выглядит складчатой ​​или складчатой ​​и удерживается вместе за счет водородных связей между полипептидными единицами сложенной цепи, которые лежат рядом друг с другом.

3.Третичная структура

Третичная структура относится к комплексной трехмерной структуре полипептидной цепи белка. Существует несколько типов связей и сил, удерживающих белок в его третичной структуре.

• Гидрофобные взаимодействия в значительной степени способствуют укладке и формированию белка. Группа «R» аминокислоты является гидрофобной или гидрофильной. Аминокислоты с гидрофильными группами «R» будут стремиться к контакту со своей водной средой, в то время как аминокислоты с гидрофобными группами «R» будут стремиться избегать воды и располагаться к центру белка.
• Водородная связь в полипептидной цепи и между аминокислотными «R» группами помогает стабилизировать структуру белка, удерживая белок в форме, установленной гидрофобными взаимодействиями.
• Из-за сворачивания белка ионная связь может возникать между положительно и отрицательно заряженными группами «R», которые находятся в тесном контакте друг с другом.
• Сворачивание также может приводить к ковалентному связыванию между группами «R» аминокислот цистеина.Этот тип связывания образует так называемый дисульфидный мостик . Взаимодействия, называемые силами Ван-дер-Ваальса, также способствуют стабилизации структуры белка. Эти взаимодействия относятся к силам притяжения и отталкивания, возникающим между поляризованными молекулами. Эти силы способствуют образованию связей между молекулами.

4. Четвертичная структура

Четвертичная структура относится к структуре макромолекулы белка, образованной взаимодействиями между несколькими полипептидными цепями.Каждая полипептидная цепь называется субъединицей. Белки с четвертичной структурой могут состоять более чем из одной белковой субъединицы одного типа. Они также могут состоять из разных субъединиц. Гемоглобин — это пример белка с четвертичной структурой. Гемоглобин, содержащийся в крови, представляет собой железосодержащий белок, связывающий молекулы кислорода. Он содержит четыре субъединицы: две альфа-субъединицы и две бета-субъединицы.

Как определить тип структуры белка

Трехмерная форма белка определяется его первичной структурой.Порядок аминокислот определяет структуру и конкретную функцию белка. Четкие инструкции по порядку аминокислот обозначаются генами в клетке. Когда клетка осознает потребность в синтезе белка, ДНК распадается и транскрибируется в РНК-копию генетического кода. Этот процесс называется транскрипцией ДНК. Затем копия РНК транслируется с образованием белка. Генетическая информация в ДНК определяет конкретную последовательность аминокислот и конкретный производимый белок.Белки являются примерами одного типа биологического полимера. Наряду с белками, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты составляют четыре основных класса органических соединений в живых клетках.

Новая вселенная мини-протеинов меняет клеточную биологию и генетику | Наука

Автор: Митч Лесли, 17 октября 2019 г., 14:00

Мыши посрамляют бегунов-людей.Несмотря на скромные успехи, грызуны могут преодолевать 10 и более километров за ночь на колесе для упражнений. Но выделялись мыши, которых мышечный биолог Эрик Олсон из Юго-Западного медицинского центра Техасского университета в Далласе и его коллеги представили в 2015 году. На беговой дорожке мыши могли суетиться по крутому склону 10% в течение примерно 90 минут, прежде чем споткнуться, что на 31% дольше, чем у других грызунов. Эти железные мыши отличались от своих собратьев только одним небольшим отличием — исследователи генетически изменили животных так, чтобы им не хватало одного мышечного белка.Этого было достаточно, чтобы развязать превосходную мышечную производительность. «Как будто вы отключили тормоза», — говорит Олсон.

Столь же поразительной была природа важнейшего белка. В мышцах содержится огромное количество белков. Дистрофин, структурный белок, ген которого может нести мутации, вызывающие мышечную дистрофию, содержит более 3600 аминокислот. Титин, который действует как пружина, придавая мышцам эластичность, является крупнейшим известным белком, содержащим более 34 000 аминокислот. Белок, отключенный у мышей, имеет ничтожное значение 46.Хотя исследователи изучали, как работают мышцы более 150 лет, они полностью упустили из виду огромное влияние этого крошечного белка, называемого миорегулин, на функцию мышц.

Не только Олсон и его коллеги были ошеломлены белками лилипутов. Как теперь понимают ученые, их первоначальные правила анализа геномов дискриминировали идентификацию этих молекул размером с пинту. Теперь более широкие критерии и лучшие методы обнаружения позволяют обнаруживать крошечные белки тысячами, не только у мышей, но и у многих других видов, включая человека.«Впервые мы собираемся исследовать эту вселенную новых белков, — говорит биохимик Джонатан Вайсман из Калифорнийского университета в Сан-Франциско.

Биологи только начинают вникать в функции этих молекул, называемых микробелками, микропептидами или минипротеинами. Но их небольшой размер, кажется, позволяет им блокировать сложную работу более крупных белков, подавляя одни клеточные процессы и высвобождая другие. Ранние результаты показывают, что микробелки укрепляют иммунную систему, контролируют разрушение дефектных молекул РНК, защищают бактерии от жары и холода, определяют время цветения растений и обеспечивают токсичный удар для многих типов яда.«Вероятно, во всех биологических процессах будут участвовать небольшие [белки]. Мы просто не искали их раньше», — говорит биохимик Алан Сагателиан из Института биологических исследований Солка в Сан-Диего, Калифорния.

Яд этого хищного водяного клопа содержит более десятка мелких белков.

Маленькие белки также обещают пересмотреть текущее понимание генома.Многие из них, по-видимому, закодированы в участках ДНК и РНК, которые, как считалось, не помогают строить какие-либо белки. Некоторые исследователи предполагают, что короткие участки ДНК могут быть генами новорожденных, которые эволюционируют в более крупные гены, которые производят полноразмерные белки. Отчасти благодаря небольшим белкам, «нам нужно переосмыслить, что такое гены», — говорит микробиолог и молекулярный биолог Гизела Сторц из Национального института здоровья детей и развития человека в Бетесде, штат Мэриленд.

Несмотря на остающуюся загадку, ученые уже исследуют потенциальные возможности использования этих молекул.Одна компания продает инсектициды, полученные из небольших белков яда австралийского воронкообразного паука. В ходе клинических испытаний оценивается агент визуализации на основе еще одного крошечного белка в яде скорпиона, предназначенный для выделения границ опухолей, чтобы хирурги могли удалить их более точно. «Многие фармацевтические компании сейчас ищут небольшие белки с медицинским потенциалом», — говорит биохимик Гленн Кинг из Университета Квинсленда в Сент-Люсии, Австралия. «Это одно из самых быстрорастущих направлений.«

Другие короткие аминокислотные цепи, часто называемые пептидами или полипептидами, изобилуют клетками, но они представляют собой урезанные остатки более крупных предшественников. Миорегулин и его миниатюрные собратья, напротив, рождаются маленькими. Насколько они могут быть крошечными, остается неясным. Как отмечает специалист по геномике микробов Ами Бхатт из Стэнфордского университета в Пало-Альто, Калифорния, плодовые мушки полагаются на микропротеин с 11 аминокислотами для роста нормальных ног, а некоторые микробы могут вырабатывать белки длиной менее 10 аминокислот.Но даже самые большие маленькие белки не соответствуют белкам среднего размера, таким как альфа-амилаза, фермент из 496 аминокислот в нашей слюне, который расщепляет крахмал.

До недавнего времени было обнаружено несколько небольших белков, поскольку критерий для идентификации генов был установлен около 20 лет назад. Когда ученые анализируют геном организма, они часто сканируют открытые рамки считывания (ORF), которые представляют собой последовательности ДНК, разграниченные сигналами, которые сообщают рибосомам клетки, ее линиям сборки белка, где начать и где остановиться.Отчасти для того, чтобы избежать большого количества данных, прошлые исследователи обычно исключали любую ORF, которая дала бы белок, содержащий менее 100 аминокислот у эукариот или 50 аминокислот у бактерий. Например, в дрожжах этот порог ограничивал список ORF примерно до 6000.

Ослабление этого критерия показывает, что клетки несут значительно больше ORF. Ранее в этом году постдок из Стэнфорда Хила Сберро Ливнат, Бхатт и его коллеги исследовали фрагменты генома микробов, населяющих четыре части человеческого тела, включая кишечник и кожу.Путем поиска небольших ORF, которые могут кодировать белки длиной от пяти до 50 аминокислот, исследователи идентифицировали около 4000 семейств потенциальных микропротеинов. Почти половина из них не похожи на известные белки, но последовательность для одной маленькой ORF предполагает, что соответствующий белок находится в рибосомах — это намек на то, что он может играть фундаментальную роль. «Не только гены с эзотерическими функциями были упущены из виду», когда ученые упускали из виду небольшие ОРС, — говорит Бхатт. «Это гены с ключевыми функциями.«

Впервые мы собираемся исследовать эту вселенную новых белков.

Джонатан Вайсман, Калифорнийский университет, Сан-Франциско

Другие клетки также содержат огромное количество коротких открытых рамок считывания — например, дрожжи могут производить более 260 000 молекул, содержащих от двух до 99 аминокислот. Но клетки почти наверняка не используют все эти открытые рамки считывания, и некоторые из производимых ими аминокислотных цепочек могут не работать. В 2011 году, обнаружив более 600000 коротких ORF в геноме плодовой мухи, генетик по вопросам развития Хуан Пабло Кузо из Университета Сассекса в Брайтоне, США.К. и коллеги пытались сократить число. Они рассудили, что, если конкретная ORF имеет идентичную или почти идентичную копию у родственного вида, вероятность того, что это геномный мусор, меньше. После поиска генома другой плодовой мушки и анализа других доказательств того, что последовательности транслируются, группа в конечном итоге получила более управляемую цифру в 401 короткую ORF, которая может давать микробелки. Это по-прежнему составляет значительную часть белкового репертуара насекомых — они содержат около 22 000 полноразмерных белков.

Вайсман и его коллеги обнаружили микробелки вторым путем, с помощью метода, который они изобрели, чтобы в целом определить, какие белки производят клетки. Чтобы создать любой белок, клетка сначала копирует ген в информационную РНК. Затем рибосомы считывают мРНК и соединяют аминокислоты в указанном порядке. Посредством секвенирования мРНК, прикрепленных к рибосомам, Вайсман и его команда точно определяют, какие клетки фактически превращаются в белки, а где на РНК рибосома начинает считываться. В исследовании Cell 2011 года он и его команда применили этот метод профилирования рибосом, также называемый Ribo-seq, к эмбриональным стволовым клеткам мыши и обнаружили, что клетки вырабатывают тысячи неожиданных белков, в том числе многие из них ниже 100-аминокислотной — отсечка кислоты.«Было совершенно ясно, что стандартное понимание игнорировало большую вселенную белков, многие из которых были короткими», — говорит Вайсман.

Сагательян и его коллеги применили третий подход, чтобы обнаружить кладезь микробелков в наших собственных клетках. Исследователи использовали масс-спектрометрию, которая включает разбиение белков на части, которые сортируются по массе, чтобы получить отличительный спектр для каждого белка. Сагателян, его тогдашний постдок Сара Славофф и коллеги применили этот метод к смесям белков из человеческих клеток, а затем вычли сигнатуры известных белков.Этот подход позволил выявить спектры 86 ранее не обнаруженных крошечных белков, самые маленькие из которых имеют длину всего 18 аминокислот, сообщили исследователи в 2013 году в статье Nature Chemical Biology .

Малый размер ограничивает возможности белка. Более крупные белки складываются в сложные формы, подходящие для определенной функции, например, для катализирования химических реакций. По словам химика Хулио Камареро из Университета Южной Калифорнии в Лос-Анджелесе, белки с размером меньше 50-60 аминокислот, вероятно, не складываются.Так что они, вероятно, не подходят в качестве ферментов или структурных белков.

Однако их миниатюрный размер также открывает новые возможности. «Они достаточно крошечные, чтобы поместиться в укромных уголках и трещинах более крупных белков, которые функционируют как каналы и рецепторы», — говорит Олсон. Маленькие белки часто разделяют короткие отрезки аминокислот со своими более крупными партнерами и поэтому могут связываться с этими белками и изменять их активность. Связанные микробелки также могут переносить более крупные молекулы в новые места, например, помогая им проникать в клеточные мембраны.

Микропротеин в яде скорпиона-ловца смерти был слит с флуоресцентным красителем, чтобы опухоли испускали свет в ближнем инфракрасном диапазоне. ( 1 ) Опухоль в видимом свете ( 2 ) Та же опухоль в видимом и ближнем инфракрасном свете

Из-за их притяжения к более крупным белкам маленькие белки могут дать клеткам обратимый способ включать или выключать более крупные белки.В исследовании 2016 года, проведенном в PLOS Genetics , биолог по развитию растений Стефан Венкель из Копенгагенского университета и его коллеги генетически изменили растения Arabidopsis для производства дополнительных количеств двух небольших белков. Обычно растения зацветают, когда дни достаточно длинные, но когда они производят избыточное количество двух микробелков, их цветение откладывается. Маленькие белки вызвали эту задержку, блокируя здоровенный белок CONSTANS, который запускает цветение. Они привязывают CONSTANS к другим ингибирующим белкам, которые его отключают.«Клетка использует то, что помогает ей выжить. Если короткий белок выполняет свою работу, это нормально», — говорит Сагателян.

Эти задания включают в себя другие ключевые задачи. В 2016 году Славофф, Сагательян и его коллеги обнаружили, что человеческие клетки производят 68-аминокислотный белок, который они назвали NoBody, который может помочь управлять разрушением неисправных или ненужных молекул мРНК. Название NoBody отражает его роль в предотвращении образования процессинговых телец (P-телец), загадочных кластеров в цитоплазме, где может происходить распад РНК.Когда белок отсутствует, образуется больше Р-телец, что ускоряет разрушение РНК и изменяет внутреннюю структуру клетки. «Это показывает, что небольшие белки могут оказывать огромное влияние на клетку», — говорит Славофф.

Мышцы зависят от множества микробелков. Во время эмбрионального развития отдельные мышечные клетки сливаются в волокна, обеспечивающие сокращение. Миомиксер из 84 аминокислотных белков объединяется с более крупным белком, чтобы объединить клетки, сообщила группа Олсона в 2017 году в Science .Без него эмбриональные мыши не могут формировать мышцы и почти прозрачны.

Позже миорегулин начинает регулировать мышечную активность. Когда мышца получает стимул, клетки-хранилища высыпают кальций, заставляя волокна сокращаться и генерировать силу. Затем ионный насос SERCA начинает возвращать кальций в запасы, позволяя мышечным волокнам расслабиться. Команда Олсона обнаружила, что миорегулин связывается с SERCA и ингибирует его. Эффект ограничивает частоту сокращения мускулов мыши — возможно, гарантируя, что у животного есть запас мускулов на случай чрезвычайной ситуации, например, при побеге от хищника.Другой небольшой белок, DWORF, имеет противоположный эффект, высвобождая SERCA и позволяя мышце многократно сокращаться.

Даже широко изученные организмы, такие как кишечная бактерия Escherichia coli , содержат неожиданные небольшие белки, которые выполняют важные функции. В 2012 году Сторц и ее команда сообщили, что ранее неизвестный белок из 49 аминокислот под названием AcrZ помогает микробу выжить при некоторых антибиотиках, стимулируя насос, который выталкивает лекарства.

А яд, производимый множеством организмов, включая пауков, многоножек, скорпионов и ядовитых моллюсков, изобилует крошечными белками.Многие компоненты яда выводят из строя или убивают, блокируя каналы для натрия или других ионов, которые необходимы для передачи нервных импульсов. Маленькие белки «поражают эти ионные каналы с удивительной специфичностью и эффективностью», — говорит Кинг. «Они являются основными компонентами ядов и ответственны за большинство фармакологических и биологических эффектов».

Австралийский гигантский водяной клоп, убивающий рыбу, например, полагается не только на острые когти и похожие на копья рты, чтобы подчинить себе добычу. Он вводит своим жертвам смесь из более чем 130 белков, 15 из которых содержат менее 100 аминокислот, сообщили Кинг и его коллеги в прошлом году.

В отличие от гигантских белков, таких как антитела, микропротеины, доставляемые с помощью таблеток или инъекций, могут проникать в клетки и изменять их функции. Каптоприл, первый из класса лекарств от высокого кровяного давления, известных как ингибиторы ангиотензинпревращающего фермента, был разработан из небольшого белка в яде бразильской гадюки. Но лекарство, которое Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов одобрило для продажи в Соединенных Штатах в 1981 году, было обнаружено случайно, еще до того, как ученые выделили небольшие белки в отдельную группу.На данный момент только несколько микробелков вышли на рынок или в клинические испытания.

Исследователи рака пытаются извлечь выгоду из микробелка в яде скорпиона-ловца смерти ( Leiurus quinquestriatus ) из Африки и Ближнего Востока. Молекула имеет загадочное притяжение к опухолям. Объединив его с флуоресцентным красителем, ученые надеются осветить границы опухолей головного мозга, чтобы хирурги могли безопасно вырезать раковые ткани. «Он освещает опухоль. Вы можете увидеть края и метастазы», ​​- говорит Кинг.В настоящее время проводится клиническое исследование, посвященное оценке того, может ли двойная молекула помочь хирургам удалять опухоли головного мозга у детей.

Насколько важны малые белки для медицины, пока неизвестно, но они уже опровергли несколько биологических предположений. Генетик Норберт Хюбнер из Центра молекулярной медицины Макса Дельбрюка в Берлине и его коллеги обнаружили десятки новых микробелков в клетках сердца человека. Группа проследила их до неожиданного источника: короткие последовательности в длинных некодирующих РНК, разновидность, которая, как считалось, не продуцирует белки.После идентификации 169 длинных некодирующих РНК, которые, вероятно, считывались рибосомами, Хюбнер и его команда использовали тип масс-спектрометрии, чтобы подтвердить, что более половины из них дают микробелки в клетках сердца, результат был сообщен ранее в этом году в Cell .

Бактерии, такие как Escherichia coli , также производят множество микробелков, хотя их функции во многих случаях остаются неясными.

Последовательности ДНК других крошечных белков также встречаются в нетрадиционных местах.Например, некоторые из них находятся рядом с открытыми рамками считывания для более крупных белков. Ранее исследователи думали, что эти последовательности помогают управлять производством более крупных белков, но редко дают начало самим белкам. Некоторые кодирующие последовательности для недавно открытых микробелков даже вложены в последовательности, кодирующие другие, более длинные белки.

Эти геномные сюрпризы могут пролить свет на то, как возникают новые гены, говорит биолог-эволюционист Анн-Руксандра Карвунис из Университета Питтсбурга в Пенсильвании.Исследователи думали, что большинство новых генов возникает, когда существующие гены дублируются или сливаются, или когда виды обмениваются ДНК. Но для Карвуниса микробелки предполагают, что протогены могут образовываться, когда мутации создают новые сигналы запуска и остановки в некодирующей части генома. Если полученная в результате ORF продуцирует полезный белок, новые последовательности останутся в геноме и будут подвергаться естественному отбору, в конечном итоге превратившись в более крупные гены, которые кодируют более сложные белки.

В исследовании 2012 года Карвунис, который тогда был постдоком в лаборатории Марка Видаля в Институте рака Дана-Фарбер в Бостоне, и его коллеги обнаружили, что дрожжи транслируют более 1000 коротких ORF в белки, подразумевая, что эти последовательности являются протогенами.В новом исследовании Карвунис и ее команда проверили, могут ли молодые ORF быть полезными для клеток. Они генетически изменили дрожжи, чтобы увеличить выход 285 недавно разработанных ORF, большинство из которых кодируют молекулы, которые меньше стандартного порогового значения белка или чуть выше него. Для почти 10% белков увеличение их уровней усиливало рост клеток по крайней мере в одной среде. Результаты, опубликованные на сервере препринтов bioRxiv, предполагают, что эти последовательности могут стать полноценными генами, говорит Карвунис.

Славофф до сих пор вспоминает, как был поражен, когда во время собеседования на постдока с Сагательяном он спросил, не захочет ли она пойти на охоту за маленькими белками. «Я никогда не думал, что может существовать такой размер белков, который до сих пор был для нас темным».

Но ставка окупилась — теперь у нее есть собственная лаборатория по поиску микробелков. Недавно она рассказала некоторым из своих постдоков и аспирантов об одном из наиболее изученных организмов, штамме K12 E.coli. Вскоре команда обнаружила пять новых микробелков. «Мы, вероятно, только царапаем поверхность», — говорит она.

белков — Биология 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Опишите функции, которые белки выполняют в клетке и тканях
• Обсудить взаимосвязь между аминокислотами и белками
• Объясните четыре уровня белковой организации
• Опишите способы, которыми связаны форма и функция белка

Белки являются одними из наиболее распространенных органических молекул в живых системах и обладают самым разнообразным набором функций среди всех макромолекул.Белки могут быть структурными, регуляторными, сократительными или защитными. Они могут служить для транспортировки, хранения или перепонки; или они могут быть токсинами или ферментами. Каждая клетка в живой системе может содержать тысячи белков, каждый из которых выполняет уникальную функцию. Их структуры, как и их функции, сильно различаются. Однако все они представляют собой аминокислотные полимеры, расположенные в линейной последовательности.

Типы и функции белков

Ферменты, которые вырабатывают живые клетки, являются катализаторами биохимических реакций (например, пищеварения) и обычно представляют собой сложные или конъюгированные белки.Каждый фермент специфичен для субстрата (реагента, который связывается с ферментом), на который он действует. Фермент может помочь в реакциях разложения, перегруппировки или синтеза. Мы называем ферменты, расщепляющие субстраты, катаболическими ферментами. Те, которые строят более сложные молекулы из своих субстратов, являются анаболическими ферментами, а ферменты, которые влияют на скорость реакции, являются каталитическими ферментами. Обратите внимание, что все ферменты увеличивают скорость реакции и, следовательно, являются органическими катализаторами. Примером фермента является амилаза слюны, которая гидролизует свою субстратную амилозу, компонент крахмала.

Гормоны — это химические сигнальные молекулы, обычно небольшие белки или стероиды, секретируемые эндокринными клетками, которые контролируют или регулируют определенные физиологические процессы, включая рост, развитие, метаболизм и размножение. Например, инсулин — это белковый гормон, который помогает регулировать уровень глюкозы в крови. (Рисунок) перечислены основные типы и функции белков.

Белки имеют разную форму и молекулярную массу.Некоторые белки имеют шаровидную форму; тогда как другие имеют волокнистую природу. Например, гемоглобин — это глобулярный белок, а коллаген, находящийся в нашей коже, — это волокнистый белок. Форма белка имеет решающее значение для его функции, и многие различные типы химических связей поддерживают эту форму. Изменения температуры, pH и воздействие химикатов могут привести к необратимым изменениям формы белка, что приведет к потере функции или денатурации. Все белки содержат разные расположения одних и тех же 20 типов аминокислот.Недавно были открыты две редкие новые аминокислоты (селеноцистеин и пирролизин), и к этому списку могут быть добавлены новые открытия.

Аминокислоты

Аминокислоты — это мономеры, из которых состоят белки. Каждая аминокислота имеет одинаковую фундаментальную структуру, которая состоит из центрального атома углерода или альфа ( α ) углерода, связанного с аминогруппой (NH ₂ ), карбоксильной группой (COOH) и водородом. атом. Каждая аминокислота также имеет другой атом или группу атомов, связанных с центральным атомом, известную как группа R ((рисунок)).

Аминокислоты имеют центральный асимметричный атом углерода, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и боковая цепь (группа R).

Ученые используют название «аминокислота», потому что эти кислоты содержат как аминогруппу, так и карбоксильную кислотную группу в своей основной структуре. Как мы уже упоминали, в белках присутствует 20 распространенных аминокислот. Девять из них являются незаменимыми аминокислотами для человека, потому что человеческий организм не может их производить, и мы получаем их из своего рациона.Для каждой аминокислоты группа R (или боковая цепь) отличается ((рисунок)).

Визуальное соединение

В белках обычно встречаются 20 общих аминокислот, каждая из которых имеет свою R-группу (вариантная группа), которая определяет его химическую природу.

Какие категории аминокислот вы ожидаете найти на поверхности растворимого белка, а какие — внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в липидный бислой?

Химическая природа боковой цепи определяет природу аминокислоты (то есть, является ли она кислотной, основной, полярной или неполярной).Например, аминокислота глицин имеет атом водорода в качестве группы R. Аминокислоты, такие как валин, метионин и аланин, неполярны или гидрофобны по природе, тогда как аминокислоты, такие как серин, треонин и цистеин, полярны и имеют гидрофильные боковые цепи. Боковые цепи лизина и аргинина заряжены положительно, поэтому эти аминокислоты также являются основными аминокислотами. Пролин имеет группу R, которая связана с аминогруппой, образуя кольцеобразную структуру. Пролин является исключением из стандартной структуры аминокислоты, поскольку его аминогруппа не отделена от боковой цепи ((рисунок)).

Одна заглавная буква или трехбуквенное сокращение обозначают аминокислоты. Например, буква V или трехбуквенный символ val обозначают валин. Так же, как некоторые жирные кислоты необходимы для диеты, некоторые аминокислоты также необходимы. Эти незаменимые аминокислоты у человека включают изолейцин, лейцин и цистеин. Незаменимые аминокислоты относятся к тем, которые необходимы для создания белков в организме, но не к тем, которые организм производит. Какие аминокислоты являются незаменимыми, варьируется от организма к организму.

Последовательность и количество аминокислот в конечном итоге определяют форму, размер и функцию белка. Ковалентная связь или пептидная связь присоединяется к каждой аминокислоте, образуя реакцию дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты и аминогруппа входящей аминокислоты объединяются, высвобождая молекулу воды. Полученная связь представляет собой пептидную связь ((Рисунок)).

Образование пептидной связи — это реакция синтеза дегидратации. Карбоксильная группа одной аминокислоты связана с аминогруппой входящей аминокислоты.В процессе он высвобождает молекулу воды.

Продукты, образующиеся при таких связях, являются пептидами. Чем больше аминокислот присоединяется к этой растущей цепи, получающаяся цепь представляет собой полипептид. Каждый полипептид имеет свободную аминогруппу на одном конце. Этот конец является N-концом или амино-концом, а другой конец имеет свободную карбоксильную группу, а также C или карбоксильный конец. Хотя термины полипептид и белок иногда используются как взаимозаменяемые, полипептид технически представляет собой полимер аминокислот, тогда как термин белок используется для полипептида или полипептидов, которые объединились вместе, часто имеют связанные непептидные простетические группы, имеют различную форму. , и имеют уникальную функцию.После синтеза (трансляции) белков большинство белков модифицируются. Они известны как посттрансляционные модификации. Они могут подвергаться расщеплению, фосфорилированию или могут потребовать добавления других химических групп. Только после этих модификаций белок становится полностью функциональным.

Evolution Connection

Эволюционное значение цитохрома c Цитохром c является важным компонентом цепи переноса электронов, частью клеточного дыхания, и обычно он располагается в клеточной органелле, митохондрии.Этот белок имеет простетическую группу гема, и центральный ион гема поочередно восстанавливается и окисляется во время переноса электрона. Поскольку роль этого важного белка в производстве клеточной энергии имеет решающее значение, за миллионы лет он очень мало изменился. Секвенирование белков показало, что существует значительная гомология аминокислотных последовательностей цитохрома с среди различных видов. Другими словами, мы можем оценить эволюционное родство, измеряя сходства или различия между последовательностями ДНК или белков различных видов.

Ученые определили, что цитохром с человека содержит 104 аминокислоты. Для каждой молекулы цитохрома с из разных организмов, которые ученые секвенировали на сегодняшний день, 37 из этих аминокислот находятся в одном и том же положении во всех образцах цитохрома с. Это указывает на то, что, возможно, был общий предок. При сравнении последовательностей белков человека и шимпанзе ученые не обнаружили разницы в последовательностях. Когда исследователи сравнили последовательности человека и макаки-резуса, единственное различие было в одной аминокислоте.В другом сравнении секвенирование человека и дрожжей показывает разницу в 44-м положении.

Структура белка

Как мы обсуждали ранее, форма белка имеет решающее значение для его функции. Например, фермент может связываться со специфическим субстратом в активном центре. Если этот активный сайт изменяется из-за локальных изменений или изменений в общей структуре белка, фермент может быть неспособен связываться с субстратом. Чтобы понять, как белок приобретает свою окончательную форму или конформацию, нам необходимо понять четыре уровня структуры белка: первичный, вторичный, третичный и четвертичный.

Первичная структура

Уникальная последовательность аминокислот в полипептидной цепи является ее первичной структурой. Например, гормон поджелудочной железы инсулин имеет две полипептидные цепи, А и В, и они связаны между собой дисульфидными связями. N-концевая аминокислота A-цепи представляет собой глицин; тогда как С-концевой аминокислотой является аспарагин ((рисунок)). Аминокислотные последовательности в цепях A и B уникальны для инсулина.

Инсулин бычьей сыворотки — это белковый гормон, состоящий из двух пептидных цепей: A (длина 21 аминокислота) и B (длина 30 аминокислот).В каждой цепи трехбуквенные сокращения, которые представляют названия аминокислот в том порядке, в котором они присутствуют, указывают на первичную структуру. Аминокислота цистеин (cys) имеет сульфгидрильную (SH) группу в качестве боковой цепи. Две сульфгидрильные группы могут реагировать в присутствии кислорода с образованием дисульфидной (S-S) связи. Две дисульфидные связи соединяют цепи A и B вместе, а третья помогает цепи A свернуться в правильную форму. Обратите внимание, что все дисульфидные связи имеют одинаковую длину, но для ясности мы изобразили их разного размера.

Ген, кодирующий белок, в конечном итоге определяет уникальную последовательность для каждого белка. Изменение нуклеотидной последовательности кодирующей области гена может привести к добавлению другой аминокислоты к растущей полипептидной цепи, вызывая изменение структуры и функции белка. При серповидно-клеточной анемии цепь гемоглобина β (небольшая часть которой показана на рисунке) имеет единственную аминокислотную замену, вызывающую изменение структуры и функции белка.В частности, валин в цепи β заменяет глутаминовую аминокислоту. Примечательно, что молекула гемоглобина состоит из двух альфа- и двух бета-цепей, каждая из которых состоит примерно из 150 аминокислот. Таким образом, молекула содержит около 600 аминокислот. Структурное различие между нормальной молекулой гемоглобина и молекулой серповидноклеточных клеток — что резко снижает продолжительность жизни — состоит в одной из 600 аминокислот. Что еще более примечательно, так это то, что каждый из трех нуклеотидов кодирует эти 600 аминокислот и одно изменение основания (точечная мутация), 1 из 1800 оснований вызывает мутацию.

Бета-цепь гемоглобина имеет длину 147 остатков, однако единственная аминокислотная замена приводит к серповидно-клеточной анемии. В нормальном гемоглобине аминокислота в седьмом положении — глутамат. В серповидно-клеточном гемоглобине глутамат заменяет валин.

Из-за этого изменения одной аминокислоты в цепи молекулы гемоглобина образуют длинные волокна, которые искажают двояковогнутые или дискообразные красные кровяные тельца и заставляют их принимать форму полумесяца или «серпа», что закупоривает кровеносные сосуды ((( Фигура)).Это может привести к множеству серьезных проблем со здоровьем, таких как одышка, головокружение, головные боли и боли в животе у людей, страдающих этим заболеванием.

В этом мазке крови, визуализированном при 535-кратном увеличении с помощью светлопольной микроскопии, серповидные клетки имеют форму полумесяца, тогда как нормальные клетки имеют форму диска. (кредит: модификация работы Эда Усмана; данные шкалы от Мэтта Рассела)

Вторичная структура

Локальное сворачивание полипептида в некоторых областях приводит к вторичной структуре белка.Наиболее распространенными являются α -спиральные и β -складчатые листовые структуры ((рисунок)). Обе структуры удерживаются в форме водородными связями. Водородные связи образуются между атомом кислорода в карбонильной группе одной аминокислоты и другой аминокислотой, которая находится на четыре аминокислоты дальше по цепи.

Спираль α и складчатый лист β представляют собой вторичные структуры белков, которые образуются из-за водородных связей между карбонильной и аминогруппой в основной цепи пептида.Некоторые аминокислоты имеют склонность образовывать α -спираль, в то время как другие имеют склонность образовывать складчатый лист β .

Каждый виток альфа-спирали содержит 3,6 аминокислотных остатка. Группы R полипептида (группы вариантов) выступают из цепи α -спираль. В листе с складками β водородные связи между атомами в основной цепи полипептидной цепи образуют «складки». Группы R прикреплены к атомам углерода и проходят выше и ниже складок складки.Складчатые сегменты выстраиваются параллельно или антипараллельно друг другу, а водородные связи образуются между частично положительным атомом азота в аминогруппе и частично отрицательным атомом кислорода в карбонильной группе пептидной основной цепи. Спиральные структуры α и складчатые пластинки β присутствуют в большинстве глобулярных и волокнистых белков и играют важную структурную роль.

Третичная структура

Уникальная трехмерная структура полипептида — это его третичная структура ((Рисунок)).Эта структура частично обусловлена ​​химическими взаимодействиями в полипептидной цепи. В первую очередь, взаимодействия между группами R создают сложную трехмерную третичную структуру белка. Природа групп R в задействованных аминокислотах может противодействовать образованию водородных связей, которые мы описали для стандартных вторичных структур. Например, группы R с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а группы с разными зарядами притягиваются друг к другу (ионные связи). Когда происходит сворачивание белка, гидрофобные группы R неполярных аминокислот лежат внутри белка; тогда как гидрофильные группы R расположены снаружи.Ученые также называют первые типы взаимодействия гидрофобными взаимодействиями. Взаимодействие между боковыми цепями цистеина образует дисульфидные связи в присутствии кислорода, единственной ковалентной связи, которая образуется во время сворачивания белка.

Различные химические взаимодействия определяют третичную структуру белков. К ним относятся гидрофобные взаимодействия, ионные связи, водородные связи и дисульфидные связи.

Все эти взаимодействия, слабые и сильные, определяют окончательную трехмерную форму белка.Когда белок теряет свою трехмерную форму, он может больше не функционировать.

Четвертичная структура

В природе некоторые белки образуются из нескольких полипептидов или субъединиц, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру. Слабые взаимодействия между субъединицами помогают стабилизировать общую структуру. Например, инсулин (глобулярный белок) имеет комбинацию водородных и дисульфидных связей, которые заставляют его в основном слипаться в форму шара. Инсулин начинается как отдельный полипептид и теряет некоторые внутренние последовательности в присутствии посттрансляционной модификации после образования дисульфидных связей, которые удерживают вместе оставшиеся цепи.Шелк (волокнистый белок), однако, имеет складчатую листовую структуру β , которая является результатом водородных связей между различными цепями.

(рисунок) иллюстрирует четыре уровня структуры белка (первичный, вторичный, третичный и четвертичный).

Обратите внимание на четыре уровня белковой структуры на этих иллюстрациях. (кредит: модификация работы Национального исследовательского института генома человека)

Денатурация и сворачивание белка

Каждый белок имеет свою уникальную последовательность и форму, которые удерживаются химическими взаимодействиями.Если белок подвержен изменениям температуры, pH или воздействию химических веществ, структура белка может измениться, потеряв свою форму без потери своей первичной последовательности, что ученые называют денатурацией. Денатурация часто обратима, поскольку первичная структура полипептида сохраняется в процессе, если денатурирующий агент удаляется, позволяя белку возобновить свою функцию. Иногда денатурация необратима, что приводит к потере функции. Одним из примеров необратимой денатурации белка является жарка яйца.Белок альбумина в жидком яичном белке денатурирует при помещении на горячую сковороду. Не все белки денатурируют при высоких температурах. Например, бактерии, которые выживают в горячих источниках, содержат белки, которые функционируют при температурах, близких к температуре кипения. Желудок также очень кислый, имеет низкий pH и денатурирует белки как часть процесса пищеварения; однако пищеварительные ферменты желудка сохраняют свою активность в этих условиях.

Сворачивание белка имеет решающее значение для его функции. Первоначально ученые думали, что сами белки несут ответственность за процесс сворачивания.Только недавно исследователи обнаружили, что часто они получают помощь в процессе сворачивания от белков-помощников или шаперонов (или шаперонинов), которые связываются с целевым белком во время процесса сворачивания. Они действуют, предотвращая агрегацию полипептидов, которые составляют полную структуру белка, и они отделяются от белка, как только целевой белок сворачивается.

Ссылка на обучение

Чтобы получить дополнительную информацию о белках, просмотрите этот анимационный ролик под названием «Биомолекулы: белки.”

Сводка раздела

Белки — это класс макромолекул, которые выполняют широкий спектр функций для клетки. Они помогают метаболизму, действуя как ферменты, переносчики или гормоны, и обеспечивают структурную поддержку. Строительными блоками белков (мономеров) являются аминокислоты. Каждая аминокислота имеет центральный атом углерода, который связывается с аминогруппой, карбоксильной группой, атомом водорода и группой R или боковой цепью. Существует 20 обычно встречающихся аминокислот, каждая из которых отличается по группе R.Пептидная связь связывает каждую аминокислоту с ее соседями. Длинная аминокислотная цепь — это полипептид.

Белки подразделяются на четыре уровня: первичный, вторичный, третичный и (необязательно) четвертичный. Первичная структура — это уникальная последовательность аминокислот. Локальная складчатость полипептида с образованием таких структур, как α -спираль и β -складчатый лист, составляет вторичную структуру. Общая трехмерная структура — это третичная структура. Когда два или более полипептида объединяются, чтобы сформировать полную структуру белка, конфигурация является четвертичной структурой белка.Форма и функция белка неразрывно связаны. Любое изменение формы, вызванное изменениями температуры или pH, может привести к денатурации белка и потере функции.

Вопросы о визуальном подключении

(Рисунок) Какие категории аминокислот вы ожидаете найти на поверхности растворимого белка, а какие — внутри? Какое распределение аминокислот вы ожидаете найти в белке, встроенном в липидный бислой?

(Рисунок) Полярные и заряженные аминокислотные остатки (остаток после образования пептидной связи) с большей вероятностью будут обнаружены на поверхности растворимых белков, где они могут взаимодействовать с водой, и неполярные (например, неполярные).g., боковые цепи аминокислот) с большей вероятностью будут обнаружены внутри, где они изолированы от воды. В мембранных белках неполярные и гидрофобные боковые цепи аминокислот связаны с гидрофобными хвостами фосфолипидов, в то время как полярные и заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют с полярными головными группами или с водным раствором. Однако бывают исключения. Иногда положительно и отрицательно заряженные боковые цепи аминокислот взаимодействуют друг с другом внутри белка, а полярные или заряженные боковые цепи аминокислот, которые взаимодействуют с лигандом, могут быть обнаружены в кармане связывания лиганда.

Обзорные вопросы

Мономеры, из которых состоят белки, называются ________.

1. нуклеотидов
2. дисахариды
3. аминокислот
4. шаперонов

Спираль α и складчатый лист β являются частью какой белковой структуры?

1. первичный
2. вторичный
3. высшее
4. четвертичный

Коровье бешенство — это инфекционное заболевание, при котором один неправильно свернутый белок вызывает неправильное сворачивание всех других копий белка.Это пример болезни, влияющей на структуру ____.

1. первичный
2. вторичный
3. высшее
4. четвертичный

Вопросы о критическом мышлении

Объясните, что происходит, если в полипептидной цепи даже одна аминокислота заменяется другой. Приведите конкретный пример.

Изменение последовательности гена может привести к добавлению другой аминокислоты к полипептидной цепи вместо нормальной. Это вызывает изменение структуры и функции белка.Например, при серповидно-клеточной анемии цепь гемоглобина β имеет единственную аминокислотную замену — аминокислота глутаминовая кислота в шестом положении заменена валином. Из-за этого изменения молекулы гемоглобина образуют агрегаты, а красные кровяные тельца в форме диска принимают форму полумесяца, что приводит к серьезным проблемам со здоровьем.

Опишите различия в четырех белковых структурах.

Последовательность и количество аминокислот в полипептидной цепи — это ее первичная структура.Локальное сворачивание полипептида в некоторых областях является вторичной структурой белка. Трехмерная структура полипептида известна как его третичная структура, частично создаваемая химическими взаимодействиями, такими как водородные связи между полярными боковыми цепями, ван-дер-ваальсовы взаимодействия, дисульфидные связи и гидрофобные взаимодействия. Некоторые белки образуются из нескольких полипептидов, также известных как субъединицы, и взаимодействие этих субъединиц образует четвертичную структуру.

Аквапорины — это белки, встроенные в плазматическую мембрану, которые позволяют молекулам воды перемещаться между внеклеточным матриксом и внутриклеточным пространством.Основываясь на его функции и расположении, опишите ключевые особенности формы белка и химические характеристики его аминокислот.

Белок должен образовывать канал в плазматической мембране, который позволяет воде проникать в клетку, поскольку вода не может проходить через плазматическую мембрану сама по себе. Поскольку аквапорины встроены в плазматическую мембрану и соединяются как с внутриклеточным, так и с внеклеточным пространством, он должен быть амфипатическим, как и плазматическая мембрана. Верх и низ белка должны содержать заряженные или полярные аминокислоты (гидрофильные) для взаимодействия с водной средой.Внешняя трансмембранная область должна содержать неполярные аминокислоты (гидрофобные), которые могут взаимодействовать с фосфолипидными хвостами. Однако внутри этого канала должны находиться гидрофильные аминокислоты, поскольку они будут взаимодействовать с движущимися молекулами воды.

Глоссарий

структура альфа-спирали ( α -спираль)

тип вторичной белковой структуры, образованной сворачиванием полипептида в форму спирали с водородными связями, стабилизирующими структуру

аминокислота

мономер белка; имеет центральный углерод или альфа-углерод, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, водород и R-группа или боковая цепь; группа R различна для всех 20 распространенных аминокислот

бета-гофрированный лист ( β -гофрированный)

вторичная структура в белках, в которой водородные связи образуют «складки» между атомами в основной цепи полипептидной цепи

шаперон

Белок

(также шаперонин), который помогает возникающему белку в процессе сворачивания

денатурация

потеря формы белка в результате изменений температуры, pH или химического воздействия

фермент

катализатор в биохимической реакции, который обычно представляет собой сложный или конъюгированный белок

гормон

химическая сигнальная молекула, обычно белок или стероид, секретируемая эндокринными клетками, которые контролируют или регулируют определенные физиологические процессы

пептидная связь

Связь между двумя аминокислотами в результате реакции дегидратации

полипептид

длинная цепь аминокислот, которые связывают пептидные связи

первичная структура

линейная последовательность аминокислот в белке

белок

биологическая макромолекула, состоящая из одной или нескольких аминокислотных цепей

четвертичная структура

ассоциация дискретных полипептидных субъединиц в белке

вторичная структура

регулярная структура, которую белки образуют за счет внутримолекулярной водородной связи между атомом кислорода одного аминокислотного остатка и водородом, присоединенным к атому азота другого аминокислотного остатка

третичная структура

трехмерная конформация белка, включая взаимодействия между вторичными структурными элементами; образуется в результате взаимодействия между боковыми цепями аминокислот

Связь между наличием цистеина в белках и сложностью организмов | Молекулярная биология и эволюция

Абстрактные

Встречаемость и относительное положение остатков цистеина были исследованы в белках различных видов.Учитывая случайное математическое появление аминокислоты, кодируемой двумя кодонами (3,28%), цистеин недостаточно представлен во всех исследованных организмах. Представительство цистеина, по-видимому, положительно коррелирует со сложностью организма, варьируя от 2,26% у млекопитающих до 0,5% у некоторых представителей отряда Archeabacteria . Это наблюдение вместе с результатами, полученными при сравнении содержания цистеина в различных рибосомных белках, указывает на то, что эволюция использует преимущества увеличения использования остатков цистеина.Во всех изученных организмах, кроме растений, два цистеина часто обнаруживаются на расстоянии двух аминокислотных остатков (мотив C- (X) ₂ -C). Известно, что такой мотив присутствует во множестве металлсвязывающих белков и оксидоредуктаз. Примечательно, что более 21% всех цистеинов было обнаружено в мотивах C- (X) ₂ -C в Archea. Это наблюдение может указывать на то, что цистеин сначала появился в древних металлсвязывающих белках, а позже был введен в другие белки.

Введение

Цистеин уникален среди кодируемых аминокислот, потому что он содержит реактивную сульфгидрильную группу.Следовательно, два остатка цистеина могут образовывать цистин (дисульфидную связь) между различными частями одного и того же белка или между двумя отдельными полипептидными цепями. Образование дисульфидной связи связано со сворачиванием белка и поддерживается ферментами тиолдисульфид оксидоредуктаза и протеиндисульфидизомераза (Loferer and Hennecke 1994; Noiva 1994; Raina and Missiakas 1997). Известно, что цитозольные белки содержат относительно мало дисульфидных связей, а системы глутаредоксина и тиоредоксина участвуют в поддержании групп -SH в восстановленной форме (Derman et al.1993; Стюарт, Ослунд и Беквит, 1998 г .; Чжун и др. 1998).

Простые структурные ограничения также могут мешать взаимодействию цистеинов. Из-за жесткой планарной природы пептидной связи два соседних цистеина не могут взаимодействовать. То же самое верно, если два цистеина разделены только одной аминокислотой. Основываясь на физических размерах и выравнивании аминокислотных остатков в конфигурациях альфа-спирали и бета-поворотов, два цистеина наиболее близки друг к другу, когда они разделены двумя другими аминокислотами (C- (X) ₂ -C мотив; X может стоять для любой кодированной аминокислоты).В самом деле, известно, что мотивы C- (X) ₂ -C являются хорошо законсервированными частями различных железо-серных белков и оксидоредуктаз (Shuber et al. 1986; Ammendola et al. 1992). Однако мы признали, что появление доменов C- (X) ₂ -C не ограничивается этими группами белков. Кроме того, количество доменов C- (X) ₂ -C оказалось удивительно высоким в большой случайно выбранной популяции известных белков Saccharomyces cerevisae .

Эти наблюдения побудили нас проанализировать, возникли ли цистеины случайным образом или организованы преимущественно в мотивы C- (X) ₂ -C в известных белках различных видов.Перед проведением такого анализа необходимо было проанализировать наличие цистеинов и других кодируемых аминокислот в белках различных видов. Цистеин кодируется триплетами кодонов UGU и UGC соответственно. Все известные организмы содержат цистеины в своих белках.

Поскольку все известные живые организмы содержат одни и те же 20 кодированных аминокислот, нет прямого способа узнать, была ли та или иная аминокислота введена раньше или позже в процессе эволюции. С другой стороны, жизнь на Земле могла возникнуть с примитивных организмов, содержащих известные 20 кодированных аминокислот.Доказательства, подтверждающие постепенное расширение генетического кода, в первую очередь основаны на аномальном распределении кодонов у различных видов (Osawa et al. 1992; Bauman and Oro 1993).

Кроме того, Doring и Marliere (1998) показали, что мутантные тРНК, которые включают цистеин в положениях, соответствующих кодонам изолейцина или метионина, могут сохраняться в Escherichia coli. Токсичность неправильного кодирования цистеина была низкой, что доказывает, что цистеин является приемлемой заменой в большинстве положений белка.Таким образом, включение цистеина может преодолеть стерические и полярные ограничения, которые ограничивают эволюцию генетического кода.

Таким образом, возможно, что цистеин был введен на относительно поздней стадии эволюции через захват некоторых кодонов другой аминокислоты (серин, глицин). Если синтез боковой цепи аминокислоты прогрессирует с помощью того же или аналогичного пути (путей) биосинтеза, полученные аминокислоты физико-химически подобны (например, Ile, Val, Leu, Phe, Tyr, Asp, Glu) (Miseta 1989) .Важно отметить, что физико-химически родственные аминокислоты занимают аналогичные кодоны (Jungck 1978; Weber and Lacey 1978). Следовательно, генетический код разработан таким образом, чтобы свести к минимуму вероятность того, что изменение одного нуклеотидного основания приведет к замене на физико-химически другую аминокислоту.

Результатом нецелевого введения цистеина должно было быть то, что многие цистеины оказались не в «оптимальных местах». Последующая эволюция должна была исправить эти «ошибки», оставив цистеины в положениях, в которых их физико-химические свойства могли быть использованы с пользой для организма.Одновременно мутации, приводящие к триплетам, кодирующим цистеин, способствовали развитию новых, более сложных белков.

На основании этой гипотезы можно было ожидать найти простые организмы с относительно небольшим количеством цистеинов и сложные организмы со значительно большим количеством цистеинов. Точно так же можно ожидать обнаружения цистеинов в ограниченном количестве белковых доменов у простых организмов.

В настоящем отчете мы пытаемся выделить взаимосвязь между сложностью различных организмов и наличием цистеина в их белках.

Материалы и методы

Последовательности белков, файлы данных последовательностей и анализ аминокислотного состава

Анализ последовательностей проводился на файлах данных последовательностей, созданных из последовательностей, хранящихся в базе данных SwissProt (CDPROT31). Файлы данных последовательности были созданы с помощью правила выбора. В правиле отбора указывается научное название вида. Если указано, также было указано субклеточное расположение белков.Затем были отредактированы файлы сохраненных данных, содержащие каталоги последовательностей белков. Это редактирование ограничивалось удалением нескольких поврежденных файлов последовательностей, для которых последующие программы анализа данных не могли работать.

Были созданы следующие файлы данных: Homo sapiens, (человек), 2681 последовательность белка; Mus musculus (мышь), 1727; Bos taurus (крупный рогатый скот), 719; Drosophila melanogaster (плодовая муха), 624; Caernorhabditis elegans, 690; Zea mays (кукуруза), 287; Orysa sativa (рис), 219; Lycopersicon esculentum (томат), 117; Saccharomyces cerevisiae (пекарские дрожжи), 3,127; E.coli, , 3151; Rhodobacter sphaeroides, 58; Pseudomonas aeruginosa, 214; Haloarcula marismortui ( ранее Halobacterium marismortui ), 62; и Thermus aquaticus, 88. В некоторых случаях для анализа использовались белки родственных видов. Файлы данных для различных Cyanobacteria содержали 556 последовательностей, файлы для Archea содержали 553 последовательности, а файлы для Sulpho-archea содержали 137 последовательностей.Файлы данных для рибосомных белков включали 66 последовательностей для людей, 134 последовательности для дрожжей, 59 последовательностей для E. coli, и 51 последовательность для H. marismortui.

Поскольку данные были сгенерированы и предназначались для сравнения между файлами данных, содержащими разное количество последовательностей белков, было важно рассчитать стандартные отклонения любых результатов для файлов данных меньшего и большего размера. Таким образом, мы сгенерировали пять файлов данных, каждый из которых содержит 50 последовательностей S. cerevisiae с помощью случайного генератора.Встречаемость 20 кодированных аминокислот была проанализирована в пяти файлах данных, и были рассчитаны средние значения и стандартные отклонения. Мы обнаружили, что в этом случае среднее значение SD для 20 аминокислот составляло 5,57%. Например, мы обнаружили 291,2 ± 36,8 остатков цистеина (среднее ± стандартное отклонение). Когда каждая из пяти баз данных S. cerevisiae содержала 100 или 200 случайно выбранных последовательностей белков вместо 50, средние значения SD снизились до 3,50% и 2,21% соответственно.

Несомненно, файлы данных меньшего размера не отражают средний белковый состав вида, а также более крупные.Мы также отмечаем, что эти файлы данных были созданы не генератором случайных чисел, а скорее специфическими интересами исследователей. По этой причине мы хотели быть максимально осторожными при интерпретации данных в небольших файлах данных. Файл данных, содержащий менее 50 последовательностей, не использовался. Кроме того, создание комбинированных файлов данных по родственным видам с большим количеством последовательностей было направлено на уменьшение стандартной ошибки.

Был проанализирован аминокислотный состав белков в файле данных, при этом общее количество 20 закодированных аминокислот составило 100%.Содержание цистеина (и любой другой аминокислоты) выражали как процент от общего количества аминокислот.

Корректировка данных аминокислотного состава для содержания ГХ по сравнению с содержанием AT кодирующей ДНК

Известно, что содержание GC по сравнению с содержанием AT кодирующих последовательностей варьируется в широком диапазоне у разных видов. Цистеин может кодироваться UGU или UGC. Следовательно, только содержание GC в положении первого и второго кодона влияет на появление цистеина.Общее количество кодирующих GC и усредненное содержание GC первой и второй буквы кодона (значения выделены курсивом) видов, перечисленных в отчете, следующие: люди — 52,75%, 49,24% ; крупный рогатый скот — 52,86%, 48,37% ; мыши — 52,76%, , 49,25%, ; D. melanogaster -54,53%, 48,95% ; C. elegans —42,37%, 43,94% ; кукуруза — 55,69%, , 50,67%, ; рис — 56,16%, 51,03% ; томаты — 42,74%, 45,26% ; С.cerevisae — 39,72%, 40,60% ; Цианобактерии — 32,36%, 41,8% ; E. coli —51,37%, 49,60% ; R. sphaeroides — 67,86%, 57,69% ; P. aureginosa —64,06%, 55,09% ; H. marismortui —63,69%, 55,00% ; T. aquaticus —66,57%, 55,45 %; Сульфоархея —43,12%, 45,71%.

Ожидается, что увеличение содержания GC в положении первого кодона окажет негативное влияние на содержание цистеина в биологических видах, поскольку первая буква кодона — U.Увеличение содержания GC второй буквы кодона должно иметь положительный эффект на содержание цистеина, потому что вторая буква кодона — G. Кроме того, (A + U) + (G + C) = 1 (где 1 — общее количество нуклеотидов. содержание вида). Поскольку (G + C) = 1 — (A + U), связь между вероятностью кодирования цистеина (Pcys) и содержанием (G + C) кодирующей ДНК может быть описана как Pcys = (G + C) * (1 — (G + C)). Поскольку кривая вероятности довольно плоская в диапазоне содержания GC от 40% до 60%, скорректированные значения никогда не отличаются от исходных данных более чем на 3.5%. В тексте и / или в подписях к рисункам указывается, были ли данные скорректированы с учетом фактического содержания GC для видов.

Анализ аминокислотного расстояния и гомологии белков

Вышеупомянутые файлы данных использовались для анализа встречаемости различных аминокислотных последовательностей. Анализировали наличие последовательности C- (X) _n -C. C — однобуквенная метка для цистеина, X — любая другая аминокислота, и n — количество повторов, 0–22 в наших исследованиях.Поскольку последовательность зонда C- (X) _n -C может быть наложена на любую последовательность заданной длины еще раз, чем последовательность зонда C- (X) _{n +1} -C, соответствующая коррекция может осуществляться. Однако мы обнаружили, что полученная поправка не повлияла существенно на наши результаты, и по этой причине она была опущена.

Для последовательности C- (X) ₂ -C мы также проанализировали наличие всех индивидуальных последовательностей в файлах данных людей, плодовых мух, E.coli, и Archea. Выравнивание аминокислотных последовательностей проводили в соответствии с методом, разработанным Myers and Miller (1988). Мы использовали структурную генетическую матрицу, основанную на работе Фенга, Джонсона и Дулиттла (1984) со стоимостью открытого пробела 10 и стоимостью единицы пробела 5.

Результаты

Появление цистеина в белках разных видов

Сначала мы исследовали наличие цистеина в известных белках различных видов.Для этого были подсчитаны встречаемости 20 кодированных аминокислот в репрезентативных образцах (файлах данных) людей, крупного рогатого скота, мышей, плодовых мух, C. elegans, кукурузы, риса, томатов, дрожжей, Cyanobacteria, E. coli, R. sphaeroides, P. aeruginosa, H. marismortui, T. aquaticus, и Sulpho-archea. Сумма всех 20 кодированных аминокислот считалась 100%.

Цистеин — относительно редкая аминокислота в белках исследованных организмов (рис.1). Анализы белков человека, крупного рогатого скота и мыши выявили почти идентичные (2,26%) встречаемости цистеина. Белки плодовой мушки C. elegans содержали несколько меньше цистеина (1,90% и 1,97% соответственно). Белки кукурузы, риса и томатов содержат 1,62–1,69% цистеина. Среди исследованных эукариот дрожжи содержали меньше всего цистеина (1,21%).

Среди исследованных прокариот цианобактерий, E. coli, P. aeruginosa, и R. sphaeroides содержали 1.3–1,13% цистеина, что несколько меньше, чем у S. cerevisiae.

Были изучены также представители недавно созданного ордена Archea (Woese, Gupta, 1981; Woese, Kandler, and Wheelis, 1990). Мы обнаружили, что содержание цистеина у крайнего галофила H. marismortui и термофила T. aquaticus было самым низким среди исследованных видов (0,49% и 0,41% соответственно). Точно так же низкое представительство цистеина очевидно у Halobacterium salinarium (данные не показаны) и членов группы Sulpho-archea .Все данные были скорректированы с учетом фактического содержания ГХ видов (использованного в качестве фоновой вероятности), как описано в «Материалы и методы».

Отметим, что фактические и скорректированные по ГХ уровни цистеина были почти идентичны для большинства видов. (Наибольшая разница между этими значениями была у S. cerevisiae, , для которых фактическое содержание цистеина составляло 1,25%, тогда как скорректированный GC был 1,21%.)

В то время как белки порядка Archea могут содержать от четырех до В пять раз меньше цистеина, чем в белках млекопитающих, кажется, что цистеин недостаточно представлен во всех исследованных организмах.Учитывая, что у этих организмов 61 смысловой кодон и два кодона отнесены к цистеину, (100/61) × 2 = 3,28%. Диапазон вероятности с поправкой на GC составляет 3,23–3,28% для изученных видов.

Мы также подсчитали количество белков с хотя бы одним остатком цистеина и без него у некоторых видов. На рисунке 2 показано, что около 92% белков человека содержат один или несколько остатков цистеина. Аналогичные числа были получены для белков плодовой мухи и дрожжей. Умеренное увеличение количества белков, не содержащих цистеина, очевидно для E.coli, , но более 50% известных белков H. marismortui не содержат ни одного остатка цистеина. Аналогичные проценты могут быть получены для других родственных видов, перечисленных на рисунке 1.

Отметим, что средние длины белков не равны в разных файлах данных (видах) (подробности см. В Материалы и методы ).

Встречаемость цистеина в рибосомальных белках различных видов

Известно, что одна или несколько дисульфидных связей часто обнаруживаются в экскретируемых белках или белках плазматической мембраны.Напротив, цитозольные белки часто лишены дисульфидных связей. Известно, что цитозольные цистеины поддерживаются в тиоловой форме системами глутаредоксина и тиоредоксина, и по этой причине нехватка дисульфидных мостиков в цитозольных белках может приводить или не приводить к снижению содержания цистеина в белках. Однако одна из гипотетических причин повышенного количества цистеина в белках эукариот, особенно у млекопитающих, может заключаться в том, что сложные организмы могут содержать более широкий спектр внеклеточных белков, богатых цистеином.Поэтому мы изучили, содержат ли известные рибосомные белки млекопитающих больше цистеина, чем белки менее развитых организмов. Похоже, что рибосомные белки содержат меньше остатков цистеина у людей, плодовых мушек, дрожжей и E. coli , по сравнению со средним содержанием цистеина в их белках (рис. 3). Это не относится к H. maresmortui. Однако общая тенденция, то есть менее развитые организмы, содержащие меньше остатков цистеина, остается в силе.

Мы также выбрали 10 рибосомных белков человека, для которых можно получить родственные последовательности для дрожжей, E.coli, и H. marismortui (таблица 1). Мы обнаружили, что объединенные 10 рибосомных белков человека содержат 2404 аминокислоты и 30 цистеинов среди них. Таким образом, их содержание цистеина составляло 1,25%, что значительно меньше среднего содержания цистеина в человеческих белках (2,26%). Однако среднее содержание цистеина в их родственных рибосомных белках в дрожжах составляло 0,42%, за ними следовали E. coli с 0,19% и H. maresmortui с 0,11%. Поправка на содержание GC для различных видов существенно не повлияла на данные.Рибосомные белки, перечисленные в таблице 1, показали 60-78% идентичности / сходства между людьми и дрожжами (RL6 является исключением; он показывает незначительную идентичность / сходство между людьми и дрожжами). Несмотря на это, два из трех цистеинов были введены недавно в рибосомные белки человека.

Цистеины в белках человека были обнаружены вместо аланина ( n = 8), треонина ( n = 4), серина ( n = 4), валина ( n = 4), изолейцина ( n = 1), глицин ( n = 1,) и глутамин ( n = 1) в дрожжах.Часто эти замены обнаруживались в хорошо консервативных областях рибосомных белков.

В заключение, рибосомные белки относительно бедны цистеином, но общая взаимосвязь между их содержанием цистеина у различных видов (рис. 3) аналогична общей тенденции, показанной на рис. 1. Из этих данных следует, что эволюционная тенденция способствует включению большего количества остатков цистеина в белки более сложных организмов.

Содержание GC по сравнению с содержанием AU кодирующих ДНК и их связь с наличием цистеинов

Простейшим объяснением низкого содержания цистеина в белках у представителей Archea могло бы быть то, что содержание GC в ДНК коррелирует с наличием цистеина в белках различных видов.Поскольку многие представители Archea имеют ДНК с высоким содержанием GC, наличие аминокислот, которые кодируются триплетами, богатыми UA, не является предпочтительным. Однако цистеин может кодироваться триплетами UGU и UGC соответственно. Можно обнаружить сильную предвзятость к использованию C, а не U в позиции третьего кодона для кодирования цистеина у представителей , Archea и других видов, богатых GC (данные не показаны). Поскольку две важные буквы кодона для цистеина — это U и G, содержание GC в первых двух положениях кодона было использовано для корректировки наших данных, как описано в «Материалы и методы».

Кроме того, мы изучили, следуют ли вхождения других аминокислот, кодируемых UA- или GC-богатыми триплетами, тенденциям, аналогичным таковому для цистеина у различных видов. Таблица 2 показывает, что ни фенилаланин (кодоны UUU и UUC), ни тирозин (UAU и UAC), ни изолейцин (AUU, AUC и AUA) не следуют тенденциям, аналогичным тенденциям цистеина среди изученных видов. То же самое верно и для других аминокислот (данные не показаны).

Неслучайное присутствие остатков цистеина в белках разных видов

Затем мы исследовали некоторые аспекты пространственного распределения цистеинов в белках различных видов.Чтобы ответить на вопрос, существуют ли какие-либо предпочтительные положения двух цистеинов относительно друг друга, мы провели системный поиск в репрезентативных файлах данных о белках различных видов. В качестве зонда применялась поисковая строка C- (X) _n -C. Здесь X обозначает любую аминокислоту, тогда как n — целое число от 0 до 22. Поскольку файлы данных для разных видов были очень разного размера, числа, представляющие появление C- (X) _n Последовательности -C в диапазоне n = 0–22 усреднялись и считались 1 для каждого вида.

На рис. 4 показано наличие последовательностей C- (X) _n -C у различных видов в диапазоне n = 0–8. Мы обнаружили, что последовательность C- (X) ₂ -C чаще встречается у всех исследованных видов, кроме растений. Таким образом, человеческие последовательности (другие млекопитающие демонстрируют аналогичные паттерны) содержат более чем в 1,5 раза больше мотивов C- (X) ₂ -C, чем мотивов C-X-C или C- (X) ₃ -C. По сути, такая же картина наблюдалась у D.melanogaster и C. elegans. Примерно каждый пятый белок содержал одну или несколько последовательностей C- (X) ₂ -C у этих видов (555 из 2681 белка человека и 131 из 624 белков плодовой мухи). Интересно, что белки растений не содержали выдающегося количества последовательностей C- (X) ₂ -C, как показано на примере кукурузы. Чтобы выяснить, все ли растения похожи на кукурузу, мы также изучили белки пшеницы, риса и томатов. Мы нашли аналогичные результаты (данные не показаны), подтверждающие, что растительные белки не имеют высоких представлений последовательностей C- (X) ₂ -C.Однако белки хлоропластов различных растений демонстрируют образцы C- (X) ₂ -C, подобные таковым у бактерий (данные не показаны).

Свободноживущий организм S. cerevisiae, , который имеет более низкое содержание цистеина по сравнению с людьми (рис. 1), имеет более 5% общего содержания цистеина, организованного в мотивы C- (X) ₂ -C .

Относительное количество мотивов C- (X) ₂ -C было дополнительно увеличено у E. coli и других эубактерий, но наиболее заметное увеличение было у представителей Archea. Из 1063 цистеинов, обнаруженных в 553 известных белках, 232 остатка цистеина были обнаружены в мотивах C- (X) ₂ -C. Таким образом, более 21% цистеинов расположены по этой конкретной схеме.

Чтобы выяснить, расположена ли какая-либо другая аминокислота по схеме, подобной структуре цистеина, мы исследовали другие 19 аминокислот в файлах данных S. cerevisiae и E. coli . Наши результаты показали, что ни одна другая аминокислота не показала распределение, подобное цистеину, в белках S.cerevisiae или E. coli (данные не показаны).

Затем мы проанализировали различные мотивы C- (X) ₂ -C у людей, дрожжей, E. coli, и представителей Archea. Как и ожидалось, некоторые мотивы C- (X) ₂ -C были более многочисленными, чем другие. У людей вместо X имеется много остатков глутаминовой кислоты (и других заряженных аминокислот). Белки цинковых пальцев, металлотионены и дегидрогеназы могут содержать несколько из этих мотивов. Однако 555 из 2681 исследованных белков человека содержат по крайней мере один мотив C- (X) ₂ -C, и подробное описание и обсуждение их возможной взаимосвязи и сходства с их братьями и сестрами выходит за рамки настоящего отчета.Здесь достаточно заявить, что любая возможная комбинация аминокислот была найдена хотя бы один раз. Кроме того, наиболее распространенные мотивы C- (X) ₂ -C в файлах данных людей, дрожжей, E. coli, и Archea отличаются, хотя некоторые характерные композиционные особенности определенно присутствуют. Одним из таких случаев является отмеченное предпочтительное наличие полярных заряженных аминокислот у млекопитающих. Дрожжи, E. coli, и Archea , по-видимому, также содержат ряд остатков C-P-X-C или C-X-P-C.

Обсуждение

Цистеин — единственная кодируемая аминокислота, которая несет реактивную сульфгидрильную группу. Образуя внутри- и межцепочечные дисульфидные связи, он играет особую роль в структуре белка (Noiva 1994; Raina and Missiakas 1997). По-видимому, не менее важно, чтобы большинство цистеинов цитозольных белков поддерживалось в восстановленной тиоловой форме (Derman et al. 1993).

В настоящей работе мы изучали наличие цистеина у разных видов.Мы обнаружили, что представление цистеина в различных организмах имеет одну общую черту: цистеин недостаточно представлен в белках всех исследованных видов (рис. 1). Однако содержание цистеина в белках различных видов может составлять всего 0,4–0,5% у Archea, , тогда как белки млекопитающих обычно содержат около 2,26% остатков цистеина.

Более высокое содержание цистеина в белках более сложных организмов может частично объясняться большим количеством нецитозольных белков, богатых дисульфидными связями.Естественно, относительное отсутствие дисульфидных связей указывает, но не доказывает, что цитозольные белки относительно бедны цистеином. Тем не менее, наши результаты показывают, что рибосомные белки бедны цистеином по сравнению со средним содержанием цистеина в белках, обнаруженных у идентичных видов (рис. 3).

Однако увеличение содержания цистеина в белках сложных видов организмов справедливо и для рибосомных белков. Мы продемонстрировали, что родственные рибосомные белки имеют тенденцию включать больше цистеинов у более развитых видов (рис.3 и таблица 1). Например, несмотря на большое сходство между рибосомными белками человека и дрожжей, первый содержит почти в три раза больше остатков цистеина. Следовательно, нельзя не отметить взаимосвязь между повышенной сложностью и повышенным представлением цистеина (рис. 1).

Важно отметить, что эта тенденция уникальна для цистеина, поскольку другие аминокислоты не следуют той же тенденции. Мы объясняем описанные выше явления, предполагая, что эволюция использует преимущества более широкого использования цистеина.Уникальная способность цистеина формировать структуру белка, вероятно, чаще используется в развитых организмах.

Повышенное использование цистеина в развитых организмах может быть исследовано в свете теорий о распределении кодонов. Короче говоря, возможно, что даже примитивные древние организмы использовали кодовую таблицу, очень похожую на ту, что используется в современных организмах. В качестве альтернативы, древняя кодовая таблица могла кодировать менее 20 аминокислот, а нынешнее распределение кода может быть результатом прогрессивного деления кода (Wong 1975, 1976, 1988).Во время этого гипотетического процесса кодоны, назначенные данной аминокислоте, были общими с другими аминокислотами. Аргументы за и против этих теорий выходят за рамки настоящего отчета. С одной стороны, проблема с «теорией совместного использования кода» состоит в том, что новое распределение кодона — даже если замещающая аминокислота является физико-химически родственным братом — вызовет широко распространенные структурные и функциональные изменения.

С другой стороны, тот факт, что некоторые организмы содержат «аномальное» распределение кода, поддерживает гипотезы об эволюции кода и совместном использовании кода (Osawa et al.1990, 1992; Джукс и Осава 1993). Также Doring и Marliere (1998) показали, что мутантные тРНК, которые включают цистеин в положениях, соответствующих изолейцину или метионину, могут сохраняться в E. coli. Токсичность неправильного кодирования цистеина была низкой, что доказывает, что цистеин является приемлемой заменой в большинстве положений белка.

Наши результаты показывают, что введение цистеина происходило постепенно в процессе эволюции (рис. 1), а прогрессирующие мутации привели к сдвигу в сторону увеличения использования цистеина.Следовательно, наше наблюдение не обеспечивает прямой поддержки совместного использования кодонов, но указывает на возможность того, что цистеин мог появиться «поздно» по сравнению с другими аминокислотами.

Мы также обнаружили своеобразную неслучайность в расположении цистеинов; а именно, два цистеина, разделенные двумя другими аминокислотами, встречаются с исключительно высокой частотой. Домен C- (X) ₂ -C чрезмерно представлен в белках ряда видов. Это чрезмерное представительство становится все более и более выраженным среди примитивных организмов, в результате чего более 21% общего количества цистеинов находится в пределах мотивов C- (X) ₂ -C у членов порядка Archea .

Наше объяснение этого явления состоит в том, что первый и четвертый аминокислотные остатки в альфа-спирали или в конформациях бета-витка наиболее близки друг к другу, соответственно. Обнаружено, что аминокислоты, которые наиболее распространены в β-поворотах, относятся к четко определенной части генетического кода. Поскольку эта группа аминокислот содержит биосинтетические предшественники других аминокислот, возможно, что эти аминокислоты и β-повороты были более многочисленны на ранней стадии эволюции (Jurka and Smith 1987).

C- (X) ₂ -C мотивы являются важными доменами металлсвязывающих белков и оксидоредуктаз (Shuber et al. 1986; Ammendola et al. 1992). Каммак, Холл и Рао (1971) предположили, что ферредоксины играли важную роль в ранней эволюции.

Очень высокая распространенность мотивов C- (X) ₂ -C в примитивных организмах, вероятно, связана с относительной важностью короткодействующих взаимодействий внутриполипептидных цепей, в отличие от дальнодействующих взаимодействий внутриполипептидных цепей и интерполипептидных цепей. взаимодействия.В то время как первое было более важным для древних организмов, последние два типа взаимодействий становятся все более важными в дальнейшем в эволюции. Это может объяснить наблюдение, что увеличение содержания цистеина привело к относительному снижению количества цистеинов, присутствующих в мотивах C- (X) ₂ -C.

Несмотря на относительное уменьшение количества цистеинов в мотивах C- (X) ₂ -C, мы обнаружили 555 таких мотивов в 2681 изученном человеческом белке. Факторы транскрипции, подобные цинковому пальцу или цинковому пальцу, используются в ряде белков, которые возникли в многоклеточных организмах.К ним относятся различные рецепторы гормонов. Следовательно, эволюция привела ко многим новым применениям белков с доменами C- (X) ₂ -C, но еще больше белков приобрели цистеины в различных других положениях.

Таблица 1 Цистеин в белках рибосом разных видов

Таблица 1 Цистеин в белках рибосом разных видов

Таблица 2 Встречаемость аминокислотных остатков Phe, Tyr, Ile и Cys в белках различных видов (%)

Таблица 2 Встречаемость аминокислотных остатков Phe, Tyr, Ile и Cys в белках различных видов (%) )

Рис.1. — Наличие цистеина в белках различных видов. Содержание цистеина выражается в процентах (ось Y). Сумма всех 20 кодированных аминокислот считалась 100%. Все данные были скорректированы на содержание ГХ по сравнению с содержанием АТ видов, как описано в «Материалы и методы». Поскольку цистеин имеет 2 кодона из 61 смыслового кодона, математическая вероятность появления цистеина составляет 3,28% (последний столбец). Диапазон скорректированных данных GC составляет 3,23–3,28% для различных видов

Рис.1. — Наличие цистеина в белках различных видов. Содержание цистеина выражается в процентах (ось Y). Сумма всех 20 кодированных аминокислот считалась 100%. Все данные были скорректированы на содержание ГХ по сравнению с содержанием АТ видов, как описано в «Материалы и методы». Поскольку цистеин имеет 2 кодона из 61 смыслового кодона, математическая вероятность появления цистеина составляет 3,28% (последний столбец). Диапазон скорректированных данных ГХ составляет 3,23–3,28% для различных видов

Рис.2. — Белки с по крайней мере одним остатком цистеина и без него у различных видов. Черная часть сложенного столбца представляет белки с цистеином, а белая часть представляет белки без единого остатка цистеина. Сумма всех проанализированных белков принималась за 100% (ось Y).

Рис. 2. — Белки с минимум одним остатком цистеина и без него у различных видов. Черная часть сложенного столбца представляет белки с цистеином, а белая часть представляет белки без единого остатка цистеина.Сумма всех проанализированных белков считалась 100% (ось Y)

Рис. 3. — Содержание цистеина в рибосомных белках (черные столбцы) различных видов. Также показано общее содержание цистеина в белках (пустые столбцы) различных видов. Содержание цистеина выражается в процентах от 20 кодированных аминокислот (ось Y). Данные скорректированы по ГХ.

Рис. 3. — Содержание цистеина в рибосомных белках (черные столбцы) различных видов. Также показано общее содержание цистеина в белках (пустые столбцы) различных видов.Содержание цистеина выражается в процентах от 20 кодированных аминокислот (ось Y). Данные скорректированы по GC

Рис. 4. — Относительное положение цистеинов (закрашенные квадраты) и глицинов (пустые квадраты) на участке аминокислот ≤8 ( n ≤ 8). Встречаемость остатков цистеина и глицина была проанализирована для n = 0–22, и средняя встречаемость была принята за 1. Общие значения встречаемости составили 24,484 для людей, 7,475 для Drosophila, 877 для кукурузы, 9,602 для S.cerevisae, 4515 для E. coli, и 545 для H. maresmortui. Фактическое вхождение отображается на оси Y; n отображается по оси X. Данные скорректированы с помощью ГХ.

Рис. 4. Относительные положения цистеинов (закрашенные квадраты) и глицинов (пустые квадраты) на участке аминокислот ≤8 ( n ≤ 8). Встречаемость остатков цистеина и глицина анализировалась для n = 0–22, и средняя встречаемость принималась за 1.Общие значения встречаемости составили 24 484 для человека, 7 475 для Drosophila, 90 263 877 для кукурузы, 9 602 для S. cerevisae, 4515 для E. coli, и 545 для H. maresmortui. Фактическое вхождение отображается на оси Y; n отображается по оси X. Данные скорректированы по GC

Мы благодарим докторов наук. Дэвида М. Бедвелла, Миклоша Келлермайера, Иштвана Саймона и Дениса Н. Уитли за критическое прочтение рукописи. Мы благодарим Андраша Раба за техническую помощь.Работа поддержана грантом Министерства здравоохранения Венгрии (T-04 035/99).

цитированная литература

Аммендола С., К. А. Райя, К. Карузо, Л. Камарделла, С. Д’Аурия, М. Де Роса и М. Росси.

1992