Протеин как выглядит: Протеин. Определяемся с выбором. Типы белка, способы фильтрации и т.д.

Этот скелет больше похож на модель мяча и клюшки (справа) и 1a и 2a в нашей галерее изображений выше. Это правильно? Да, на нем показаны все правильные кости, а также то, как они соединяются друг с другом. Показывает ли он вам, как выглядит настоящий живой человек? Не совсем. Вот как работает шарообразная модель белка. Он показывает, где находятся важные атомы (шарики) и как они соединяются друг с другом (палочки), но не дает хорошего представления о том, где находятся спирали (спирали) и пластины, или о полной форме атома. белок.

Воплощение

На этом рисунке изображен человек в полном человеческом обличье. Это больше похоже на модель заполнения пространства (справа) и 1b и 2b в нашей галерее изображений выше. Это лучший способ представить, на что похожа реальная трехмерная форма белка. Хотя модель, заполняющая пространство, содержит большое количество деталей, изображение настолько плотное, что трудно сказать, какую структуру имеет белок (особенно внутри).

Искусство фигурки

Иногда даже скелет — это слишком много информации. Если вам просто нужен минимум структуры белка, вы можете просто показать основу (справа), как на 1c и 2c в нашей галерее изображений выше. Этот тип модели игнорирует структуру отдельных аминокислот и просто показывает основу белка (где аминокислоты соединены вместе).

Не только для комиксов

В комиксе вам достаточно основных рук, ног и головы, чтобы визуализировать действия персонажа. Это упрощение позволяет вам сосредоточиться на наиболее важных частях, таких как движение персонажа или его эмоции. Для ленточной диаграммы (справа), а также 1d и 2d в нашей галерее изображений выше части структуры белков сведены к минимуму, так что в каждой из них вы можете сосредоточиться на расположении одной спирали (спирали) и том, как три части лист выстраивается в линию.

Добавление изображений из Викимедиа.

Иллюстрации белков, созданные с помощью инструмента визуализации Jmol Protein Data Bank (PDB).

Подробнее о: Веном!

Структурная биология

Другие информационные бюллетени PDF-версия

Что такое структурная биология?

Структурная биология — это наука о том, как строятся биологические молекулы. Используя различные методы визуализации, ученые рассматривают молекулы в трех измерениях, чтобы увидеть, как они собираются, как функционируют и как взаимодействуют. Это помогло исследователям понять, как тысячи различных молекул в каждой из наших клеток работают вместе, чтобы поддерживать наше здоровье. Структурные исследования также показали, как деформированные молекулы делают нас больными, и в результате эти исследования подтолкнули к новым методам лечения многих заболеваний.

Что такое молекулы?

Молекулы представляют собой группы из двух или более атомов, удерживаемых вместе химическими связями. Молекулы включают ДНК, РНК, белки, углеводы (сахара) и липиды (жиры). Структурные биологи особенно интересуются белками, потому что они выполняют большую часть работы в организме. Биологи все чаще исследуют большие молекулы, состоящие из комбинаций РНК и белков, называемые РНК-белковыми комплексами.

Что такое белки?

Белки — это молекулы, которые участвуют практически во всех сферах деятельности организма. Они формируют волосы и ногти, переносят кислород в крови, позволяют мышцам двигаться и многое другое.

Вверху: Белковые молекулы состоят из аминокислот, соединенных вместе, как бусинки на нитке. Внизу: чтобы стать активными, белки должны скручиваться и складываться в свою окончательную, или «нативную», конфигурацию. Кредит: НИГМС.

Смесь альфа-спиралей (красные; закрученная лента, образующая шестигранную звезду) и бета-листов (синие; более тонкие, спутанные нити). Предоставлено: Банк данных о белках RCSB.

Из чего состоят белки?

Белки состоят из длинных нитей небольших молекул, называемых аминокислотами. В природе встречается 20 аминокислот. Каждый белок содержит уникальную комбинацию от нескольких десятков до многих тысяч аминокислот. Некоторые белки состоят из нескольких цепочек аминокислот, свитых вместе.

Как белок приобретает свою форму?

Несмотря на то, что белки представляют собой цепочки аминокислот, они не остаются на прямой линии. Нити скручиваются, изгибаются и складываются в определенные формы. То, как они складываются, частично зависит от того, как аминокислоты взаимодействуют друг с другом. Некоторые участки белков образуют стандартные «мотивы»: штопорообразные спирали, называемые альфа-спиралями, и плоские участки, называемые бета-листами.

Исследователи могут легко определить последовательность аминокислот в белке. Хитрость заключалась в том, чтобы выяснить, как и почему белки сворачиваются. Ученые начинают решать эту загадку, исследуя, как взаимодействуют аминокислоты, и используют новые мощные компьютерные программы, которые помогают предсказывать белковые мотивы. Исследователи даже начинают разрабатывать свои собственные совершенно новые белки, которые выполняют определенные функции. Эта новая работа помогает ученым понять не только то, как сворачиваются белки, но и то, как они неправильно сворачиваются и неправильно функционируют при таких заболеваниях, как болезнь Альцгеймера и муковисцидоз. Знание большего об этих процессах может позволить исследователям разработать новые методы лечения.

Какое значение имеет форма белка?

Структура белка позволяет ему выполнять свою работу. Например, антитела имеют форму буквы Y. Это помогает этим белкам иммунной системы связываться с чужеродными молекулами, такими как бактерии или вирусы, одним концом и рекрутировать другие белки иммунной системы другим. ДНК-полимераза III имеет форму пончика. Это помогает ему образовывать кольцо вокруг ДНК, копируя свою генетическую информацию. А белки, называемые ферментами, имеют бороздки и карманы, которые помогают им удерживать другие молекулы для ускорения химических реакций. Неправильно свернутые или деформированные белки могут вызывать заболевания. Они часто перестают работать должным образом и могут накапливаться в тканях. Болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и муковисцидоз являются примерами заболеваний, вызванных неправильно свернутыми белками.

Какие виды белков существуют?

Существует множество различных видов белков. Например, многие белки являются ферментами, помогающими биохимическим реакциям. У других есть формы или определенные функции, которые помогают клеткам сохранять свою форму и двигаться, как описано в предыдущем ответе. Другой тип, называемый белками-транспортерами, встроен в наружную мембрану клетки и образует каналы, которые помогают жизненно важным веществам, таким как натрий или калий, проникать в клетку или выходить из нее.

Изображение антитела, белка иммунной системы, который избавляет организм от чужеродных материалов, включая бактерии. Фото: Дэвид С. Гудселл, Исследовательский институт Скриппса.

Зная, что протеаза ВИЧ — фермент, расщепляющий ВИЧ, — имеет две симметричные половины, исследователи-фармацевты сначала попытались заблокировать фермент с помощью симметричных, встречающихся в природе небольших молекул. Они сделали их, разрезав половинки молекулы природного субстрата, а затем создав новую молекулу путем слияния двух идентичных половинок природного субстрата. Кредит: НИГМС.

Как ученые используют белковые структуры для разработки новых лекарств?

Лекарства обычно блокируют или поддерживают активность определенных белков в организме. Используя подход, называемый дизайном лекарств на основе структуры, ученые могут создать шаблон для белка и использовать этот план для создания новых лекарств. Они начинают с компьютерной модели структуры белка, который им интересно изучать. Например, компьютерная модель позволит исследователям изучить, как два белка работают вместе. Затем, если ученые хотят отключить один белок, они попытаются разработать молекулу, которая блокирует или изменяет это взаимодействие.

Приведите пример лекарства, разработанного с использованием структурного дизайна?

Исследователи использовали структуру лекарств для разработки некоторых препаратов против ВИЧ. Протеаза ВИЧ — это фермент, поддерживающий жизнь вируса. Знание его структуры позволило исследователям определить типы молекул, которые могут остановить работу протеазы ВИЧ. Ученые использовали компьютерные модели для точной настройки молекул, которые могли бы остановить производство вирусов. Эта работа привела к созданию лекарств, называемых ингибиторами протеазы.

Как ученые определяют структуру белков?

Исследователи используют несколько методов визуализации для определения структуры белков и других сложных молекул. Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) позволяет ученым «видеть» отдельные белки, а также более крупные структуры, такие как молекулярные комплексы (группы белков, которые объединяются и функционируют как единое целое), вирусы или органеллы (специализированные структуры внутри клетки, которые выполнять определенные функции). Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) также позволяют исследователям наблюдать за белками. На сегодняшний день исследователи использовали эти методы для расшифровки структуры более 122 000 белков. Protein Data Bank хранит эти структуры и предоставляет ученым доступ к ним.

Что такое крио-ЭМ и как это работает?

В крио-ЭМ исследователи быстро замораживают клетку, вирус, молекулярный комплекс или другую структуру, чтобы молекулы воды не успели сформировать кристаллы. Это сохраняет образец в его естественном состоянии. Ученые используют электронный микроскоп, чтобы взорвать замороженный образец электронным лучом. Это создает двумерную проекцию образца на цифровой детектор. Создавая сотни проекций образца под разными углами, а затем взяв среднее значение этих углов, ученые создают трехмерную модель его структуры. Недавние достижения в крио-ЭМ позволяют получать очень подробные изображения белков и других биологических структур, включая более крупные структуры, такие как комплексы РНК-белок.

Крио-ЭМ можно использовать для определения структуры больших молекулярных комплексов, таких как комплекс распознавания происхождения (ORC). ORC распознает и связывает ДНК, чтобы запустить процесс копирования генетического материала клетки до деления клетки. Авторы и права: Хуйлин Ли, Брукхейвенская национальная лаборатория, и Брюс Стиллман, лаборатория Колд-Спринг-Харбор.

Что такое рентгеновская кристаллография и как она работает?

Рентгеновская кристаллография пропускает пучок рентгеновских лучей через крошечный твердый кристалл, состоящий из триллионов идентичных белковых молекул. Кристалл рассеивает рентгеновские лучи на электронный детектор подобно тому, как изображения захватываются цифровой камерой. Компьютер измеряет интенсивность рассеянного рентгеновского излучения, чтобы определить положение каждого атома в кристаллизованной молекуле. В результате получается трехмерное цифровое изображение. Этот метод использовался для определения более 85 процентов известных белковых структур.

Что такое спектроскопия ЯМР и как она работает?

ЯМР-спектроскопия работает с использованием природных магнитов — ядер определенных атомов — внутри белков. Эти естественные клеточные магниты взаимодействуют с большим магнитом внутри ЯМР-машины. Большой магнит заставляет магниты белка выстроиться в линию. Затем исследователи взрывают образец серией импульсов радиоволн с долей секунды и наблюдают, как реагируют магниты белка. Ученые используют несколько наборов этих ЯМР-бластов и объединяют данные, чтобы получить более полную картину белка. Хотя рентгеновская кристаллография может исследовать более крупные белки, чем ЯМР, технология ЯМР может изучать белки, погруженные в жидкие растворы. Напротив, рентгеновская кристаллография требует, чтобы белки были организованы в кристаллы.

Структурные биологи создают кристаллы белков, показанные здесь, как этап рентгеновской кристаллографии, которая может выявить подробные трехмерные структуры белков. Авторы и права: Алекс Макферсон, Калифорнийский университет в Ирвине.

Это машина, используемая для ЯМР-спектроскопии. В большинстве этих машин используются магниты с частотой от 500 до 900 мегагерц. Этот магнит 900 мегагерц. Предоставлено: Varian NMR Systems.

Могут ли ученые увидеть, как действуют белки?

Новые технологии позволяют исследователям переходить от создания статических изображений белков и других молекул к созданию фильмов об их действиях.

Изображения предоставляют моментальные снимки того, что эти клеточные элементы делают в определенные моменты времени. Хотя они предоставляют ценную информацию, эти неподвижные изображения не отражают того, как белки и другие молекулы внутри клеток постоянно движутся и изменяются, складываются и разворачиваются по мере взаимодействия. Понимание этой динамической системы имеет решающее значение для понимания того, как устроена жизнь. Кроме того, существует целый класс белков, называемых внутренне неупорядоченными белками, которые не имеют определенной формы. Их форма адаптируется к тому, что происходит внутри клетки, поэтому сделать их неподвижное изображение практически невозможно.

В настоящее время ученые используют мощные компьютерные модели для создания молекулярных фильмов, чтобы они могли увидеть весь спектр белков в живом действии. Получая информацию о том, как взаимодействуют аминокислоты и другие строительные блоки, полученные с помощью различных методов визуализации, ученые могут создавать движущиеся изображения. Такие фильмы помогают исследователям понять, как белки работают в их естественном состоянии, и позволяют им разрабатывать высокоспецифичные лекарства.

Модель вируса атомного масштаба, поражающего бактерию Salmonella. Предоставлено: C. Hryc и лаборатория Чиу, Медицинский колледж Бейлора.

Что ждет структурную биологию в будущем?

Исследователи на переднем крае структурной биологии объединяют все методы визуализации — рентгеновскую кристаллографию, ЯМР и крио-ЭМ. Это позволяет им создавать более точную карту того, как выглядят белки и другие молекулы и как они взаимодействуют. Ученые могут создать единое изображение, которое увеличивается, чтобы увидеть определенные белки, и также уменьшается, чтобы увидеть, как они взаимодействуют в более крупной клеточной структуре. Помимо объединения существующих методов ученые разрабатывают все более мощные методы. Например, новые рентгеновские лазеры позволяют получить представление о процессах, которые происходят менее чем за одну десятую триллиона секунды, что намного быстрее, чем у других источников рентгеновского излучения.

Ученые используют сверхэффективные методы для определения белковых структур быстрее, чем когда-либо прежде. Они также используют сложные методы для предсказания трехмерных структур белков. И они используют мощные компьютерные модели для проектирования и создания новых белков, не встречающихся в природе, которые имеют полезные функции, такие как обнаружение болезней и борьба с ними. Эта работа продолжит углублять наше понимание разнообразных ролей, которые молекулы играют в биологии, и будет способствовать прогрессу в медицине.

Подробнее

Ресурсы NIGMS

• Публикации в блогах Структурная биология
• Родственные Статьи по структурной биологии
• Подсел на гем [PDF, 2,64 МБ] из
  Находки Журнал
• Буклет The Structures of Life
  

NIGMS является частью Национального Институты здоровья, поддерживающие основные исследования, чтобы улучшить наше понимание биологические процессы и закладывают основу для достижения в диагностике, лечении и профилактика. Для получения дополнительной информации о исследовательские и учебные программы института, посещать https://www.