Введение в протеомику, технология протеомики, словарь протеинов и проблемы с протеинами - BioinforMatix.ru - портал по биоинформатике, имейджингу и биософту

Введение   в  протеомику, технология протеомики, словарь протеинов и проблемы с протеинами

Печать E-mail
Автор Неизвестен   
22.05.2009 г.

Любая хорошая наука начинается с хороших аналитических технологий и протеомика не является исключением.  В  этой быстро развивающейся области основным вызовом является понимание механизма взаимодействия около 300,000 протеинов  в  человеческом организме. Какова потенциальная выгода установления этих механизмов? Быстрая разработка лекарственных средств и новейших методов излечения болезней, с которыми медицина боролась веками.  В  настоящее время большая часть работ  в  протеомике выполняется с использованием 2-D PAGE (двумерного гель-электрофореза на полиакриламиде). Этот метод всегда будет играть большую роль  в  протеомных исследованиях. Однако, объем работ, которые необходимо выполнить, требует использования методов и приборов с большими производительностями, информативностью и чувствительностью. Большинство ученых мира, работающих  в  области протеомики сегодня уверены, что методы, комбинирующие высокоэффективную жидкостную хроматографию и тандемную масс-спектрометрию могут обеспечить быстрый прорыв  в  протеомике. Например, группа аналитиков недавно проанализировала небольшое количество образца клеток Hep-G2 (гепатоплазма человеческой печени)  в  течение пяти часов с использованием жидкостного хроматографа Surveyor® и масс-спектрометрического детектора с анализатором ионная ловушка LCQ DECA XP. Полученные результаты были подвергнуты сравнению по индексированной базе данных человеческих протеинов с использованием программного пакета TurboSEQUEST®.  В  общей сложности были идентифицированы 95 протеинов.  В  противоположность этому другая группа исследователей, использовавшая более традиционные методы 2-D гель-электрофореза идентифицировали 25 секреторных протеинов из такого же образца, потратив на это значительно больше времени.

Введение  в  протеомику

Однако, многие до сих пор спрашивают - что такое протеомика? Просто говоря, протеомика - это изучение белков и их взаимодействия  в  живых организмах,  в  том числе  в  человеческом. Ученые  в  области протеомики исследуют "производство" протеинов (белков), их декомпозицию и замену белков внутри тела. Они также изучают как протеины модифицируются после их генерации  в  организме.

Часто можно прослеживать связь между изменениями протеинов и их взаимодействием и болезненными состояниями. Таким образом, протеомика может значительно ускорять разработку лекарственных средств и гораздо быстрее вложить  в  руки пациента новое эффективное лекарство. Сегодня более 95 процентов всех фармакологических средств на рынке нацелены на воздействие на протеины. Протеомика может помочь идентифицировать и оценить новые целевые протеины гораздо эффективнее и с систематизированным подходом, что,  в  свою очередь, может ускорить разработку новых диагностик и терапевтических средств.

Протеины известны около 200 лет.  В  начале XIX столетия химики выбрали имя "протеины" для этих веществ от греческого слова "proteios", означающего "удерживающий первое место".  В  русском языке эти вещества называются "белками", что вероятно связано с цветом одного из самых распространенных белков - альбумина, когда он сворачивается по действием высокой температуры. Важность протеомики можно представить себе по одному примеру ее раннего развития.  В  начале XX века исследователи обнаружили альтернативные формы инсулина и, таким образом, спасли и продлили миллионы жизней людей, страдающих диабетом.

Несмотря на особую важность исследования этих веществ большая часть работ  в  биологии во второй половине XX века была сосредоточена на исследованиях генов и ДНК (деоксирибонуклеиновой кислоты). Эти работы базировались на основополагающем открытии, сделаном James Watson, Francis Crick и Maurice Wilkins, которые получили  в  1962 году Нобелевскую премию за объяснение двойной спиральной структуры ДНК.

Генные исследования и протеомика комплиментарны  в  том смысле, что гены, составленные из ДНК, определяют производство специфических протеинов. Однако, как писал  в  1998 году исследователь Norman G. Anderson "ДНК - это, на самом деле, не нижняя точка: любой современный учебник биологии объясняет, что протеины определяют активную жизнь клетки,  в  то время как нуклеиновые кислоты представляют собой только план этой активности". Другими словами, биология  в  действительности реализуется на уровне протеинов.

Наиболее значимый и разрекламированный прорыв последних лет это картирование генома человека,  в  результате чего создается атлас, включающий от 30,000 до 40,000 генов, определяющих составляющие человеческого тела. По сравнению с этим вызов, стоящий перед протеомикой, значительно серьезнее. По некоторым оценкам число протеинов  в  человеческом теле около 300,000 или больше -  в  10 раз больше, чем количество генов  в  человеческом теле. Эти протеины, конечно, могут взаимодействовать друг с другом и число таких взаимодействий не поддается подсчету.

 В  то время как определение последовательностей генома человека является основой полномасштабного исследования протеинов, необходимо помнить, что исследования протеинов были предметом инетреса ученых  в  течение длительного времени. Исследователи, работающее  в  протеомике, просто смеются над утверждениями о том, что эта область науки только сейчас появилась. На самом деле,  в  начале 1980 годов Anderson возглавлял специальную группу индексирования протеинов человека, которая пыталась проводить систематические исследования протеома человека и развивать аналитические методы, необходимые для этих исследований. Эти попытки натолкнулись на отсутсвие политической поддержки и финансирования,  в  равной степени как и ограничений со стороны технологического уровня. Сегодня, исследования протеинов оказались  в  центре внимания по двум причинам. Во-первых, геном расшифрован и ускорение протеомных исследований является следующим логическим шагом. Во-вторых, технология проведения протеомных исследования быстро развивается.

Букварь протеинов

Протеины служат для выполнения огромного числа функций  в  организме. Эти протеины включают:

  • Энзимные протеины, которые служат катализаторами таких функций как пищеварение
  • Транспортные протеины, такие как гемоглобин, который переносит кислород из легких к другим частям тела
  • Структурные протеины, такие как колаген и эластин, которые обеспечивают фиброзную основу соединительных тканей  в  животных
  • Хранилищные протеины, такие как казеин, который является главным источником аминокислот для организмов детенышей млекопитающихся
  • Гормональные протеины, такие как инсулин, который помогает регулировать концентрацию сахара  в  крови
  • Рецепторные протеины, которые встраиваются  в  мембраны нервных клеток и детектируют химические сигналы передаваемые другими нервными клетками
  • Сократимые протеины, такие как миозин, который играет большую роль  в  жвижении мышц
  • Защитные протеины, которые защищают организм от болезней
  •  

    Протеины производятся или "выражаются" рибонуклеиновой кислотой (RNA или РНК), которая определяется ДНК  в  генах. Каждый протеин - это цепочка аминокислот.  В  человеческом теле используются только 20 аминокислот для производства протеинов, но эти аминокислоты выстраиваются  в  цепочки бесчисленным количеством способов. Порядок или последовательность. аминокислот играет огромную роль а определении функции конкретного белка  в  организме. Другим определяющим фактором является структура протеина.

    Порядок,  в  котором выстраиваются аминокислоты, диктуется определенными фрагментами ДНК, называемыми нуклеотидами. Каждый нуклеотид содержит сахарную группу, фосфатную группу и одно из четырех соединений, называемых базовыми. Эти четыре базы - аденин, тимин, цитозин и гуанин. Прядь спирали ДНК  в  действительности состоит из цепочки нуклеотидов. Три нуклеотида  в  ряд образуют кодон и порядок базовых веществ  в  кодоне диктует какая из 20 аминокислот будет производиться. Например, если три базовых вещества стоят  в  следющем порядке - тимин, цитозин, аденин - будет производиться серин. Однако, если базы стоят  в  следующем порядке - аденин, цитозин, тимин - будет производиться треонин. Таким образом цепочка ДНК производит многочисленные аминокислоты, которые, затем, связываются друг с другом для формирования протеинов.

    Проблемы с протеинами

    Практически все болезни могут быть прослежены до изменений, происходящих на протеиновом уровне. Например:

    Генетические мутации на уровне ДНК могут вызвать неправильное производство протеинов. К примеру, это происходит при серповидной клеточной анемии. Протеин гемоглобин вызывает превращение красных кровяных телец  в  ненормальную серповидную форму поскольку одно из базовых веществ  в  кодоне неправильно заменено другим. Формирование одной неправильной аминокислоты вызывает ненормальность  в  гемоглобине, клетки которого принимают серповидную форму.

    Часто протеины требуют модификации после трансляции (т.е. после создания по плану ДНК) для того, чтобы способствовать выполнению ими определенных функций  в  организме. Например, протеины, которые вызывают образование кровяных тромбов остаются неактивными до тех пор, пока не претерпевают соотвествующих изменений. Следовательно, неправильная послетрансляционная модификация является второй причиной неправильного функционирования протеинов.

    Еще одна причина проблем с протеинами - это полиморфизм. Это небольшие вариации ДНК, которые делают индивидуальных живых особей отличными друг от друга. Этот же полиморфизм также делает некторые особи более склонными к определенным болезням и эта склонность неизбежно прослеживается до ненормальности генерации и взаимодействия протеинов.

    Протеомика открывает прекрасную возможность систематического изучения процессов генерации и взаимодействия протеинов.
     
    « Пред.   След. »


    Copyright 2012 Bioinformatix.ru