Содержание

Урок по теме "Белки" (10 класс)

План-конспект урока

Предмет: Биология.

Класс: 9.

Тип урока: повторительно-обобщающий; интегрированный (биология, химия)

Тема: «БИОПОЛИМЕРЫ: БЕЛКИ».

Цель: определить степень усвоения школьниками учебного материала по теме «Молекулярный уровень организации живой природы. Биополимеры: белки».

Задачи:

  1. Образовательные:

    1. Обобщить и систематизировать знания учащихся по изученной теме.

    2. Выяснить уровень знаний учащихся о составе, особенностях строения, функциях и свойствах белков.

    3. Сравнить качество усвоения знаний школьниками с требованиями, предъявляемыми базовым образовательным стандартом.

    4. Научить учеников использовать современные информационно – коммуникативные технологии для решения учебных задач.

    5. Подготовить базу для дальнейшего изучения программного материала на основе актуализации знаний и обогащении субъективного опыта школьников о значении, строении и свойствах биополимеров на примере белков.

  1. Воспитательные:

    1. Стимулировать проявление у учащихся инициативы и самостоятельности.

    2. Создавать ситуации, обеспечивающие реализацию коммуникативных навыков через организацию разнообразных взаимодействий в учебно - воспитательном процессе на основе диалога и полилога.

    3. Продолжить формирование у детей аккуратности при оформлении учебной документации.

    4. Формировать адекватную самооценку при выборе учебных заданий и форм их выполнения, положительную Я-концепцию личности ученика.

    5. Содействовать становлению и проявлению индивидуальности учащихся.

  2. Развивающие:

    1. Развивать творческие способности школьников, способствовать реализации творческого потенциала.

    2. Продолжить выработку у детей навыков самооценки и самоанализа.

    3. Формировать умения аналитического мышления, строить доказательную базу своим высказываниям и утверждениям, реализовывать индивидуальные особенности при решении поставленных задач.

Материалы к уроку:

  • Компьютер, проектор.

  • Дидактические материалы в форме мультимедийного приложения.

  • Карточки с маршрутными заданиями (3 варианта) и бланками отчётов (задания для индивидуальной работы).

  • Учебники.

Оборудование и реактивы:

  • Спиртовка, держатель, спички.

  • Пробирки (4 шт.).

  • Шпатель.

  • Раствор белка.

  • Хлорид натрия.

  • Этиловый спирт.

  • Гидроксид натрия (р-р).

  • Сульфат меди (II) (р-р).

  • Азотная кислота (р-р).

Ход урока:


Этапы

Деятельность ученика

Деятельность учителя

Время

1. Организационный

  1. Самопроверка
    готовности к уроку.

1. Проверяет готовность к занятию.

2. Организует внимание школьников.

1 мин.

2. Подготовка к
обобщающей деятельности

1. Осмысление проблемы, предварительный анализ возможностей её решения.

2. Постановка учебных задач (совместно с учителем).

3. Ознакомление с презентацией «эксперта» (функции, состав и строение белков).

4. Выбор маршрута.

1. Сообщает тему,
ставит проблему.

2. Формулирует задачи урока (совместно с учащимися).

3. Информирует об
алгоритме построения занятия.

19 мин.

3. Обобщение и систематизация знаний

1.  Работа в группах, организованных в соответствии с выбранными маршрутами.

2. Выполнение заданий на бланках отчёта.

1. Знакомит учащихся с 
порядком работы в группе и форме преставления отчёта.

2. Осуществляет консультирование по выполнению заданий в группах.

15 мин.

4. Проверка понимания материала.
Коллективное обсуждение результатов.

1. Обсуждение результатов работы в группе (доклад представителя от группы о проделанной работе).

2. Ознакомление с презентацией «эксперта» (функции белков).

1. Совместно с учащи­мися  обсуждает результа­ты работы.

25 мин.

5. Контроль усвоения материала

1. Индивидуальная
учебная деятельность на избранном маршруте.

2. Создание собственного образовательного продукта - подготовка отчёта.

1. Знакомит с общими требованиями по выполнению заданий индивидуальных маршрутов, инструктирует о порядке их выполнения.

2. Консультирует по выполнению заданий на индивидуальных маршрутах.

13 мин.

6. Подведение итогов урока

1. Изучение, анализ поставленного проблемного вопроса, поиск ответа.

2. Обсуждение результатов.
3. Коллективное обсуждение успешности выполнения поставленных учебных задач.

1. Участвует в коллективном обсуждении проблемы.
2. Осуществляет контроль результатов деятельности учащихся.

3. Совместно с учащимися обсуждает результаты урока и степень разрешения поставленного проблемного
вопроса.

7 мин.

Белки | План-конспект урока по биологии (10 класс) по теме:

Приложение 1

  1. К моносахаридам относится крахмал.
  2. К полисахаридам относится фруктоза.
  3. К дисахаридам относится мальтоза.
  4. Дезоксирибоза входит в состав молекулы ДНК.
  5. Из остатков альфа-глюкозы состоит молекула крахмала.
  6. Жиры образуют основу клеточных мембран.
  7. При распаде 1г жира выделяется 38,9 кДж энергии.
  8. Моносахариды – бесцветные вещества, обладают приятным вкусом и хорошо растворимы в воде.
  9. Олигосахариды – простые углеводы.
  10. Макромолекула, образована мономерами, называется полимером.

Приложение 2

Блок 1. «Состав и строение белков».

Познавательная задача: что позволяет белкам выполнять их биологические функции?

Текст 1. «Состав белков». (1-я пара учащихся). (см. учебник, рис. 12, 13, с. 41).

Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения. Кроме С, Н, О, N в состав белков могут входить Р, S, Fe. Белки построены из мономеров, которыми являются аминокислоты. В природе известно свыше 170 различных аминокислот. Но лишь 20 аминокислот способно создать белковую молекулу. Среди белков различают протеины - «чистые» белки, и протеиды, в которые кроме белковой части входит небелковая часть (например, так построена каждая из 4 молекул гемоглобина). Кроме того, белки делятся на простые (входят только аминокислоты) и сложные (аминокислоты + другое органическое вещество: липид, нуклеиновая кислота и пр.).

Вопросы  к тексту: ( слайд №6,7)

  1. Какие химические элементы образуют белковую молекулу?
  2. Чем протеины отличаются от протеидов?
  3. Все ли существующие аминокислоты способны образовывать белковую молекулу?

Учащиеся обсуждают вопросы в парах и дают ответ на поставленные вопросы, делают записи в тетради.

Учащиеся по слайду  изучают строение аминокислот, их свойства,  многообразие, сходство и различие. Приходят к мысли о единстве происхождения всего живого на Земле.

Текст 2. «Первичная структура белка». (2-я пара учащихся). (см. учебник, рис. 14, с. 43).

Первичная структура белка определяется генотипом, благодаря которому в процессе построения белка образуется аминокислотная цепь за счет образования между аминокислотными остатками пептидной связи. Пептидная связь образуется в процессе реакции полимеризации между функциональными группами соседних аминокислот: карбоксильной группой (-СООН) одной аминокислоты и аминогруппой (-Nh3) другой. Образующийся «отрезок» называется пептидом. Вся же аминокислотная цепь, состоящая из множества таких пептидов, именуется полипептидом.

Вопросы  к тексту:

  1. Какие функциональные группы входят в состав аминокислот?
  2. Какая связь образуется в результате взаимодействия функциональных групп двух аминокислот?
  3. Что собой представляет первичная структура белка?
  4. Чем пептид отличается от полипептида?

Учащиеся изучают структуры белка и делают записи в тетради. 

( слайд №8,9,10)

Текст 3. «Вторичная структура белка». (3-я пара учащихся).  (см. учебник, рис. 14, с. 43). ( слайд №11)

Вторичная структура белка образуется для того, чтобы придать аминокислотной цепи более компактную форму. Это промежуточная структура, наиболее часто принимающая спиралевидную форму. Её поддерживают водородные связи, образующиеся между функциональными группами разных витков спирали.

Вопросы к тексту:

1.Какова пространственная конфигурация вторичной структуры

2. Благодаря чему молекула белка удерживает данную структуру?

3. В чем необходимость поддержания данного уровня организации белка?

Текст 4. «Третичная и четвертичная структуры белка». (4-я пара учащихся). (см. учебник, рис. 14, с. 43). ( слайд №12,13)

Третичная структура - это конечная структура у большинства белков, образующаяся с целью придания молекуле белка максимально компактной формы в виде клубка (глобулы). В образовании данной структуры участвуют самые слабые взаимодействия: дисульфидные, ионные, водородные и пр. Полярные радикалы, выступающие наружу глобулы, обеспечивают специфическую биологическую активность белка.

В случае образования связи между несколькими простыми белками образуется четвертичная структура белка (например, так построен гемоглобин).

Вопросы  к тексту:

  1. Какова пространственная конфигурация третичной структуры белка?
  2. Для чего возникает третичная структура?
  3. Что определяет специфическую активность белка?

Блок 2. ( слайд №16), эвристические картинки.

Познавательная задача. Известно, что белки - важнейшая часть пищи животных и человека. С чем это связано?

Текст 1. «Белки-ферменты». (5-я пара учащихся).

В каждой живой клетке непрерывно происходят сотни биохимических реакций. Быстрое протекание таких реакций обеспечивают биокатализаторы - ферменты. Известно более 2 тысяч ферментов. Многие ферменты имеют сложное строение. Они включают в себя белок и небелковое соединение (кофермент), в качестве которого выступают, как правило, витамины или ионы металлов. Активность фермента определяется так называемым активным центром, имеющим специфический состав и строение. В результате с активным центром могут связываться только определённые молекулы, подходя к нему «как ключ к замку».

Вопросы к тексту:

  1. Какова роль ферментов в организме?
  2. Что может входить в состав кофермента?
  3. Почему ферменты обладают избирательным действием?

Текст 2. «Белки - регуляторы физиологических процессов». (6-я пара учащихся).

Гормоны - регуляторы физиологических процессов - образуются в железах внутренней секреции. Многие гормоны имеют белковую природу. Их роль сводится к регуляции активности ферментов. Например, большая группа белков - факторов роста - активизирует ферменты синтеза ДНК в клетке и таким образом усиливает деление клеток и рост организма в целом. Это также важно в процессе восстановления тканей при их повреждениях. Но слишком интенсивное деление клеток может привести к их злокачественному росту (злокачественные опухоли). Блокировать избыточный синтез факторов (гормонов) роста - значит привести к подавлению роста злокачественной опухоли.

Вопросы  к тексту:

  1. Где синтезируются гормоны?
  2. Могут ли гормоны оказать негативное влияние на организм?

Текст 3. «Белки-транспортеры». (7-я пара учащихся).

В мембране, цитоплазме и ядерной оболочке клетки имеются различные транспортные белки, которые обеспечивают активный и строго избирательный транспорт веществ. Кроме того, в клетках крови эритроцитах есть белок гемоглобин, который переносит кислород ко всем клеткам тела. В транспорте витаминов, гормонов, микроэлементов принимают участие белки сыворотки крови - альбумины.

Вопросы  к тексту:

  1. Каковы место и роль белков-транспортеров в клетке?
  2. Почему содержание белка гемоглобина в крови является важной постоянной физиологической величиной?

Текст 4. «Белки — защитники организма». (8-я пара учащихся).

Специальные белки - иммуноглобулины - играют роль антител по отношению к чужеродным белкам. Они связывают и выводят эти белки из организма, препятствуют размножению микробов и вирусов, нейтрализуют выделяемые ими токсины. Например, в лимфатических тканях образуются лимфоциты -клетки, синтезирующие антитела. Таким образом, у человека и животных одна из главных систем - иммунная система.

Вопросы  к тексту:

  1. Какие белки входят в состав иммунной системы?
  2. Каково действие защитных белков на чужеродные реагенты?
  3. Каким образом современная медицина предупреждает многие инфекционные (бактериальные и вирусные) болезни?

Текст 5. «Белки, выполняющие структурную, энергетическую, строительную, сократительную функции». (9-я пара учащихся).

Белки участвуют в образовании клеточных мембран, органоидов. Кроме того, белки (белок кератин) входят в состав шерсти, волос, перьев, являются компонентами волокон соединительных тканей (белок коллаген).

При распаде 1 г белка выделяется 17 кДж энергии, однако белки используются для получения энергии только тогда, когда истощаются другие источники.

Белки осуществляют также сократительную функцию. Например, белки актин и миозин играют главную роль в работе мышц.

Вопросы  к тексту:

  1. Является ли белок основным источником энергии?
  2. Каковы функции таких белков, как кератин, коллаген, актин и миозин?

Приложение 3

СОСТАВ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ.

1. Какие органические вещества в клетке на первом месте по массе?

         А) углеводы;   б) белки;    в) липиды;    г) нуклеиновые кислоты.

2. Сколько аминокислот образует все многообразие белков?

  А) 170;    б) 26;       в) 20;       г) 10.

3. Первичная структура определяется аминокислотными остатками:

 а) числом;   б) последовательностью;   в) числом и последовательностью;    г) видами.

4. Вторичную структуру белка поддерживают в основном связи:

 а) пептидные;   б) водородные;    в) дисульфидные;   г) гидрофобные.

5. Третичная  структура белка определяется:

 а) спирализацией полипептидной цепи;      

 б) пространственной конфигурацией спирализованной полипептидной цепи;

 в) соединением нескольких полипептидных цепей;

 г) спирализацией нескольких полипептидных  цепей.

6. В поддержании четвертичной структуры белка не принимают участие связи:

 а) пептидные;     б) водородные;    в) ионные;   г) гидрофобные.

7. Физико– химические и биологические свойства белка полностью определяет структура:

   а) первичная;   б) вторичная;    в) третичная;    г) четвертичная.

8. Какой белок выполняет ферментативную функцию?

  А) фибрин;     б) инсулин;     в) актин;         г) трипсин.

9. Как называется потеря белком своей естественной пространственной структуры?

 А) спирализация;  б) денатурация;    в) репарация;   г) дегенерация.                        

10. Сколько аминокислот являются незаменимыми для человека?

  А) таких аминокислот нет;   б) 20;   в) 10;   г) 7.

11. Между какими группировками аминокислот образуется пептидная связь?

 А) между карбоксильными группами соседних аминокислот;

 Б) между аминогруппами соседних аминокислот;

 В) между аминогруппой одной аминокислоты и карбоксильной группой другой.

12. Восстановление естественной структуры белка, если не была нарушена первичная структура:

  а) денатурация;    б) ренатурация;      в) репарация;    г) дегенерация.

13. Мономерами белков являются :

 а) глюкоза;   б) нуклеотид;     в) аминокислота;    г) нуклеиновая кислота.

14. Назовите белок, выполняющий преимущественно двигательную функцию:

 а) актин;   б) тромбин;   в) каталаза;   г) миоглобин;   д) липаза.

Конспект урока по биологии для 10 класса по теме "Строение и функции белков". УМК Пасечник В.В., 1 час в неделю, базовый уровень

1.Организационный момент 2 минуты

Цель: подготовить учащихся к работе на уроке.

Задачи: создать положительный эмоционально-психологический настрой на урок; помочь учащимся включиться в деловой ритм; организация внимания всех учащихся.

Цель для учащихся: быстрое включение в деловой ритм, организация внимания, позитивно настроится на урок

Методы: словесные.

Взаимное приветствие учителя и учащихся.

Определение отсутствующих.

Проверка внешнего состояния классного помещения.

Проверка подготовленности учащихсяся к уроку (рабочее место, рабочая поза, внешний вид).

Организация внимания.

- Здравствуйте! Садитесь.
Сегодня мы продолжаем с вами изучение органических веществ, входящих в состав клетки.

Настрой на урок.

2. Проверка полученных знаний по теме “Углеводы. Липиды” 5 минут

Цель для учителя: организовать самоконтроль и взаимоконтроль

Задачи: проверка качества усвоения предыдущей темы “Углеводы. Липиды”.

установить правильность и сознательность выполнения домашнего задания всем классом,

устранить в ходе проверки обнаруженные пробелы в знаниях

Цели для обучающихся: активизация мыслительной деятельности, показать знания темы.

Методы организации работы: Метод фронтального тестирования. Организация само и взаимопроверки.

Методы стимулирования: похвала.

Методы оценивания: отметка.

Для начала, давайте вспомним – какие органические вещества мы изучили на предыдущих уроках?
(углеводы, липиды).
- Сейчас вам предстоит
выполнить тест, на выполнение данного задания у вас есть 3 минуты.
Закончили. А сейчас проверьте тест у друг друга, правильные ответы представлены на экране.Оцените свою работу, выставите баллы в оценочный лист.

Учащиеся отвечают на вопросы теста, выбирают верные ответы.

Взаимопроверка выполнения теста по ключу (слайд №2)

3. Подготовка к восприятию новых знаний 2 минуты

Цель: способствовать созданию проблемной ситуации для постановки учебной цели

Задачи: организовать и целенаправить на познавательную деятельность учащихся

Цель для учащихся: активизация мышление при поиске ответа на вопросы учителя.

Словесно-наглядный метод

Актуализация знаний

Вопросы к классу:

Как Вы понимаете слова Ф. Энгельса: “Повсюду, где мы встречаем жизнь, она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явление жизни”?

Сегодня мы продолжим изучение органических веществ. О каких веществах мы будем говорить?
(о белках)

Что бы Вы хотели узнать о белках? Какие задачи мы ставим перед собой?
Запиши тему в тетрадь
(Строение и функции белков)

Ученики высказывают предположение о том, что в органические вещества, к которым относится белок, являются основой живых существ

Ученики формулируют тему и задачи на урок.

4. Изучение нового учебного материала

Цель для учителя: способствовать созданию условий для эффективной работы на уроке

Организовать деятельность учащихся по изучению строения и функций белка

Мы знаем, что все органические вещества имеют достаточно сложное строение. Не исключение оставляют и белки.
Строение   белков.

Длинные белковые цепи построены всего из 20 различных типов аминокислот. Биологи называют их  «волшебными» аминокислотами. Аминокислоты имеют общий план строения, но отличаются друг от друга по строению радикала. Соединяясь, молекулы аминокислот образуют так называемые пептидные связи. Реакция, на рисунке  13, называется реакцией полимеризации. В результате взаимодействия аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты выделяется молекула воды, а освобождающиеся электроны образуют ковалентную связь, которая получила название пептидной.
Две аминокислоты, соединившись, образуют дипептид, три – трипептид.  Продолжите ряд, (4 - тетрапепсид, 5 - пентапептид, 6 - гекса… , а много - полипептид). Если вам в тексте учебника попадутся термины «полипептид», «полипептидная молекула», то вы уже будете знать, что речь идет о молекуле белка.информация учителя.

Белковые молекулы могут быть короткими и длинными, например:

  1. Инсулин - гормон поджелудочной железы, состоит из двух цепей: в одной 21, а в другой 30 аминокислотных остатков.

  2. Миоглобин — белок, мышечной ткани, состоит из 153 аминокислот.

  3. Коллаген- состоит из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков. 

 

Помогите мне сформулировать определение понятия «белок».

Белок – это  

 - низкомолекулярное соединение или высокомолекулярное? (высокомолекулярное)

 - можем мы назвать ее биополимером? (да)

 - аргументируйте свою мысль (биополимеры – это крупные органические молекулы, состоящие из мономеров)

 - что является мономером белковой молекулы? (аминокислоты)

 - сколько видов аминокислот может входить в состав белковой молекулы? (20)

Используя презентацию на вашем ноутбуке, составьте таблицу «Уровни организации белковой молекулы»
- Скажите пожалуйста,
1. Почему врачи рекомендуют «сбивать» температуру больного, если она превышает 38 °С? (Из-за возможной тепловой денатурации белков).

2. Почему из сваренного яйца никогда не появится цыпленок? (Белки яйца необратимо теряют структуру из-за тепловой денатурации).
Чтобы ответить на эти вопросы – ознакомьтесь с выданным текстом и ответьте на вопросы.

Денатурация — это утрата белковой молекулой своей структурной организации: четвертичной, третичной, вторичной, а при более жестких условиях — и первичной структуры (рис. 19). В результате денатурации белок теряет способность выполнять свою функцию. Причинами денатурации могут быть высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей, тяжелых металлов и органических растворителей.

Денатурация может быть обратимой и необратимой, частичной и полной. Иногда, если воздействие денатурирующих факторов оказалось не слишком сильным и разрушение первичной структуры молекулы не произошло, при наступлении благоприятных условий денатурированный белок может вновь восстановить свою трехмерную форму. Этот процесс называется ренатурацией, и он убедительно доказывает зависимость третичной структуры белка от последовательности аминокислотных остатков, т. е. от его первичной структуры.

Вопросы к тексту:

  1. Что называется денатурацией? (утрата белковой молекулой своей структурной организации)

  2. Что может явиться причиной денатурации? (высокая температура, ультрафиолетовое излучение, действие сильных кислот и щелочей)

  3. В каком случае возможно восстановление структуры белковой молекулы? (если не произошло разрушение первичной структуры белка)

  4. Как называется этот процесс? (ренатурация)

  5.  Какая структура белковой молекулы обеспечивает свойства белка и ее пространственную конфигурацию? (первичная)

Сверка ответов с эталоном.

А сейчас давайте узнаем, какие функции выполняет белок в клетке.
Сейчас мы посмотрим видеофрагмент, а после этого назовите какие именно функции выполняют белки.

(просмотр видеофрагмента, ответы на вопросы)

Учащиеся работают с познавательными задачами (текст задач в приложении №2).

Схема работы учащихся:

  1. Знакомство с познавательной задачей.

  2. Чтение текста.

  3. Ответ на вопросы.

  4. Оформление необходимых записей.

  5. Оформление вывода на основе познавательной задачи.

  6. Подготовка к обсуждению.

Ученики по ходу работы заполняют, ( слайд №9)

а затем проверяют заполненную таблицу “Структура белка”.

( слайд №15)

Учащиеся по слайдам изучают функции белков. ( слайд №16)

6. Рефлексия

Цель для учителя: способствовать реализации личностно-ориентированного подхода в обучении, реализации ситуации успешности.

Цель для учащихся: осознание своей удовлетворенности деятельностью на уроке; анализ конкретных результатов.

Метод: формирование рефлексивности.

-Подведем итоги сегодняшнего урока.

-Какие вопросы вызвали затруднения?

-

Ученики отвечают, подводят итог, отмечают тех, кто активно участвовал в работе на уроке.

Результаты работы заносятся в ведомость самооценки.

Содержание работы

Оценка взаимо

проверки

Оценка учителя

Итог

«Биологический диктант»

Решение познавательной задачи

Устное тестирование

Конспект урока : "Строение и функции белков"

1.Организационный момент

Цель: подготовить учащихся к работе на уроке.

Задачи: создать положительный эмоционально-психологический настрой на урок; помочь учащимся включиться в деловой ритм; организация внимания всех учащихся.

Цель для учащихся: быстрое включение в деловой ритм, организация внимания, позитивно настроится на урок

Методы: словесные.

Взаимное приветствие учителя и учащихся.

Определение отсутствующих.

Проверка внешнего состояния классного помещения.

Проверка подготовленности учащихсяся к уроку (рабочее место, рабочая поза, внешний вид).

Организация внимания.

- Ребята! Я рад вас видеть сегодня на уроке в хорошем настроении. Желаю вам сегодня успешной работы. Пожелайте друг другу хорошего рабочего настроения.

Настрой на урок.

2. Проверка  полученных знаний по теме “Углеводы. Липиды

Цель для учителя: организовать самоконтроль и взаимоконтроль

Задачи:  проверка качества усвоения предыдущей темы “Углеводы. Липиды”.

установить правильность и сознательность выполнения домашнего задания всем классом,

устранить в ходе проверки обнаруженные пробелы в знаниях

Цели для обучающихся: активизация мыслительной деятельности, показать знания темы.

Методы организации работы:  Метод фронтального тестирования. Организация само и взаимопроверки.

Методы стимулирования: похвала.

Методы оценивания: отметка.

Из-за большого объёма нового материала, который необходимо изучить на уроке, проверку знаний проводим в виде биологического диктанта.

Учитель читает утверждения

Учащиеся отмечают, какое из утверждений верное. Если утверждение верное, ставят «+», если неверное « - ».

Взаимопроверка выполнения теста по ключу

 

3. Подготовка к восприятию новых знаний

Цель: способствовать созданию проблемной ситуации для постановки учебной цели

Задачи: организовать и целенаправить на познавательную деятельность учащихся

Цель для учащихся: активизация мышление при поиске ответа на вопросы учителя.

 

Словесно-наглядный метод

 

Актуализация знаний

Вопросы к классу:

Как Вы понимаете слова Ф. Энгельса: “Повсюду, где мы встречаем жизнь, она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, не находящееся в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явление жизни”?

Сегодня мы продолжим изучение органических веществ. Думаю, что вы уже догадались, что сегодня мы с вами будем изучать строение и функции белков.

Что бы Вы хотели узнать о белках? Какие задачи мы ставим перед собой?

 

Ученики высказывают предположение о том, что в органические вещества, к которым относится белок, являются основой живых существ

 

 

 

 

 

Ученики формулируют тему и  задачи на урок.

4. Изучение нового учебного материала

Цель для учителя: способствовать созданию условий для эффективной работы на уроке

Организовать деятельность учащихся по изучению строения и функций белка

Создать пары обучающихся для совместной познавательной деятельности

Показать значимость изучаемой темы

Задачи: организовать дальнейшее совершенствование знаний, умений и навыков.

Способствовать формированию навыков и умений информационно-поисковой деятельности, развитию общеучебных умений, воспитание культуры труда.       

Цель для учащихся:

-самостоятельное выделение и формулирование познавательной цели;

- умение поиска и выделения необходимой информации

-анализировать, сравнивать

- умение правильно выражать свои мысли, отвечать на поставленные вопросы

Умение ориентироваться в учебнике, умение аргументировать свои версии, выдвигать свои предложения.

Методы: словесно-наглядные

Самостоятельная работа учащихся с текстом, рисунком учебника, эвристическими картинками.

Сообщения учащихся, с использованием слайдов презентации.

Рассказ учителя с элементами беседы.

Рассказ с элементами беседы и использованием слайдов презентации.

Выявление познавательных затруднений.

Метод стимуляции: создание ситуации успеха; свободный выбор заданий.

Методы оценивания: отметка.

План урока.

1. Понятие о белках и их классификация

2. Состав белков

3. Строение белковой молекулы

4. Функции белков в клетке

 Вступительное слово учителя.

Понятие о белках и их классификация.

Учебный материал раз­делен на 2 блока:

1-й блок - «Состав и строение белков»;

Просмотр видеофрагмента «Виды денатурации белка».

 

2-й блок - «Функции белков».

 

Учащиеся работают с познавательными задачами.

Схема работы учащихся:

1.              Знакомство с познавательной задачей.

2.       Чтение текста.

3.      Ответ на вопросы.

4.       Оформление необходимых записей.

5.             Оформление вывода на основе познавательной задачи.

6.       Подготовка к обсуждению.

Ученики по ходу работы заполняют,

а затем проверяют заполненную таблицу “Структура белка”.

 

Учащиеся по слайдам изучают функции белков.

 

 

5. Первичное закрепление учебного материала  Цель этапа: установить степень усвоения нового материала; помочь учащимся в систематизации новых знаний. Способствовать развитию интеллектуальных и коммуникативных умений, воспитание культуры общения, установление быстрой обратной связи, реализация личностно-ориентированного подхода в обучении, реализация ситуации успешности  

Цель для учащихся: организация своей учебной деятельности; коррекция полученных знаний.

Методы: самостоятельная работа.

Метод стимуляции: создание ситуации успеха; свободный выбор заданий.

Методы оценивания: отметка.

Устное тестирование, учащиеся работают парами. Если пара дает неверный ответ, то отвечает следующая  пара.

 

Учащиеся отвечают на вопросы теста.

6. Рефлексия

Цель для учителя: способствовать реализации личностно-ориентированного подхода в обучении, реализации ситуации успешности. 

Цель для учащихся: осознание своей удовлетворенности деятельностью на уроке;  анализ конкретных результатов.

Метод: формирование рефлексивности.

-Подведем итоги сегодняшнего урока.

-Полностью ли мы реализовали план урока?

-Соответствовала ли наша работа целям урока?

-Какие вопросы вызвали затруднения?

Ученики отвечают, подводят итог, отмечают тех, кто активно участвовал в работе на уроке.

Результаты работы заносятся в ведомость самооценки.

7. Задание на дом (дифференцированно)

Цель этапа:  стимулировать познавательный интерес, способствовать углублению знаний; разъяснение учащимся содержание домашнего задания, методику его выполнения.

Задачи: обеспечение понимания цели, содержания и способов выполнения домашнего задания.

Предлагаю:

1)      изучить материал по § 11 и записям в тетради;

2)      ответить на вопросы в конце § 11;

3)      выполнить опыты, данные в конце § 11.

 

Записывают домашнее задание, задают вопросы по мере необходимости.

Группа компаний ИНФРА-М

ООО «Эдиторум» (адрес: 127282, г. Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1, ИНН: 7715485571, КПП: 771501001, ОГРН: 1157746438893 — далее именуемое — «Общество»)

предоставляет любым физическим и юридическим лицам (далее — Пользователь) настоящий Интернет-сайт и определенные услуги, интерфейсы и функциональные возможности, доступные на настоящем Сайте или через него («Услуги»), при условии согласия Пользователя соблюдать приведенные ниже условия их использования («Общие условия»). Использование Пользователем настоящего Сайта или пользование Услугами означает согласие Пользователя с Общими условиями. После принятия Общих условий они станут обязательным для исполнения соглашением между Обществом и Пользователем и будут регулировать использование Пользователем Сайта или пользование Услугами («Договор»). Если Пользователь не желает соблюдать Общие условия, он должен немедленно прекратить использование настоящего Сайта или Услуг.

Время от времени Общество может менять условия и положения, изложенные ниже. Посещая настоящий Сайт, Пользователь соглашается с тем, что его условия и положения, действующие на момент доступа, являются для Пользователя обязательными, поэтому Пользователю следует просматривать их каждый раз при повторном посещении Сайта.

Отсутствие гарантий

Настоящий Сайт и Услуги предоставляются «как есть», без каких-либо прямо выраженных или подразумеваемых гарантий, в максимально допустимом законом объеме. Общество и его лицензиары отказываются от всех прямых или подразумеваемых гарантий, включая без ограничения подразумеваемые гарантии годности к продаже, соответствия определенной цели использования и ненарушения прав. Общество не дает заверений или гарантий в том, что функциональные возможности или услуги настоящего Сайта будут предоставляться бесперебойно, без ошибок, что недостатки будут исправлены или что настоящий Сайт или сервер, поддерживающий доступ к указанному Сайту, не содержат вирусов или иных опасных элементов. Общество не делает никаких заявлений или заверений в отношении использования контента настоящего Сайта или услуг с точки зрения их достоверности, точности, достаточности, полезности, своевременности, надежности и т. д.

Ограничение ответственности

Общество не несет ответственности перед Пользователем или какой-либо другой стороной за фактические, штрафные, прямые или косвенные убытки в результате использования или невозможности использования Сайта, Услуг или контента настоящего Сайта или по причине работы Сайта, Услуг описанных на Сайте, даже если «Общество» было проинформировано о возможности таких убытков.

Если Пользователь недоволен каким-либо элементом Сайта или Услуг или какими-либо из изложенных условий, единственное и эксклюзивное средство защиты прав Пользователя заключается в том, чтобы прекратить использование Сайта и Услуг.

Обладание авторскими правами на Сайт

Сайт содержит материалы, такие как текст, фотографии и другие изображения, звук, данные, программное обеспечение, графику и логотипы, защищенные авторским правом и/или другими правами интеллектуальной собственности. Услуги, Сайт и все размещенные на Сайте материалы, включая без ограничения текст, фотографии и другие изображения, звук, данные, программное обеспечение, графику и логотипы, принадлежат Обществу или его лицензиарам и защищены законами Российской Федерации и других стран об авторском праве (в том числе в виде компиляции или базы данных), товарных знаках, базах данных и другой интеллектуальной собственности, а также международными соглашениями и конвенциями.

Пользование Сайтом

Пользователь может загружать и распечатывать только одну копию контента настоящего Сайта для личного, некоммерческого использования или в связи с приобретением Пользователем каких-либо продуктов Общества, при условии сохранения как есть и без изменений всей информации об авторском праве и товарных знаках. Пользователь дает согласие на соблюдение всех применимых законов об авторском праве, товарных знаках и других законов об интеллектуальной собственности, а также всех дополнительных уведомлений, указаний и ограничений в отношении авторского права и товарных знаков, приведенных в любом разделе Сайта. Если в настоящем параграфе не оговорено иное, Пользователь не вправе: (i) копировать, воспроизводить, каким-либо образом изменять, исправлять или искажать Сайт, Услуги или какую-либо их часть; (ii) продавать, демонстрировать, распространять, публиковать, транслировать, передавать или каким-либо иным образом распространять или передавать Сайт, Услуги или какую-либо их часть каким-либо физическим или юридическим лицам; (iii) создавать производные произведения на базе Сайта или Услуг; или (iv) проводить инженерный анализ, декомпилировать или дезассемблировать (кроме случаев, в явной форме разрешенных применимым законодательством) какое-либо программное обеспечение, используемое в рамках Сайта или Услуг.

Использование гиперссылок

Общество не несет ответственности за содержание других Интернет-сайтов, включая веб-сайты, через которые Пользователь мог получить доступ к настоящему Сайту или на которые Пользователь мог перейти с данного Сайта. Компания не несет никакой ответственности в связи с такими сайтами или ссылками.

Если предоставляются гиперссылки на Интернет-сайт третьей стороны, это делается с наилучшими намерениями и с тем убеждением, что такой веб-сайт содержит или может содержать материал, имеющий отношение к содержанию настоящего Сайта. Такая гиперссылка не означает, что Общество проверило или одобрило соответствующий сайт третьей стороны или его контент или что оно выражает одобрение, спонсирует или поддерживает аффилированные отношения с таким Интернет-сайтом, его владельцами или провайдерами.

Юрисдикция

Использование Пользователем настоящего Сайта и действие настоящих условий и положений регламентируются законодательством Российской Федерации. Суды Российской Федерации имеют эксклюзивную юрисдикцию в отношении всех споров, возникающих в связи с использованием вами настоящего Сайта. Посещая данный Сайт, Пользователь безоговорочно соглашается подчиниться юрисдикции государственных судов Российской Федерации по месту нахождения Общества.

Персональные данные

Персональные данные — это любая информация, которая может быть использована для идентификации Пользователя как отдельного лица, в том числе фамилия, имя и отчество, дата рождения, адрес, контактные реквизиты (телефон, адрес электронной почты), семейное, имущественной положение и иные данные, относимые Федеральным законом от 27 июля 2006 года № 152-ФЗ «О персональных данных» к категории персональных данных.

Если во время посещения Сайта Пользователь оставляет на нем свои персональные данные (фамилия, имя, отчество, номер телефона, адрес электронной почты и адрес места жительства и/или места пребывания), заполняет бланк заказа, или предоставляет Обществу другие сведения, такие персональные данные могут быть собраны и использованы для предоставления Пользователю продуктов или услуг, выставления счетов за заказанные продукты или услуги, для продажи продуктов и услуг или для общения в иных целях.

Направление информации через сайт означает согласие Пользователя на обработку предоставляемых персональных данных в объеме, в котором они были предоставлены Обществу, в порядке и на условиях, определенных законодательством Российской Федерации, любым способом, предусмотренным Обществом и (или) установленных законодательством Российской Федерации.

Целью обработки персональных является оказание Обществом и её партнерами услуг, а так же информирование об оказываемых Обществом и её партнерами услугах и реализуемых продуктах.

В случае отзыва согласия на обработку своих персональных данных Общество прекратит их обработку и уничтожит данные в срок, не превышающий трех рабочих дней с даты получения Обществом такого отзыва.

Отзыв согласия на обработку персональных данных должен быть осуществлен в письменной форме.

Общество может привлечь стороннюю организацию для оказания содействия по предоставлению вам запрошенной информации, продуктов и услуг. При таких обстоятельствах будут приняты меры с целью обеспечения того, чтобы персональные данные Пользователя хранились в строгом соответствии с политикой сохранения конфиденциальности Общества и использовались только для выполнения запросов Пользователя. Общество не продает и не раскрывает персональные сведения Пользователя третьим сторонам с тем, чтобы они могли продавать свои продукты или услуги Пользователю.

Данные, собираемые автоматически

Имя домена и IP адрес Пользователя регистрируются автоматически. Эти данные не являются личными сведениями и не идентифицируют Пользователя как отдельное лицо; они содержат только информацию о компьютере, используемом для просмотра Сайта. Такие данные используются для того, чтобы установить, в какой точке земного шара используется Сайт, для обеспечения полноты охвата, а также для анализа перехода по ссылкам с целью лучшего понимания особенностей использования Сайта. Общество не устанавливает связь между такими автоматически собираемыми данными и личными сведениями о конкретных людях.

Тем не менее, личные сведения могут быть собраны непреднамеренно при помощи автоматических функций коммерческого программного обеспечения третьей стороны, используемого для обеспечения работы серверов Общества. Если выяснится, что имел место такой сбор сведений, будут приняты разумные меры для удаления этих данных из систем Общества.

Чаты, доски объявлений и тематические конференции

Если в какой-либо момент времени на настоящем Сайте будет работать какой-либо чат, доска объявлений или форум, тематическая конференция и т. д., любая информация, которую Пользователь раскроет там, может быть собрана и использована в соответствии с настоящими Общими условиями. Общество не несет ответственности за использование другими сторонами любой информации, предоставляемой Пользователем указанным сторонам посредством чатов, досок объявлений, тематических конференций и других средств общения данного Сайта.

Безопасность

Общество реализует политики, правила и принимает технические меры безопасности для защиты личных сведений, находящихся под контролем Общества, в полном соответствии с законодательством по обеспечению конфиденциальности и защите данных, которое относится к юрисдикции, применимой к Сайту. Разработаны меры безопасности по предотвращению доступа, ненадлежащего использования или раскрытия, изменения, незаконного уничтожения или случайной потери данных.

Дети

Настоящий Сайт не предназначен для детей и не ориентирован на них. Общество преднамеренно не собирает сведения, поступающие от детей. Однако программное обеспечение, используемое для поддержания работы настоящего Сайта, автоматически не отличает посетителей моложе 18 лет от остальных пользователей, поэтому Общество требует, чтобы лица моложе 18 лет получили согласие родителя, опекуна, учителя или библиотекаря на просмотр настоящего Сайта. Если Общество обнаруживает, что ребенок разместил личные сведения на данном Сайте, то принимает разумные меры для удаления таких сведений из файлов компании.

Условия пользования, уведомления и новые редакции политики

Если Пользователь решает посетить данный Сайт, посещение и любой спор в отношении сохранения конфиденциальности регламентируются настоящими Общими условиями. Общество сохраняет за собой право вносить изменения в настоящую политику без уведомления Пользователей. Если Пользователь продолжает пользоваться Сайтом после внесения изменений в данную политику, это означает, что Пользователь принимает такие изменения.

Красногорова Наталья Викторовна | Институт биологии и биомедицины

Должность: младший научный сотрудник

Область научных интересов

  • Молекулярная генетика.
  • Структурная, функциональная и эволюционная геномика.
  • Молекулярная биология.
  • Протеомика, структура и функции белков.

Контакты

Телефон:

E-mail: [email protected]

 

 

 

Награды и премии

  • Основные результаты исследовательской работы Н.В. Красногоровой представлены в 2013г. и 2015г. на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Отечественные противоопухолевые препараты».
  • В 2013, 2014 и 2015г. отмечена дипломом за лучший доклад на областной студенческо-аспирантской конференции биологического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского «Биосистемы: организация, поведение, управление».
  • Н.В. Красногорова награждена грамотой за активное участие в проведении Х иммунологического Форума прошедшего в Нижнем Новгороде.
  • В 2015г. Н.В. Красногорова награждена сертификатами, подтверждающими, участие в семинаре «Merck Millipore Life Science Day», в XVIII Международной научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» и за активное участие в мероприятиях Всероссийского фестиваля молодежных инноваций «ИнноФест».
  • Диплом о дополнительном (к высшему) образовании «Переводчик в сфере профессиональной коммуникации» (английский и испанский языки) (2010 — 2013г.г.).
  • Сертификат об обучении по программе «Основы инновационной деятельности» (2012г.).
  • Удостоверение о повышении квалификации по дополнительной профессиональной программе «Школа молодого предпринимателя» (2013г.).
  • Удостоверение о повышении квалификации по дополнительной профессиональной программе «Информационно-коммуникационная поддержка деловой активности» (2015г.).

Список основных публикаций в 2011-17 гг.

  1. Красногорова Н.В., Новиков Д.В. Анализ частоты полиморфных вариантов гена CD16α у больных раком тела матки и у больных миомой матки // Биосистемы: организация, поведение, управление. Материалы 66-ой ежегодной научной студенческо-аспирантской конференции биологического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского. 2013. С. 32 – 33.
  2. Красногорова Н.В., Новиков Д.В. Анализ частоты полиморфных вариантов гена CD16α у больных с опухолями различной локализации // Биосистемы: организация, поведение, управление. Материалы 67-ой ежегодной научной студенческо-аспирантской конференции биологического факультета ННГУ им. Лобачевского. 17 апреля 2014 г. Н. Новгород. 2013. С. 13 – 15.
  3. Красногорова Н.В., Новиков Д.В., Фомина С.В. Молекулярная характеристика экспрессии генов FсγRIIIα и FсγRIIIβ у онкологических больных // 68-я областная научная конференция студентов и аспирантов «Биосистемы: организация, поведение, управление». Тезисы докладов. 28-29 апреля 2015 года. Нижний Новгород. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского. 2015. С. 33.
  4. Красногорова Н.В., Новиков Д.В., Дронова И.М. и др. Анализ частоты полиморфных вариантов гена CD16α у больных раком тела матки и у больных миомой матки // Материалы Белорусско-Российской научно-практической конференции с международным участием «Отечественные противоопухолевые препараты» Минск, 23 – 25 мая 2013 года. 2013. С. 47.
  5. Красногорова Н.В., Новиков Д.В., Калугин А.В. и др. ОНП rs396991 гена CD16α ассоциирован с высоким риском развития колоректального рака // Материалы XII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Отечественные противоопухолевые препараты». 2015. С. 98.
  6. Красногорова Н.В., Хромина Ю.Д., Новиков Д.В. и др. Разработка метода количественного определения уровня экспрессии генов FcγRIII // Приоритетные направления развития науки и технологий: тезисы докладов XVIII международной научно-технической конференции. 2015. С. 38 – 39.
  7. Красногорова Н.В., Хромина Ю.Д., Новиков Д.В. и др. Определение уровней экспрессий мРНК генов FcγRIIIα и FcγRIIIβ у больных колоректальным раком // Материалы XIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Отечественные противоопухолевые препараты». 2016. (в печати).

Библиотечно-издательский совет | Структура и сотрудники СФУ

Гладышев Михаил Иванович

председатель

Барышев Руслан Александрович

заместитель председателя

Витковская Людмила Константиновна

заместитель директора по учебно-методической работе и магистратуре ИЭУиП

Владимирова Ольга Николаевна

профессор кафедры бухгалтерского учета, анализа и аудита ТЭИ

Демьяненко Елена Владимировна

заместитель директора по учебной работе ЮИ

Детинко Юлия Ивановна

доцент кафедры теории германских языков и межкультурной коммуникации ИФиЯК

Дмитриенко Валентина Константиновна

доцент кафедры водных и наземных экосистем ИФБиБТ

Довженко Иван Николаевич

директор Департамента экономики и финансов

Калякина Ольга Петровна

заместитель директора по учебной работе ИНиГ

Касянчук Елена Николаевна

директор научной библиотеки БИК СФУ

Ковалевич Игорь Анатольевич

заместитель директора ИППС по учебным и общим вопросам

Козель Наталия Анатольевна

руководитель учебного департамента

Кукина Ирина Валериевна

заместитель директора по науке ИАиД

Курчин Георгий Сергеевич

Лаптева Марина Анатольевна

директор издательства БИК СФУ

Лейнартас Евгений Константинович

профессор кафедры теории функций ИМиФИ

Лобасова Марина Спартаковна

заместитель директора по учебной работе ИИФиРЭ

Макарчук Иван Юрьевич

заместитель начальника правового управления

Новосельцев Николай Рзавич

Приймак Лилия Владимировна

доцент кафедры инженерных систем зданий и сооружений ИСИ

Руйга Ирина Рудольфовна

заместитель директора ИУБПЭ по научно-исследовательской работе студентов

Сиротинина Наталья Юрьевна

руководитель научно-учебной лаборатории микропроцессорных систем ИКИТ

Ямских Галина Юрьевна

заведующий кафедрой географии ИЭиГ

Человеческий белок, важный для клеточной коммуникации, похож на бактериальный токсин

Трехмерная модель протеина тенурина. Предоставлено: Арак и др., Калифорнийский университет в Чикаго.

Белок, который играет важную роль в эмбриональном развитии и нервной системе человека, по-видимому, был заимствован у бактерий. В исследовании, опубликованном 19 апреля 2018 года в Cell , ученые из Чикагского и Стэнфордского университетов впервые описали трехмерную структуру белков, называемых теневринами.

Белки играют решающую роль в помощи клеткам в общении друг с другом. Тенурины сидят на поверхности клеток и связываются с другими белками на поверхности других клеток. Они участвуют в нескольких процессах, включая эмбриональное развитие, направление аксонов нервных клеток в нужное место для установления связи с другими нервными клетками и помощь в формировании этих связей или синапсов.

Однако, вместо того, чтобы напоминать другие белки, выполняющие аналогичные функции, структура теневринов наиболее точно соответствует структуре бактериального токсина.Это единственный известный человеческий белок с такой структурой.

«На поверхности клетки есть много белков, которые важны для адгезии, и все они имеют характерные структуры. Но до сих пор мы понятия не имели, как выглядят эти теневрины», - сказал Демет Арас, доктор философии, доцент кафедры биохимии и молекулярной биохимии. биологии в Калифорнийском университете в Чикаго и старшим автором исследования. «Ни один другой эукариотический белок не был похож на этот, поэтому его сходство с бактериальным токсином необычно».

Основываясь на его генетической последовательности, исследователи предположили, что теневрины напоминают бактериальные токсины, молекулы яда, которые бактерии используют для атаки и содержат клетки-хозяева.Арак и Георгиос Скиниотис из Стэнфорда использовали электронную микроскопию высокого разрешения, чтобы определить структуру человеческого варианта белка теневрина. Когда они сравнили его со справочными базами данных других белковых структур, он больше всего напоминал бактериальный токсин с цилиндрической формой и пропеллероподобным выступом.

Этот токсин мог быть включен в многоклеточные организмы очень рано в истории эволюции. Хоанофлагелляты, один из первых одноклеточных организмов, которые, как считается, эволюционировали в многоклеточных эукариот, имеют теневрин-подобный белок.Вполне вероятно, что бактерии передали некоторые из своих генов ранним хоанофлагеллятам, которые использовали их в своих геномах. По мере того как эти простые существа эволюционировали в более сложные виды, исходный токсиноподобный белок сохраняется до сих пор.

После того, как структура была решена, Арак и ее коллеги также захотели понять, как теневрины выполняют столько различных функций во время развития и в нервной системе.Они подозревают, что это может иметь какое-то отношение к своему сходству с токсином - возможно, он заимствует некоторые из тех же инструментов, которые используют бактерии для заражения клеток, и вместо этого использует их, чтобы прикрепляться к другим клеткам и общаться с ними.

Генетический процесс, называемый альтернативным сплайсингом, также может помочь теневринам выполнять свои различные задачи. Альтернативный сплайсинг или дифференциальный сплайсинг - это процесс, в результате которого один ген кодирует несколько белков. Во время этого процесса небольшие сегменты гена, называемые экзонами, могут быть включены или исключены в конечную информационную РНК (мРНК), полученную из этого гена.Эти разные мРНК, в свою очередь, превращаются в альтернативные версии белков, которые могут выполнять различные функции.

Арак и другой сотрудник из Стэнфорда, Томас Зюдхоф, создали два разных теневрина, соединенных альтернативным способом, и протестировали их функциональность. Всего лишь крошечное несоответствие - семь из 2500 аминокислот - имело значение. Одна версия теневрина, лишенная семи специфических аминокислот, может прикрепляться к клеточному рецептору, который важен для передачи сигналов между клетками. Другая версия теневрина, включающая эти семь аминокислот, не могла прикрепиться к этому рецептору.Вместо этого он способствовал образованию синапсов между нервными клетками.

«Обычно существуют разные белки, которые выполняют разные функции в нервной системе. Один определяет путь аксонов, другой - формирование синапсов, третий - развитие мозга и т. Д.», - сказал Арак. «Это одно из объяснений того, как теневрины делают так много разных вещей, используя разные изоформы с альтернативным сплайсингом».

Теперь, когда структура теневринов ясна, Арак говорит, что она и ее доктор философии, Цзинсянь Ли, доктор философии, один из ведущих авторов исследования, хотят продолжить работу, чтобы понять, как эти белки выполняют свои различные роли.

«Все еще очень удивительно, что в нашем мозгу и нервной системе есть молекулы из бактерий, и все же мы мало что знаем о том, что они делают», - сказала она. «Люди заражены всеми этими насекомыми. Мы не просто люди».


Новое понимание бактериальных токсинов
Дополнительная информация: «Структурная основа функции теневрина в разводке цепей: мотив токсина в синапсе», Cell (2018).DOI: 10.1016 / j.cell.2018.03.036 Информация журнала: Ячейка Предоставлено Медицинский центр Чикагского университета

Ссылка : Человеческий белок, важный для клеточной коммуникации, напоминает бактериальный токсин (2018, 19 апреля) получено 20 августа 2021 г. с https: // физ.org / news / 2018-04-human-protein-important-cell-Resembles.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

Сигнализация соты

| Изучайте науку в Scitable

Как только рецепторный белок получает сигнал, он претерпевает конформационное изменение, которое, в свою очередь, запускает серию биохимических реакций внутри клетки.Эти внутриклеточные сигнальные пути, также называемые каскадами передачи сигналов , обычно усиливают сообщение, производя множественные внутриклеточные сигналы для каждого связанного рецептора.

Активация рецепторов может запускать синтез малых молекул, называемых вторичными посредниками , которые инициируют и координируют внутриклеточные сигнальные пути. Например, циклический AMP (цАМФ) является обычным вторичным мессенджером, участвующим в каскадах передачи сигналов.(Фактически, это был первый когда-либо обнаруженный второй мессенджер.) ЦАМФ синтезируется из АТФ с помощью фермента аденилилциклазы , который находится в клеточной мембране. Активация аденилатциклазы может привести к производству сотен или даже тысяч молекул цАМФ. Эти молекулы цАМФ активируют фермент протеинкиназу A (PKA), который затем фосфорилирует множественных белковых субстратов, присоединяя к ним фосфатные группы. Каждый шаг в каскаде дополнительно усиливает исходный сигнал, а реакции фосфорилирования опосредуют как краткосрочные, так и долгосрочные ответы в клетке (рис. 2).Как цАМФ перестает сигнализировать? Он разлагается ферментом фосфодиэстеразой.

Другие примеры вторичных мессенджеров включают диацилглицерин (DAG) и инозитол-1,4,5-трифосфат (IP3), которые оба продуцируются ферментом фосфолипазой , также мембранным белком. IP3 вызывает выброс Ca 2+ - еще одного второго мессенджера - из внутриклеточных хранилищ. Вместе DAG и Ca 2+ активируют другой фермент, называемый протеинкиназой C (PKC).


Рисунок 2: Пример каскада передачи сигнала с участием циклического AMP

Связывание адреналина с адренергическим рецептором запускает каскад реакций внутри клетки. Каскад передачи сигнала начинается, когда аденилатциклаза, мембраносвязанный фермент, активируется молекулами G-белка, связанными с адренергическим рецептором. Аденилилциклаза создает несколько молекул циклического АМФ, которые разветвляются и активируют протеинкиназы (в данном примере PKA).Протеинкиназы могут проникать в ядро ​​и влиять на транскрипцию.


Дальняя внутрибелковая коммуникация может передаваться только коррелированными колебаниями боковой цепи

Цитата: DuBay KH, Bothma JP, Geissler PL (2011) Дальнодействующая внутрибелковая коммуникация может передаваться через коррелированную боковую цепь Только колебания. PLoS Comput Biol 7 (9): e1002168.https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168

Редактор: Евгений И. Шахнович, Гарвардский университет, США

Поступила: 1 декабря 2010 г .; Одобрена: 5 июля 2011 г .; Опубликовано: 29 сентября 2011 г.

Авторские права: © 2011 DuBay et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Эту работу поддержали DOE, Калифорнийский университет в Беркли и NSF. Все вычислительные работы были обеспечены за счет финансирования со стороны директора отдела науки, отдела фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерии Министерства энергетики США по контракту № DE-AC02-05Ch21231. KHD также поддерживал директор научного отдела Управления фундаментальных энергетических наук, материаловедения и инженерии Министерства энергетики США по контракту №DE-AC02-05Ch21231, Беркли стипендия и NSF GRF. JPB был поддержан Беркли стипендиатом. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Аллостерия является важным элементом регуляции и функции белков. Аллостерическая регуляция действует путем связывания удаленных сайтов белка вместе таким образом, что информация об одном сайте передается и влияет на поведение другого.Такие тонкие химические модификации, как фосфорилирование остатка серина, могут вызывать драматические изменения в функции белка [1], а сдвиги в структуре всего на 1 Å, как было даже показано, изменяют поведение в домене на расстоянии до 100 Å [2]. Традиционно аллостерию понимали как особенность симметричных мультисубъединичных белков, где связывание лиганда с одной субъединицей облегчает связывание подобных лигандов с другими субъединицами, что приводит к кооперативным переходам связывания [3]. Однако в настоящее время аллостерическое поведение наблюдается в пределах одного белкового домена [4], и его определение расширено, чтобы включить любой сдвиг в структуре и функции белка в одном сайте в результате модификации в другом.

Более того, некоторое время назад было высказано предположение, что информация о связывании лиганда или другой модификации на одном сайте белка может передаваться через измененные флуктуации белка, даже если средняя структура белка остается неизменной [5]. Два особенно ярких примера такого рода динамической аллостерии были недавно обнаружены в связывании цАМФ с димером ЦАП и в последующем связывании активированного цАМФ димера ЦАП с ДНК [6], [7]. На первом этапе связывание цАМФ с одним мономером ЦАП снижает сродство связывания цАМФ со вторым, даже если не наблюдаются структурные изменения, а калориметрический анализ предполагает, что отрицательная кооперативность является результатом энтропийных эффектов [6].

Наблюдаемый аллостерический эффект флуктуаций белков привел к идее, что аллостерия может присутствовать во всех белках [8] - [10], и что функциональная аллостерия просто использует и уточняет ранее существовавшие дальнодействующие корреляции и сети взаимодействия. Фактически, таких сетей следует ожидать с учетом физических ограничений плотно свернутого, но флуктуирующего белка. Как и в любой конденсированной фазе, значительные колебания в этой уплотненной среде допускаются из-за коррелированных движений.

Качественные экспериментальные доказательства долгосрочной корреляции изобилуют исследованиями, демонстрирующими аллостерическую регуляцию, как показано в [1] и [2]. Однако попытки количественно оценить эти дальнодействующие корреляции с помощью методов ЯМР оказались трудными [11] - [13], и большая часть нашего нынешнего понимания коррелированных движений пришла из анализа моделирования молекулярной динамики (МД). Традиционные MD-траектории, оцениваемые с помощью ковариационных матриц и анализа основных компонентов [14], пролили свет на важные особенности внутрибелковых корреляций, например, как движения позвоночника имеют тенденцию существенно коррелироваться во вторичных структурных единицах [14] и как несколько гибких шарнирных остатков может вызывать большие движения внутри стабильных складок [15].Моделирование энергопертурбативных МД, таких как анизотропная термодиффузия [16] и МД с накачкой-зондом [17], использовалось для наблюдения быстрой анизотропной диффузии энергетических возмущений внутри белка. Однако эти исследования MD ограничены в их способности охарактеризовать медленные перестройки и в значительной степени игнорируют вклад коррелированных флуктуаций боковых цепей.

Внутри свернутого белка боковые цепи значительно менее упорядочены, чем основная цепь [18], а альтернативные конфигурации боковых цепей в кристаллах белка более распространены, чем считалось ранее [19].Термодинамическая важность этой вариабельности боковой цепи в связывании кальмодулина с лигандом была подчеркнута в Refs. [20] - [22]. Кроме того, участие флуктуаций боковых цепей в сетях дальнего действия было продемонстрировано с помощью мутационных исследований ЯМР [9], [23]. В одном МД-моделировании, разработанном для включения данных из экспериментов ЯМР, корреляции наблюдались даже между боковыми цепями, движения которых казались отделенными от движений их основных атомов [24].

Двойные мутантные циклы [25] также применялись для изучения зависимости сворачивания и связывания от взаимодействий между специфическими парами остатков.Хотя такие мутационные исследования могут продемонстрировать взаимодействия определенных пар остатков, они требуют экспериментального подхода, что затрудняет получение полной картины любых присутствующих дальнодействующих взаимодействий боковых цепей, в особенности тех, которые включают остатки, необходимые для стабильности укладки. В качестве альтернативы был разработан метод эволюционного статистического сетевого анализа для определения сетей коррелированных остатков, которые являются общими для эволюционно родственных белков [26]. Хотя этот метод имел некоторый успех в идентификации аллостерически связанных областей в белках [27], его надежность была поставлена ​​под сомнение в исследовании искусственно созданных последовательностей [28].В принципе, он также ограничивается обнаружением коррелированных изменений в остатках во время эволюции, предположительно выделяя только коррелированные сети с выбранной функцией и поэтому мало что может сказать о наличии или отсутствии других корреляций.

В этом исследовании мы использовали атомистически детализированную модель для изучения видов корреляций, возникающих среди флуктуаций боковых цепей в нативно свернутом белке. Недорогой с точки зрения вычислений характер нашей модельной функции энергии [21], вместе с множеством передовых методов дискретизации Монте-Карло, позволил беспрецедентно тщательно исследовать корреляции между этими флуктуациями, возникающими в результате различных типов взаимодействий.Сохраняя основу фиксированной, мы обнаруживаем, что дальнодействующая корреляция флуктуаций боковой цепи может возникать из различных типов атомных взаимодействий, что значимые корреляции сохраняются во всем свернутом белке, и что только эти корреляции могут распространять изменения в структуре и подвижности в масштабах. размером до 50 Å.

Результаты

Простая модель была использована для исследования вращения боковой цепи

Чтобы исследовать коррелированные перестройки, которые возникают только из-за флуктуаций боковой цепи, было необходимо изолировать эти движения от других источников конфигурационных изменений.По этой причине мы удерживали позвоночник в сложенном состоянии на протяжении всех расчетов, описанных в этой статье. Хотя флуктуации, возникающие в результате растяжения связей и углового изгиба, важны и, вероятно, вызывают большое количество коррелированных движений, мы сосредоточились здесь вместо этого на крутильных степенях свободы боковых цепей, поскольку эти вращения вызывают изменения в атомных конфигурациях, которые являются самыми большими по величине.

В этом исследовании использовалась модель, которую мы разработали для грубой фиксации основных физических детерминант поведения боковой цепи в свернутом белке, а именно стерических отталкиваний, притяжения Ван-дер-Ваальса, водородных связей, взаимодействий соляных мостиков и сольватации [21]. .Хотя модель не полностью реалистична в каждом конкретном случае (например, разрешает положение только ядер тяжелее водорода), модель должным образом представляет разнообразие, силу и анизотропию взаимодействий боковых цепей, а также физические ограничения складчатой ​​основной цепи, на которой они находятся. .

Мы исследовали эту модель с помощью выборки Монте-Карло (MC) (см. Методы). Каждый шаг MC состоял из предложенного поворота одного случайно выбранного двугранного угла боковой цепи. Чтобы способствовать широкому выбору термически доступных конфигураций, мы разрешили перемещения через стерически запрещенные области пространства состояний.Используя методы точной коррекции, мы построили равновесные средние с вкладами только от стерически разрешенных структур (тех, в которых каждый тяжелый атом исключает сферический объем с радиусом 0,75 от его ван-дер-ваальсова радиуса). Подробнее см. [21].

взвешенных по Больцману ансамблей конфигураций боковых цепей, определенных с помощью этой процедуры отбора проб, включают разнообразный набор состояний ротамеров и хорошо коррелируют с экспериментальными наблюдениями флуктуаций боковых цепей и изменений энтропии при связывании лиганда [21].Поэтому мы применили этот метод для исследования корреляций между разнообразным набором состояний ротамера.

Нарушения, связанные с одним остатком, вызывали изменения во флуктуациях боковой цепи по всему белку

Несколько экспериментальных подходов, которые исследуют корреляции внутри белков, мутируют отдельные остатки и наблюдают результирующие изменения в структуре, функции или динамике [9], [23], [29], [30]. Мы начали наше исследование корреляций боковых цепей аналогичным образом, моделируя изменения торсионной вариабельности, которые происходили во всем небольшом глобулярном белке, барстаре, в результате возмущений в одной боковой цепи.Предыдущие МД моделирования barstar предполагали относительно жесткий каркас, а также значительную вариабельность упаковки боковых цепей [31]. Дополнительные результаты экспериментов ЯМР показали, что мутация P27A приводит к обнаруживаемым динамическим изменениям даже в остатках более чем на 12 Å от сайта мутации, и предположили, что движение боковых цепей барстара дает начало сети коррелированных остатков [32].

Для количественной оценки таких коррелированных колебаний требуется показатель, который может сообщать о степени локальной изменчивости по единой шкале остатков.Для этой цели мы вычислили энтропию Гиббса для каждого остатка, связанного с занятыми различными ротамерными состояниями. (1) где обозначает набор торсионных переменных для каждой из вращательно-гибридизированных связей, принадлежащих остатку, и обозначает набор идеальных торсионных угловые значения для торсионного угла в остатке. Хотя - гибридизированным связям позволяли вращаться, они также были исключены из статистического анализа из-за сложности определения идеальных двугранных углов [33]. Вероятности этих состояний были рассчитаны при моделировании путем построения гистограмм в ходе выборки по важности из распределения Больцмана конфигураций боковой цепи.При этом мы сосредоточились на межротамерных перегруппировках (между тремя наиболее вероятными энергетическими бассейнами для торсионного угла - гибридизованной связи), которые позволили вычислить абсолютные локальные энтропии, которые были бы непрактичными на более высоком уровне разрешающая способность. Однако внутриротамерные флуктуации (в пределах одного бассейна крутильной энергии) чувствительны к структурным возмущениям, которые мы применили, и необходимо допускать отклонения от этих идеальных углов, чтобы полностью учесть разнообразие возможных боковых цепей. конфигурации [34], [35].С этими отклонениями связана квадратичная энергия (см. Методы).

На рис. 1 показано изменение в результате возмущения с одним остатком. Остатки, показанные красным цветом, продемонстрировали статистически значимое увеличение вариабельности боковой цепи, в то время как вариабельность тех, которые показаны синим цветом, уменьшились (см. Методы). Показанные возмущения, мутация изолейцина в глицин в положении 86 (рис. 1 (а)) и ограничение глутамата в положении 46 его кристаллической конфигурацией (рис.1 (б)), были выбраны, чтобы продемонстрировать типы возможных изменений. (Сравнение с ранее изученным P27A [32] было невозможно, поскольку ни пролин, ни аланин остатки не имеют вращающихся боковых цепей в нашей модели.) Удивительно, но удаление боковой цепи изолейцина в положении 86 (обведено кружком на рис. 1 (a )) не только повлиял на локальную энтропию нескольких соседних остатков, но также изменил вариабельность боковой цепи остатков, находящихся намного дальше от места мутации. Следовательно, движения даже далеких остатков должны быть связаны с движениями остатка 86.Поскольку потенциалы взаимодействия в нашей модели малы по диапазону, изменения текучести, возникающие в результате этой мутации, должны распространяться через соседние остатки на более дальние. На рис. 1 (b) показаны аналогичные изменения, которые произошли, когда остаток E46 (в кружке) просто замораживается до кристаллической формы. Можно ожидать, что такое сокращение движения одной боковой цепи приведет к повышенной изменчивости ее ближайших соседей. Однако мы обнаружили, что даже такое тонкое ограничение привело к неожиданным и широко распространенным изменениям колебаний боковой цепи.Некоторые остатки рядом с замороженной аминокислотой даже стали немного более ограниченными более , в то время как вариабельность нескольких более удаленных остатков увеличилась. Подобный эффект наблюдался в экспериментах по ЯМР при связывании лиганда в стромелизине 1, где несколько остатков, участвующих в сильных взаимодействиях с лигандом, теряли подвижность, но параметры порядка тех, которые находились дальше, фактически уменьшались при связывании, что указывает на увеличение их энтропии [ 36]. Было высказано предположение, что повышенные колебания вдали от сайта связывания могут противодействовать потере энтропии в самом сайте связывания и, следовательно, способствовать модуляции термодинамики связывания.

Рис. 1. Однократные возмущения в барстаре.

Изменения энтропии Гиббса каждого остатка в барстаре (1a19 [47]), вызванные возмущениями в одиночных боковых цепях. Остатки, энтропия которых значительно изменяется согласно t-критерию Стьюдента на уровне 90%, показаны цветом. Красный цвет указывает на увеличение энтропии, синий - на уменьшение энтропии (см. Масштабную линейку). Хотя боковые цепи изображены в их кристаллографическом расположении для простоты графического изображения, обратите внимание, что это мера степени флуктуаций среди большого количества различных упаковок.Для результатов, представленных на панели (а), I86 (показан черным и обведен кружком) был изменен на G. Для результатов панели (b) E46 (показан черным и обведен кружком) был ограничен своей кристаллографической конфигурацией.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g001

Изменения в статистике боковых цепей, которые мы наблюдали в результате этих возмущений единичных остатков, трудно интуитивно представить. Увеличение или уменьшение беспорядка в одном сайте может привести к такому же или противоположному эффекту в других областях свернутого белка, и эти эффекты нелегко предсказать, исходя из пространственного расположения остатков.

Коррелированные колебания возникают в результате нескольких типов взаимодействий и сохраняются на протяжении всего белка

Коррелированные колебания в свернутом белке обычно количественно оцениваются с использованием коэффициентов корреляции Пирсона [14]. Несмотря на свои ограничения в обнаружении нелинейных корреляций и корреляций между движениями частиц, движущихся ортогонально друг другу [37], коэффициенты Пирсона дали важную информацию о коррелированных движениях. Эти коэффициенты наиболее подходят для движений позвоночника, поскольку ожидается, что эти движения будут коррелированы в одинаковых направлениях и будут иметь линейный характер из-за жесткости и коллективных движений различных вторичных структурных элементов [14].Однако в исследовании, посвященном анализу результатов моделирования молекулярной динамики протеина G и лизоцима, измерение обобщенной корреляции, основанное на взаимной информации, позволило выявить значительно большую корреляцию, чем коэффициент Пирсона [37]. Движения боковой цепи с большей вероятностью выйдут за рамки коэффициента Пирсона, поскольку в них преобладают повороты с двугранным углом. Параметр, основанный на взаимной информации, может обеспечить более надежное измерение коррелированных флуктуаций боковой цепи [37] и может быть легко получен из данных моделирования аналогично энтропии, вычисленной в предыдущем разделе.Поэтому мы решили рассмотреть взаимную информацию, связанную с каждой парой остатков в свернутом белке.

Попарная взаимная информация - это мера корреляции между двумя случайными величинами. В нашем случае он сообщает о степени корреляции между популяциями ротамерных состояний двух остатков. Взаимная информация между остатками и может быть рассчитана как (2) где обозначает вероятность каждого из совместных состояний остатков и, и - количество вращающихся гибридизованных связей в остатке.После перестановки уравнения. 2 и подставив в уравнение. 1 это принимает вид (3) где - энтропия Гиббса, связанная с дискретными ротамерными состояниями для остатков и рассматриваемая совместно. Таким образом, когда колебания двух остатков полностью независимы друг от друга, и. Однако, когда остатки коррелированы, их энтропии неразделимы, и.

Одна из трудностей взаимной информации состоит в том, что численно вычисленная оценка двух полностью некоррелированных переменных приближается к нулю только на пределе бесконечной выборки.Для любой конечной выборки будет наблюдаться небольшое количество ложной взаимной информации, независимо от фактической связи между двумя переменными [38]. При численных расчетах необходимо учитывать это внутреннее смещение шума, чтобы определить статистическую значимость взаимной информации. Мы использовали два подхода к устранению этой предвзятости. В первом мы вычитали ожидаемую ложную взаимную информацию, чтобы оценить истинную степень корреляции между двумя переменными.Результирующая избыточная взаимная информация между остатками и определяется как (4) является численно вычисленной взаимной информацией, измеренной за конечный период выборки, состоящий из шагов MC. - это то же измерение, но на этот раз вычисленное в не взаимодействующем эталонном состоянии, в котором корреляции невозможны (подробности см. в разделе "Методы"). тогда является оценкой взаимной информации ансамбля с бесконечной выборкой. Во втором подходе мы сосредоточились на надежности измерения взаимной информации, вычислив его отношение сигнал / шум,.

Расширенная структура кальмодулина (3cln [39]), как показано на рис. 2 (а), представляет собой примерный тестовый пример для изучения того, как колебания боковой цепи коррелируют в свернутом белке. Хотя в растворе эта цепочка схлопывается, структура кристалла расширяется, показывая две глобулярные области, соединенные протяженной спиралью. Любая информация, совместно используемая между двумя лепестками, должна проходить через эту расширенную спираль, поскольку парные взаимодействия в нашей модели в значительной степени затухают на 7 Å.Мы рассчитали попарную избыточную взаимную информацию, для всех пар остатков входящего кальмодулина, а также отношение, чтобы оценить значимость измеренных корреляций. Обе величины показаны на фиг. 3 как функции положения остатков вдоль остова. Для справки, мы представляем на рис. 2 (б) пространственное расстояние между остатками в нативной структуре как функцию тех же индексов. Панели (b) - (e) на фиг. 3 показывают взаимную информацию, полученную в результате различных типов взаимодействия, рассматриваемых по отдельности.Панель (f) дает результаты для полной модели.

Рисунок 2. Структурные представления расширенного кристаллического кальмодулина.

Кристаллическая структура (а) и карта контактов (б) кальций-связанного кальмодулина (3cln [39]). Ионы кальция показаны желтым цветом, а несколько остатков помечены на обеих панелях для справки. Расстояние между каждой парой атомов обозначено цветом (см. Масштабную линейку) в (b), где - и - оси проходят над метками остатков. Маркировка остатков соответствует полной последовательности, однако остатки, которые не обладают крутильными степенями свободы в нашей модели (A, G, P и все остатки, связанные с ионами кальция), исключены из карты контактов.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g002

Рис. 3. Взаимная информация о парах остатков в кальмодулине.

Взаимная информация, связанная с колебаниями пар остатков в боковой цепи кальмодулина. Графики (b) - (f) отображают соотношение сигнал-шум взаимной информации (верхние левые треугольники) и избыточную взаимную информацию (нижние правые треугольники), как указано в (a). - и -акси проходят над метками и, соответственно, остатками в аминокислотной последовательности, за исключением тех, у которых отсутствует ротамерная свобода в нашей модели.Шкалы для отношения сигнал-шум и избыточной взаимной информации представлены вверху и внизу слева соответственно. Результаты показаны для следующих комбинаций взаимодействий: (b) отталкивающая стерика (S), (c) неявный растворитель (IS) (d) взаимодействие Леннарда-Джонса (LJ), включающее отталкивающую стерику и притяжение Ван-дер-Ваальса, (e) водород. связывание и солевые мостики (HBSB), и (е) полный потенциал (LJ + HBSB + IS). Остаток 30K, который мы подробно рассмотрим позже (см. Рис. 5), выделен в (f) для справки.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g003

Различные типы межатомных взаимодействий в нашей модели привели к различным паттернам коррелированных флуктуаций. На рис. 3 (b) показаны корреляции, возникающие исключительно в результате стерических отталкиваний. В то время как подпись -спиральной структуры кальмодулина может быть четко видна по диагонали, где остатки и / или и часто сильно коррелированы, многие другие пары остатков также оказываются значительно коррелированными, даже те, которые пространственно удалены.На рис. 3 (c) показаны корреляции, возникающие только из-за неявного растворителя. Эти корреляции более ограничены, почти полностью ограничены остатками, которые находятся поблизости в пространстве, как можно увидеть при сравнении рис. 3 (c) с рис. 2 (b). Снова -спиральные остатки демонстрируют заметную корреляцию, даже большую, чем корреляция, возникающая в результате отталкивающих стерических свойств, как можно было бы ожидать, исходя из их высокой степени воздействия растворителя. Корреляции, возникающие в результате рассмотрения притяжения Ван-дер-Ваальса вместе с отталкивающей стерикой, показаны на рис.3 (г). Хотя корреляции вдоль -спирали остаются сильными, многие другие корреляции возникают в результате этих притяжений. Водородные связи и взаимодействия солевого мостика, взятые по отдельности, создают очень значимые корреляции по всей структуре (см. Рис. 3 (e)), которые кажутся чрезвычайно нечувствительными к пространственному расстоянию. Поскольку только подмножество остатков участвует в таких взаимодействиях, колебания остальных остатков полностью некоррелированы в этой ограниченной версии нашей модели.Полный потенциал, используемый для генерации данных на рис. 3 (f), приводит как к наиболее значимым отношениям сигнал / шум, так и к наибольшим избыточным значениям взаимной информации, что указывает на высокую степень корреляции, охватывающую весь диапазон между -остаточные расстояния при сохранении черт доминирующей -спиральной структуры.

Для дальнейшего изучения того, как различные взаимодействия приводят к возникновению дальнодействующих корреляций как в небольшом глобулярном белке, так и в расширенной структуре кальмодулина, мы вычислили средний избыток взаимной информации на пару остатков для всех пар остатков в кальмодулине и барстаре, разрешенный с помощью пространственное расстояние между остатками между атомами.(См. Рис. 4.) В обоих белках только стерические отталкивания вызывают небольшие, но значимые корреляции, которые сохраняются во всей структуре белка. То же самое верно для неявных взаимодействий растворителей и их комбинации, S + IS. Однако гораздо большие корреляции возникают, если рассматривать притяжения Ван-дер-Ваальса в дополнение к стерическим отталкиваниям. Взаимодействия водородных связей и солевых мостиков, несомненно, являются наиболее коррелирующими типами рассматриваемых взаимодействий. Однако полный потенциал, объединяющий все эти типы взаимодействия, дает наибольшую общую корреляцию.

Рисунок 4. Дистанционная зависимость взаимной информации у барстара и кальмодулина.

Средняя избыточная взаимная информация как функция расстояния между атомами. Для (а) барстара и (б) кальмодулина мы суммировали значения для всех пар остатков в пределах нескольких диапазонов расстояний между остатками, а затем делили на количество таких пар. Результаты показаны для различных подмножеств атомных взаимодействий: S указывает на отталкивающие стерические свойства, IS указывает на неявный растворитель, LJ указывает на взаимодействие Леннарда-Джонса, а HBSB указывает на водородные связи и взаимодействия соляного мостика.См. Подробности в разделе "Методы".

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g004

Следует упомянуть еще одну особенность на этих графиках; в обоих белках корреляция составляет максимум около 6 Å для всех подмножеств взаимодействий, за исключением водородных связей и солевых мостиков. Этот пик на небольшом расстоянии указывает на то, что пары остатков, соседние в аминокислотной последовательности (чьи -углероды разделены Å), в среднем не взаимодействуют так сильно, как пары остатков, которые расположены немного дальше друг от друга.В -спиралях соседние остатки указывают в разных направлениях и, хотя все еще могут взаимодействовать со своим ближайшим соседом, с большей вероятностью будут сильно взаимодействовать со своими и соседями. В листах, однако, остатки поочередно указывают на разные стороны листа, так что боковые цепи на остатках и с гораздо большей вероятностью будут взаимодействовать друг с другом, чем на и. Остатки, на которые влияют только водородные связи и взаимодействия солевых мостиков, когда они искусственно освобождены от стерических ограничений, которые не давали бы им схлопнуться обратно на самих себя, по-прежнему наиболее сильно коррелируют со своими ближайшими соседями.

Существенная дальняя корреляция наблюдается как для барстара, так и для кальмодулина. Более того, тот факт, что так много подмножеств полного потенциала независимо друг от друга порождают дальние корреляции, предполагает, что коррелированные колебания боковых цепей должны быть устойчивой характеристикой большинства белковых последовательностей и почти любой глобулярной складки.

Коррелированные движения боковых цепей могут приводить к изменениям колебаний более чем на 50 Å

Благодаря коррелированным колебаниям боковой цепи, локальные возмущения белка (например,g., из-за небольшого связывания лиганда) в принципе может передаваться на значительные расстояния. Мы тщательно изучили эту возможность, изучив последствия мутации одного остатка в кальмодулине. Такой механизм коммуникации был описан ранее для барстара (см. Рис. 1), размер которого ограничивал наши выводы расстояниями менее 30 Å. Кальмодулин в своей расширенной структуре обеспечивает лучший тест на способность корреляций боковой цепи передавать информацию на большие расстояния.

Мы сосредоточили этот анализ на коррелированных колебаниях, связанных с одним конкретным остатком в кальмодулине, 30К, который, как мы обнаружили, значительно коррелировал с несколькими другими остатками (см.рис.3 (е)). На рис. 5 (a), 30K окрашен в черный цвет, в то время как попарная взаимная информация между этой боковой цепью и всеми остальными указана в синей шкале.

Рис. 5. Корреляция между остатком 30 и другими остатками в кальмодулине.

Степень корреляции между остатком 30 (показан черным и обведенным кружком) и всеми другими боковыми цепями в кальмодулине (3cln [39]) показана здесь. В (а) каждый остаток окрашен в соответствии с величиной его избыточной взаимной информации с 30К (см. Левую шкалу масштаба и рис.3). Цвет в (b) указывает на изменение энтропии боковой цепи каждого остатка, вызванное мутацией K30G. Здесь красный цвет представляет увеличенную энтропию, а синий - уменьшение энтропии (см. Правую шкалу). См. Подробности в разделе "Методы".

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g005

Заметные корреляции очевидны во всей нижней глобулярной области около остатка 30. Корреляции становятся сильнее внутри пространственно-сжатого альфа-спирального мостика и снова расширяются и расширяются. ослабляются в дальней доле.Чтобы определить, могут ли эти корреляции передавать структурную и динамическую информацию на значительные расстояния, мы мутировали остаток 30К в глицин. Результирующее изменение для каждого остатка показано на фиг. 5 (b). Значительное снижение энтропии было обнаружено в некоторых соседних остатках, в то время как как увеличение, так и уменьшение энтропии были обнаружены для остатков, находящихся дальше от сайта мутации. Хотя это и было неожиданным, снижение энтропии остатка в результате удаления соседнего объемного остатка можно легко объяснить, если эта соседняя мутация приводит к потере потенциального партнера по водородным связям для остатка.Такая потеря может привести к значительному снижению вероятности, связанной с подмножеством водородных связей в конфигурациях остатка.

Мы обнаружили статистически значимые изменения энтропии даже в глобулярной области, противоположной области 30-го остатка. Таким образом, мы пришли к выводу, что только флуктуации боковой цепи могут надежно распространять эффект одиночной точечной мутации как минимум на 50 Å.

При сравнении рис. 5 (a) с рис. 5 (b) становится ясно, что некоторые, но не все сильно коррелированные остатки в кальмодулине дикого типа испытывают заметные изменения в вариабельности их боковой цепи в результате этой конкретной мутации.Даже некоторые остатки, которые минимально коррелируют с остатком 30K, показывают значительные сдвиги в статистике их боковых цепей. Хотя взаимная информация может многое сказать нам о степени корреляции между двумя боковыми цепями в нашей модели, она не является различающим предиктором изменений вариабельности боковых цепей при мутации. Расхождения, вероятно, связаны с тем, что в нашем расчете взаимной информации отсутствуют вклады от коррелированных внутриротамерных флуктуаций, которые все еще могут передавать информацию в нашей модели и, следовательно, будут влиять на обнаруженные изменения при мутации боковой цепи.Более того, наблюдение статистически значимых изменений на рис. 5 (b) требует большого объема выборки - если бы выборка была более возможной, вероятно, были бы обнаружены дополнительные изменения.

Величина корреляции боковой цепи значительна

Если бы движения боковых цепей различных остатков белка были пренебрежимо коррелированы, то общая энтропия, связанная с переходами между различными ротамерными состояниями, могла бы быть рассчитана как простая сумма вкладов одного остатка,.Избыточная взаимная информация, суммированная по всем парам остатков, дает грубую меру ошибки в такой оценке среднего поля. Соответственно, величина характеризует глобальную термодинамическую значимость межостаточных корреляций. Для кристаллического барстара, смоделированного с полным потенциалом, рассчитано 72 кДж / (моль 300 К). Корреляции более высокого порядка, ожидаемые в такой плотной среде [40] (см. Рис. 3, где один остаток часто значительно коррелирует с несколькими другими), делают это значение завышенным для общей корреляции.Тем не менее его масштабы заслуживают внимания. Кроме того, допуская внутриротамерные флуктуации, этот расчет не учитывает их вклад в общую корреляцию, которая, как было обнаружено, является существенной для воспроизведения калориметрии кальмодулина с его лигандами в [21] и, вероятно, будет значительной.

Дальние корреляции присутствуют в нескольких различных моделях скелета свернутого barstar

Жесткость пептидного остова в этих расчетах до некоторой степени оправдывает нашу схематическую модель взаимодействий боковых цепей: для наших целей функция потенциальной энергии не должна устранять тонкие термодинамические различия между различными конформациями цепей, но вместо этого служит для установления основных масштабов длины и энергии. для переустройства в сфере притяжения родного государства.

При рассмотрении биологической значимости наших результатов, жесткость основной цепи частично подтверждается эмпирически наблюдением, что существуют только слабые корреляции между параметрами порядка ЯМР основной цепи и связанными с ними параметрами порядка боковой цепи [41]. Эта слабая корреляция, вероятно, связана с тем фактом, что колебания боковой цепи и магистрали в основном происходят в разных временных масштабах [42], с типичными колебаниями боковой цепи в диапазоне от пикосекунд до наносекунд, в то время как типичные коллективные колебания основной цепи колеблются от наносекунд до секунд и дольше.

Однако важно оценить, как вариации в конфигурации скелета свернутого белка могут влиять на корреляции боковых цепей, которые мы вычислили. С этой целью мы исследовали четыре различные структурные модели из структуры ЯМР барстара (1btb [43]). Эти четыре конформации были выбраны для представления ряда моделей, включенных в структуру ЯМР (см. Методы). В каждом случае графики зависимости пары от расстояния между остатками для полного потенциала очень похожи на результаты для кристаллической структуры (см.рис.6). Поскольку статистику вращений боковой цепи в колеблющейся среде магистрали можно строго разложить на вклады от суб-ансамблей, в которых магистраль удерживается фиксированной, согласованный характер наблюдаемой дальнодействующей корреляции от одной основной структуры к другой устанавливает их надежность. типичным движениям позвоночника.

Рис. 6. Дистанционная зависимость взаимной информации в различных ЯМР-моделях барстара.

Средняя избыточная взаимная информация на пару остатков представлена ​​здесь для различных атомных взаимодействий, сгруппированных в соответствии с расстоянием между остатками, для кристаллической структуры (1a19 [47]) и четырех модельных структур ЯМР (1btb [43]) barstar, используя весь потенциал LJ + IS + HBSB.См. Подробности в разделе "Методы".

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g006

Однако более сильные колебания позвоночника, такие как частичное развертывание или движения шарнирных областей, несомненно, нарушат многие из этих корреляций и могут ограничить их роль. в передаче аллостерической информации. В частности, корреляции, возникающие из-за контакта между остатками, которые пространственно проксимальны, но далеки от аминокислотной последовательности белка, будут ослабевать по мере того, как движения основной цепи уносят их друг от друга.Однако корреляции между остатками, связанными через путь последовательных соседей, такие как те, которые наблюдаются вдоль центральной спирали кристаллического кальмодулина на рис. 5, могут сохраняться. В результате некоторая информация может продолжать передаваться через колебания боковой цепи даже после значительных перестроек основной цепи, пока вторичная структура отвечает за многие наблюдаемые корреляции между последовательными соседями (см. Рис. 3 (f)). , остается нетронутым.

Аминокислоты проявляют разную склонность к коррелированному движению боковой цепи

В дополнение к тщательному изучению влияния различных типов атомных взаимодействий, мы также исследовали, как аминокислотный состав белка может способствовать более сильным или более слабым корреляциям между колебаниями его боковых цепей.Для этого мы взяли набор из двенадцати небольших глобулярных белков с разными последовательностями и складками (см. «Методы») и вычислили средний избыток взаимной информации на парное взаимодействие для каждой аминокислоты по всему набору белков. Результат представлен на рис. 7.

Рисунок 7. Взаимная информация по типу остатка.

Среднее избыточное количество взаимной информации на взаимодействие, для всех двадцати аминокислот. В каждом случае данные были объединены из всех применимых пар флуктуирующих остатков в наборе из двенадцати небольших глобулярных белков (см. Методы).

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1002168.g007

В целом, аминокислоты с наиболее гибридизованными вращающимися связями дали наибольшие значения. Аминокислота аргинин, несомненно, является наиболее сильно коррелированным остатком, за которым следует лизин. Хотя обе эти аминокислоты имеют четыре вращающихся связи, аргинин значительно больше лизина и имеет больше потенциальных партнеров по водородным связям. Кроме того, было обнаружено, что аргинин принимает меньше альтернативных ротамерных состояний при моделировании свернутых белков, чем лизин [44].

Точно так же объемные ароматические углеводороды (Phe, Tyr, Trp) были более коррелированными, чем можно было бы указать на их моногибридизованный ротамер, в то время как изолейцин и лейцин оба гораздо менее коррелируют, чем другие остатки с двумя вращающимися связями: глутамин и глутамат. Глицин, аланин и пролин все имеют, поскольку они не обладают вращающимися связями в модели.

Изменения параметров порядка, полученных с помощью ЯМР, плохо соотносятся с рассчитанными изменениями энтропии боковых цепей

Недавние измерения ЯМР на eglin C предоставили хорошую возможность сравнить наши результаты с экспериментальными доказательствами широко распространенных изменений во флуктуациях боковой цепи в результате небольших возмущений [9], [30].В этой работе серию остатков валина мутировали в аланин в различных положениях в eglin C, небольшом глобулярном белке с относительно статическим остовом, и измеряли результирующие изменения в параметрах порядка метильных групп боковых цепей. Изменения параметров порядка, измеренных ЯМР, во многих случаях были довольно низкими; большинство статистически значимых изменений было меньше 0,05 (параметры порядка варьируются от 0,0 для полностью неупорядоченного вектора до 1,0 для полностью упорядоченного вектора), и только несколько остатков показывают изменения больше 0.1 [9], [30]. Величина этих измеренных ЯМР изменений в сочетании со значительными статистическими ошибками в наших расчетах (среднее стандартное отклонение составляло 0,02) сделали такое сравнение трудным. В тех случаях, когда мы могли разрешить изменения в наших расчетных MC параметров порядка достаточно, чтобы сделать значимое сравнение с экспериментами, мы обнаружили небольшое соответствие между нашими данными и измерениями ЯМР.

Ожидается, что параметры порядка ЯМР

недооценивают весь диапазон движения боковой цепи, поскольку они пренебрегают движением медленнее, чем время опрокидывания молекулы, и недавняя работа демонстрирует, что такое движение может быть существенным [45], [46].Точно так же ожидается, что наш расчет будет недооценивать полный диапазон движения, доступный для боковых цепей из-за фиксированного скелета, который, как мы наблюдали ранее, был особенно проблематичным при вычислении параметров порядка метильных групп для аланинов [21]. В результате, вероятно, следует ожидать плохого соответствия между рассчитанными нами параметрами порядка метильных групп и параметрами, полученными из экспериментов по релаксации ЯМР, в частности, связанных с мутациями аланина. Тем не менее в прошлой работе мы продемонстрировали четкое соответствие измеренным параметрам порядка ЯМР для eglin C дикого типа с использованием того же вычислительного подхода [21].Даже если модель не является достаточно точной или подробной, чтобы делать количественные прогнозы для измененных флуктуаций боковой цепи в конкретном случае eglin C, выводы, которые мы делаем здесь для долгосрочных корреляций между колебаниями боковой цепи, должны иметь отношение к биофизике свернутые белки в целом.

Discussion

Распространение информации на большие расстояния внутри свернутого белка имеет большое значение в аллостерической регуляции. В то время как структурные изменения и колебания позвоночника уже давно изучаются как носители этой информации, коррелированные колебания боковой цепи обеспечивают потенциальные пути проводимости информации, которые часто упускаются из виду.В этой работе мы исследовали эти корреляции боковых цепей и обнаружили, что изменения в колебаниях в ответ даже на возмущения одного остатка, такие как точечная мутация или иммобилизация остатка, являются статистически значимыми, широко распространенными и их нелегко понять из последовательности белка или состав. Корреляции возникают независимо из нескольких различных источников: стерических отталкиваний, сольватации, водородных связей и солевых мостиков. Вместе эти взаимодействия приводят к устойчивым, статистически значимым корреляциям, которые сохраняются на всей пространственной протяженности как барстара, так и кальмодулина.

При вычислении значений взаимной информации мы моделируем остов белка как жесткую структуру, что позволяет нам исследовать степень корреляции только между колебаниями боковой цепи. Однако понимание роли колебаний позвоночника необходимо, чтобы судить о биологической значимости этих наблюдаемых корреляций. Интересно, что мы обнаружили, что существенные корреляции присутствуют между боковыми цепями barstar в нескольких различных структурах основной цепи, которые в совокупности представляют диапазон его типичных конформационных флуктуаций в растворе.Более того, поскольку временные масштабы, характерные для движений основной цепи и боковой цепи, во многих случаях, вероятно, хорошо разделены, связь через перестройки боковой цепи, как мы описали, может часто происходить на эффективно статической магистрали. Однако при более крупной перестройке остова, такой как движения шарнира или события частичного разворачивания, значительная часть наблюдаемых колебаний боковой цепи, вероятно, отделяется, и, таким образом, роль корреляций боковых цепей в аллостерической регуляции, где, как известно, большие перестройки основной цепи, произойти может быть ограничено.

Мы также использовали простую неявную модель растворителя, чтобы учесть влияние среднего поля растворителя на белок. Хотя этот подход позволяет нам сосредоточиться непосредственно на степенях свободы белка, он не учитывает флуктуации растворителя. Физически реалистичные колебания растворителя, вероятно, будут влиять на колебания боковой цепи так же, как колебания боковой цепи влияют друг на друга, и обратное также верно. Этот потенциал корреляции между колебаниями растворителя и боковой цепи предполагает, что колебания оболочки растворителя могут также передавать информацию от одного участка белка к другому.Действительно, мы наблюдали, что даже эффект среднего поля сольватации опосредует корреляцию флуктуаций боковой цепи, как видно на рис. 3 (c). Однако наблюдались все более сильные корреляции, возникающие из-за взаимодействия водородных связей и солевых мостиков (см. Рис. 3 (e) и 4), и именно благодаря этим самым эффектам молекулы растворителя будут влиять на боковые цепи. Хотя мы не можем исследовать вытекающие из этого последствия в нашей текущей работе, демонстрация аллостерических эффектов, опосредованных колебаниями растворителя, была бы весьма интригующей.

Наконец, важно отметить, что величина корреляций, измеренная здесь, составляет лишь часть от общей величины, возможной среди боковых цепей, поскольку коррелированные колебания в каждой отдельной ротамерной лунке, которые не включены в нашу метрику корреляции, являются обязательно внесет значительный, возможно, даже больший вклад в общую степень корреляции. Даже в этом случае корреляции между межротамерными флуктуациями сами по себе многое говорят о том, как флуктуации боковых цепей вызывают дальнодействующие корреляции внутри свернутого белка.Роль этих строго коррелированных колебаний боковой цепи в аллостерической регуляции следует рассмотреть дополнительно.

3.3A: Типы и функции белков

Белки выполняют многие важные физиологические функции, в том числе катализируют биохимические реакции.

Цели обучения

  • Различать типы и функции белков

Ключевые моменты

  • Белки необходимы для основных физиологических процессов жизни и выполняют функции во всех системах человеческого тела.
  • Форма белка определяет его функцию.
  • Белки состоят из аминокислотных субъединиц, которые образуют полипептидные цепи.
  • Ферменты катализируют биохимические реакции, ускоряя химические реакции, и могут либо разрушать свой субстрат, либо строить более крупные молекулы из субстрата.
  • Форма активного центра фермента соответствует форме субстрата.
  • Гормоны - это тип белка, который используется для передачи сигналов и коммуникации клеток.

Ключевые термины

  • аминокислота : Любая из 20 встречающихся в природе α-аминокислот (имеющих амино- и карбоксильные группы на одном атоме углерода) и различных боковых цепей, которые объединяются через пептидные связи с образованием белков.
  • полипептид : любой полимер (одинаковых или разных) аминокислот, соединенных пептидными связями.
  • катализатор : для ускорения процесса.

Типы и функции белков

Белки выполняют важные функции во всех системах человеческого тела.Эти длинные цепи аминокислот критически важны для:

  • катализирующие химические реакции
  • синтез и восстановление ДНК
  • транспортировка материалов по камере
  • прием и отправка химических сигналов
  • отвечает на раздражители
  • обеспечивает структурную поддержку

Белки (полимеры) представляют собой макромолекулы, состоящие из аминокислотных субъединиц (мономеров). Эти аминокислоты ковалентно связаны друг с другом с образованием длинных линейных цепей, называемых полипептидами, которые затем складываются в определенную трехмерную форму.Иногда эти свернутые полипептидные цепи функционируют сами по себе. В других случаях они объединяются с дополнительными полипептидными цепями, чтобы сформировать окончательную структуру белка. Иногда в конечном белке также требуются неполипептидные группы. Например, гемогобин белка крови состоит из четырех полипептидных цепей, каждая из которых также содержит молекулу гема, имеющую кольцевую структуру с атомом железа в центре.

Белки имеют разную форму и молекулярную массу в зависимости от аминокислотной последовательности.Например, гемоглобин представляет собой глобулярный белок, что означает, что он сворачивается в компактную шарообразную структуру, но коллаген, обнаруженный в нашей коже, представляет собой волокнистый белок, что означает, что он складывается в длинную вытянутую волоконно-подобную цепь. Вы, вероятно, похожи на членов своей семьи, потому что у вас одинаковые белки, но вы отличны от посторонних, потому что белки в ваших глазах, волосах и остальном теле разные.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Гемоглобин человека : Структура гемоглобина человека.Α- и β-субъединицы белков выделены красным и синим цветом, а железосодержащие гемовые группы - зеленым. Из базы данных по белкам.

Поскольку форма определяет функцию, любое небольшое изменение формы белка может привести к нарушению функции белка. Небольшие изменения в аминокислотной последовательности белка могут вызвать разрушительные генетические заболевания, такие как болезнь Хантингтона или серповидно-клеточная анемия.

Ферменты

Ферменты - это белки, которые катализируют биохимические реакции, которые в противном случае не имели бы места.Эти ферменты необходимы для химических процессов, таких как пищеварение и клеточный метаболизм. Без ферментов большинство физиологических процессов протекало бы так медленно (или не протекало бы совсем), что жизнь не могла бы существовать.

Поскольку форма определяет функцию, каждый фермент специфичен для своих субстратов. Субстраты - это реагенты, которые подвергаются химической реакции, катализируемой ферментом. Место, где субстраты связываются с ферментом или взаимодействуют с ним, называется активным сайтом, потому что это место, где происходит химия.Когда субстрат связывается со своим активным центром на ферменте, фермент может способствовать его распаду, перегруппировке или синтезу. Помещая субстрату определенную форму и микроокружение в активном центре, фермент стимулирует протекание химической реакции. Есть два основных класса ферментов:

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ферментная реакция : Катаболическая ферментативная реакция, показывающая, что субстрат точно соответствует форме активного центра.
  • Катаболические ферменты: ферменты, расщепляющие субстрат
  • Анаболические ферменты: ферменты, которые создают более сложные молекулы из своих субстратов

Ферменты необходимы для пищеварения: процесс расщепления более крупных молекул пищи на субъединицы, достаточно мелкие, чтобы диффундировать через клеточную мембрану и использоваться клеткой.Эти ферменты включают амилазу, которая катализирует переваривание углеводов во рту и тонком кишечнике; пепсин, катализирующий переваривание белков в желудке; липаза, катализирующая реакции, необходимые для эмульгирования жиров в тонком кишечнике; и трипсин, который катализирует дальнейшее переваривание белков в тонком кишечнике.

Ферменты также необходимы для биосинтеза: процесса создания новых сложных молекул из более мелких субъединиц, которые поставляются или генерируются клеткой.Эти биосинтетические ферменты включают ДНК-полимеразу, которая катализирует синтез новых цепей генетического материала до деления клетки; синтетаза жирных кислот, которая синтезирует новые жирные кислоты для образования жиров или мембранных липидов; и компоненты рибосомы, которая катализирует образование новых полипептидов из мономеров аминокислот.

Гормоны

Некоторые белки действуют как химические сигнальные молекулы, называемые гормонами. Эти белки секретируются 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. Другие белки действуют как рецепторы для определения концентрации химических веществ и отправки сигналов для ответа. Некоторые типы гормонов, такие как эстроген и тестостерон, являются липидными стероидами, а не белками.

Другие функции белков

Белки выполняют важные функции во всех системах человеческого тела. В дыхательной системе гемоглобин (состоящий из четырех белковых субъединиц) транспортирует кислород для использования в клеточном метаболизме.Дополнительные белки в плазме крови и лимфе переносят питательные вещества и продукты метаболизма по всему телу. Белки актин и тубулин образуют клеточные структуры, а кератин формирует структурную опору для мертвых клеток, которые становятся ногтями и волосами. Антитела, также называемые иммуноглобинами, помогают распознавать и уничтожать чужеродные патогены в иммунной системе. Актин и миозин позволяют мышцам сокращаться, а альбумин питает раннее развитие эмбриона или проростка.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Тубулин : структурный белок тубулин, окрашенный в красный цвет в клетках мыши.

Cell Communication - обзор

1 Введение

Связь между клетками играет решающую роль в физиологических и патологических процессах развития. Считается, что клетки связываются со своими соседями или с отдаленными клетками посредством взаимодействия лиганд-рецептор, секреции растворимых факторов, таких как цитокины, хемокины и факторы роста, или посредством переноса цитоплазматических компонентов посредством соединения узлов. Однако другой способ межклеточной коммуникации через внеклеточные везикулы (EVs) стал предметом растущего интереса [1].EV представляют собой небольшие мембранные везикулы, содержащие различные биоактивные материалы, такие как белки, липиды, РНК и ДНК, которые переносятся в клетки-мишени. Было показано, что EV влияют на соседние и удаленные клетки-мишени, индуцируя внутриклеточную передачу сигналов через связывание рецепторов или путем передачи новых свойств, таких как рецепторы, ферменты или даже генетический материал из везикул. ЭВ также участвуют в патогенезе множества заболеваний [2].

Металлопротеиназы, которым для протеолитической активности требуется ион двухвалентного металла, представляют собой самый большой класс каталитических ферментов [3].Эти ферменты можно разделить на 27 семейств, и внутри этих семейств суперсемейство метцинцина состоит из 23 матриксных металлопротеиназ (ММП), 25 ADAM (сокращенно от «дезинтегрин и металлопротеиназа») и 19 ADAM с тромбоспондиновыми мотивами (ADAMTS) [4 –6]. Они могут в значительной степени разрушать белки внеклеточного матрикса (ЕСМ) или выборочно высвобождать цитокины, связанные с клеточной поверхностью, факторы роста или их рецепторы, тем самым влияя на целостность ЕСМ, рекрутирование иммунных клеток и обмен тканей.Недавний протеомный анализ показал, что ЭВ из различных типов клеток и жидкостей организма содержат металлопротеиназы, такие как ММП [7–10]. Важно отметить, что некоторые металлопротеиназы в EVs, как было показано, проявляют протеолитические свойства и участвуют в патологических процессах. Например, EV в раковых тканях содержат MMP-2 и MMP-9, которые участвуют в локальной инвазии, а ADAMTS были обнаружены в EV из синовиальной жидкости и могут способствовать деградации и ремоделированию богатого аггреканом ECM при артрите.Таким образом, хотя информация относительно MMP в EV ограничена, EV-ассоциированные MMP могут изменять груз EV путем выделения эктодоменов, проявляя протеолитическую активность после поглощения клетками-мишенями или непосредственно способствуя деградации белков ECM, окружающих клетки. В этом обзоре мы кратко излагаем текущие знания о металлопротеиназах, связанных с EV, особенно MMP, и далее обсуждаем их потенциальную роль и клиническое значение при патологических состояниях.

Нацеливание на мембранные белки: взаимосвязь структура-функция-динамика

Мембранные белки обеспечивают связь между внутриклеточными и внеклеточными компартментами.Среди этих белков большие суперсемейства, такие как рецепторы, переносчики и каналы, охватывают широкий спектр функций, включая передачу сигналов, перенос ионов и питательных веществ. Кроме того, нарушение функции ...

Мембранные белки обеспечивают связь между внутриклеточными и внеклеточными компартментами. Среди этих белков большие суперсемейства, такие как рецепторы, переносчики и каналы, охватывают широкий спектр функций, включая передачу сигналов, перенос ионов и питательных веществ.Кроме того, дисфункция этих белков была явно связана с различными заболеваниями и расстройствами, такими как эпилепсия, депрессия, болезнь Альцгеймера и рак. Таким образом, мембранные белки составляют ключевой класс белков человека, на который направлено терапевтическое воздействие. Описание ключевых взаимодействий этих белков с их лигандами, а также расшифровка динамики механизмов, задействованных в достижении этими молекулярными машинами их функций, являются решающими шагами на пути к созданию потенциальных новых лекарств.Исследования взаимосвязи структура-функция - мощные методы исследования такого явления и решения этих ключевых задач при открытии лекарств.

Цель этой коллекции - собрать результаты новейших исследований, позволяющих глубже понять функциональные аспекты этих фармацевтически важных молекулярных машин и то, как их (dys) функции могут быть модулированы и компенсированы. Некоторые недавние достижения в этой области подробно описаны ниже:

i) Исследования на основе структуры, обеспечивающие ценную информацию о том, как эти белки достигают своей функции и взаимодействуют с лигандами или потенциальными лекарствами на молекулярном уровне.
ii) Последовательность, структура, взаимосвязь функций: каждое из вышеупомянутых суперсемейств представляет собой консервативные складки, демонстрируя при этом широкий диапазон субстратной специфичности. Сочетание сохранения последовательности с информацией о структуре может предоставить ценную информацию для дальнейшего понимания ключевых детерминант селективности на молекулярном уровне.
iii) Белковая динамика: характеристика различных конформаций, к которым может иметь доступ мембранный белок, очень ценно при открытии лекарств, поскольку эти различные состояния предоставляют возможности для открытия модуляторов, специфичных для конформации.
iv) Аллостерическая регуляция. Аллостерическая модуляция представляет большой потенциал в разработке лекарств, так как эта стратегия предоставляет возможности нацеливать белки более избирательно, чем на ортостерические сайты.

В этой теме исследования рассказывается о последних разработках, касающихся того, как взаимосвязь структура-функция влияет на открытие лекарств в отношении мембранных белков. Особенно приветствуются мультидисциплинарные подходы, сочетающие, например, вычислительные методы и экспериментальную проверку, а также новые разработки.Приветствуются оригинальные исследовательские статьи, обзоры, мини-обзоры и перспективы по следующим темам:

• Новое понимание мембранных белков как мишеней лекарств
• Взаимодействие белок-лиганд / белок-липид
• Взаимодействие с лекарствами и транспорт
• Аллостерическая регуляция
• Динамика мембранных белков, связанная с открытием модулятора
• Связь последовательность-структура-функция-динамика и актуальность для открытия лекарств

Ключевые слова : Мишень лекарственного средства, переносчик, мембранный белок, канал, рецептор

Важное примечание : Все материалы по данной теме исследования должны находиться в рамках того раздела и журнала, в который они были отправлены, как это определено в их заявлениях о миссии.Frontiers оставляет за собой право направить рукопись за пределами области охвата в более подходящий раздел или журнал на любом этапе рецензирования.

Что такое белки и каковы их функции в организме?

Последнее обновление: 16 декабря 2019 г.

Белки состоят из многих строительных блоков, известных как аминокислоты. Нашему организму нужен диетический белок, чтобы поставлять аминокислоты для роста и поддержания наших клеток и тканей.Наши диетические потребности в белке меняются на протяжении всей жизни. Европейское управление по безопасности пищевых продуктов (EFSA) рекомендует взрослым потреблять не менее 0,83 г белка на кг массы тела в день (например, 58 г в день для взрослого человека весом 70 кг). Белки растительного и животного происхождения различаются по качеству и усвояемости, но обычно это не вызывает беспокойства у большинства людей, если их общий белок соответствует их потребностям. Мы должны стремиться потреблять белок из различных источников, который приносит пользу как нашему здоровью, так и планетам.

Из чего состоят белки?

Белки состоят из множества различных аминокислот, связанных вместе.Существует двадцать различных строительных блоков из этих аминокислот, которые обычно встречаются в растениях и животных. Типичный белок состоит из 300 или более аминокислот, и конкретное количество и последовательность аминокислот уникальны для каждого белка. Подобно алфавиту, «буквы» аминокислот могут быть расположены миллионами различных способов для создания «слов» и целого белкового «языка». В зависимости от количества и последовательности аминокислот полученный белок будет принимать определенную форму. Эта форма очень важна, поскольку она будет определять функцию белка (например,грамм. мышца или фермент). У каждого вида, включая человека, есть свои характерные белки.

Аминокислоты подразделяются на незаменимые и несущественные. Как следует из названия, незаменимые аминокислоты не могут вырабатываться организмом и, следовательно, должны поступать из нашего рациона. Принимая во внимание, что незаменимые аминокислоты могут вырабатываться организмом и, следовательно, не должны поступать с пищей.

Таблица 1. Незаменимые и незаменимые аминокислоты.

Незаменимые аминокислоты

Незаменимые аминокислоты

Гистидин

Изолейцин

Лейцин

Лизин

метионин

Фенилаланин

Треонин

Триптофан

Валин

Аланин

Аргинин *

Аспарагин

Аспартат

Цистеин *

Глутамат

Глютамин *

Глицин *

Пролин *

Серин

Таурин *

Тирозин *

* это условно незаменимые аминокислоты, что означает, что они необходимы только при определенных условиях (например,грамм. для новорожденных). 1

Что белки делают для организма?

Наши тела состоят из тысяч различных белков, каждый из которых выполняет определенную функцию. Они составляют структурные компоненты наших клеток и тканей, а также многие ферменты, гормоны и активные белки, секретируемые иммунными клетками (рис. 1).

Эти белки организма постоянно восстанавливаются и заменяются на протяжении всей нашей жизни. Этот процесс (известный как «синтез белка») требует постоянного поступления аминокислот.Хотя некоторые аминокислоты могут быть переработаны в результате распада старых белков организма, этот процесс несовершенен. Это означает, что мы должны потреблять диетический белок, чтобы удовлетворить потребности нашего организма в аминокислотах.

Поскольку белок необходим для роста клеток и тканей, адекватное потребление белка особенно важно в периоды быстрого роста или повышенной потребности, например, в детстве, подростковом возрасте, беременности и кормлении грудью. 1

Рисунок 1. Функции белков в организме.

Какие продукты содержат много белка?

Белок содержится как в растительной, так и в животной пище. На рисунке 2 показано содержание белка в типичной порции обычных продуктов животного и растительного происхождения. Дополнительную информацию о том, как оценить размер здоровых порций, см. В разделе Измерение размеров порций руками.

Рисунок 2. Продукты с высоким содержанием белка. 2

Есть ли разница между белками животного и растительного происхождения?

Как видно из рисунка 2, продукты животного и растительного происхождения могут быть богатыми источниками белка.Но одинаковы ли они по качеству?

Качество протеина можно определить по-разному; однако все определения относятся к распределению и соотношению незаменимых и заменимых аминокислот, которые они содержат. В целом, белки животного происхождения имеют более высокое качество, поскольку они содержат более высокие пропорции незаменимых аминокислот по сравнению с белками растительного происхождения.

Существует распространенное заблуждение, что в растительных белках полностью отсутствуют определенные незаменимые аминокислоты. Фактически, большинство растительных белков будут содержать все 20 аминокислот, но, как правило, имеют ограниченное количество определенных незаменимых аминокислот, известных как их ограничивающие аминокислоты.Это означает, что если небольшое количество растительных продуктов потребляется в качестве единственных источников белка, они вряд ли обеспечат достаточное количество незаменимых аминокислот для удовлетворения наших потребностей. Для людей, которые практически не потребляют продукты животного происхождения, таких как веганы или вегетарианцы, важно, чтобы они потребляли белок из источников с дополнительными ограничивающими аминокислотами. Например, потребление риса (с ограниченным содержанием лизина и тиамина, но с высоким содержанием метионина) и бобов (с ограниченным содержанием метионина, но с высоким содержанием лизина и тиамина) обеспечит дополнительные аминокислоты, которые могут помочь удовлетворить потребности в незаменимых аминокислотах.

Белки животного и растительного происхождения также различаются по своей биодоступности и усвояемости. Оценка усвояемых незаменимых аминокислот (DIAAS) является рекомендуемым методом для определения перевариваемости диетического белка и выражается в значениях ниже или иногда даже выше 100. 3 DIAAS более 100 указывает на то, что белок имеет очень высокую усвояемость и качество и является хороший комплемент протеинов с более низкими качествами. Белки животного происхождения, как правило, имеют более высокие баллы DIAAS по сравнению с белками растительного происхождения (таблица 2).Поскольку большинство людей потребляют белок из различных источников, качество и усвояемость белка обычно не вызывает беспокойства.

Таблица 2. DIAAS и качество различных типов протеина на 100 г пищи. 3, 4

Тип белка

DIAAS

Качество

Пшеница

40

Низкая

Миндаль

40

Низкая

Рис

59

Низкая

Горох

64

Низкая

Нут

83

средний

Куриная грудка

108

Высокая

Яйцо

113

Высокая

Цельное молоко

114

Высокая

Сколько белка мы должны есть каждый день?

EFSA разработало диетические контрольные значения (DRV) для белка.DRV для белка на разных этапах жизни сведены в таблицу 3. Для среднего взрослого рекомендуется потреблять не менее 0,83 г белка на каждый килограмм веса тела в день. 1 Другими словами, взрослый человек весом 70 кг должен стремиться съедать не менее 58 г белка в день. Это эквивалентно белку, содержащемуся примерно в 200 г куриной грудки или 240 г ореховой смеси.

В периоды роста, например в детстве, беременности и кормлении грудью, потребности в белке относительно высоки.Кроме того, в пожилом возрасте соотношение белков и энергии начинает увеличиваться. Это означает, что нам требуется такое же количество белка, но меньше энергии (или калорий) из-за снижения скорости метаболизма и более малоподвижного образа жизни. 1

Таблица 3. Диетические справочные значения для стадий жизни. 1 BW: масса тела.

Справочное значение

г / сутки 70 кг взрослые

Детство (12 мес - 17 лет)

1.14 - 0,83 г / кг BW

Взрослые (18-65 лет)

0,83 г / кг BW

58 г

Пожилые люди (> 65 лет)

1 г / кг BW

70 г

Беременность

0,83 г / кг BW

58 г

+ 1г в сутки

59 г

+ 9 г в сутки

67 г

+ 28 г в сутки

86 г

Грудное вскармливание (0-6 месяцев)

+ 19 г в сутки

77 г

Грудное вскармливание (> 6 месяцев)

+13 г в сутки

71 г

Сколько белка мы едим каждый день?

В целом европейцы потребляют достаточно белка, а дефицит белка в большинстве развитых стран встречается редко (диаграмма 3).Поскольку диета европейцев уже превышает требуемый уровень, EFSA не рекомендует увеличивать текущее потребление белка. 1

Рисунок 3. Потребление белка в европейских странах.

Какова польза протеина для здоровья?

Потребление достаточного количества белка для удовлетворения потребностей нашего организма важно для многих функций организма. Однако есть данные, позволяющие предположить, что в определенных ситуациях увеличение потребления белка выше требуемого уровня может принести дополнительную пользу для здоровья.

Белок и контроль веса

Было показано, что употребление в пищу продуктов, богатых белком, усиливает чувство сытости (также известное как сытость) больше, чем продукты с высоким содержанием жиров или углеводов. Краткосрочные исследования показали, что диета с высоким содержанием белка (например, 1,2–1,6 г / кг в день; 84–112 г в день для взрослого человека весом 70 кг) может помочь снизить общее потребление калорий и ускорить потерю веса. 5 Однако доказательства долгосрочного поддержания веса менее очевидны. 5 Как и все диеты, диета с высоким содержанием белка эффективна только в том случае, если ее придерживаются, что может быть затруднительно для некоторых людей, а низкая приверженность может частично объяснить ограниченную пользу, наблюдаемую при долгосрочном поддержании веса. 5

Белок и саркопения

Саркопения - это заболевание, характеризующееся прогрессирующей потерей мышечной массы и физических функций, которое обычно ассоциируется у пожилых людей. Саркопения связана с повышенной слабостью, риском падений, функциональным снижением и даже ранней смертью. 6 Поскольку белок необходим для восстановления и поддержания мышечной массы, неудивительно, что низкое потребление белка связано с повышенным риском развития саркопении. 6 Точно так же увеличение потребления белка, а также увеличение физической активности может помочь сохранить мышечную массу и силу с возрастом, снижая риск саркопении и заболеваний скелета.

Белок и спортивные результаты

Белок уже давно ассоциируется со спортивной продуктивностью. Белок играет ключевую роль в восстановлении и укреплении мышечной ткани после тренировки. Хотя белок имеет решающее значение для наращивания мышечной массы, для получения максимальной пользы его следует рассматривать в контексте всей диеты, которая включает правильное количество углеводов, жиров, витаминов и минералов.Оптимальное потребление белка будет зависеть от типа (например, тренировки на выносливость или сопротивление), продолжительности и интенсивности упражнений, причем большее количество не всегда означает лучший результат. Считается, что потребление белка 1,4–2,0 г на кг массы тела в день (например, 98–140 г в день для взрослого человека весом 70 кг) является достаточным для удовлетворения потребностей большинства людей, занимающихся физическими упражнениями. 7 Спортсмены должны стремиться к достижению потребления белка за счет сбалансированной диеты с использованием белковых добавок для людей, которым необходимо поддерживать высокий уровень белка, но ограничивать общее потребление калорий.

Что произойдет, если вы съедите слишком много белка?

Недостаточно доказательств для установления порога потребления белка, и EFSA заявило, что потребление белка, вдвое превышающее DRV (1,7 г / кг в день, или 119 г в день для взрослого человека весом 70 кг), по-прежнему считается безопасным при нормальных условиях. . 1 Для людей с заболеванием почек избыток белка может быть проблемой, и этим людям следует проконсультироваться с диетологом или терапевтом перед повышением уровня белка.

Увеличение веса

Существует распространенное заблуждение, что нельзя набрать вес, употребляя белок. Это неправда, так же, как углеводы и жиры, когда они потребляются во время избытка калорий, избыток белка может превращаться в жировые отложения, что приводит к увеличению веса. Когда дело доходит до поддержания веса, самое главное - сохранять энергетический баланс.

Красное и обработанное мясо и риск рака

Белок необходим для хорошего здоровья, но некоторые продукты с высоким содержанием белка могут быть лучше для нашего здоровья, чем другие.В частности, потребление большого количества красного и обработанного мяса связано с повышенным риском некоторых видов рака. 8 Красное мясо является хорошим источником белка, а также многих других важных питательных веществ, таких как железо, витамин B 12 и цинк, и его не обязательно полностью избегать, чтобы снизить риск. Всемирный фонд исследования рака рекомендует нам стараться потреблять не более трех порций (около 350-500 г вареной массы) красного мяса в неделю и очень мало обработанного мяса. 8

Белковая устойчивость

Выбор продуктов питания, который мы делаем, влияет не только на наше здоровье, но и на окружающую среду. В целом, белки животного происхождения, такие как говядина, молочные продукты и баранина, оказывают более сильное воздействие на окружающую среду (т. Е. Используют больше ресурсов и производят больше парниковых газов) по сравнению с растительными источниками, такими как соя, горох и чечевица (рисунок 4). 9 Хотя нет необходимости или рекомендуется полностью избегать продуктов животного происхождения, изменение рациона питания с включением большего количества источников белка растительного происхождения может принести пользу нашему здоровью и планете. 10 Устойчивое питание - это больше, чем просто выбор экологически чистых продуктов, богатых белком. Дополнительные советы о том, как можно вести более устойчивый образ жизни, см. В советах по здоровому и рациональному питанию и советах по сокращению пищевых отходов.

Рисунок 4 . Содержание белка и выбросы парниковых газов (ПГ) в различных пищевых продуктах. 9

Заключение

Белок необходим для жизни; он поставляет незаменимые аминокислоты, необходимые для роста и поддержания наших клеток и тканей.Наша потребность в белке зависит от нашего этапа жизни, и большинство европейцев потребляют достаточно, чтобы удовлетворить свои потребности. Поскольку большинство людей придерживаются разнообразной диеты, качество и усвояемость белков, которые они едят, не должны вызывать беспокойства, если общее количество белка удовлетворяет их ежедневные потребности. Поскольку мы едим продукты, а не питательные вещества, мы должны выбирать продукты, богатые белком, которые не только содержат незаменимые аминокислоты, но и поддерживают здоровую и устойчивую диету.

Список литературы

  1. EFSA (2012).Европейское агентство по безопасности пищевых продуктов, Научное заключение о диетических референсных значениях белка. EFSA Journal 2012; 10 (2): 2557
  2. База данных Великобритании по составу пищевых продуктов.
  3. Консультация, F.E., 2011. Оценка качества диетического белка в питании человека. FAO Food Nutr. Пап, 92, стр. 1-66.
  4. Филлипс, С.М., 2017. Современные концепции и нерешенные вопросы в отношении диетических белков и добавок у взрослых. Границы питания, 4, с.13.
  5. Лейди, Х.Дж., Клифтон, П.М., Аструп, А., Уичерли, Т.П., Вестертерп-Плантенга, М.С., Ласкомб-Марш, Н.Д., Вудс, С.С. и Мэттес, Р.Д., 2015. Роль белка в потере и поддержании веса. Американский журнал клинического питания, 101 (6), стр.132
  6. Cruz-Jentoft AJ, Sayer AA (2019). Саркопения. Ланцет. 393 (10191): 2636-2646.
  7. Jäger R.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *