Протеомика. Биохимия

1.

ПРОТЕОМИКА

2.

Биохимия – наука о молекулярных основах жизни
Биохимия изучает различные молекулы, химические
реакции и процессы, протекающие в живых клетках и
организмах.
Главная задача биохимии – установление связи между
молекулярной структурой и биологической функцией
химических компонентов живых организмов.

3.

Биохимия
Статическая биохимия
изучает
химический
состав организма
Динамическая биохимия
изучает
совокупность превращений
веществ и энергии в организме

4.

В зависимости от объекта исследования
выделяют
биохимию человека и животных,
биохимию растений,
биохимию микроорганизмов.

5.

Разделы биохимии
эволюционная биохимия,
энзимология,
биохимия витаминов,
квантовая биохимия,
молекулярная биология,
клиническая биохимия.

6.

Клиническая биохимия
раздел биохимии, изучающий изменения биохимических
процессов в организме человека при патологических состояниях,
а также разрабатывающий методы обнаружения этих изменений
в целях диагностики и прогноза заболеваний,
изучает структуру и обмен индивидуальных биомолекул в норме
и при болезнях человека.

7.

Значение клинической биохимии
На современном этапе развития медицины
возросло значение биохимических исследований.
Применение новых лекарств, методов лечения,
проведение хирургических вмешательств и
реанимационных мероприятий требует
постоянного биохимического контроля.
Лабораторные методы исследования составляют до
75% всех видов исследования пациента.

8.

Биохимические исследования
позволяют
выявить причину заболевания,
предложить рациональный и эффективный путь лечения,
разработать методику ранней диагностики,
следить за ходом болезни,
контролировать эффективность лечения.

9.

Основные достижения биохимии
установлены основные особенности функции клеток и их регуляторных
механизмов,
открыта двойная спираль ДНК,
многие ферменты изучены и получены в чистом виде,
выяснены особенности строения и функционирования мембран,
установлено как клетки запасают и используют энергию,
открыты окислительное фосфорилирование, АОС,
установлены метаболические пути синтеза и распада главных биомолекул,
накоплены данные о механизме действия гормонов,
открыты регуляторные пептиды,
установлены основные особенности защитных систем организма,
определён механизм действия ряда лекарств,
установлены основные особенности генетически детерминированной гибели
клеток,
установлены биохимические основы ряда заболеваний.

10.

Биомедицинская информатика
Технология:
ДНК микрочипы,
компьютерные
методы
Геномика
• Идентификация всех
генов человека и
нарушений в них.
Оценка экспрессии
(транскриптомика)
Протеомика
Технология:
Двухмерный
электрофорез,
идентификация
белков с
помощью масс
спектрометрии
• Идентификация и количественное определение
всех индивидуальных
белков в
биологическом
материале
•Создание баз данных структуры
генов, транскриптомов, белков,
метаболитов
•Предсказание структуры и функции
молекул и биологических систем
•Компьютерный дизайн лекарств на
основе знаний структуры молекулмишеней
•Использование вычислительной
техники для анализа и
моделирования биологических
систем
•Разработка стандартных маркеров
на основе связей ген-РНК-белокметаболит для различных
патологий

11.

ПРОТЕОМИКА
Геномика – наука, занимающаяся изучением структуры и
функций генов. 30 – 35 тысяч генов, кодирующих белки.
Биоинформатика – наука, занимающаяся изучением
биологической информации с помощью математических,
статистических и компьютерных методов.
Протеомика – наука, занимающаяся изучением белков,
их функций и взаимодействий в живых организмах. В
теле человека 300000 белков.
Метаболомика - наука, занимающаяся изучением
образования и роли небольших молекул в процессе
метаболизма различных природных соединений в
организме.

12.

ПРОТЕОМИКА
Начало развития протеомики можно связать с
опытами Фредерика Сенгера. Он изучал структуру
инсулина и впервые определил его аминокислотную
последовательность и положение дисульфидных связей.

13.

ПРОТЕОМ
это совокупность белков организма, производимых клеткой,
тканью или организмом в определённый период времени.

14.

Методы протеомики
метод двумерного гель-электрофореза в
полиакриламиде
микросеквенирование белков
высокоэффективная жидкостная хроматография
масс-спектрометрия
использование белковых чипов

15.

Протеомика
Результаты протеомики будут использоваться для быстрой разработки
новых лекарственных средств и методов лечения.
На сегодняшний день 95% всех фармакологических средств
воздействуют на белки.
Протеомика может помочь идентифицировать и оценить важность
появления новых белков гораздо эффективнее, что ускорит разработку новых
диагностических тестов и терапевтических средств.

16.

Обнаружение биомаркеров
В кровь
Выявление
в крови
Белок
Белок
Диагноз

17.

Белки
самый многочисленный класс макромолекул,
полипептиды, содержащие 50 и более АМК, соединённых
пептидными связями.
Пептидные связи – ковалентные, уникальны по размерам.

18.

Белки
Каждый организм характеризуется уникальным набором
белков. В организме человека содержится 50000
индивидуальных белков (около 15 кг).
На долю белков приходится 70-80 % в мышцах, печени,
селезёнке, почках.
АМК и белки содержат 95% всего азота в организме.
Содержание азота в белках 16%

19.

Функции белков
структурная,
каталитическая,
регуляторная
рецепторная,
иммунологическая,
защитная,
транспортная,
сократительная,
питательная,
дыхательная,
обезвреживающая,
геннорегуляторная,
создание биопотенциалов мембран,
гомеостатическая,
индивидуальное строение органов,
обеспечивают хорошее зрение.
энергетическая

20.

Специфические особенности белков
определяются
длиной полипептидной цепи,
различиями АМК состава,
порядком чередования АМК.

21.

Классификация аминокислот по
заменимости
заменимые,
незаменимые
(Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Три, Фен) ,
частично заменимые (Арг, Гис),
условно заменимые (Цис, Тир).
R
C
N
C
N
R
N
R
N
R
R
C
N
C
C
N
N
R
C
R
C
N

22.

Незаменимые аминокислоты
Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Три, Фен.
Незаменимые АМК для детей: Вал, Иле, Лей, Лиз, Мет, Тре, Три,
Фен, Гис и Арг.
Скорость синтеза Гис и Арг недостаточна для того, чтобы
обеспечить рост организма в детстве.
Исключение какой-либо АМК из пищи сопровождается развитием
отрицательного азотистого баланса, истощением, остановкой в
росте, нарушениями со стороны нервной системы.
При отсутствии Гис, Арг – анемия.
При отсутствии Три – катаракта.
При отсутствии Лиз - кариес, задержка роста.
При отсутствии Мет страдает печень.

23.

Незаменимые аминокислоты
МЕТИОНИН
в твороге, молоке, яйцах, бобах, фасоли, чечевице, сое

24.

Незаменимые аминокислоты
ТРИПТОФАН
в овсе, бананах, сушёных финиках, арахисе, кунжуте, кедровых
орехах, молоке, йогурте, твороге.

25.

Незаменимые аминокислоты
АРГИНИН
в мясе, семенах тыквы, арахисе,
кунжуте, йогурте, сыре

26.

Первичная структура белка
порядок, последовательность расположения АМК в
полипептидной цепи.

27.

Свойства первичной структуры белка
уникальна, детерминирована генетически,
стабильность обеспечивается в основном пептидными связями,
возможно участие небольшого числа дисульфидных связей,
в первичной структуре детерминированы вторичная, третичная и
четвертичная структуры белковой молекулы,
в полипептидной цепи могут быть обнаружены разнообразные
комбинации АМК:
не во всех белках содержатся все 20 АМК,
ни в одном белке АМК не содержатся в эквивалентных
отношениях,
некоторые АМК встречаются редко и в меньшем количестве
(гли в 10 раз чаще, чем три).

28.

Изучена первичная структура у ряда белков
инсулин,
миоглобин,
гемоглобин,
цитохром С,
АКТГ,
рибонуклеаза,
АСТ,
химотрипсиноген.

29.

Даже небольшие изменения первичной структуры
изменяют свойства белков
HbA1 - у здоровых людей,
HbS - у больных серповидно-клеточной анемией.
HbS в шестом положении β-цепи вместо глу имеет валин.
Отличаются белки по физическим, химическим и
биологическим свойствам.

30.

Вторичная структура белка
пространственное расположение полипептидной цепи, поддерживаемое
водородными связями между фрагментами цепи
Типы вторичной структуры

31.

α-спираль
устойчивая винтовая лестница,
закрученная по часовой стрелке,
NН-группа остатка АМК
взаимодействует с СО – группой
четвёртого от него остатка,
на виток приходится 3,6 АМК остатка,
5,4 Å – шаг спирали (расстояние
между витками).

32.

β-складчатость
пептидные цепи располагаются
параллельно друг другу
в один слой, подобно листу,
сложенному гармошкой.
На каждой плоскости образуются
пептидные связи и радикалы выходят
из структуры.
Полипептидные цепи могут формировать
параллельные или антипараллельные β-структуры.

33.

Белки с β-складчатостью
β-кератины (фиброин шёлка),
фибриллярные белки волос, шёлка.

34.

Содержание разных типов вторичных
структур в белках
только α-спираль (гемоглобин, миоглобин),
α-спираль и β-складчатость (ЛДГ, фосфоглицераткиназа),
β-складчатость (СОД),
белки, имеющие в составе незначительное количество регулярных
вторичных структур.

35.

Супервторичная структура белков

36.

Третичная структура белковой молекулы
пространственное расположение пептидной цепи,
поддерживаемое межрадикальными связями.
Все биологические свойства белков связаны с
сохранностью их третичной структуры.

37.

Связи, формирующие
третичную структуру
дисульфидная –
ковалентная,
Все остальные связи
нековалентны:
гидрофобные – между
аминогруппами
с неполярными радикалами
(вал, мет, ала, фен, иле),
водородные между полярными радикалами (OH, NH2,
SH, COOH),
ионные - между заряженными полярными радикалами
(лиз, арг, гис, асп, глу).

38.

Белки с известной третичной структурой
гемоглобин,
трипсин,
лизоцим,
инсулин,
цитохром.

39.

Фибриллярные белки
Глобулярные белки
фибриллы
глобулы
нерастворимы в воде
коллаген, эластин, кератин,
наружный слой кожи, волосы,
ногти, соединительная ткань,
роговица, кости, хрящи, перья,
рога, копыта, когти
структурная,
защитная функция
растворимы в воде
альбумины, гемоглобин,
гормоны, ферменты, антитела,
компоненты мембран, рибосом
каталитические,
регуляторные, транспортные
белки крови

40.

Четвертичная структура белка
белок может состоять из нескольких цепей, число и
взаиморасположение в пространстве которых различно.

41.

Олигомерные белки
состоят из нескольких полипептидных цепей:
гемоглобин - 4,
гексокиназа – 2,
ГЛДГ - 6,
ферритин - 24.

42.

Связи, поддерживающие четвертичную
структуру белка
гидрофобные,
ионные,
водородные.

43.

Структурная организация белковой молекулы
Каждый белок характеризуется уникальной структурой,
обеспечивающей уникальность его функций

44.

Фолдинг
Фолдинг – процесс укладки синтезированной
полипептидной цепи в правильную пространственную
структуру.

45.

Шапероны
Шапероны – белки, с помощью которых осуществляется
фолдинг.
Конститутивные шапероны. Синтез не зависит от
стрессовых воздействий на клетки организма.
Индуцибельные шапероны (белки теплового шока).
Синтезируются при стрессовом воздействии.

46.

Функции шаперонов
способность предотвращать образование из полипептидной
цепи неспецифических (хаотичных) беспорядочных клубков
обеспечение транспорта их к субклеточным мишеням, создавая
условия для завершения свёртывания белковой молекулы

47.

Белки теплового шока (шапероны)
располагаются между N-концевым сигнальным пептидом и
матричным белком,
стресслимитирующая система,
играют роль в адаптационной стабилизации клеточных
структур, в реализации стресс-реакции.

48.

Нарушение фолдинга
Описан ряд наследственных заболеваний человека,
развитие которых связывают с нарушением фолдинга:
пигментозы, фиброзы, болезнь Альцгеймера, прионовые
болезни, болезнь Паркинсона, сахарный диабет 2 типа.

49.

Прионы
- это особый класс
инфекционных агентов,
представленный белками с
аномальной третичной
структурой, не содержащими
нуклеиновых кислот
Название произошло от англ. proteinaceous infectious particles
– белковые инфекционные
частицы.

50.

Прионы
Ген Prnp кодирует прионный белок. Обнаружен в геноме
всех млекопитающих, а так же птиц и рыб
Нормальная форма белка
PrPC ( Prion Protein Cell)
Патологическая форма того же
белка – PrPSC

51.

Отличие PrPC от PrPSC
42% α-спиралей и 3% β-
структур
30% α-спиралей и 43%
β-структур.

52.

PRPC
Локализация – ЦНС и лимфоретикулярная ткань
Участие в передаче нервных
импульсов
Регуляция содержания
внутриклеточного Са2+
Поддержание
циркадных ритмов
Помощь в устойчивости к
окислительному стрессу

53.

PrPSC
инфекционный агент
Способен к агрегации в
амилоидные фибриллы
В больших концентрациях
нарушает физиологию
клетки и приводит к ее
смерти

54.

Переход PrPC в PrPSC
спонтанно
При поступлении
PrPSC извне
Спорагические
формы прионных
заболеваний
Приобретенные
прионные
заболевания
при мутации
в гене Prnp
Наследственные
прионные
заболевания

55.

Классификация белков

56.

Классификация белков
простые белки,
сложные белки

57.

Классификация простых белков
альбумины,
глобулины,
гистоны,
протамины,
протеиноиды.

58.

Альбумины
глобулярные белки,
молекулярная масса 70 000,
растворимы в воде,
ИЭТ 5,
высаливаются 100% сульфатом аммония,
синтез в печени.

59.

Функции альбуминов
депо белка в организме,
осморегуляция,
неспецифическая защита,
транспорт лекарств, металлов, холестерина, билирубина,
желчных пигментов, гормонов.

60.

Глобулины
глобулярные белки,
молекулярная масса 150 000 дальтон,
растворимы в солевых растворах,
ИЭТ 7,
имеют ряд фракций,
высаливаются 50% сульфатом аммония,
синтезируются в печени и В-лимфоцитах.

61.

Функции глобулинов
каталитическая,
транспортная,
защитная
γ-глобулины являются антителами.

62.

Гистоны
связаны с ДНК,
молекулярная масса 20 000,
ИЭТ 8,
богаты лиз, арг, гис,
имеют положительный заряд,
содержат тирозин,
защищают ДНК от нуклеаз.

63.

Протамины
молекулярная масса 5000,
ИЭТ 11,
содержат много арг, лиз,
имеют положительный заряд,
не содержат тирозин,
являются белковым компонентом нуклеопротеинов.

64.

Протеиноиды
Фибриллярные белки:
коллаген,
эластин,
кератины.

65.

Коллаген
Треть общего белка организма приходится на коллаген –
основной белок соединительной ткани.
Молекулярная масса коллагена 300 000.
Содержится коллаген в коже, роговице, костях,
хрящах.

66.

Аминокислотный
состав коллагена
глицин -30%,
гидроксипролин – 15%,
пролин – 5%,

67.

Строение коллагена
молекула коллагена состоит из 3 полипептидных цепей,
в каждой примерно 1000 АМК,
вторичная структура коллагена – 3 спирали перевиты
друг с другом, образуя плотный жгут (тропоколлаген),
все 3 цепи параллельны.
Молекулы коллагена образуют микрофибриллы,
из них образуются пучки волокон.
Тройная спираль коллагена стабилизируется
межцепочечными сшивками между лизиновыми и
гидроксилизиновыми остатками.
Гидроксипролин стабилизирует тройную спираль
коллагена по отношению к действию протеолитических
ферментов.

68.

Уникальная особенность метаболизма
гидроксипролина
Эта АМК, входящая в состав белков пищи, не включается в
коллаген.
Пищевой пролин является предшественником гидроксипролина
в составе коллагена.
На каждый моль пролина
декарбоксилируется 1 моль
α-кетоглутарата с образованием сукцината. В результате
реакции один атом кислорода поступает в сукцинат, а другой в
пролин.
Аскорбиновая кислота
2+
α-кетоглутарат
О2
пролин
Fe
сукцинат
пролилгидроксилаза
гидроксипролин

69.

Коллаген
Известно 19 типов коллагена.
Определённую роль в синтезе коллагена играют
белки-шапероны, обеспечивающие «контроль качества»
коллагена.
Ряд заболеваний связан с нарушением синтеза
коллагена. Основная причина - мутации.
Коллаген 1 типа содержится в костях, дентине, роговице,
сухожилиях.
С дефектом коллагена 1 типа связан несовершенный
остеогенез (ломкость костей, аномалии зубов,
гиперподвижность суставов).

70.

Сложные белки
хромопротеины состоят из простого белка и связанного с
ним окрашенного компонента,
гемопротеины: железосодержащие - красные,
магнийсодержащие -зелёные, медьсодержащие – голубые,
жёлтые флавопротеины.

71.

Гемопротеины
гемоглобин,
миоглобин,
цитохромы,
каталаза,
пероксидаза.

72.

Структура гемоглобина
Гемоглобин – глобулярный белок,
железосодержащий хромопротеин.
В состав гемоглобина входят 574 аминокислоты.
Молекулярная масса гемоглобина – 64500.
Гемоглобин состоит из 4 цепей белка глобина
и четырёх гемов.

73.

Гем
Гем - это соединение
циклического тетрапиррола порфирина с железом.
Атом железа имеет 6 связей:
четыре – с атомами азота пиррольных колец,
пятая – с гистидином,
шестая – с кислородом.

74.

Глобин
синтезируется в нормобластах
состоит из четырёх полипептидных цепей:
2α -цепи по 141 АМК,
2β -цепи по 146 АМК.
содержит много гистидина.
Первичная структура – последовательность АМК, соединённых
пептидной связью.
Вторичная структура – α-спираль.
Спирализованные неподвижные участки (70%)
прерываются подвижными неспирализованными.
Третичная структура – глобулярный белок.
Четвертичная структура – белок состоит из 4-х полипептидных цепей
С каждой цепью связан один гем.

75.

Флавопротеины
ксантиноксидаза,
СДГ,
альдегидоксидаза,
ацил-КоА-ДГ.
ксантиноксидаза

76.

Коферменты флавопротеинов

77.

Металлопротеины
Белки содержащие негеминовое железо
ферритин – депо железа в организме, в составе этого
белка находится 20% железа организма, образуется в
печени и селезёнке,
трансферрин.

78.

Белки-ферменты - металлопротеины
Сu-содержащие: цитохромоксидаза, церулоплазмин,
тирозиназа,
Mn-содержащие: аргиназа,
Zn-содержащие: карбоангидраза, алкогольДГ.

79.

Фосфопротеины
состоят из белка и фосфорной кислоты,
фосфорная кислота присоединяется через ОН-группу
серина,
в большом количестве содержатся в клетках ЦНС
казеиноген в молоке,
овальбумин и фосвитин в яйцах,
ихтулин в икре рыбы,

80.

Биологическая роль фосфопротеинов
входят в состав мозга,
в растущем организме фосфор – пластический материал,
способны отдавать фосфорную кислоту для макроэргов и
ферментов.

81.

Липопротеины
в простетическую группу входят ТАГ, фосфолипиды,
холестерин
синтезируются в печени и в слизистой оболочке
кишечника.

82.

Биологическая роль
липопротеинов
входят в состав плазматических мембран (20-80%),
содержатся в нервной ткани,
находятся в плазме крови ХМ, ЛПНП, ЛПВП, ЛПОНП.

83.

Гликопротеины
белки, содержащие олигосахаридные цепи, ковалентно
присоединённые к полипептидной основе,
углеводные компоненты ковалентно соединены с азотом
аспарагина молекулы белка,
при развитии ряда болезней (рак, астма, ревматоидный артрит)
изменяются структуры гликопротеинов.

84.

Углеводный компонент гликопротеинов
галактоза, глюкоза, манноза, N-ацетилгалактозамин,
N-ацетилглюкозамин, N-ацетилнейраминовая кислота,
фукоза.
Наличие углеводного компонента увеличивает специфичность
взаимодействия белка с присоединяемыми молекулами и
защищает от действия протеаз.

85.

Функции гликопротеинов
структурная (находятся в плазматических мембранах),
смазочная и защитная (муцины, слизь),
транспорт витаминов, липидов, микроэлементов,
иммунологическая (иммуноглобулины, антигены
гистосовместимости, комплемент, интерферон),
гормоны (хорионический гонадотропин, ТТГ),
ферменты,
места клеточных контактов распознавания,
гормональные рецепторы,
лектины влияют на эмбриональное развитие и
дифференцировку, могут влиять на выбор мест
метастазирования раковых клеток.

86.

В организме человека гликопротеины содержатся в
клеточных оболочках,
костях,
хрящах,
слюне,
секретах желёз,
крови.

87.

Фибронектин
Фибронектин — гликопротеин внеклеточного матрикса.
Этот белок связывается с коллагеном, фибрином,
интегринами (мембранными рецепторными белками),
способствует адгезии клеток.
Если на поверхности злокачественных клеток снижается
количество фибронектина, то они менее прочно связаны
между собой и становится возможным метастазирование.

88.

Нуклеопротеины
белок – гистоны, протамины,
НК – ДНК, РНК – полинуклеотиды, состоящие из
мононуклеотидов.

89.

Значение нуклеотидов
синтез НК,
энергетическая роль,
коферменты,
транспортная функция.

90.

Структурные компоненты мононуклеотидов
азотистые основания,
пентоза,
фосфорная кислота.
дезоксирибонуклеотиды

91.

Отличие нуклеотида от нуклеозида
в состав нуклеотида входят 3 компонента, а в нуклеозиде
нет фосфорной кислоты.

92.

Первичная структура нуклеиновых кислот
последовательность мононуклеотидов, соединённых 3`-5` фосфодиэфирной связью.

93.

Вторичная структура нуклеиновых кислот
пространственное расположение одной (РНК) или двух
(ДНК) полинуклеотидных цепей, стабилизируемое
водородными связями между основаниями .

94.

Третичная структура ДНК
плотная упаковка молекулы за счёт гидрофобных
и других взаимодействий как самой полинуклеотидной цепи,
так и с другими соединениями (ДНК с гистонами).