ПРОТЕОМИКА

02-08-2023

Технология

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

Введение в протеомику

Thermo Finnigan видит в этой быстро развивающейся области науки огромное поле для деятельности компании, разрабатывающей и производящей высокотехнологиченое аналитическое оборудование. Хроматография, масс-спектрометрия и программные продукты - это основные инструменты в этой области науки и компания сосредоточила лучшие свои силы в этом направлении для того, чтобы разрабатывать новые приборы и совершенствовать методы, уже широко используемые учеными.

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

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

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

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

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

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

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

20 аминокислот, образующих протеины

Alanine (A)

Arginine (R)

Asparagine (N)

Aspartic acid (D)

Cysteine (C)

Glutamine (Q)

Glutamic acid (E)

Glycine (G)

Histidine (H)

Isoleucine (I)

Leucine (L)

Lysine (K)

Methionine (M)

Phenylalanine (F)

Proline (P)

Serine (S)

Threonine (T)

Tryptophan (W)

Tyrosine (Y)

Valine (V)

Ученые используют одно- или трехбуквенные сокращения для обозначения аминокислот

Букварь протеинов

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

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

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

Проблемы с протеинами

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

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

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

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

Протеомика открывает прекрасную возможность систематического изучения процессов генерации и взаимодействия протеинов. Thermo Finnigan служит этому важнейшему разделу науки, обеспечивая исследователей оборудованием высочайшего качества, высокотехнологичными аналитическими системами и программным обеспечением.

Компоненты протеомных аналитических систем

Surveyor LC System - Первая хроматографическая система специально оптимизированная для LC/MSn применений. Короткий цикл анализа образцов, высокая производительность и великолепный характеристики при малых скоростях потоков создают специальные условия для напряженной работы лаборатории, через которую проходит огромное количество образцов. Система высокоэффективной жидкостной хроматографии Surveyor LC, соединенная с мощнейшим программным обеспечением Xcalibur для ВЭЖХ/ MСn, создает ядро всех подобных систем. Система ВЭЖХ Surveyor LC включает в себя модуль подготовки растворителей - Solvent Platform , насос Surveyor MS Pump со встроенным дегазатором, автодозатор Surveyor Autosampler и детектор фото-диодная матрица Surveyor PDA. Модульная система вертикального построения занимает всего 14 дюймов (35.56 cm) пространства стола

Finnigan LCQ ADVANTAGE - Быстрая идентификация компонентов

Thermo Finnigan LCQ ADVANTAGE это компактный, настольный масс-спектрометр с анализатором ионная ловушка, способный выполнять анализы с подтверждением молекулярной массы и структурные анализы методом ВЭЖХ/MС/MС. Селективность MС/MС обеспечивает однозначную идентификацию соединений сравнением со спектральной библиотекой и дает возможность получать превосходные количественные результаты для сложных матриц. Система, включающая LCQ ADVANTAGE, обеспечивает мощнейший инструмент для решения задач, возникающих при разработке лекарственных средств и рутинном протеомном анализе.

Finnigan LCQ DECA XP - Полное определение структуры

LCQ DECA XP - это высокочувствительный масс-спектрометр с анализатором ионная ловушка, самый высокочувствительный и специфичный прибор среди всех систем ВЭЖХ/ MСn. LCQ DECA XP может выполнять самые сложнейшие анализы с использованием изощренных функций, таких как Dynamic Exclusion™, WideBand Activation™, и Normalized Collision Energy™ для получения максимальной информации от одной единственной разгонки. Эти методы анализа комбинируются с мощностью многомерной масс-спектрометрии MSn для достижения максимально достижимого уровня определения структуры. Thermo Finnigan LCQ DECA XP - идеальный MSn масс-спектрометр для изучения метаболизма, анализа чистоты образцов, идентификации протеинов и других сложнейших применений.

TurboSEQUEST™ - новый пакет программного обеспечения для автоматической идентификации протеинов. Обеспечивает быструю и точнейшую идентификацию даже при низких концентрациях белков в сложных смесях.

Автор: Михаил Токарев

По материалам сайта "sciteclibrary.ru"

Другие статьи по теме: