Макет молекулы белка своими руками. Изготовление и применение на уроках биологии динамичной модели процесса синтеза белка. Очень длинная цепочка

Каким быть автоконструкторскому кружку? Какие в нем следует строить автомобили? Как организовать занятия? Эти да и многие другие вопросы были затронуты в недавних публикациях М. Л. Ларкина и И. Ф. Рышкова «Проект - модель - машина» и «Конструктору автомобилей - авто-конструктор!» («М-К» № 1, 1979 г.). Более всего наших читателей заинтересовала техническая сторона дела - устройство модульного микроавтомобиля. Сегодня мы предлагаем последнюю разработку автоконструкторской лаборатории КЮТа Сибирского отделения Академии наук СССР - микроавтомобиль «Белка».

У этого небольшого, изящного прогулочно-спортивного «джипа» всего за полчаса можно коренным образом изменить весь облик. Стоит переставить два-три элемента конструкции - и перед вами багги. А если появится желание прекратить «Белку» в туристский автомобиль, то достаточно установить на нее съемный тент-обтекатель. Без особого труда превращается она и в легкий грузовичок. При необходимости автомобиль легко разбирается и складывается в собственный грузовой кузов, как в коробку.

Несмотря на сравнительно небольшие размеры («Белка» свободно размещается даже на письменном столе!), это не игрушка, а самый настоящий автомобиль. Его скорость около 40 км/ч, а горючего в бензобаке хватает на 100 км пути.

Как возникла идея модульного автомобиля? Прежде всего нас не устраивали сроки проектирования и строительства «традиционных» машин - наши мальчишки успевали вырасти, окончить школу и уйти из клуба, так и не сев ни разу за руль.

Не подходили для нас и схемы с использованием каркаса и нетехнологичных в условиях кружка профилированных панелей. Такие конструкции, помимо того, что на их воплощение требуется слишком много времени и сил, к тому же абсолютно неизменяемы - другую машину сделать на базе старой весьма затруднительно. Строить же новый автомобиль без использования элементов старого накладно.

1 - поперечная рессора, 2 - поперечная тяга, 3 - маятник передней подвески, 4 - проушина крепления передней подвески, 5 - хребтовая рама, 6 - рычаг запуска двигателя, 7 - поперечная балка рамы, 8 - проушины крепления маятника задней подвески, 9 - маятник задней подвески, 10 - заднее колесо, 11 - продольная рессора, 12 - двигатель ВП-150.

И последнее, что побудило взяться за разработку трансформируемого микроавтомобиля, - это проблема хранения. Число наших разработок медленно, но неуклонно возрастало; несколько машин мы держали в лаборатории, остальные - в гараже. Интерес к ним пропадал, поскольку ребятам хотелось попробовать силы в строительстве именно своего автомобиля, и постепенно труд нескольких поколений кружковцев превращался в металлолом.

Все это и заставило нас обратиться к принципиально новой идее - спроектировать многоцелевой блочный (модульный) автомобиль.

Были, правда, и возражения: некоторые думали, что проектирование такой машины поставит юного конструктора в жесткие рамки, мешающие полету творческой фантазии. Но большинство ребят склонилось к мысли, что этого не произойдет. Наоборот, ограничения в конструкции дадут возможность юному автостроителю проявить максимум изобретательности при проработке собственного варианта на базе стандартного набора элементов.

Давайте теперь мысленно откроем коробку-кузов и рассмотрим, из чего складывается основа автоконструктора.

Кузов «Белки»-грузовичка представляет собой ящик, собранный из шестимиллиметровой фанеры и окантованный дюралюминиевым уголком. Сверху лежат детали водительского кресла - спинка и сиденье. Они простые - основание (фанера толщиной 6 мм) с наклеенным на него поролоном обтянуто искусственной кожей красного цвета. Габаритные размеры сиденья 570X300 мм.

Под деталями сиденья лежит стальной лист 720X510 мм толщиной 2 мм, оклеенный с одной стороны рифленой резиной, - это днище автомобиля. Двенадцать отверстий Ø 4 мм по кромке листа предназначены для крепления пола к кузову.

Вынув днище, вы обнаружите под ним шесть бортовых панелей, являющихся основой кузова автомобиля, поскольку практически все остальные элементы корпуса крепятся к ним.

В центре ящика между бортовыми панелями оставлено место для четырех колес 3,50-5 модель В-25 А. В них вложены восемь колесных дисков и две ступицы с подшипниками и осями в сборе с поворотными цапфами и продольными тягами.

Еще ниже лежат две качалки переднего моста, сваренные из газовых труб с внешним Ø 20 мм. Здесь же находится и подмоторная рама, служащая одновременно основанием заднего моста и его подвеской. Сварена она из газовый труб Ø 30 мм.

В тот же ящик-кузов уложена и хребтовая рама автомобиля квадратного сечения 40X40 мм с приваренными к ней проушинами для крепления качалок переднего и заднего мостов. Под рамой лежат две рессоры (передняя - поперечная и задняя - продольная) и четыре стремянки с наклад« нами для крепления подвески к раме. Полосы рессор можно подобрать от автомобиля «Москвич» любой марки.

В комплект конструктора входят также рулевое колесо, рулевая колонка с кронштейнами и поводками и поперечные тяги с шарнирами. В отдельном пакете - педали управления дроссельной заслонкой карбюратора, сцеплением и тормозами. На самое дно кузова уложены панель капота, ветровое стекло, задняя опора спинки сиденья (она же - капот бензобака), передние и задние крылья, приборный щиток и два стальных уголковых профиля 20X20 мм длиной 720 мм. В специальном отсеке находятся фары и подфарники, габаритные огни, тросы, спидометр, тумблеры, комплект элементов электропроводки и пакет крепежных деталей - болтов, винтов, шайб и гаек. Не забыты и торцевые гаечные ключи, отвертки.

Двигатель ВП-150 упакован вместе с бензобаком, шлангом бензопровода и кикстартером в отдельном ящике.

Комплект деталей автомобиля налицо. Попытаемся теперь вместе собрать один из вариантов автоконструктора, в частности, микроавтомобиль «Белка»-«джип».

Начинать сборку лучше всего с шасси. Для этого на монтажную площадку следует уложить хребтовую раму и к ней двумя болтами М10 шарнирно подсоединить подмоторную раму и качалки переднего моста. Концы передней поперечной рессоры вводим в опорные скобы качалок переднего моста, а центр ее закрепляем двумя стремянками на раме.

В левую втулку подмоторной рамы вставляется вал двигателя, а сам он пристыковывается к раме двумя стопзрнымй болтами. Ось свободно катящегося колеса с подшипниками и обоймой вставляется в правую втулку подмоторной рамы. После этого можно монтировать заднюю продольную рессору, один из концов которой должен находиться в опорной скобе подмоторной качающейся рамы, а другой фиксируется двумя стремянками на хребтовой раме.

Теперь приступим к монтажу задних колес. Первым делом следует собрать с помощью трех болтов и гаек покрышку с камерой и оба диска и накачать колесо. Колеса насаживаются на шпильки ступиц задних осей, снаряженных тормозными колодками и дисками. Задний мост, таким образом, оказывается полностью собранным.

1 - эмблема, 2 - приборный щиток, 3 - капот, 4 - опора спинки, 5, 17 - боковины заднего крыла, 6, 18 - основание кузова, 7, 13 - бортовые панели, 8, 14 - боковины переднего крыла, 9, 15, 16 - передние и задние крылья (размеры в скобках - для задних крыльев), 10 - передняя панель, 11 - накладка, 12 - днище, 19 - задняя панель.

Следующий этап - сборка переднего моста. Сначала на кулаки качалок устанавливаются две поворотные цапфы с полуосями передних колес, закрепляются шкворнями И шплинтуются. На полуоси надеваются ступицы с запрессованными в них подшипниками. Сборка передних колес кичем не отличается от соответствующих операций с задними.

Остается поставить на место рулевую колонку и поперечные тяги, и работу над шасси можно считать законченной.

Теперь настала очередь кузова. Для начала возьмем пару панелей основания кузова и скрепим их четырехмиллиметровыми болтами. Далее монтируем бортовые панели, крылья с обязательной вставкой шумопоглощающих элементов. В передней и задней частях кузова в образовавшиеся при сборке проемы устанавливаем два распорных уголка и закрепляем их четырьмя болтами. К отбортовкам крыльев приворачиваем днище.

Далее последовательно закрепляются капот (не забудьте о прокладках!), ветровое стекло, приборный щиток (крепится винтами-саморезами), передние фары и задние габаритные огни. И в заключение в готовый корпус устанавливается бензобак, а на приборную доску - спидометр, тумблеры и замок зажигания. Корпус почти собран, остается поставить на место педали и рычаги управления и смонтировать электропроводку.

Теперь кузов можно стыковать с шасси, установить тросики управления и бензопровод. Автомобиль «Белка»-«джип» собран. Можно отправляться в путь.

М. ЛАРКИН, руководитель лаборатории опытного

моделирования и конструирования КЮТа СО АН CCCР

Это биологические молекулы, выполняющие тысячи специфических функций внутри каждой клетки живого организма. Белки синтезируются в рибосомах в виде длинной полипептидной нити, но затем быстро сворачиваются в свою естественную («нативную») пространственную структуру. Этот процесс называется фолдинг белка. Может показаться удивительным, но этот фундаментальный процесс до сих пор плохо понят на молекулярном уровне. В результате предсказать нативную структуру белка по его аминокислотной последовательности пока не удается. Для того чтобы почувствовать хотя бы некоторые нетривиальные аспекты этой задачи, попытаемся решить ее для следующей исключительно простой модели белковой молекулы.

Пусть белок состоит из совершенно одинаковых звеньев, последовательно соединенных друг с другом (рис. 1). Эта цепочка может изгибаться, и для простоты будем считать, что она изгибается не в пространстве, а только в плоскости. Цепочка имеет определенную упругость на изгиб: если направления двух соседних звеньев образуют угол α (измеряемый в радианах), то такое соединение повышает энергию молекулы на A α 2 /2, где A - некоторая константа размерности энергии. Пусть также у каждого звена по бокам имеется два «контактных участка», которыми звенья могут склеиваться. Каждая такая склейка обладает энергией –B (то есть она понижает энергию цепочки на величину B ). Наконец, будем предполагать, что B меньше A (то есть цепочка достаточно упруга).

Задача

Какая конфигурация молекулы из N звеньев будет наиболее энергетически выгодной? Исследуйте , как меняется эта конфигурация с ростом N .

Подсказка

Наиболее энергетически выгодной является конфигурация с минимальной энергией. Поэтому надо придумать, как устроить большое число «склеек» звеньев (каждая их которых понижает энергию), но при этом не слишком резко изгибать цепочку, чтобы чересчур сильно не увеличивать ее упругую энергию.

В этой задаче не требуется искать абсолютно точную форму цепочки для каждого конкретного числа звеньев. Надо лишь описать характерные «узоры», которые будут возникать при оптимальном фолдинге этой «белковой молекулы», и найти, при каком примерном N молекуле выгодней перестроиться из одной конфигурации в другую.

Решение

Энергия абсолютно прямой цепочки равна нулю. Для того чтобы понизить ее, некоторые звенья должны слипнуться. Но для этого цепочка должна организовать петлю, и наличие петли повышает энергию. Если петля слишком длинная, то большое количество звеньев, которые могли бы связаться друг с другом, остаются без связи. Эти звенья можно соединить, словно на застежке-молнии, укоротив тем самым петлю, но от этого увеличится ее энергия упругости. Поэтому надо найти такую оптимальную длину петли, при которой силы упругости, расширяющие петлю, и силы связи, ее «застегивающие», сбалансированы.

Энергия петли

Пусть имеется петля из m несклеенных звеньев (рис. 2). Характерный угол между соседними звеньями в ней - примерно 2π/m . (На самом деле, этот угол меняется от звена к звену, поскольку наиболее выгодная форма петли вовсе не круговая, но для приближенного исследования наша оценка вполне пойдет.) Таких соединений имеется m штук, поэтому петля обладает энергией 2π 2 A /m . Застегнем ее еще на одно звено. Тогда петля станет короче на два звена, а энергия всей цепочки изменится на величину

Если же, наоборот, разорвать одну связь, то энергия цепочки изменится на

Петля из m звеньев является оптимальной, когда оба эти изменения энергии положительны, то есть с энергетической точки зрения петлю невыгодно ни удлинять, ни укорачивать. Поскольку B много меньше A , ясно, что величина m получится значительно больше единицы. Поэтому для примерной оценки оптимального m эти два неравенства можно заменить одним равенством:

Таким образом, оптимальная длина петли примерно равна

Во всех последующих формулах под буквой m будет подразумеваться именно оптимальная длина петли. Наконец, полезно найти энергию упругости такой оптимизированной петли; она получается равной

Это выражение (энергия петли в m /2 раз больше величины B ) очень удобно для дальнейших вычислений.

Когда появляется петля?

Теперь легко выяснить, при цепочке какой длины будет выгоднее не оставаться прямой, а свернуться в петлю с «двойным хвостиком» длины n . Для этого нужно, чтобы полная энергия такой конфигурации была отрицательна:

Таким образом, если длина цепочки N > m + 2(m /2) = 2m , то ей выгоднее образовать петлю.

Когда появляется вторая петля?

«Двойной хвостик» - это не максимально удобная конфигурация, поскольку в каждом звене «работает» только один из контактных участков, а хотелось бы, чтоб работали оба, хотя бы у некоторых звеньев. Это можно устроить, образовав вторую петлю (рис. 3).

Условие для перехода к двумя петлям, E 1 > E 2 , тогда даст N > 8m .

Очень длинная цепочка

Когда цепочка становится очень длинной, ее удобно сворачивать так, чтобы как можно большее количество звеньев было склеено обоими своими контактными участками. Таким образом мы получаем конфигурацию, напоминающую обрамленное петельками полотно. Если закрыть глаза на то, что соседние петли мешают друг другу, можно провести аналогичное вычисление и найти наиболее выгодное количество петель для заданного N (оно растет пропорционально квадратному корню из N ). Если же учесть, что петли мешают друг другу, то вычисления резко усложнятся. Однако общая структура останется той же: наиболее выгодным будет плоское полотно некоторой формы, обрамленное по краям петельками. Желающие могут попробовать найти оптимальную форму полотна с помощью компьютерного моделирования, а также поразмышлять над аналогичной задачей в трехмерном пространстве.

Послесловие

Эта простая задача, конечно же, не может отразить ни закономерностей фолдинга настоящих белковых молекул, ни тех методов современной теоретической физики, которые применяются при описании белков и полимеров (эта область деятельности, кстати, является вполне серьезным разделом физики конденсированных сред). Цель этой задачи состояла лишь в демонстрации того, как «количество переходит в качество», то есть как при изменении лишь одного численного (а не качественного) параметра задачи может принципиально меняться ее решение.

Задачу можно было бы сделать чуть более «живой» и интересной, если ввести ненулевую температуру. В этом случае оптимальная конфигурация определялась бы не только энергией, но и энтропией, она бы тогда отвечала минимуму так называемой свободной энергии молекулы. При изменении температуры тогда происходил бы настоящий фазовый переход, при котором молекула сама бы распрямлялась, сворачивалась или перестраивалась из одной формы в другую. К сожалению, такая задача потребует методов, которые выходят за рамки школьной программы.

Любопытно также заметить, что теоретическое изучение фолдинга белков вовсе не сводится к одному лишь численному моделированию. В этой, казалось бы, «прямолинейной» задаче вскрываются довольно нетривиальные математические тонкости . Более того, имеются даже работы , в которых для описания этого процесса привлекаются методы квантовой теории поля и теории калибровочных взаимодействий.

Потренироваться на практике в поиске оптимальной конфигурации белка можно на сайте Fold.it .

Размер молекул, как правило, несоизмеримо меньше того предела, который можно разглядеть глазом, даже используя самый лучший оптический микроскоп - ведь длина волны видимого света существенно превосходит характерные размеры большинства молекул. Поэтому для изучения фундаментальных основ жизни приходится прибегать к упрощениям - молекулярным моделям , - чтобы биологические молекулы из области, доступной исключительно интеллекту, перенеслись в область чего-то видимого (на дисплее или листе бумаги) или даже осязаемого. Однако молекулы оказались не только желанным объектом для изучения: сама их суть стала для многих учёных и художников объектом вдохновения - и появилась молекулярная скульптура .

Удивительно стремление разума человеческого
к построению моделей и к совершенствованию оных,
пока они не станут всё ближе и ближе к реальности...
Людвиг Больцман
Поистине невероятно, как малó взаимное проникновение
науки XX века и искусства этого же века.
Чарльз Сноу. Две культуры

Историческая справка

Понятие об атомарной структуре материи восходит к античности - их приписывают философу Демокриту, рассуждавшему об организации всего сущего. Однако внимание научного мира заострилось на проблеме строения вещества уже в средние века, когда Иоганн Кеплер размышлял о проблемах симметрии снежинок и симметричной же упаковке сферических объектов (задаче, известной также как 18-я проблема Гильберта , которая получила решение лишь недавно ). В начале 19 века Джон Дальтон уже говорил об атомах как о реальных частицах разной массы и размера, а ближе к середине столетия австрийский учёный Йозеф Лошмидт изображал различные молекулы в виде набора соприкасающихся окружностей. Создание первой пространственной модели молекулы (это был метан) приписывается Августу Вильгельму Хофману, однако важнейшая концепция химической науки - стереохимия - была заложена Якобом Хендриком Вант-Гоффом, обратившим внимание на тетраэдрическое строение электронной оболочки атома углерода в метане. Развитие химии и рентгеновской кристаллографии привело к важнейшим открытиям в биологии XX века - установлению пространственной структуры молекул ДНК и белков, - и задача адекватного представления структуры биологических молекул, особенно сложных, встала весьма остро. Были разработаны «конструкторы» для сборки молекулярных моделей (некоторые из них до сих пор являются отраслевым стандартом), а одновременное развитие вычислительной техники и компьютерных дисплеев привело появлению программ, направленных на визуализацию и изучение биомолекул .

Несмотря на невиданный прогресс в области молекулярной графики, произошедший за последние 10–20 лет, «физические» модели молекул не утратили своей значимости. Эдгар Мейер, один из «персонажей» этого рассказа, хорошо подметил некоторую ущербность компьютерной графики: «Моё первое знакомство c биомолекулами научило меня благоговению перед Природой на молекулярном уровне. Компьютерная графика, хотя и привлекает своей цветной динамичностью, неспособна полностью передать всей трёхмерной прелести молекул ».

Трёхмерное прототипирование

Первые модели структуры белков конструировали из большого числа шариков, проволочек, втулок, винтиков и других деталей . Они были очень громоздки, хрупки и требовали огромного времени и усердия для изготовления, даже при условии использования специальных «конструкторов» - наборов стандартных деталей для сборки. В настоящее время компьютеры почти полностью заменили такие конструкторы, но ведь иметь возможность взглянуть на модель молекулы не только на компьютерном экране, но и «в реале» означает лучше понять её функцию и оценить красоту!

Одним из современных методов производства «твёрдых» моделей молекул (про «конструкторы» мы тут подробно говорить не будем, потому что про них уже достаточно было сказано ранее ) является трёхмерное прототипирование - способ изготовления объёмных макетов любых объектов, используемый, в частности, в промышленном дизайне. Изготовление моделей производится на автоматизированных установках (в том числе управляемых через интернет), входными данными для которых является CAD-файл или файл с координатами атомов белка в общепринятом формате pdb. Одна из компаний, предлагающих изготовить «твёрдую» модель белка - 3D Molecular Designs , - располагает целым арсеналом технологий прототипирования : стереолитография, избирательное спекание лазером, производство посредством ламинирования, моделирование путём последовательного наплавления и трёхмерная печать. Последняя технология аналогична обычной струйной печати с той лишь принципиальной разницей, что вместо чернил такой принтер использует специальные полимеризующиеся композиты вроде гипса или смолы, и печать объекта происходит слой за слоем, пока модель не будет готова. Трёхмерная печать лидирует среди других технологий прототипирования по скорости (хотя несколько проигрывает в качестве) и, кроме того, она единственная, которая позволяет печатать цветные объёкты (за счёт использования разноцветных «чернил»). Модели, полученные с помощью других технологий, необходимо после изготовления дополнительно красить, ведь специфическая окраска атомов очень важна для «макетов» молекул.

Учёные отмечают, что подобные модели чрезвычайно полезны в обучении, ведь если студент сможет в собственных руках подержать молекулу хемотрипсина, гемоглобина или рибосому, он немедленно, на интуитивном уровне, почувствует, как структура белка связана с его функцией - а ведь это один из самых важных аспектов молекулярной биологии!

Русские идут в 3D

Не следует думать, что вопросы визуального представления молекул и наукоёмкого материала вообще занимают умы исключительно зарубежных учёных. Московская компания Visual science предлагает свои услуги по созданию научных иллюстраций, трёхмерных моделей биологических объектов, мультимедийных презентаций и пластиковых моделей биомолекул и других медико-биологических объектов (изготавливаемых с помощью технологии трёхмерной печати). Среди своих целей компания называет:

1. грамотную и наглядную подачу научной информации с использованием современных технологий;
2. создание профессиональных иллюстраций и схем для образовательных материалов и учебников;
3. иллюстрирование научно-популярных публикаций без фактических ошибок, которыми изобилуют современные издания.

Белковые кристаллы

Обычно под белковыми кристаллами подразумевают специальным образом приготовленные образцы белка, за счёт своей высокоупорядоченной структуры способные давать чёткую дифракционную картину при рентгеновском облучении (этот эффект используется для экспериментального исследования структуры белков (см., например, )). Однако есть и другие кристаллы - своеобразные миниатюрные произведения искусства на тему структуры белка, выполненные прямо в толще стеклянного блока.

Памятник антибиотику

Перед главным входом в Институт биоорганической химии РАН имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова (где я работаю - А. Ч. ) стоит своеобразное изваяние. «Скульптура изображает комплекс антибиотика валиномицина с ионом калия. Общий принцип связывания ионов металлов и их перенос через мембраны с помощью ионофоров был открыт в институте в 1963 году », - гласит надпись на постаменте.

Необычные модели молекул должны конструироваться из необычных материалов. Однако у некоторых энтузиастов молекулярной скульптуры, видимо, нет средств на необычные строительные блоки - они используют... обычные надувные шарики-«лошарики»! (Это такие длинные надувные трубочки, скручивая которые, клоуны на сцене создают фигурки животных.) На специальном сайте , посвящённом созданию моделей молекул из таких шариков, размещены подробные инструкции по узлам, которые понадобится освоить для постройки, например, «надувной» молекулы ДНК, и приведены фотографии большого количества моделей. Создатели сайта - трое кандидатов наук (Ph.D.) из Германии - уверяют, что их технология незаменима в учебном процессе - на лекциях и семинарах.

Молекула своими руками

Вдохновение, вызываемое биологическими молекулами у учёных, сподвигло их дерзнуть на большее, нежели создание абсолютно точных «физических» моделей - даже несмотря на свой завораживающий внешний вид, дотошно скопированные со структурных файлов модели остаются всего лишь моделями. Романтическая душа исследователей требовала большего, и некоторые из них начали создавать произведения искусства «по мотивам» структуры белков.

Рисунок 8. «Вальс полипептидов», автор - Мара Хэйзелтайн. Скульптура расположена в институте Колд Спринг Харбор , США. Белок BLyS (B-лимфоцит-стимулирующий белок, отвечает за производство антител в организме) был открыт при участии отца Мары и, видимо, поэтому стал центральным элементом композиции.

Отец Мары - Уильям Хэйзелтайн - известный учёный и бизнесмен, организовавший семь биотехнологических компаний, среди которых - Human Genome Sciences , занимающаяся геномными исследованиями, направленными на борьбу с неизлечимыми заболеваниями, такими как многие формы рака или СПИД. «[На этой скульптурной композиции BLyS] растёт из микроскопического зародыша в полноразмерную молекулу , - комментирует он творение своей дочери. - В науке форма определяет функцию. Знание структуры чрезвычайно важно, чтобы понять, как что-то работает. В работах Мары эта форма показана. Она прекрасна в своей динамичной изменчивости ». Сама же Мара признаётся, что её отец и другие учёные всегда были для неё неистощимым источником вдохновения. «Эта скульптура посвящена моему папе и огромной работе, которую он проделал », - говорит скульптор.

В 2006 году в Сингапуре открылась бронзовая скульптура «Ингибированный SARS », выполненная Марой Хэйзелтайн по специальному приглашению руководства биотехнологического консорциума Biopolis, на территории которого располагается скульптура. Во время эпидемии тяжелого острого респираторного синдрома (или, как его чаще называют, атипичной пневмонии) 2003 года сингапурские учёные из этого консорциума провели тщательное геномное исследование коронавируса TOPC, вызывающего заболевание, и определили пространственную структуру протеазы, ответственной за проникновение вируса в клетку. Эта скульптура (рис. 9) стала памятником труду учёных, благодаря которому удалось спасти множество человеческих жизней.

Рисунок 9. Огромная бронзовая скульптура, расположенная в кампусе «Биополиса » (Сингапур), раскрывает механизм работы ингибитора протеазы SARS-вируса, открытый в этом научном центре

«Нам невероятно повезло, что мы наделены сознанием, позволяющим наслаждаться красотой нашей планеты и, благодаря современным технологиям, заглядывать одновременно в микроскопический мир, находящийся в каждой клетке нашего существования, и в необъятные глубины космоса. Именно это явление я и пытаюсь раскрыть в своих работах », - поясняет своё творческое амплуа Хэйзелтайн.

Первоначально статья «Изваяние невидимого» была опубликована в «Компьютерре» .

Литература

1. Чугунов А.О. (2007). Изваяние невидимого . «Компьютерра» . 712 , 24–26.

И теоретической химии и применяется в биотехнологии (при создании новых ) и в медицине (в фармацевтике). Результативность развития методов предсказания оценивается в рамах всемирного эксперимента , промежуточные итого которого подводятся один раз в два года, начиная с 1994 года.

В 1960-х годах американский биохимик Кристиан Анфинсен предложил термодинамическую гипотезу, согласно которой атомы молекул белка, в естественных условиях, заключаются в термодинамически стабильную , что соответствует минимуму свободной энергии системы. Иными словами, белок принимает определенную пространственную форму в результате ограничений, диктуемых композицией и физико-химическими свойствами , его формирующих.

В свою очередь, белковые молекулы со схожей пространственной структурой обычно играют схожую биологическую роль в процессах клеточного уровня. Таким образом, структура белка может рассматриваться в качестве промежуточного звена между химическим составом (первичной структурой) и функцией белка.

Большинство аминокислотных последовательностей белков сегодня получают методом трансляции генов из нуклеотидных последовательностей , которые определяются широкомасштабными исследовательскими проектами – такими, например, как проект «Геном человека» .

Вместе с тем, методы экспериментального определения структуры белка технологически сложны, дороги и значительно (более чем на два порядка) отстают в производительности от методов определения химического состава. По состоянию на март 2010 года, в публичных базах данных были депонированы почти 10000000 последовательностей белков, и это количество продолжает увеличиваться стремительными темпами, при том, что усилиями крупных мировых центров структуральной генетики, централизованную базу данных структур белков удалось наполнить только 60000 структурами. Предполагается, что заполнить пробел между количеством последовательностей и структур белков можно исключительно методом теоретического предсказания структуры белков.

Решение данной проблемы означает открытие широких возможностей для внедрения и совершенствования самых различных биотехнологий (сегодня компьютерное предсказание структуры белка используется в биологии и медицине, в частности при разработке лекарств).

Знание структуры белка может подсказать потенциальных партнеров для белковой взаимодействия и, тем самым, подтолкнуть исследователей к разработке или совершенствованию новых , объяснить проведенных мутаций, косвенно, помочь в определении места для проведения мутаций с целью изменения определенных фенотипов.

Методы предсказания структуры белков

Предсказания структуры белков является сложной задачей по многим причинам:

• Во-первых, количество возможных пространственных конфигураций белков достаточно велико,
• Во-вторых, физические основы структурообразования белков и их стабильности еще не до конца изучены.

Для достижения успеха в построении модели для предсказания структуры белка, изначально должна быть разработана стратегия эффективного перестроения пространства возможных структур и выбора наиболее вероятных кандидатов на нативную структуру .

Сегодня существуют два основных, концептуально различных метода сужения пространства поиска структурных конформаций белков:

Методы предсказания первого типа используют предположение, что искомая структура белка может быть похожей на одну или нескольких известных структур белков, или, по крайней мере, быть составлена из элементарных конструкционных блоков таких белков.

Методы предсказания второго типа не используют информацию об известных структурах, базируясь преимущественно на упрощенных энергетических потенциалах, используя для моделирования приближенные стратегии поиска минимума энергетического ландшафта.

Предсказания структуры белка по образцу (шаблону)

Если среди известных структур белка удается найти такие, для которых можно предположить, что они могут быть, в определенной степени, схожи с объектом моделирования (предсказания), значит их можно использовать в качестве шаблона (образца) для построения модели. Данный метод гомологического моделирования называется «предсказание структуры белка по образцу (по шаблону») (Template-based modeling).

Шаблоны (образцы) предсказания могут быть найдены с помощью методов непосредственного сравнения аминокислотных последовательностей (Comparative modeling methods), , или более комплексных методов для распознавания структурно схожих белков при слабом или практически невыявленном сходстве последовательностей (fold recognition / threading methods).

Последняя группа методов основана на том принципе, что структура является эволюционно консервативной, в отличие от последовательности, и, иногда, возможно найти родственные белки с непохожими последовательностями, а потом попытаться «проследить» последовательность искомого белка через структуру шаблона. Теоретически, подобные белки можно выявить, сконструировав и сравнив профили последовательности искомого белка и известных структур.

Предсказание структуры белка по образцу (шаблону) имеет огромный практический потенциал, так как если известна структура хотя бы одного белка семьи , значит можно попробовать построить модели для практически каждого белка в данной семье. С наполнением базы данных структур, данное моделирование становится возможным для всё большего количества белков.

Бесшаблонное методы предсказания структуры белков

Если найти шаблон для предсказания структуры белка одним из вышеупомянутых методов не удается, в этой ситуации применяются бесшаблонные методы (Template-free / de novo methods). К бесшаблонным методам предсказания относятся фрагментные методы и чисто физические методы.

Бесшаблонное предсказание структуры белков методом молекулярной динамики с энергетической функцией (в частности, молекулярной динамики и метода Монте-Карло, с использованием преимущества распределенных и параллельных вычислений), учитывающей детали взаимодействия на атомном уровне, сегодня практически нереализуемо из-за высоких требований к вычислительным ресурсам. Именно по этой причине, большинство ab initio методов использует упрощенную атомную структуру белков.

Фолдинг небольших альфа-спиральных белковых доменов, например, белка был успешно предсказан in silico . Благодаря применению гибридных методов предсказания, сочетающих стандартную молекулярную динамику с квантовой механикой, было исследованы электронные состояния зрительного пигмента родопсина.

Бесшаблонные методы предсказания структуры белка являются менее надежными, нежели шаблонные, однако они позволяют сконструировать модели, имеющие общую форму (англ. – Fold), близкую к нативной структуре искомого белка.

Примечания

Примечания и пояснения к статье «Предсказание (моделирование) структуры белка».

• Белок , протеин, protein – высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из альфа-аминокислот, объединенных пептидными связями (образующимися, когда аминогруппа одной аминокислоты и карбоксильная группа другой аминокислоты реагируют с выделением молекулы воды). Существуют две класса белков: простой белок , при гидролизе распадающийся исключительно на аминокислоты, и сложный белок (холопротеин, протеид), содержащий простетическую группу (подкласс кофакторов), при гидролизе сложного белка, кроме аминокислот, освобождается небелковая часть или продукты ее распада. Белки-ферменты ускоряют (катализируют) протекание биохимических реакций, оказывая существенное влияние на процессы обмена веществ. Отдельные белки выполняют механические или структурные функции, образуя цитоскелет, сохраняющий форму клеток. Помимо прочего, белки играют ключевую роль в сигнальных системах клеток, при иммунном ответе и в клеточном цикле. Белки являются основой для создания мышечной ткани, клеток, тканей и органов у человека.
• Молекулярное моделирование , ММ, Molecular modelling – собирательное название методов исследования свойств и структуры молекул с использованием вычислительной техники и последующей визуализацией результатов, что, в итоге, обеспечивает их трехмерное представления при заданных в расчете условиях.
• in silico – термин, обозначающий компьютерную симуляцию (моделирование) эксперимента, обычно биологического. Корни термина in silico ведут к терминам in vitro (в пробирке) и in vivo (в живом организме). in silicio буквально означает «в кремнии», символизируя, тем самым, кремний, как полупроводниковый материал, играющий важную роль в создании кремниевых микросхем, использующихся в производстве компьютерной техники.
• Дизайн белка , protein design – рациональная конструкция новых белковых молекул, свернутых в целевой структуре белка, с целью проектирования его новых функций и / или поведения. Благодаря дизайну, белки могут быть разработаны как заново (новый белок), так и путем изменения уже существующих, на базе известной структуры белка и его последовательности (реконструкция).
• Третичная структура , трехмерная структура – пространственное строение (включая конформацию) всей молекулы белка, иной макромолекулы, состоящей из единственной цепи.
• Биоинформатика – совокупность подходов и методов, использующихся, в частности, в биофизике, биохимии, экологии, включающих в себя математические методы компьютерного анализа в сравнительной геномике, разработку программ и алгоритмов для предсказания пространственной структуры биополимеров, исследование стратегий, соответствующих вычислительных методологий, а также общее управление информационной сложности биологических систем. В биоинформатике используются методы прикладной математики, информатики и статистики.
• Ферменты , энзимы, enzymes – как правило, белковые молекулы или рибозимы (молекулы РНК) либо их комплексы, катализирующие (ускоряющие) химические реакции в живых системах. Ферменты, как и все белки, синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, сворачивающихся определенным образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, в результате чего, получающаяся белковая глобула (молекула) обладает уникальными свойствами. Ферменты присутствуют во всех живых клетках и способствуют превращению одних веществ в другие. Ферментативная активность может регулироваться ингибиторами и активаторами (ингибиторы – понижают, активаторы – повышают). По типу катализируемых реакций ферменты подразделяются на шесть классов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. Для осуществления катализа, отдельным ферментам необходимы компоненты небелковой природы – кофакторы. Кофакторы могут быть как неорганическими (железо-серные кластеры, ионы металлов, в том числе), так и органическими (гем, флавин, в том числе) молекулами. Органические кофакторы, прочно связанные с ферментом, называются простетическими группами. Кофакторы органической природы, способные отделяться от фермента, называют коферментами.
• Критическая оценка предсказания белковых структур , Critical Assessment of protein Structure Prediction, CASP – масштабный эксперимент по предсказанию белковых структур, считающийся всемирным соревнованием в науке структурного моделирования. Основной целью CASP является координация усилий в улучшении методов определения трехмерной структуры белков из их аминокислотных последовательностей. В рамках CASP происходит объективное тестирование методов предсказания белковых структур с последующей независимой оценкой структурного моделирования. В эксперименте, на постоянной основе, участвует свыше 100 исследовательских групп.
• Кристиан Бемер Анфинсен , Christian Boehmer Anfinsen (1916 – 1995 гг.) – американский биохимик, лауреат Нобелевский премии по химии 1972 года (совместно со Стэнфордом Муром и Уильямом Стайном), «за работу по установлению связи между аминокислотной последовательностью рибонуклеазы А и её биологически активной конформацией» .
• Конформация – пространственное расположение атомов в молекуле определенной конфигурации, обусловленное поворотом вокруг одной или нескольких одинарных сигма-связей.
• Аминокислота – органическое соединения, являющееся строительным материалом для белковых структур, мышечных волокон. Организм использует аминокислоты для собственного роста, укрепления и восстановления, для выработки различных гормонов, ферментов и антител.
• Дезоксирибонуклеиновая кислота , ДНК, deoxyribonucleic acid, DNA – одна из трех основных макромолекул (две другие РНК и белки), обеспечивающая хранение, передачу из поколения в поколение и реализацию генетической программы развития и функционирования живых организмов. ДНК хранит информацию о структуре различных видов РНК и белков. С химической точки зрения, ДНК представляет собой длинную полимерную молекулу, состоящую из повторяющихся блоков – нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания (цитозин, тимин, гуанин и аденин), сахара (дезоксирибозы) и фосфатной группы. Связи между нуклеотидами в цепи образуются за счет дезоксирибозы и фосфатной группы. В подавляющем большинстве случаев (за исключением отдельных вирусов, содержащих одноцепочечную ДНК) макромолекула ДНК состоит из двух цепей, ориентированных азотистыми основаниями друг к другу. Цепи переплетены между собой в виде спирали, откуда и пошло название структуры молекулы ДНК – «двойная спираль».
• , Проект Человеческий Геном, The Human Genome Project, HGP – международный научно-исследовательский проект, главной целью которого являлось определение последовательности нуклеотидов, составляющих ДНК, и идентификация 20-25 тысяч генов в человеческом геноме. Проект начался в 1990 году под эгидой Национальных институтов здравоохранения США, в 2000 году был выпущен рабочий черновик структуры генома, полный геном – в 2003 году. Основной объём секвенирования был выполнен в университетах и исследовательских центрах США, Великобритании и Канады.
• Protein Data Bank , PDB – банк данных 3-D структур белков и нуклеиновых кислот, полученных методами рентгеновской кристаллографии или ЯМР-спектроскопии. PDB является одним из важнейших ресурсов для ученых, работающих в области структурной биологии.
• Антитела , иммуноглобулины, ИГ, antibody, Ab, immunoglobulins, Ig, – класс сложных белков гликопротеинов, присутствующих в виде растворимых молекул в тканевой жидкости и в сыворотке крови, в виде мембраносвязанных рецепторов на поверхности B-лимфоцитов. Антитела способны крайне избирательно связываться с конкретными видами молекул (которые, в связи с чем называются антигенами). У человека выделяют пять классов антител (иммуноглобулинов), различающихся между собой по строению и аминокислотному составу тяжелых цепей и по выполняемым эффекторным функциям – IgG, IgA, IgM, IgD и IgE. Антитела являются важнейшим фактором специфического иммунитета, используются иммунной системой для идентификации и нейтрализации чужеродных объектов – вирусов и бактерий, в том числе.
• Фенотип (от греческих `6,^5,^3,_7,`9, – «обнаруживаю, являю» и `4,a3,`0,_9,`2, – «пример, образец, шаблон») – совокупность характеристик, присущих индивиду на определенной стадии развития (в результате онтогенеза). Фенотип формируется на базе генотипа, опосредованного рядом внешнесредовых факторов.
• Виллин – тканеспецифичный белок массой 92,5 кДа, связывающий актиновые филаменты щеточных каемок. Виллин содержит повторяющиеся гельзолин-подобные домены, увенчанные небольшой (8,5 кДа) «головкой» на C-конце, состоящей из быстро и независимо формирующихся трехспиральных последовательностей, стабилизированных гидрофобными взаимодействиями. Функции виллина до конца не изучены, однако предполагается, что он принимает участие в нуклеации, образовании, соединении в пучки и разрезании актиновых филаментов .

При написании статьи о структуре белка, а также о методах предсказания (моделирования) структуры белка, в качестве источников использовались материалы информационных и справочных интернет-порталов, сайтов новостей NCBI.NLM.NIH.gov, ProteinStructures.com, Stanford.edu, ScienceDaily.com, Genome.gov, FASTA.Bioch.Virginia.edu, FEN.NSU.ru, SGU.ru, VIGG.ru, Википедия, а также следующие печатные издания:

• Гинтер Е. К. «Медицинская генетика. Учебная литература для студентов медицинских вузов». Издательство «Медицина», 2003 год, Москва ,
• Скальный А. В., Рудаков И. А. «Биоэлементы в медицине» Издательство «Оникс», 2004 год, Москва ,
• Мюльберг А. А. «Фолдинг белка» Издательство «Издательство Санкт-Петербургского государственного университета», 2004 год, Санкт-Петербург ,
• Стефанов В. Е., Мавропуло-Столяренко Г. Р. «Анализ структуры белков методами биоинформатики». Издательство «Золотое сечение», 2007 год, Санкт-Петербург ,
• Коничев А. С., Севастьянова Г. А. «Молекулярная биология. Высшее профессиональное образование». Издательство «Академия», 2008 год, Москва ,
• Новоселецкий В. (редактор) «Структура и функционирование белков. Применение методов биоинформатики. Под руководством Даниэля Джона Ригдена». Издательство «URSS», 2014 год, Москва . (1 votes, average: 5,00 out of 5)
  

Разделы: Биология

Темы, изучаемые в разделе общая биология, по сравнению с материалом ботаники, зоологии, вызывают у учащихся затруднения в понимании и запоминании. Как заставить себя запомнить непонятный, сложный материал урока? Задача учителя так преподнести непонятную тему, чтобы ученик не заметил ни одного сложного момента.

Память процесс сложный. К процессам памяти относятся запоминание, воспроизведение, сохранение, а также забывание материала.

Запоминание – процесс запечатления в сознании поступающей информации в виде образов, мыслей (понятий), переживаний и действий.Объясняя сложную тему курса общей биологии, учитель может использовать образные приемы запоминания (перевод информации в образы, графики, схемы, картинки). Образная память бывает разных типов: зрительная, слуховая, моторно-двигательная, вкусовая, осязательная, обонятельная, эмоциональная. По степени активности протекания этого процесса принято выделять два вида запоминания: непреднамеренное (или непроизвольное) и преднамеренное (или произвольное).

Сохранение - процесс активной переработки, систематизации, обобщения материала, овладения им. Сохранение заученного зависит от глубины понимания. Хорошо осмысленный материал запоминается лучше.

Успешность воспроизведения зависит от умения восстановить связи, которые были образованы при запоминании, и от умения пользоваться планом при воспроизведении.

Забывание - естественный процесс. Многое из того, что закреплено в памяти, со временем в той или иной степени забывается. И бороться с забыванием нужно только потому, что часто забывается необходимое, важное, полезное. Забывается в первую очередь то, что не применяется, не повторяется, к чему нет интереса , что перестает быть для человека существенным. Детали забываются скорее, обычно дольше сохраняются в памяти общие положения, выводы.

Забывание может быть обусловлено различными факторами. Первый и самый очевидный из них - время. Менее часа требуется, чтобы забыть половину механически заученного материала.

Для уменьшения забывания необходимо:

1. понимание, осмысление информации;
2. повторение информации.

Итак, из выше изложенного можно сделать вывод, сохраняется в памяти тот материал урока, который учеником понят, осмыслен и вызывает у него интерес, не вызывает затруднений.

Для облегчения восприятия материала, процесса синтеза белка в клетке, который по-другому называется трансляцией , использую динамическую схему-модель этого процесса. Данную модель можно быстро и легко изготовить, используя плотную бумагу, цветную бумагу, ножницы и клей.

Этапы изготовления динамической модели:

1. Из плотной бумаги вырезаем модель рибосомы (фото 1);
2. Между малой и большой субъединицами слева и справа делаем два больших разреза (фото 2);
3. Из плотной бумаги вырезаем полоску шириной чуть меньше высоты разрезов на рибосоме – это модель информационной РНК (фото 3);
4. Измеряем расстояние между разрезами на модели рибосомы, делим полученный результат на два;
5. На модель иРНК наносим итоговый результат (фото 3);
6. Из цветной бумаги вырезаем прямоугольники и приклеиваем их на модель иРНК (фото 4). Каждый цветной квадратик символизирует триплет нуклеотидов. На фото 4 хорошо видно, что рибосома, двигаясь по иРНК, захватывает два кодона (триплета);
7. Из плотной бумаги изготавливаем модели транспортных РНК (фото 5);
8. На тРНК. на верхушке, расположен триплет нуклеотидов, который комплементарен соответствующему кодону иРНК. Он получил название антикодон. К верхней части тРНК, антикодону, приклеиваем полоски цветной бумаги (фото 6);
9. Из плотной цветной бумаги вырезаем модели аминокислот (фото 7);
10. На иРНК, на акцепторном конце тРНК, который является «посадочной площадкой» для аминокислоты, на аминокислотах делаем разрезы (фото 8, 9);
11. Модели рибосомы, иРНК, тРНК, аминокислот готовы.

Использование динамической модели для объяснения процесса трансляции.

Трансляция – это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

Ученикам очень трудно представить, как работает рибосома, как осуществляется перевод с языка нуклеотидов на язык аминокислот. Понять данный процесс поможет сделанная модель.

1. На доске закрепляем, (используя скотч) модель рибосомы с иРНК (фото 10);
2. Рибосома захватывает два триплета - кодона (фото 10);
3. Закрепляем тРНК с аминокислотами к иРНК, используя принцип комплементарности, в данном случае цвет кодона, антикодона, аминокислоты. Комплементарность (от латинского complementum) – дополнение. (фото 11);
4. Начало будущего белка обозначается триплетом АУГ (на схеме квадратик синего цвета), который является знаком начала трансляции. Так как этот кодон кодирует аминокислоту метионин, то белки (за исключением специальных случаев) начинаются с метионина.
5. Аминокислота метионин (на схеме она синего цвета), отделяется от тРНК и присоединяется к аминокислоте на соседней тРНК с образование пептидной связи. Так начинает расти цепочка белка. (фото 12);
6. Первая тРНК отделяется от иРНК, рибосома делает «шажок» на один триплет, к нему по принципу комплементарности присоединяется тРНК с аминокислотой и процесс повторяется (фото 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21);
7. Наконец, рибосома доходит до одного из так называемых стоп-кодонов (УАА, УАГ, УГА на схеме они белого цвета). Эти кодоны не кодируют аминокислот, они только лишь показывают, что синтез белка должен быть завершен. (фото 22);
8. Белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную, четвертичную структуры (фото 23, 24, 25).

Используя прием образного восприятия данного процесса, ученики легко его усваивают. Начинают работать разные виды памяти: зрительная, слуховая, моторно-двигательная, эмоциональная. Ученикам не надо прилагать усилий для запоминания материала (непроизвольный вид памяти), ученики не испытывают страха в том, что с данной темой они не смогут разобраться.

Схемой легко пользоваться и при объяснении нового материала, и при его закреплении, повторении, как учителю, так и ученику.

Конечно, рассматривая процесс трансляции на компьютере, ученик видит, слышит голос диктора, но не может сам участвовать в этом процессе. Поэтому считаю, что динамичная модель процесса трансляции может помочь учителю более доступно объяснить сложную тему, а ученикам – лучше ее понять.

Главная » Ходовая » Макет молекулы белка своими руками. Изготовление и применение на уроках биологии динамичной модели процесса синтеза белка. Очень длинная цепочка