23Апр

Над расшифровка биохимия: Что нужно знать об алт в анализе крови

«Проще сделать, чем найти» — как минчанка создала приложение по расшифровке анализов

Смартфоны давно перестали быть просто игрушкой. Благодаря этим мобильным устройствам можно оперативно узнавать последние новости, общаться с жителями других континентов, делать качественные снимки, быстро ориентироваться в незнакомой местности. А с каждой новой разработкой жизнь становится еще проще. Например, с легкой подачи белорусов вскоре в магазине приложений появится и Medicalab App — помощник в комплексной расшифровке медицинских анализов, который поможет понять, что происходит с организмом, и подскажет, к какому врачу стоит обратиться. Корреспондент БЕЛТА пообщалась с автором идеи Еленой Громыко и узнала, для чего был использован искусственный интеллект и чего ожидать в перспективе.

Разработка идеи и подбор команды

Идея создания приложения родилась из личной истории автора проекта. «Все началось примерно год назад. Мы приехали на дачу, и я решила позагорать. Потом вернулись в Минск. Прошло несколько недель, я почувствовала недомогание, слегла с высокой температурой. У меня были плохие анализы, обращалась к множеству врачей, но диагноз все никак не могли поставить. А тот диагноз, который ставили (пиелонефрит), был спорным, по биохимическому анализу крови и другим анализам картинка не складывалась. В какой-то момент на глаза попался клещевой энцефалит — и картинка сложилась. Я оперативно сдала анализ и заболевание подтвердилось. Мне назначили подходящее лечение и за неделю я вернулась к жизни», — вспоминает девушка.

Пока врачи думали над диагнозом, Елена Громыко искала платформы и приложения, которые могли бы проанализировать комплекс показателей анализов и выдать результат. Подобного сервиса она так и не нашла. Были только платформы, где предлагался список возможных заболеваний по одному определенному показателю.

«В голове постоянно звучала фраза, что проще создать, чем найти. Я сама работаю в сфере IT, поэтому проконсультировалась у разработчиков, можно ли сделать подобное приложение, и получила положительный ответ. Одна компания, которая занималась мобильной разработкой, предложила реализовать идею. Но мне стало жалко ее отдавать и я решила попробовать сама», — говорит Елена Громыко.

Дальше она начала собирать команду. Первым присоединился разработчик Артем Трофимук — соавтор проекта. Вместе они начали детально продумывать все аспекты приложения.

Наткнулись на рекламу Social Weekend. «Были сомнения, но мы решили зарегистрироваться. А теперь, когда прошли в финал, поверили в то, что сделать это приложение реально и нужно, отклики нас вдохновляют», — отмечает Елена Громыко.

Дальше благодаря конкурсу к работе подключились врачи.

Всего сейчас в команде 9 человек: Елена отвечает за digital-маркетинг и продвижение, Артем Трофимук — Android-разработчик, также в штате врач анестезиолог-реаниматолог Елена Дундарова и еще один врач, два backend-девелопера, один UX-дизайнер, один iOS-разработчик и один специалист Machine Learning («эмэльщик»).

Прототип приложения

Medicalab App — это мобильное приложение на основе машинного обучения (ML), которое анализирует в качестве входных данных комплекс показателей в лабораторных анализах человека, а также симптомы, температуру и давление. Результатом работы алгоритма для пользователя станет список вероятных заболеваний и состояний организма. Задача приложения — искать зависимости в данных для предупреждения какого-либо заболевания задолго до того как оно превращается в патологию. Аналогов своей задумке авторы не нашли.

Благодаря использованию искусственного интеллекта приложение способно обучаться. В первые месяцы оно будет работать на основе данных, которые имеет в своей разметке, а через год, через несколько лет — на основе собственных закономерностей и медицинской аналитики своих алгоритмов. То есть чем больше людей будут пользоваться приложением, тем умнее оно будет становиться.

На первом этапе приложение будет разбирать общий анализ крови, биохимию, коагулограмму, общий анализ мочи. В дальнейшем этот функционал будет расширен гормонами, витаминами, онкомаркерами и другими анализами.

Пользователю нужно будет сфотографировать свои анализы либо загрузить pdf-файл или вручную ввести свои данные. Далее приложение распознает их и предлагает подтвердить либо исправить их. Обученная на выявление заболеваний нейросетевая модель принимает параметры и определяет, для какого заболевания характерна такая совокупность данных.

Пока алгоритм сможет указать только на преддиабетное состояние. «То есть если у человека высокий сахар, приложение сообщит, что это гипергликемия, которая в свою очередь ведет к развитию диабета, поэтому стоит обратиться к эндокринологу, проверить свое состояние, сдать дополнительные анализы. Окончательный диагноз ставит только доктор», — поясняет Елена Громыко.

Рабочий прототип приложения команда планирует представить 2 июля в финале Social Weekend.

Планы на будущее

В перспективе по задумке авторов приложение сможет определить риск развития сердечно-сосудистых заболеваний и инсультов, почечной недостаточности, выявить возможные заболевания щитовидной железы.

Команда намерена реализовать идею в любом случае. Просто, если им удастся выиграть в конкурсе и получить денежный приз, они смогут это сделать быстрее.

«С февраля команда работает каждый день — после работы и по выходным. Есть два ключевых сотрудника, которые должны бы работать полный день: медик и «эмэльщик» (от них зависит качество работы приложения). Остальные могут работать part-time: дизайн нужен периодически, backend прописывается один раз, потом только тестируется и правится. Хотели бы, чтобы ключевые специалисты могли уйти с основной работы и трудиться над задачами весь день. Если бы у нас было финансирование, то приложение с диагностикой риска развития всех этих заболеваний мы могли бы создать за три месяца. Средняя стоимость «эмэльщика» по рынку около $1 тыс., зарплата врача — $600-700 в месяц. То есть на месяц нам нужно $1,5-2 тыс. (до Br5 тыс.)», — считает автор идеи.

А дальше в планах — запустить приложение в Google Play и App Store и за счет роста подписчиков получать прибыль.

Платную подписку команда вводить не хочет. Медицинское приложение, по мнению разработчиков, должно быть бесплатным. Вместо этого платным хотят сделать оцифровку анализов, хранение данных пользователя, перевод расшифровки анализов на английский, если человек собирается на отдых и хочет иметь в телефоне историю своих анализов. Не будет в приложении и рекламы.

«В идеале хотели бы развить приложение по направлениям в медицине, то есть расширить его функционал. Добавить все анализы по кардиологическому профилю, почечной недостаточности, инфекционным заболеваниям, дополнить по гормонам и витаминам, добавить педиатрию. Планов очень много. Надеюсь, все получится», — заключила Елена Громыко.

Наталья ДАНИЛЕВИЧ,

фото из личного архива героев,

БЕЛТА.-0-

Диагностика фенилкетонурии — сдать анализ в СЗЦДМ

Фенилкетонурия (ФКУ) ― наследственное нарушение метаболизма аминокислот, в первую очередь фенилаланина (ФА), входящего в состав белков. Вещество участвует в укладке белка и стабилизации белковых структур. 

Первые симптомы: частое срыгивание, рвота, экземы, судороги, исходящий от мочи и кожи запах плесени. Ребенок может был вялым либо, наоборот, гиперактивным. Отстает в психомоторном развитии, наблюдаются признаки олигофрении. Диагноз может быть поставлен в родильном доме. Все дети с фенилкетонурией безусловно получают статус «ребенок-инвалид». 

Лечение заболевания заключено в соблюдении специальной низкобелковой диете, не содержащей продукты с ФА.

Определение заболевания

Фенилкетонурия ― это врожденная, генетическая патология, подразумевающая нарушения гидроксилирования фенилаланина. Характеризуется накоплением в организме аминокислоты и продуктов ее метаболизма, что ведет к тяжелым поражениям центральной нервной системы. Впервые заболевание было описано норвежским врачом И. А. Феллингом в 1934 году. 

Изучая болезнь специалисты установили, что за наличие болезни отвечает единственный ген фенилаланингидроксилазы. Первое успешное лечение было разработано и проведено в 1950 году в Англии.


В неонатальном периоде клиника отсутствует. Патология проявляется в первые полгода жизни ребенка. В дальнейшем накопление вещества приводит к тяжелым нарушениям развития. Поэтому крайне важно сразу после рождения выявить дефект и не допустить употребление продуктов, содержащих фенилаланин. Более позднее соблюдение диеты не устранит полученные нарушения, но не допустит развития новых. 

Патология одинаково часто встречается среди лиц обоих полов. Расовых особенностей не выявлено. Большое количество больных в таких странах как Китай, Турция, Ирландия. В среднем по России с фенилкетонурией рождается каждый 7-ми тысячный ребенок. 

Причины фенилкетонурии

Существует три типа генетического отклонения, первый считается классическим, поскольку диагностируется в более чем 90% случаев. Второй и третий ― более редкая форма патологии. Симптоматика схожа во всех типах, заболевание приводит к умственной отсталости. При классической форме фенилкетонурии избежать этого можно диетотерапией, но атипичные варианты, к сожалению, коррекции не подлежат. 

  • Классическая фенилкетонурия (I тип) ― это низкая выработка фенилаланингидроксилазы (ФАГ), что приводит к собиранию в естественных жидкостях организма фенилаланина и продуктов его расщепления. Патология вызвана мутированным геном РАН.

  • Фенилкетонурия II типа ― недостаток дигидроптеридинредуктазы, что препятствует преобразованию фенилаланина в тирозин. Патология из-за мутации гена QDPR.

  • Фенилкетонурия III типа ― недостаток 6-пирувоилтетрагидроптеринсинтазы, нужной для синтеза тетрагидробиоптерина. Патология вызвана мутированным PTS-геном.

Все формы заболевания наследуются по аутосомно-рецессивной форме. Это означает, что генетический дефект может быть унаследован у одного из родителей. Половая принадлежность родителя и ребенка не играет роли.

Классификация

Фенилкетонурия в настоящее время не имеет общепризнанной мировой классификации. Над этим вопросом ведутся дебаты, наравне с изучением заболевания. Чуть ранее, до расшифровки генов, считалось, что степень поражения интеллектуальных способностей зависит от степени активности фермента. Поэтому текущая квалификация признана устаревшей. Не учитывает она и другие симптоматические факторы.

При диагностировании ставят:

  • I тип (дефицит ФАГ) ― концентрация ФА больше 20 мг/дл.

  • Средняя форма ФКУ ― ФА от 8,1 до 20 мг/дл.

  • Легкая форма ГФА-уровень ― ФА от 2,1 до 8,0 мг/дл.

При уровне до 8,0 мг/дл фенилкетонурию считают доброкачественной. Она не требует специального лечения, но необходимо наблюдение первый год жизни ребенка. Контролирует состояние врач-педиатр, невролог, генетик. 

Выделяют также еще одну форму фенилкетонурии, не требующую коррекции. Это транзиторная форма ГФА в период новорожденности. Возникает, как правило, при недоношенности, что обусловлено функциональной незрелостью организма. Транзиторная фенилкетонурия ― это временное повышение ФА-уровня, способное подняться до критических значений. При этом клиника отсутствует либо проявления весьма незначительны. Через несколько месяцев биохимические показатели приходя в норму.

Патогенез

Механизм зарождения и развития фенилкетонурии связан с нарушением обмена органического соединения ― аминокислоты фенилаланина. Метаболический блок препятствует преобразованию фенилаланина в тирозин. Аминокислота не только не преобразуется, а накапливается в виде токсичных метаболитов:

  • фенилмолочная кислота;

  • фенилпировиноградная кислота;

  • фенилуксусная кислота;

  • фенилэтиламин и прочее.

Скопление фенил-веществ оказывает токсическое действие на ЦНС. В настоящий момент механизм еще до конца не изучен, врачам не известен патогенез дисфункции головного мозга.

Существуют предположения, что поражение нервной системы является результатом ряда факторов. Среди них как прямое токсического воздействие фенилаланина, так и нарушение обмена белков, липопротеидов и гликопротеидов, сбой гомонального метаболизмеа и мембранного транспорта аминокислот. Все это в комплексе имеет важное значение для созревания и правильного функционирования ЦНС.

Симптомы

I тип. Первые признаки у ребенка проявляются в возрасте от 2 месяцев до полугода. 

  • Апатичность либо, наоборот, повышенная раздражительность.

  • Отсутствие интереса к окружению, людям, предметам, обстановке.

  • Частое срыгивание.

  • Аллергический дерматит.

  • Нарушение мышечного тонуса.

  • Пониженное давление.

  • Судороги.

  • Иногда развивается микроцефалия (малый размер черепа относительно других частей тела) и гидроцефалия (избыточная жидкость, омывающая головной мозг).

К характерным симптомам относятся гипопигментация кожи, волос, радужной оболочки глаз. Моча имеет специфический запах плесени или его еще называют «мышиным» запахом. Эпилептические припадки наблюдаются у половины больных, часто является первым выраженным клиническим симптомом. Приступ характеризуется «салаамовыми» судорогами, напоминающими кивки. Они случаются часто, плохо поддаются антиконвульсантному лечению.

Если не корректировать концентрацию ФА, болезнь прогрессирует. Как правило, уровень IQ у таких детей не превышает 20, при норме от 85. Умственная отсталость настолько сильная, что отсутствуют эмоциональные реакции, наблюдаются психопатии и шизофреноподобные расстройства.

II тип. Первая симптоматика проявляется на первом году жизни.

  • Повышенная возбудимость.

  • Задержка развития.

  • Обильное слюнотечение.

  • Сниженное артериальное давление.

  • Частое повышение температуры тела.

  • Сухожильная гиперрефлексия (повышение рефлексов) или спастический тетрапарез (обессиливание всех четырех конечностей).

  • Миоклоническая эпилепсия (генерализованные приступы, преимущественно возникающие после пробуждения).

  • Микроцефалия.

Отличительная особенность второго типа ― гибель нейронов, нарушение метаболизма фолатов, а также кальцификация в различных отделах головного мозга. Болезнь быстро прогрессирует, может привести к смерти ребенка в течение 2 — 3 лет.

III тип. Симптомы дефицита пирувоилтетрагидроптеринсинтетазы схож с проявлениями болезни Паркинсона:

  • Постуральная нестабильность и трудности походки. Сложно либо невозможно поддерживать определенное положение всего тела или конечностей.

  • Гипокинезия (низкая двигательная активность, ограниченный темп и объем движений).

  • Гиперсаливация (повышенное слюноотделение).

  • Нарушения глотания.

  • Окулогирные кризы (симметричное отклонение обоих глаз, обычно направленное вверх).

В 80% случаев этот тип заболевания сопровождается снижением количества биогенных аминов в ликворе. Лечение затруднено тем, что раннее снижение концентрации ФА может вызвать серьезные патологические изменения. Несоблюдение диетотерапии приведет к замедлению развития речи, низкому интеллекту, проблемам с памятью.

Диагностика

Выявить фенилкетонурию можно в первые дни после рождения до появления какой-либо симптоматики. Для определение концентрации фениламина в крови проводят:

  • микробиологический тест;

  • хроматографию;

  • флюориметрию;

  • масс-спектрометрию.

Во всех случаях биологическим материалом выступают сухие пятна капиллярной крови младенца.


С недавнего времени анализ на фенилкетонурию входит в программу неонатального скрининга. Его проводят всем новорожденным, особенно важно исследование для недоношенных детей. Критерий диагностирования ― повышенная концентрация фенилаланина при норме 0 — 2 мг/дл. Повышенный уровень требует проведения уточняющей диагностики. Потребуется установить сам факт наличия фенилкетонурии и выявить ее причину. 

  • Если скрининг-тест показал высокие результаты уровня ФА, дополнительно может быть назначено:

  • Фенилаланин-нагрузочная диагностика для выявления нозологической формы заболевания.

  • Молекулярно-генетический анализ для установления формы: классическая, II или III тип.

  • Секвенирование гена РАН, если молекулярно-генетическая диагностика дала отрицательный результат по гену ФАГ.

  • Анализ на птерины в урине для исключения птерин-зависимых форм.

Дифференциальное диагностирование фенилкетонурии проводят с такими патологиями, как нарушение функции печени, галактоземия и с другими заболеваниями.

Лечение

Симптоматическая терапия при любой формой фенилкетонурии неэффективна. Существует только один способ предотвратить негативные последствия заболевания ― диетотерапия. Из рациона исключают высокобелковые и содержащие фенилаланин продукты. Недостающее количество белка восполняют специализированным лечебным питанием, с максимально низким содержанием аминокислоты ФА или полностью ее лишенным. Следует учитывать, что эффективность терапии напрямую зависит от времени начала коррекции и уже произошедших патологических изменений. 

Цель лечебного питания при классической форме заболевания ― это предотвращение развития нарушений ЦНС, физического и умственного развития. Легкая форма ГФА допускает расширение диеты под строгим наблюдением врача за состоянием ребенка и биохимическими показателями. Под запретом: мясо, рыба, орехи, шоколад и бобовые, все виды яиц, творог и сыры. Также следует исключить продукты, содержащие искусственный подсластитель аспартам.

Критерий эффективности лечения ― уровень ФА в крови.

Прогноз и профилактика

Проведения массового скрининга в родильных домах позволяет своевременно выявить генетическое отклонение. Вовремя начать соблюдение диетотерапии и, как следствие, предотвратить тяжелые последствия. В противном случае прогноз в отношении умственного развития неблагоприятный.

Классическая ФКУ имеет благоприятный прогноз если диагностирована в первые недели жизни ребенка и соблюдаются все требования врачей. Такие дети ходят в обычные школы, способны получить высшее образовании и вести нормальный образ жизни. 


Во время подготовки к беременности пара должна пройти предварительное генетическое тестирование на наличие мутаций в гене РАН. Если у одного из родителей есть дефектный ген, шанс родить ребенка с ФКУ 1:4 и 100% если оба родителя больны.

Женщины с установленной фенилкетонурией при беременности и грудном вскармливании должны соблюдать строгую диету. Высокая концентрация аминокислоты в крови и околоплодных водах оказывает серьезное тератогенное воздействие на плод. 

Преимущества АО «СЗЦДМ»

Сдать анализ на уровень ФА можно в подразделениях АО «СЗЦДМ»  Здесь вас ждет:

  • квалифицированных и доброжелательный персонал;

  • новейшее оборудование, отправка результатов исследований по эл. почте;

  • несколько вариантов получения данных анализов;

  • удобное расположение терминалов;

  • отсутствие очередей, условия конфиденциальности.

Лаборатории находятся в Санкт-Петербурге и других города Ленинградской области, а также в Великом Новгороде, Новгородской обл., Пскове, Калининграде. 

 

перейти к анализам

Антитела к циклическому цитруллинсодержащему пептиду, IgG

Антитела к циклическому цитруллинсодержащему пептиду, IgG, – это гетерогенная группа IgG-аутоантител, которые распознают антигенные детерминанты филаггрина и других белков, содержащих атипичную аминокислоту цитруллин.

Синонимы русские

АЦЦП, анти-ЦЦП-АТ, анти-ЦЦП, анти-ССР.

Синонимы английские

Anti-CCP, cyclic citrullinated peptide antibody, Anti-citrullinated protein antibody, Ig G; Soft-CCP, AntiCCP Antibody, Anticitrullinated Protein/Peptide Antibody (ACPA).

Метод исследования

Электрохемилюминесцентный иммуноанализ (ECLIA).

Диапазон определения: 7 — 500 Ед/мл.

Единицы измерения

Ед/мл (единица на миллилитр).

Какой биоматериал можно использовать для исследования?

Венозную кровь.

Как правильно подготовиться к исследованию?

Не курить в течение 30 минут до исследования.

Общая информация об исследовании

Антитела к циклическому цитруллинсодержащему пептиду, IgG, – в настоящее время один из самых информативных маркеров раннего ревматоидного артрита. АЦЦП относятся преимущественно к классу IgG и обнаруживаются в крови на самых ранних стадиях заболевания ревматоидным артритом (за 1-2 года до появления первых симптомов).

Ревматоидный артрит – наиболее распространенное хроническое аутоиммунное заболевание, характеризующееся поражением периферических суставов с развитием в них эрозивно-деструктивных изменений и широким спектром внесуставных проявлений. Характерным признаком ревматоидного артрита является симметричное поражение суставов кистей, стоп, лучезапястных, локтевых, плечевых, коленных и голеностопных суставов. Отмечается болезненность, припухлость, покраснение кожных покровов над пораженными суставами, ограничение движений и, как следствие, нарушение функции суставов. Одним из важных симптомов ревматоидного артрита является утренняя скованность в суставах длительностью более одного часа. Прогрессирующее воспаление суставов приводит к значительному ограничению их подвижности с развитием суставных отклонений.

Вначале, при поражении суставов в виде артрита, возникает необходимость в дифференциальной диагностике. При этом необходимо обращать внимание на типичные признаки ревматоидного артрита, развитие эрозивного процесса в суставах кистей, ревматоидный фактор и особенно на антитела к ЦЦП. Ревматоидный фактор недостаточно специфичен и может обнаруживаться при других аутоиммунных заболеваниях и хронических инфекциях, в то время как антитела к циклическому цитруллинсодержащему пептиду обладают более высокой специфичностью (98  %) и диагностической значимостью для выявления ревматоидного артрита. Тест также позволяет дифференцировать эрозивную и неэрозивную формы заболевания. У пациентов с повышенным уровнем антител к ЦЦП отмечается большая степень повреждения хряща сустава по сравнению с пациентами, в крови которых данные антитела отсутствуют. Это может быть использовано для прогнозирования скорости разрушения суставов на этапе раннего ревматоидного артрита, что позволяет рассматривать обнаружение АЦЦП в качестве одного из факторов неблагоприятного прогноза данного заболевания. Совместное определение ревматоидного фактора и АЦЦП позволяет диагностировать ревматоидный артрит на ранней стадии, своевременно назначить терапию и предотвратить тяжелые деструктивные изменения в суставах.

Для чего используется исследование?

  • Для диагностики ревматоидного артрита на очень ранней стадии (длительность болезни
  • Для диагностики серонегативных форм ревматоидного артрита (когда тест на ревматоидный фактор отрицательный).
  • Ддя дифференциальной диагностики ревматоидного артрита и других аутоиммунных заболеваний с суставным синдромом.
  • Чтобы оценить риск развития деструкции суставов у пациентов с ранним ревматоидным артритом.

Когда назначается исследование?

  • При некоторых ревматических заболеваниях встречается суставной синдром (боль, припухлость в области суставов, утренняя скованность, локальное покраснение кожных покровов), что может усложнить постановку правильного диагноза, особенно на ранних стадиях заболевания. В данном случае анализ помогает провести дифференциальную диагностику, так как он обладает высокой специфичностью (до 98  %) и чувствительностью (до 70  %) для выявления ревматоидного артрита даже на самых ранних стадиях заболевания, когда присутствует только несколько симптомов.
  • При планировании терапии ревматоидного артрита. Для пациентов, в крови которых обнаружены АЦЦП, характерно более агрессивное течение болезни с быстрым прогрессированием эрозий в суставах, поэтому на ранних этапах заболевания необходимо назначить адекватную терапию, чтобы предотвратить развитие необратимых изменений в суставах (деформаций, анкилозов).

Что означают результаты?

Референсные значения: 0 — 17 Ед/мл.

Причины повышенного уровня АЦЦП

  • Ревматоидный артрит.
  • Ювенильный идиопатический артрит.
  • Некоторые заболевания соединительной ткани (системная красная волчанка, системная склеродермия, синдром Шегрена).
  • Системные васкулиты (гранулематоз Вегенера).
  • Аутоиммунный тиреоидит.

Что может влиять на результат?

У пациентов с гипергамма-глобулинемией результат теста может быть ложноотрицательным.

Самая красивая ложная теория в биохимии. Часть 1 :: ChemViews Magazine :: ChemistryViews

Наш геном представляет собой химический текст, записанный в нашей ДНК четырьмя буквами . Согласно содержащимся в нем чертежам, тысячи различных белков построены из 20 аминокислот в клетках всех живых существ. Механизм, с помощью которого эта четырехбуквенная ДНК трансформируется в текст из двадцати букв аминокислот, известен как генетический код.


Многие блестящие умы работали над расшифровкой этого кода, и считалось, что цель была достигнута более шестидесяти лет назад: Крик, Гриффит и Оргел опубликовали настолько завораживающе красивый код, что он просто должен был быть правильным [1–3].Спустя несколько лет относительно простой эксперимент доказал, что природа, к сожалению, не использует этот гениальный код, предпочитая идти своими менее изящными путями.


Давайте внимательнее посмотрим на эту кажущуюся химическую иррациональность природы.

1. Двойная спираль ДНК Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона

Основываясь на рентгеновских кристаллографических экспериментах, проведенных Розалиндой Франклин и Морисом Уилкинсом, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик осуществили научный шедевр, определив структуру ДНК в 1953 году [4]: две нити ДНК сплетаются вместе, образуя двойная спираль.Даже мимолетный взгляд на структуру двойной спирали ДНК (см. рис. 1) показывает этап удвоения, который составляет основу наследственности: две комплементарные одиночные нити разделяются, и каждая получает новый комплемент. Полученная в результате публикация Фрэнсиса Крика и Джеймса Уотсона в журнале Nature  [5] излучает определенную законченность, поскольку она раз и навсегда доказывает молекулярную основу наследственности: «…точная последовательность оснований — это код, несущий генетический информация» [6].

 

Рисунок 1. Двойная спираль ДНК.
(слева: Zephyris, wikimedia commons, CC BY-SA 3.0; справа: Мадлен Прайс Болл, wikimedia commons, CC0)

 

Но природа генетического кода, которым около 20 аминокислот закодированы в ДНК четырьмя строительными блоками, оставалась полной загадкой.Сегодня генетический код можно найти в таблицах в любом учебнике по биохимии (см. Таблицу 1), включая химические детали передачи информации от ДНК через РНК к белку (см. Информационную вставку 1).

 

Таблица 1. Генетический код.

 

Тем не менее, стоит оглянуться назад, потому что это свидетельствует о гениальности, изобретательности, интуиции и удачливости многих исследователей, принимавших участие в решении этой головоломки.Тот факт, что они иногда сбивались с пути, делает эту ретроспективу еще более привлекательной. Мы постараемся реконструировать проницательные прозрения и дикие домыслы и восхитимся тем, что можем стоять на плечах этих гигантов и смотреть вдаль.

2. Алмазный код Джорджа Гамова

Теоретическая физика

Первую попытку разблокировать генетический код представил Георгий Гамов. Будучи физиком-теоретиком, он проанализировал проблему, полностью не связанную с биохимическими ограничениями, и предложил удивительно простой код алмаза (см.2).

 

Рисунок 2 . Алмазный код Джорджа Гамова.
Слева: исходный рисунок. Аминокислоты связываются своими боковыми цепями со специфическими «полостями», образованными четырьмя основаниями (ACGT; цифры в кружках) в ДНК. Ромбовидные промежуточные пространства вдохновили название кода.

Справа: 64 различных ромба можно разделить ровно на 20 подгрупп, каждая из которых кодирует одну аминокислоту (числа в кружках).

 

Из-за сходных расстояний между двумя соседними азотистыми основаниями в ДНК (340 нм) и двумя соседними аминокислотами в белке (370 нм) Джордж Гамов предположил, что синтез белка происходит непосредственно на ДНК. Согласно его идее, различные аминокислоты и их боковые цепи связываются в специфических «полостях», образованных четырьмя основаниями в цепи ДНК. На его оригинальной иллюстрации можно увидеть ромбовидное пространство, давшее название коду [7] (см.осталось 2).


Имея четыре разных основания в углах ромба, можно получить 64 комбинации, в которых левое и правое основания всегда образуют пару Уотсона-Крика (на рис. 2 выделено красным справа), AT или GC. Согласно Гамову, на связывание боковой цепи аминокислоты не влияет, если два основания в паре Уотсона-Крика меняются местами или если верхнее и нижнее основания меняются местами. Это позволяет разделить 64 различных ромба на 20 подгрупп, каждая из которых кодирует одну аминокислоту (см. рис. 2, справа).Таково происхождение «волшебной двадцатки».


Гамов взял список из 25 наиболее распространенных аминокислот и, поскольку его код допускал только 20, просто включил только первые 20 (см. Таблицу 2). Ни фактов, ни «магии» здесь не было: математический анализ Гамова был единственным источником числа 20. Этот код впоследствии был назван кодом бриллианта.

 

Таблица 2. «Волшебная двадцатка» Гамова, Ватсона и Крика.

 

Предложение Гамова имело определенный вес, так как он был всемирно известен и внес свой вклад, среди прочего, в разработку теории Большого взрыва [8]. Гамов был обаятельным и милым современником с прекрасным, хотя иногда и очень причудливым, чувством юмора. В публикации «Происхождение химических элементов», написанной со своим докторантом Ральфом Альфером, он хотел сделать соавтором своего совершенно не участвующего друга Ганса Бете (Нобелевская премия по физике 1967 г.) только для того, чтобы список авторов читал Альфер , Бете, Гамов.В этой статье α-β-γ впервые была представлена ​​Теория Большого Взрыва.

Физика и биология

Уотсон и Крик еще не думали о генетическом коде. Гамов был первым, кто заставил их это сделать — в первую очередь потому, что они не слишком придавали значения алмазному коду. Как биологу Уотсону было ясно, что ДНК в ядре не может напрямую выступать в качестве матрицы для синтеза белка, потому что синтез белка происходит вне ядра.


Физик Крик не верил, что ДНК можно читать независимо от ее направления, т.е.е., что одна последовательность ДНК может кодировать как Thr-Pro-Lys-Ala, так и Ala-Lys-Pro-Thr. У обоих были серьезные сомнения по поводу аминокислот, перечисленных Гамовым (см. Табл. 2), а Уотсон даже упомянул о «досадных ошибках» [9].

Волшебная двадцатка и клуб галстуков РНК

Уотсон и Крик тут же сели и записали «свои» аминокислоты. Так же, как и Гамов, они придумали 20. Так родилась «волшебная двадцатка». Необходимо подчеркнуть, что нет абсолютно никакой биохимической основы ни для именно числа 20, ни именно для этих 20 аминокислот.Это поистине удивительная смесь интуиции и удачи, что все формы жизни действительно синтезируют свои белки из них, и что Уотсон и Крик действительно записали «волшебную двадцатку» весной 1954 года в том виде, в каком она существует до сих пор (см. 2 и рис. 3).

 

Рис. 3. Протеиногенные аминокислоты.

 

Живой Гамов переписывался со всеми крупными учеными, работавшими в то время в этой области, и принимал их биохимические доводы о том, что не ДНК в ядре, а копия одноцепочечной РНК транслирует генетическую информацию во время синтеза белка за пределы ядро.Эта РНК называется матричной РНК (мРНК). РНК химически отличается от ДНК двумя способами: дезоксирибоза заменена рибозой, а азотистое основание тимин заменено урацилом. Из-за полного совпадения Т и У расшифровка генетического кода ничуть не меняется.


Гамов основал «Клуб связей РНК», единственной целью которого была расшифровка генетического кода. Каждый член клуба получил галстук с зелено-желтой двойной спиралью и аминокислотой из списка Уотсона и Крика (см.4). Хотя клуб RNA Tie Club никогда не проводил официальных собраний, он способствовал быстрому обмену весьма спекулятивными идеями, хотя бы только внутри эксклюзивного клуба.

 

Рисунок 4 . Четыре члена клуба RNA Tie Club. Слева направо: Ф. Крик (тирозин), А. Рич (аргинин), Л. Оргел (треонин), Дж. Уотсон (пролин).
Изображение предоставлено Александром Ричем.

 

3.Конец Алмазного кода

Первая «Заметка для Клуба галстуков РНК» Крика, отправленная весной 1955 года, произвела фурор и, возможно, является самой влиятельной неопубликованной работой современного естествознания [10]. В этой заметке Крик представляет концепцию синтеза белка, которую Сидней Бреммер (см. Список ученых ниже) предложил назвать гипотезой адаптера. Согласно этому предложению, каждая аминокислота имеет специальный адаптер, который используется для переноса аминокислоты на матрицу, где происходит синтез белка.Это дикое предположение оказалось верным, и адаптеры теперь известны как транспортные РНК (тРНК).


Крик сначала обсудил алмазный код и опроверг его несколькими способами. Алмазный код перекрывается, что означает, что каждое основание не определяет выбор только одной аминокислоты. Крик обнаружил, что в ромбовидном коде конкретная аминокислота не может подразумеваться двумя парами аминокислот. Предположим, что тирозин — это аминокислота № 4 на рис. 5. Как и в игре в домино, с каждой стороны от № 4 можно расположить только четыре разных ромба (см.5 вверху и сравните рис. 2 справа). К ним относится только одна идентичная пара: аминокислота №13. С помощью ромбовидного кода две экспериментально наблюдаемые частичные аминокислотные последовательности Ser-Tyr-Ser и Leu-Tyr-Leu не могут быть закодированы.

 

Рисунок 5 . Конец алмазного кода Гамова. Вверху: Аминокислота не может быть заключена в две одинаковые пары аминокислот. Внизу: невозможно заменить только одну аминокислоту, заменив основание.

 

Алмазный код также не мог объяснить другой важный вывод. Инсулин овцы отличается от инсулина крысы только одной аминокислотой (овца = глицин; крыса = серин). Это не объяснимо ромбовидным кодом, потому что в перекрывающемся коде замена одного основания всегда приводит к замене двух или трех аминокислот (см. рис. 5, внизу).


Анализ Крика пошел еще глубже, потому что он сомневался, что перекрывающийся код может представлять все разнообразие аминокислотных последовательностей белков, известных в то время.Сидней Бреннер подхватил эту идею и подсчитал вручную (!) триплеты аминокислот (трипептиды), обнаруженные в 24 известных в то время белках. Он обнаружил 70 различных триплетов аминокислот. Однако перекрывающийся код может кодировать максимум 64 триплета. Это был конец для всех перекрывающихся кодов [11].


Другие ученые, в том числе Фейнман, Теллер и Гамов, размышляли о других кодах, потому что каждый из них хотел первым расшифровать «код жизни». Эти усилия оказались напрасными, поскольку все разработанные ими коды оказались ошибочными по целому ряду причин.Но затем, более 60 лет назад, Крик, Гриффит и Оргел предложили код такой простоты и элегантности, что он просто не мог ошибаться [12]! Три автора прислали основу этой публикации в виде «Заметки для Клуба галстуков РНК» в мае 1956 года. Мы попытаемся воспроизвести ход их рассуждений.

4. Коды без запятых

Использование двух из четырех возможных оснований (A, C, G, U) недостаточно для кодирования 20 аминокислот, поскольку они могут кодировать только 4 2  = 16 аминокислот; требуется не менее трех оснований с 4 3  = 64 комбинаций.Эксперименты с искусственно мутированными вирусами доказали, что аминокислоты действительно кодируются триплетами азотистых оснований (называемых кодонами) в ДНК.


Кроме того, необходимо определить начальную точку рамки считывания, чтобы указать, с какой базы начинается считывание. Следующее «тройное» предложение иллюстрирует это с помощью нашего алфавита:
. …APTHECOWSAWREDANDRANTOOFARRW…

Прочесть высказывание, состоящее из трехбуквенных слов, вряд ли возможно, потому что с чего начать? Однако правильно расставленные запятые превращаются в детскую игру:
…AP,THE,COW,SAW,RED,AND,RAN,TOO,FAR,RW…

«Как мы читаем код, если запятые стерты?», спросил Крик и обсудил два возможных решения:

  1. Начальная точка рамки считывания должна быть химически помечена, иначе
  2. Последовательность кодонов может быть прочитана только одним недвусмысленным образом.


Первую возможность отбросили как маловероятную, потому что как химически определить начальную точку в длинной полимерной цепи? Сегодня мы знаем, что отправная точка действительно отмечена на ДНК. Фермент полимераза II связывается с характерным сегментом последовательности (ТАТА-боксом), и копирование ДНК в мРНК начинается на 16 позиций позже.


В то время второй вариант казался более вероятным. Давайте еще раз посмотрим на наше абсурдное предложение:

.
  • разумные тройки: … APTHECOWSAWREDANDRANTOOFAR RW
  • бессмысленные тройки: … APTHECOWSAWREDANDRANTOOFA RRW
  • бессмысленные тройки:  … APTHECOWSAWREDANDRANTOOFARRW


Эта последовательность букв может быть прочитана только одним способом как «триплетный текст» (вверху), сдвиг рамки чтения на одну-две буквы приводит к бессмысленным «текстам». Если мы применим это к генетическому коду, из любого сегмента РНК должна быть читаема только одна осмысленная последовательность кодонов:

.

 

 

Аминокислоты можно осмысленно прочитать только в том случае, если они начинаются с триплета UUA.Каждый сдвиг в рамке считывания приводит к бессмысленным триплетам, т. е. в этом примере UAU и AUC или AUC и UUG не могут кодировать аминокислоту. Такие коды действительно могут быть скомпилированы (см. рис. 6).

 

Рисунок 6 . Код без запятых, разработанный Crick et al. в 1957 году. «Разрешены» только определенные тройки.

 


Из 64 возможных комбинаций четырех оснований РНК (ACGU) триплеты с тремя одинаковыми основаниями; ААА, ССС, GGG и UUU; должны быть исключены.Доказательство: при удвоении таких триплетов, например, в AAAAAA, кодон AAA можно было прочитать, начиная с нескольких начальных позиций. Это недопустимо в коде без запятых.


Остальные 60 комбинаций можно объединить в группы по три, в которых можно циклически менять три основания, например, AGU, GUA и UAG (см. рис. 6). В каждой группе из трех только одна комбинация может быть осмысленной, две другие не должны иметь смысла при чтении. Доказательство: если мы свяжем две триплеты AGU с AGUAGU, то GUA и UAG не должны иметь никакого значения.


С учетом этих правил, сколько аминокислот можно закодировать четырьмя азотистыми основаниями? Ровно 20! Код без запятых, разработанный Криком, Гриффитом и Оргелом, не оставляет желать лучшего, потому что он может точно кодировать аминокислоты «волшебной двадцатки», а генетическую информацию можно считывать без ошибок, поскольку код автоматически находит начальную точку.

5. Конец кода без запятых

Несмотря на впечатляющую элегантность, авторы были осторожны: «… Аргументы и предположения, которые нам пришлось использовать для вывода этого кода, слишком ненадежны, чтобы мы могли доверять ему на чисто теоретических основаниях.Мы выдвинули его, потому что он дает магическое число — 20 — аккуратно и из разумных физических постулатов. … Поэтому требуется некоторая прямая экспериментальная поддержка, прежде чем нашу идею можно будет рассматривать как нечто большее, чем предварительную гипотезу» [12].


Несмотря на эти предостережения, код без запятых покорил науку только благодаря своей интеллектуальной элегантности. В последующие годы преобладал код без запятых, на нем базировалось все мышление, и эксперименты всегда искали соответствие с кодом.


Затем последовал сюрприз: никому — не члену закрытого Клуба РНК-связей — удалось предоставить требуемое экспериментальное доказательство кода без запятых: Маршалл В. Ниренберг и его немецкий исследователь с докторской степенью Дж. Генрих Маттеи.


Во второй части читайте о том, как осуществлялась экспериментальная проверка кода без запятых и почему природа не использует этот гениальный код, предпочитая использовать менее изящные собственные пути.

Список ученых

Сидней Бреннер (1927, Гермистон, Южная Африка – 2019, Сингапур)
Биолог; Нобелевская премия 2002 года по медицине и физиологии «за открытия, касающиеся генетической регуляции развития органов и запрограммированной гибели клеток» совместно с H.Роберт Хорвиц и сэр Джон Э. Салстон

(Фото: OIST, wikimedia commons, CC BY 2.0)

Фрэнсис Гарри Комптон Крик (1916, Нортгемптоншир, Англия, Великобритания – 2004, Сан-Диего, Калифорния, США)
Молекулярный биолог, биофизик и нейробиолог; Нобелевская премия 1962 года по медицине и физиологии «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живом материале»

(Фото: Марк Либерман, wikimedia commons, CC BY 2.5)

Розалинда Элси Франклин (1920, Лондон, Великобритания – 1958, Лондон, Великобритания)
Химик и рентгенокристаллограф

(Фото: Лаборатория молекулярной биологии MRC, wikimedia commons, CC BY-SA 4.0)

Джордж Гамов (1904, Россия – 1968, Боулдер, Колорадо, США)
Родился Георгий Антонович Гамов, физик-теоретик и космолог.

Джон Стэнли Гриффит (1928, Великобритания – 1972, Лондон, Великобритания)
химик и биофизик

Дж. Генрих Маттей (1929, Бонн, Германия)
Биохимик

Маршалл В.Nirenberg (1927, Нью-Йорк, США – 2010, Нью-Йорк, США)
Биохимик и генетик; Нобелевская премия 1968 года по физиологии и медицине вместе с Хар Гобиндом Кораной и Робертом У. Холли за «взлом генетического кода» и описание того, как он действует в синтезе белка

Лесли Элеазер Оргел (1927, Лондон, Великобритания – 2007, Сан-Диего, Калифорния, США)
химик, известный своими теориями происхождения жизни

Джеймс Дьюи Уотсон (*1928, Чикаго, Иллинойс, США)
молекулярный биолог, генетик и зоолог; Нобелевская премия 1962 года по медицине и физиологии «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живом материале»

Морис Хью Фредерик Уилкинс (1916, Понгароа, Новая Зеландия – 2004, Лондон, Великобритания)
Биофизик; Нобелевская премия 1962 года по медицине и физиологии «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живом материале»

Каталожные номера

[1] Х.Ф. Джадсон, Восьмой день творения: Создатели революции в биологии, Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор, Вудбери, 1996 . ISBN: 978-087969478-4

[2] Б. Хейс, Изобретение генетического кода, Amer. науч. 1998 , 86 , 8.

[3] Дж. Мейнард-Смит, Слишком хорошо, чтобы быть правдой, Nature 1999 , 400 , 223. https://doi.org/10.1038/22238

[4] Дж. Д. Уотсон, Двойная спираль, Феникс, Великобритания, 2010 .ISBN: 978-0753828434

[5] JD Watson, FHC Crick, Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура нуклеиновой кислоты дезоксирибозы, Nature 1953 , 171 , 737–738. https://doi.org/10.1038/171737a0

[6] Дж. Д. Уотсон, Ф. Х. Крик, Генетические последствия структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты, Nature 1953 , 171 , 964–967. https://doi.org/10.1038/171964b0

[7] Г. Гамов, Возможная связь между дезоксирибонуклеиновой кислотой и белковыми структурами, Nature 1954 , 173 , 318.https://doi.org/10.1038/173318a0

[8] Р. А. Альфер, Х. Бете, Г. Гамов, Происхождение химических элементов, Phys. Ред. 1948 , 73 , 803. https://doi.org/10.1103/PhysRev.73.803

[9] Дж. Д. Уотсон, Страсть к ДНК: гены, геномы и общество, издательство лаборатории Колд-Спринг-Харбор, 2000 . ISBN: 978-087969581-1

[10] Ф. Х. Крик, О вырожденных шаблонах и гипотезе адаптера: заметка для Клуба галстуков РНК, 1955 .

[11] С. Бреннер, О невозможности всех перекрывающихся триплетных кодов при передаче информации от нуклеиновой кислоты к белкам, Proc. Натл. акад. науч. США 1957 , 43 , 687–694. https://doi.org/10.1073/pnas.43.8.687

[12] FHC Crick, JS Griffith, L.E. Orgel, Codes Without Commas, Proc. Натл. акад. науч. США 1957 , 43 , 416–421. https://doi.org/10.1073/pnas.43.5.416


Статья опубликована на немецком языке как:

и был переведен Кэрол Пол-Ферри.


Как осуществлялась экспериментальная проверка генетического кода

Природа использует только 20 аминокислот?


См. аналогичные статьи Клауса Рота, опубликованные на ChemistryViews.org

 

 

Самая красивая ложная теория в биохимии. Часть 2 :: ChemViews Magazine :: ChemistryViews

Наш геном — это химический текст, записанный в нашей ДНК четырьмя буквами. Согласно содержащимся в нем чертежам, тысячи различных белков построены из 20 аминокислот в клетках всех живых существ. Механизм, с помощью которого эта четырехбуквенная ДНК трансформируется в текст из двадцати букв аминокислот, известен как генетический код.


Многие блестящие умы работали над расшифровкой этого кода, и считалось, что цель была достигнута более шестидесяти лет назад: Крик, Гриффит и Оргел опубликовали настолько завораживающе красивый код, что он просто должен был быть правильным [1-3].


Затем последовал сюрприз: Маршалл В. Ниренберг и его немецкий ассистент Дж. Генрих Маттеи успешно провели экспериментальное подтверждение «кода без запятых». Относительно простой эксперимент доказал, что природа, к сожалению, не пользуется этим гениальным кодом, предпочитая идти своими менее изящными путями.


Давайте внимательнее посмотрим на эту кажущуюся химическую иррациональность природы.

6. Кодоны UUU

Эксперимент

Маршалл В.Ниренберг и его немецкий аспирант Дж. Генрих Маттеи провели свои эксперименты в бесклеточной системе. Они измельчили безвредные кишечные бактерии ( Escherichia coli ) с помощью мелкодисперсного оксида алюминия. После отфильтровывания твердых компонентов удалось поддерживать синтез белка в течение нескольких часов после добавления аминокислот.


Однако Ниренберг и Маттеи не интересовались синтезом белка; у них был совершенно другой способ использования этой бесклеточной системы.Во-первых, они разрушили присутствовавшую естественную ДНК. ДНК можно полностью гидролизовать — и, таким образом, отключить — путем добавления фермента дезоксирибонуклеазы (ДНКазы). В результате синтез белка полностью прекращается через несколько минут. Без ДНК не может образоваться короткоживущая мРНК, а без мРНК нет синтетической матрицы для создания белков.


Ниренбергу и Маттеи пришла в голову гениальная идея заменить отсутствующую мРНК синтетической РНК, чтобы возобновить синтез белка.Однако единственной синтетически доступной РНК в то время была очень примитивная поли(U) [13], состоящая всего из одного нуклеотида – уридиндифосфата.


В субботу, 27 мая 1961 г., в 3:00 (утра!), Маттеи провел свой решающий эксперимент в Национальном институте здравоохранения в Бетесде, США [14]: он измельчил бактерий E. coli , отфильтровал удаляли твердые компоненты и добавляли в фильтрат ДНКазу для разрушения природной ДНК. Затем он добавил синтетический поли(U) (РНК с последовательностью оснований …UUUUUUU…) и фенилаланин, который был помечен радиоактивным изотопом 14 C.Синтез белка начинался немедленно, и в течение часа полученный белок осаждали и измеряли его радиоактивность.


Результат был впечатляющим: в то время как контрольные эксперименты, проведенные параллельно без поли(U), дали от 40 до 60 радиоактивных распадов в минуту и ​​миллиграмма белка, использование поли(U) дало запредельные 39 800 распадов. Результат был однозначным: механизм синтеза белка не различает синтетическую РНК и природную мРНК.Любая последовательность РНК слепо транскрибируется в белок.


Poly(U) содержит только кодоны UUU, которые теперь могут быть однозначно связаны с фенилаланином (Phe). Таким образом, УУУ был первым расшифрованным строительным блоком генетического кода. Это была сенсация не только потому, что кодон был расшифрован, но и потому, что он имел три одинаковых основания. Именно эти кодоны — ААА, ССС, GGG и UUU — лишены смысла в коде без запятых и не должны кодировать ни одну аминокислоту (см. главу 4 в части 1).Таким образом, результат эксперимента Ниренберга и Маттейса означал конец кода без запятых.

Бомба взорвалась

Поначалу этого никто не заметил, потому что Ниренберг не состоял ни в эксклюзивном клубе РНК, ни в научном истеблишменте. Бомба взорвалась только на Международном конгрессе по биохимии в августе 1961 года в Москве, Россия, на котором присутствовали все видные деятели науки. Пятнадцатиминутная презентация Ниренберга о «Зависимости синтеза внеклеточного белка в E.Coli на встречающихся в природе или синтетических полирибонуклеотидах» не вызвала особого интереса и проходила в небольшом помещении с редкой посещаемостью.


Известный биохимик Мэтью Мезельсон сообщил: «Я думаю, что никто из тех, кого я хорошо знал, не слышал этого. Я слышал разговор и был потрясен им. Это ужасный снобизм, когда ведущий либо принадлежит к важным кругам и известен, либо не Я его не знаю, и вряд ли его работа важна… А тут какой-то парень по имени Маршалл Ниренберг, его результаты вряд ли будут правильными, потому что он не был в клубе.И никто не удосужился быть там, чтобы услышать его. В любом случае, я был потрясен результатами.»


Впоследствии Мезельсон рассказал Крику о сенсационных результатах, после чего Ниренберга пригласили повторить его презентацию в большей, полностью занятой комнате. Мезельсон также сообщил об этом событии: «После великолепного представления я подошел к Ниренбергу, обнял его и поздравил. Я никогда этого не делаю, это не в моем характере. несправедливо и имел немного нечистую совесть.»


Поскольку теперь стало известно, что фенилаланин однозначно относится к кодону UUU, от кода без запятых пришлось отказаться. Таким образом, каждая аминокислота должна кодироваться одним или несколькими из максимум 64 кодонов. С оптимизмом Крик и Бреннер предсказали, что для полного разгадывания генетического кода потребуется всего один год [15]. Они сильно ошиблись: на это ушло более пяти лет.

Химия РНК трудна

Почему так долго? Ответ прост: химия РНК сложна.Чтобы однозначно присвоить кодон аминокислоте, три соответствующих нуклеотида должны быть присоединены друг к другу. Синтез поли(U) и других был относительно простым, потому что нужно было «всего лишь» соединить уридинфосфаты вместе с помощью полинуклеотидфосфорилазы.


Однако, если дается смесь разных нуклеотидов, фермент соединяет их случайным образом без определенной последовательности. Это ограничение позволило Ниренбергу и Очоа, работавшим параллельно между 1960 и 1962 годами, определить общий состав кодонов, но не внутреннюю последовательность трех нуклеотидов в каждом из них (см.3).

 

Таблица 3 . Определение общего состава кодонов.

 

Определение общего состава кодона можно проиллюстрировать типичным экспериментом Ниренберга [16]: в РНК, состоящей из 75 % U и 25 % G, получается распределение, показанное в табл. 3 для относительной частоты возможных кодонов.Сравнение рассчитанного распределения оснований в кодонах и относительных количеств интегрированных аминокислот позволяет отнести аминокислоты к конкретным нуклеотидным составам некоторых кодонов, но не к последовательности их оснований. В этом случае они только определили, что лейцин, цистеин и валин кодируются кодонами с составом (U 2 G), но внутренняя последовательность не была определена.

7. РНК с определенной последовательностью нуклеотидов

Ниренберг и Ледер

Для дальнейшего выяснения генетического кода требовались РНК с определенной последовательностью нуклеотидов.Две исследовательские группы решили эту проблему по-разному. Ниренберг и его ассистент Филип Ледер [16] начали с наблюдения, что и мРНК, и нагруженная аминокислотами тРНК должны быть связаны с рибосомами во время синтеза белка.


Они разработали следующий экспериментальный протокол: сначала они добавили 20 аминокислот, одна из которых была помечена 14 C, в бесклеточную систему. Затем вместо полимерной РНК они добавили легко синтезируемый кодон — всего три нуклеотида, соединенных друг с другом в известной последовательности.Этот кодон связан с рибосомами и, в то же время, с нагруженной аминокислотами тРНК, соответствующей кодону. Рибосомы отфильтровывали и измеряли их радиоактивность. Если радиоактивность была высокой, то меченая аминокислота соответствовала тестируемому кодону. Это был действительно элегантный метод прямого декодирования.

Гобинд Хорана

В то же время американский химик индийского происхождения Гобинд Хорана разработал альтернативный метод расшифровки. Он был ведущим специалистом в области органического химического синтеза коротких участков ДНК и РНК и был убежден, что «ответственность за полную расшифровку генетического кода лежит на химиках.Действительно, он успешно разработал синтетический метод получения РНК с повторяющимися последовательностями.


Синтезируя различные РНК с постоянно повторяющимися строительными блоками, Корана смог расшифровать большую часть генетического кода. Мы можем оценить его впечатляющие рассуждения, взглянув на два его эксперимента.


Хорана синтезировал РНК с постоянно повторяющимися строительными блоками AC, поли(AC). Независимо от начальной точки РНК (…ACACACACACACACACAC…) может быть прочитана только как (…ACA-CAC-ACA-CAC-ACA-…).Белок, синтезируемый этой РНК, должен иметь две чередующиеся аминокислоты. Экспериментально Корана обнаружил следующую аминокислотную последовательность: (…Thr-His-Thr-His-Thr-His-Thr-His-Thr-His-…). Отсюда следует вывод, что либо АСА кодирует треонин, а ЦАС гистидин, либо наоборот.


Затем Хорана синтезировала поли(ААС). Эта РНК (…ACAACAACAACAACAACA…) может быть прочитана в кодонах тремя различными способами:

  • …ACA ACA ACA ACA ACA ACA ACA ACA ACA…
  • …A CAA CAA CAA CAA CAA CAA CAA CAA CA…
  • …AC AAC AAC AAC AAC AAC AAC AAC AAC A…


В эксперименте были обнаружены поли(треонин), поли(аспарагин) и поли(глутамин).Объединение результатов обоих экспериментов приводит к выводу, что АСА кодирует треонин, и, таким образом, САС кодирует гистидин.


Исследовательские группы Ниренберга и Кораны дополняли и проверяли работы друг друга, и, объединив все данные и прояснив неоднозначные результаты, они смогли полностью расшифровать генетический код к 1966 году (см. Таблицу 1). Оба ученых были удостоены Нобелевской премии по физиологии и медицине в 1968 году. Третьим исследователем, удостоенным этой премии в 1968 году, был Роберт Холли, который открыл тРНК и первым полностью определил ее химическую структуру.

Список ученых

Маршалл В. Ниренберг (1927, Нью-Йорк, США – 2010, Нью-Йорк, США)
Биохимик и генетик; Нобелевская премия 1968 года по физиологии и медицине вместе с Хар Гобиндом Кораной и Робертом У. Холли «за их интерпретацию генетического кода и его функции в синтезе белка»

Дж.Генрих Маттей (*1929, Бонн, Германия)
Биохимик, известный своим вкладом в разгадку генетического кода

.

Мэтью Стэнли Мезельсон (*1930, Денвер, Колорадо, США)
Генетик и молекулярный биолог, в настоящее время работает в Гарвардском университете, Кембридж, Массачусетс, США

(Фото: изменено Джанет Монтгомери, wikimedia commons, CC BY-SA 4.0)

Фрэнсис Гарри Комптон Крик (1916, Нортгемптоншир, Великобритания – 2004, Сан-Диего, Калифорния, США)
Молекулярный биолог, биофизик и нейробиолог, лауреат Нобелевской премии по медицине и физиологии 1962 года вместе с Джеймсом Дьюи Уотсоном и Морисом Хью Фредериком Уилкинсом «за открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живом материале»

(Фото: Марк Либерман, wikimedia commons, CC BY 2.5)

Северо-Очоа-де-Альборнос (1905, Луарка, Испания – 1993, Мадрид, Испания)

Врач и биохимик, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1959 года вместе с Артуром Корнбергом «за открытие механизмов биологического синтеза рибонуклеиновой кислоты и дезоксирибонуклеиновой кислоты»

Филип Ледер (1934, Вашингтон, округ Колумбия).C, США – 2020, Честнат-Хилл, Массачусетс, США)

Генетик, известный, например, своей работой с Маршаллом Ниренбергом по выяснению генетического кода

Har Gobind Khorana (1922, Райпур, Пенджаб – 2011, Конкорд, Массачусетс, США)

Биохимик, Нобелевская премия 1968 года по физиологии и медицине с Маршаллом В. Ниренбергом и Робертом В.Холли «за интерпретацию генетического кода и его функции в синтезе белка»

Роберт Уильям Холли (1922, Урбана, Иллинойс, США – 1993, Лос-Гатос, Калифорния, США)

Биохимик, Нобелевская премия по физиологии и медицине 1968 г. вместе с Хар Гобиндом Хораной и Маршаллом В. Ниренбергом «за их интерпретацию генетического кода и его функции в синтезе белка»

Каталожные номера

[13] С.Очоа, Ферментативный синтез рибонуклеиновой кислоты, Нобелевская лекция, 11 декабря, 1959 .

[14] М. Ниренберг, Дж. Х. Маттеи, Зависимость синтеза внеклеточного белка в E. Coli от встречающихся в природе или синтетических полирибонуклеотидов, Proc. Нац. акад. науч. США 1961 , 47 , 1588–1602. https://doi.org/10.1073/pnas.47.10.1588

[15] FHC Crick и др., General Nature of the Genetic Code for Proteins, Nature 1961 , 192 , 1227–1232.https://doi.org/10.1038/1921227a0

[16] П. Ледер, М. Ниренберг, Кодовые слова РНК и синтез белка. II. Нуклеотидная последовательность кодового слова РНК валина, Proc. Нац. акад. науч. США 1964 , 52 , 420–427. https://doi.org/10.1073/pnas.52.2.420


Статья опубликована на немецком языке как:

и был переведен Кэрол Пол-Ферри.


Бесчисленное количество ученых внесли свой вклад в его прояснение с блеском, изобретательностью, интуицией и удачей

Природа использует только 20 аминокислот?


См. похожие статьи Клауса Рота, опубликованные на ChemistryViews.орг

 

 

Буклеты по биохимии – Биохимическое общество

Генетическая основа болезней
Мария Джексон, Леа Маркс, Герхард Х.В. Май, Джоанна Б. Уилсон,
Очерки биохимии, 03 декабря 2018 г., 62 (5) 643-723; DOI: 10.1042/EBC20170053

В этом обзоре исследуются генетические основы болезней человека, в том числе нарушения отдельных генов, хромосомные дисбалансы, эпигенетика, рак и комплексные расстройства, а также рассматривается, как наши знания и технологические достижения могут быть применены для обеспечения надлежащей диагностики, лечения и терапии пациентов.

 

Биохимическая основа болезни
Аластер Дж. Барр
Очерки биохимии 03 декабря 2018 г., 62(5) 619-642; DOI: 10.1042/EBC20170054

Эта статья дает читателю представление о роли биохимии в некоторых текущих глобальных проблемах со здоровьем и болезнями. В нем рассматриваются биохимические причины болезней в доступной и краткой форме, а также рассматриваются аспекты фармакологии, клеточной биологии, патологии и физиологии, которые тесно связаны с биохимией.

 

Essential Chemistry for Biochemists
Amanda L. Jonsson, Mark A.J. Робертс, Дж. Л. Киаппс, Кэтрин А. Скотт,
Очерки биохимии, 26 сентября 2017 г., 61 (4) 401-427; DOI: 10.1042/EBC20160094

В этой статье дается краткий обзор тех областей химии, которые наиболее важны для биохимии, резюмируются основные принципы и приводятся примеры того, как эти принципы применяются в биологических системах.

 

Иммунная система
Линдси Б.Nicholson
Essays In Biochemistry, 26 октября 2016 г., 60 275–301; DOI: 10.1042/EBC20160017

В этой главе основное внимание уделяется иммунитету млекопитающих, проблемам, с которыми он сталкивается, механизмам, с помощью которых они решаются, и последствиям, возникающим при его сбоях.

 

Фотосинтез
Мэтью П. Джонсон
Essays In Biochemistry 26 октября 2016 г., 60 255–273; DOI: 10.1042/EBC20160016

В этой главе рассматриваются основные принципы захвата солнечной энергии, энергии, переноса электронов и протонов, а также биохимические основы фиксации углерода.

 

Ферменты: принципы и применение в биотехнологии
Питер К. Робинсон
Очерки биохимии 26 октября 2015 г., 59 1–41; DOI: 10.1042/bse05

В этой главе дается обзор природы и классификации ферментов, а также рассматривается структура фермента и связывание субстрата, свойства и механизмы действия фермента. Он также охватывает некоторые промышленные и аналитические применения ферментов.

 

Биологические мембраны
Хелен Уотсон
Очерки биохимии 26 октября 2015 г., 59 43-69; ДОИ: 10.1042/bse05

 

В этой главе описываются структура и организация мембран, мембранные белки, коммуникации и движение через мембраны, а также роль мембран в норме и болезни.

 

Биохимия в школьной программе (BASC)

В период с 1985 по 1999 год Общество выпустило серию

«Биохимия в школьной программе» «Биохимия в школьной программе» .

буклетов в качестве учебно-методического пособия для лиц старше 16 лет.Шесть оставшихся тем (те, которые еще не были обновлены в разделе «Понимание биохимии») представлены ниже.

Рекомендуемый список для чтения | Биохимия

 

Знакомство с биохимией:
Ниже приведены научно-популярные книги, с которых можно начать для всех, кто хочет узнать что-то новое о биохимии или просто хочет почитать справочную информацию.

«Эгоистичный ген», «Рассказ предков» и другие книги Ричарда Докинза.
«Y, происхождение человека» Стива Джонса.
«Восьмой день творения: творцы революции в биологии» Горация Джадсона.
«Власть, секс и самоубийство — митохондрии и смысл жизни» и другие книги Ника Лейна.
«Совет молодому ученому» Питера Медавара.
«Геном — автобиография вида», «Природа через воспитание» и другие книги Мэтта Ридли.
«Семь дочерей Евы» Брайана Сайкса.

Серия брошюр по различным аспектам биохимии «Понимание биохимии» доступна для бесплатного скачивания в Биохимическом обществе (ссылка ниже).

Существуют также веб-ресурсы, доступные на веб-сайте Ассоциации научного образования (ASE) (ссылка ниже).

Биохимия от школы к университету – переходные учебники:
Эти учебники представляют собой введение в изучение биохимии на университетском уровне.

«Жизнь, химия и молекулярная биология», В. Пикеринг, К. Смит и Э.Дж. Лес, паб. Портленд Пресс.
«Почему происходят химические реакции», J. Keeler and P. Wothers, опубл. ОУП.
«Оживление химии: от материи к человеку», Р.Дж. П. Уильямс и Дж. Дж. Р. Ф. да Силва, паб. Издательство Оксфордского университета.
«Наверстать математику и статистику для биологических и медицинских наук», М. Харрис, Г. Тейлор и Дж. Тейлор, паб. Наследник.
«Cach Up Chemistry for the Life and Medical Sciences», М. Фрай и Э. Пейдж, опубл. Наследник.

Полезные книги для подготовки к началу Оксфордского курса биохимии:
Эти книги настоятельно рекомендуются для ознакомления заранее студентам, которых пугают математические и органические химические компоненты курса, но они будут полезны всем.

«Основы математики» (2006 г.) А. Крофт и Р. Дэвисон, паб. Пирсон.
«Основы органической химии» (1993) М. Хорнби и Дж. Пич, опубл. Издательство Оксфордского университета.

Учебники для первого курса Оксфордского курса биохимии:
Учебных текстов для курса нет (и вы, вероятно, захотите попробовать книги в библиотеках, прежде чем решить, что купить), но ниже приведены некоторые из наиболее популярные рекомендуемые тексты.

«Биохимия» (2015) Ж.М. Берг, Дж. Л. Тимочко и Л. Страйер, опубл. В.Х. Фримен.
«Биохимия» (2011) Д. Воет и Дж.Г. Воэт, паб. Уайли.
«Молекулярная клеточная биология» (2012 г.) Х. Лодиш и др., опубл. В.Х. Фримен.
«Молекулярная биология клетки» (2014 г.) Б. Альбертс и др., опубл. Гирлянда.
«Практические навыки в биомолекулярных науках» (2012 г.) Р. Рид, Д. Холмс, Дж. Вейерс и А. Джонс, паб. Прентис Холл.
«Принципы и проблемы физической химии для биохимиков» (2001 г.) Н.К. Прайс, Р.А. Двек, Р.Г. Рэтклифф и М.Р. Вормолд, паб. Издательство Оксфордского университета.

… и на более светлой стороне:

Сборник песен биохимика (файлы в формате MP3).
Лаборатория Чжэн — Плохой проект.

 

 

Внешние веб-сайты с соответствующей информацией:

Понимание биохимии

ASE — биохимические ресурсы

Биохимия и молекулярная биология (BMB) | Пенн Стейт

Физико-химическая теория и методы, которые подчеркивают очистку и характеристику биологических макромолекул, включая белки, липиды и нуклеиновые кислоты.B M B 474 Аналитическая биохимия (3) Этот курс с тремя кредитами посвящен приобретению знаний в области лабораторных навыков, необходимых для успеха в экспериментальной биохимии и молекулярной биологии. Он особенно подходит для студентов, планирующих карьеру ученого-исследователя в области биохимии, биотехнологии, биоинженерии, микробиологии или молекулярной биологии. Содержание курса сосредоточено на обнаружении, очистке и идентификации биологических макромолекул, таких как практика науки о разделении с упором на диффузию, гель-проникающую хроматографию, ионообменную хроматографию, аффинную хроматографию, ультрацентрифугирование скорости седиментации, ультрацентрифугирование равновесия седиментации, ультрацентрифугирование в градиенте плотности, агарозный гель. электрофорез, SDS-гель-электрофорез, изоэлектрофокусирование, мембранную фильтрацию и диализ (включая равновесие Донана), связывание лиганда, высокоэффективную газовую хроматографию, высокоэффективную жидкостную хроматографию, масс-спектрометрию и иммунологические методы макромолекул.Второй блок включает теорию и практику биологической спектроскопии с акцентом на видимый, инфракрасный, круговой дихроизм, оптическую вращательную дисперсию, комбинационное рассеяние, резонансное комбинационное рассеяние, ядерно-магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс, мессбауэровский, поверхностный плазмонный резонанс, электронно-ядерный двойной резонанс, и спектроскопия электронного спинового эха макромолекул. Лекции предназначены для ознакомления с определенной темой, вывода соответствующих уравнений, дополнения материала для чтения практическими примерами и уточнения моментов в заданных наборах задач.Две гостевые лекции экспертов в этой области предоставят самую свежую информацию о масс-спектроскопии и мессбауэровской спектроскопии, а два визита на объект, один на основную установку масс-спектрометрии, а другой на основную установку магнитного резонанса, предоставят практический опыт. на опыте. Наборы задач не собираются и не оцениваются; скорее, ответы раздаются на следующем уроке. Этот метод дает возможность сотрудничать с другими при решении проблем и самостоятельно проверять работу.

BMB Серия семинаров осень 2021 г.

 

BMB СЕРИЯ СЕМИНАРОВ ОСЕНЬ 2021

 

Дата

Имя

Принадлежность

Хост

Название

02.09.2021 Эмили Бальскас Гарвардский университет Боб Хаузингер Расшифровка микробиоты человека с помощью химии
09.09.2021 Бьорн Хамбергер МСУ Эрих Гротеволд Создание химических пространств, вдохновленных природой, с помощью синтетической биологии растений
16.09.2021 Мин-Хао Куо МСУ Эрих Гротевольд

Жить долго и счастливо – о старении, ожирении и болезни Альцгеймера

23.09.2021 Кристин Родитель МСУ Эрих Гротеволд Расшифровка механизмов проникновения вирусов: от бактериофагов до гигантских вирусов
30.09.2021 Абхишек Сингхарой ​​ Университет штата Аризона Джош Вермаас День живой клетки: суперкомпьютеры раскрывают молекулярные принципы фотосинтеза
07.10.2021 Вирджиния Ли Университет Пенсильвании Мин-Хао Куо Передача неправильно свернутых белков при нейродегенеративных заболеваниях: общий механизм прогрессирования заболевания
14.10.2021 Йохен Циммер Университет Вирджинии Бен Орландо Молекулярная основа биосинтеза гиалуронана в различных царствах жизни
21.10.2021 Александра Джаз Дикинсон UCSD Полли Хсу Метаболомика растений и химическая генетика в развитии корней
28.10.2021 Эми Ральстон МСУ Эрих Гротевольд Молекулярная регуляция предшественников стволовых клеток у эмбриона
04.11.2021 Глория Коруцци Нью-Йоркский университет Эрих Гротеволд Системная биология растений и механизмы генной регуляции
11.11.2021 Ричард Каприоли Университет Вандербильта Ханна Паркс Метаболизм в системах млекопитающих с масс-спектром
18.11.2021 Суджит Путияветил Университет Пердью Питер Лундквист

Пластидный протеостаз: роль света и редокс-регулируемого синтеза белка

25.11.2021 БЛАГОДАРЕНИЕ      
02.12.2021 Хосе Алонсо Университет штата Северная Каролина Полли Хсу Трансляционная регуляция передачи сигналов растительных гормонов
09.12.2021 Даниэль Вилински Ю Мичиган София Лант Диверсификация регуляторных сетей РНК и важность модификации РНК при диабете

Программы бакалавриата | Биохимия | School of Medicine

Область биохимии охватывает чрезвычайно широкий и постоянно растущий спектр тем, включая изучение белков и нуклеиновых кислот, контроль экспрессии генов и молекулярные основы таких заболеваний, как диабет, рак и СПИД.Кафедра биохимии — это исследовательский отдел Медицинской школы Университета Кейс Вестерн Резерв, который предлагает специальности бакалавриата.

Широкий выбор вариантов карьеры 

Имея степень в области биохимии, вы будете готовы к широкому спектру вариантов карьеры, включая биомедицинские исследования в университетах или в биотехнологии, фармацевтической или химической промышленности. Специальность по биохимии также хорошо подготовит вас к поступлению в медицинскую школу и аспирантуру в области биомедицинских наук.

Специальности по биохимии в CWRU

Биохимия — одна из крупнейших специальностей бакалавриата в кампусе (~ 7-е место в CWRU). Исследования являются ключевой частью нашей специальности, и на нашем факультете и в Медицинской школе есть много отличных возможностей для исследований. Кроме того, с легким доступом к близлежащим больницам, таким как клиника Кливленда, университетские больницы и VA, у вас будет около 200 лабораторий, из которых можно выбирать (узнайте больше о наших исследованиях, а также о том, когда и как найти исследовательскую лабораторию).

Летняя исследовательская программа для студентов

Программа Hanson Summer Research Scholar Program оказывает поддержку студентам, которые будут участвовать в биохимических исследованиях в течение лета. Узнайте больше о нашей летней исследовательской программе бакалавриата.

Бакалавр биохимии и бакалавр биохимии

Факультет биохимии предлагает программы бакалавриата, ведущие либо к получению степени бакалавра, либо к получению степени бакалавра. или Б.С. степень. Основное различие между двумя программами заключается в большем упоре на количественные науки в программе B.Программа S., включающая дополнительную математику, химию и физику. Обе учебные программы являются строгими и подчеркивают исследовательский опыт. Обязательные курсы включают курс SAGES на факультете, в котором особое внимание уделяется анализу первичной биохимической литературы. Senior Capstone по биохимии состоит из диссертации, расшифровывающей результаты студенческого исследовательского опыта.

За дополнительной информацией обращайтесь к координатору программы доктору Дэвиду Самолсу.

Общество студенческой биохимии Case (CUBS)

CUBS — это студенческая организация для студентов, интересующихся биохимией.