Lecture course

Національний Університет "Києво-Могилянська Академія"

Природничий факультет

Магістерська програма (МП) "Біологія", I курс

2002-2003 н. р., II триместр

Курс “Формування білкових структур”

Програму склав доктор біологічних наук,

професор О. І. Корнелюк

Лекція 1

Білки - важливі структурні компоненти клітини. Властивості білків, їх функції в клітині.

Функція білків детермінована їх структурою. Рівні структурної організації макромолекул білків.

Лекція 2

Первинна структура білків

Амінокислотні залишки - мономери білкових ланцюгів. Пептидні зв'язки та формування поліпептидного ланцюга. Стратегія визначення амінокислотної послідовності білка. Протеолітичне та хімічне розщеплення білків, розділення та ідентифікація пептидів. Автоматичне секвенування пептидів та білків, реконструкція амінокислотних послідовностей білків.

Клонування та визначення нуклеотидних послідовностей генів, які кодують білки, виведення амінокислотних послідовностей. Сучасні методи автоматичного секвенування ДНК, секвенування геномів.

Лекція 3

Просторова структура білків

Вторинна структура білків, її зв'язок з амінокислотною послідовністю. Основні положення стереохімічної теорії вторинної структури білків. Супервторинна структура, її типи. Структурні домени, модульна організація білків. Третинна структура білків. Термостабільність білків.

Експериментальні методи дослідження вторинної та третинної структури білків. Рентгеноструктурний аналіз кристалів білків. Структура ферментів в розчині по даним ЯМР-спектроскопії.

Лекція 4

Самоорганізація білкових структур

Природа сил, що стабілізують просторову структуру білків. Самоорганізація вторинної структури білків, парадокс Левінталя. Термодинаміка та кінетика згортання поліпептидного ланцюга, проміжні стани. "Розплавлена глобула" як інтермедіат фолдингу білків. Денатурація та ренатурація білків.

Лекція 5

Четвертинна структура білків

Типи четвертинної структури білків. Симетричні та несиметричні олігомерні структури. Регуляторні взаємодії в субодиничних білках. Надмолекулярні комплекси білків.

Фібрилярні білки.

Лекція 6

Динаміка білкових структур

Динаміка білків в кристалічному стані та в розчині. Функціональна роль конформаційної рухливості білків. Конформаційна адаптація в комплексах білок-ліганд.

Лекція 7

Ферменти, структурна організація активних центрів

Формування активних центрів ферментів. Мікросередовище активного центру ферментів. Фізико-хімічні механізми ферментативного каталізу, вільна енергія сорбції субстрату як джерело прискорення ферментативної реакції. Фермент-субстратні комплекси.

Лекція 8

Синтез та згортання поліпептидів на рибосомі

Рибосомний синтез білків. Ко-трансляційне згортання білків.

Формування дисульфідних звязків, роль ферментів. Сигнальні послідовності секреторних білків.

Лекція 9

Шаперони

Молекулярні шаперони, їх роль у фолдингу білків. Типи шаперонів та їх характеристика.

Шаперони бактерій та еукаріотів. Стресові білки як шаперони. Шапероніни та АТР-залежний фолдинг білків. Просторова структура і функція шапероніна GroEL.

Лекція 10

Процесинг білків

Роль протеолізу у процесингу білків.

Посттрансляційні ковалентні модифікації білків.

Сплайсинг білків.

Лекція 11

Пріони

Походження пріонів. Перебудова вторинної структури при конверсії нормального пріону в патогенну форму. Мутації та поліморфізм пріонів. Структурні аналогії пріонів та серпінів. Пріони та молекулярні хвороби.

Амілоїди та хвороба Альцгеймера.

Лекція 12

Білкова інженерія

Білкова інженерія: історія та загальна характеристика. Напрямки білкової інженерії. Сайт-спрямований мутагенез як метод введення амінокислотних замін в білках.

Експресія мутантних білків в бактеріальних та еукаріотичних системах експресії, вектори для експресії. Методи виділення та ідентифікації рекомбінантних білків. Структурно-функціональний аналіз білків методами білкової інженерії.

Лекція 13

Білкова інженерія

Дизайн білків de novo. Штучні a-спіральні, b-структурні та a/b-білки.

Прикладні застосування білкової інженерії в біотехнології і генній терапії, біосенсорних технологіях. Перспективи білкової інженерії.

Література

1. Альбертс Б. Молекулярная биология клетки. В 3-х т. 2-е изд. - М.: Мир. - 1994.

2. Березин И. В., Мартинек К. Основы физической химии ферментативного катализа. - М.: Высшая школа. - 1977.

3. Бландел Т., Джонсон Л. Кристаллография белка. - М.: Мир. - 1979.

4. Диксон Р., Уэбб Э. Ферменты. - тт. 1, 2, 3. - М.: Мир. - 1982.

5. Иванюшина В.А. Молекулярные шапероны: новые белки - новые функции//Молекул. биол.-1991. - Т.25. - С. 869-882.

6. Кантор Ч.,Шиммел П. Биофизическая химия, тт.1,2,3.- М.: Мир.-1984-1985.

7. Киселев Л. Л., Фаворова О. О., Лаврик О. И. Биосинтез белков от аминокислот до аминоацил-тРНК. - М.: Наука. - 1984.

8. Корнелюк А. И. Белковая инженерия // Биополимеры и клетка. – 2001. – Т.17, № 6 – С. 459-466.

9. Кяйвяряйнен А. И. Динамическое поведение белков в водной среде и их функции. -Л.:Наука.- 1980. -272 с.

10. Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. - М. Мир. - 1985.

11. Морозов В. М. Структурно-функциональный анализ аминокислотных последовательностей через Internet // Молекул.биол. - 1996. -Т. 30, Вып. 2. - С. 387-393.

12. Овчинников Ю. А. Биоорганическая химия. - М,: Просвещение. - 1987. - 815 с. с ил.

13. Одинець К. О., Корнелюк О. І. Методи аналізу і моделювання просторової структури білків // Наук. записки НаУКМА. – 2001. – Т. 19, Природн. науки. – С. 7-17.

14. Перспективы биохимических исследований. - М.: Мир. - 1987.

15. Практическая химия белка. Ред. А. Дарбре. - М.: Мир. - 1989. - 623 с.

16. Сингер М., Берг П. Гены и геномы. В 2-х т, М.: Мир. - 1998.

17. Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии: в 3-х томах. Т.1. М.: Мир. -1981.-534 с.

18. Фершт Э. Структура и механизм действия ферментов. - М.: Мир. - 1980.

19. Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

20. Степанов В.М. Молекулярная биология. Структуры и функции белков. – М.:”Высшая школа”. - 1996.

21. Чернавский Д. С., Чернавская Н.М. Белок – машина. Биологические макромолекулярные конструкции. – М.Изд-во МГУ. - 1999.

22. Хоникатт Дж. Использование Internet. - К.: Диалектика. - 1997. - 304 с.

23. Шульц Г., Ширмер Р., Принципы структурной организации белков -. М.: Мир. - 1982.

24. Branden C., Tooze J. Introduction to Protein Structure (Garland, New York & London). - 1991.

25. Computer modeling in molecular biology. Ed. J. M. Goodfellow. VCH. - 1995. - 243 c.

26. Concepts in Protein Engineering and Design. Eds. P. Wrede, G. Schneider. - 1994.

27. Creighton T. Proteins:Structure and Molecular Properties (Freeman, New York). - 1992.

28. Protein Engineering: Principles and Practice, J. L. Cleland and C. S. Craik (Wiley-Liss). - 1996.

29. Protein Engineering and Design. Ed. P. R. Carey. - Acad. Press. - 1996.

30. Protein Folding. The Royal Society. Ed. by C. M. Dobson and A.R.Fersht, Cambridge. - 1995.

31. Rost B., Sander C., Schneider R. PHD – an automatic mail server for protein secondary structure prediction // Comput. Appl. Biosci. – 1994. – V. 10, № 1. – P. 53-60.

Практичні заняття і семінари до курсу “Формування білкових структур”

10.01.2003. Заняття 1. Методи пошуку інформації з питань молекулярної біології у мережі Internet.

1. Пошук по ключовим словам та систематичним розділам. Використання пошукових систем Yahoo! та Google. Структура розділу “Biology” у системі Yahoo!

2. Інтегрована система Entrez. Структура записів-файлів.

3. Банки даних послідовностей макромолекул (нуклеїнових кислот та білків) GenBank та Swiss-Prot. Банки даних по геномним проектам у системі Entrez.

4. Спеціалізовані банки даних. Банки даних по кДНКовим проектам dbEST, TIGR, UniGene.

Рекомендовані Web-сайти і література:

Пошукова система Google http://www.google.com

Пошукова система Yahoo! http://www.yahoo.com

Портал BioUA http://www.bioua.org.ua

Інтегрована система пошуку молекулярно-біологічної інформації Entrez при сервері NCBI

http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Одинець К. О., Корнелюк О. І. Методи аналізу і моделювання просторової структури білків // Наукові записки НаУКМА. – 2001. – Т. 19, Природн. науки. – С. 7-17.

17.01.2003. Заняття 2. Первинна і вторинна структура білків.

1. Амінокислоти – як мономери білків. Структура і властивості амінокислотних залишків.

2. Властивості пептидного зв’язку і поліпептидного ланцюга. Карти Рамачандрана.

3. Вторинна структура білків і її елементи. Надвторинна структура білків.

Рекомендовані Web-сайти і література:

Комп’ютерний освітній курс “Structural Elements of Proteins”

http://www.imb-jena.de/IMAGE.html

Комп’ютерний освітній курс "BioBM 631"

http//www.mbg.cornell.edu/nicholson/biobm631/biobm631.html

Комп’ютерний освітній курс "Dr. Chromo's school"

http//www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/courses/guide/prot.htm

http//www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/wwwresource/protein454.htm

Альбертс Б. Молекулярная биология клетки. В 3-х т. 2-е изд. - М.: Мир. - 1994.

Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. - М. Мир. - 1985.

Уайт А., Хендлер Ф., Смит Э., Хилл Р., Леман И. Основы биохимии: в 3-х томах. Т. 1. М.: Мир. - 1981.-534 с.ил.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

Шульц Г., Ширмер Р. Принципы структурной организации белков -. М.: Мир. - 1982.

24.01.2003 р. Семінар 1. Рівні структурної організації білків.

Питання для індивідуальної підготовки:

1. Роль білків в існуванні живих організмів. Загальні властивості білків.

2. Амінокислоти як мономери білків. Властивості амінокислот.

3. Властивості поліпептидного ланцюга. Вторинна структура білків.

4. Просторова організація білків.

5. Методи визначення первинної структури білків (амінокислотної послідовності).

6. Комп’ютерні методи аналізу амінокислотних послідовностей.

7. Організація та пошук інформації у біологічних банках даних.

Рекомендовані Web-адреси і література:

Комп’ютерний освітній курс "BioBM 631"

http//www.mbg.cornell.edu/nicholson/biobm631/biobm631.html
Комп’ютерний освітній курс "Dr. Chromo's school"

http//www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/courses/guide/prot.htm

http//www.iacr.bbsrc.ac.uk/notebook/wwwresource/protein454.htm

Комп’ютерний освітній курс “Structural Elements of Proteins”

http://www.imb-jena.de/IMAGE.html

Альбертс Б. Молекулярная биология клетки. В 3-х т. 2-е изд. - М.: Мир. - 1994.

Ленинджер А. Основы биохимии: В 3-х т. - М. Мир. - 1985.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

Шульц Г., Ширмер Р., Принципы структурной организации белков -. М.: Мир. - 1982.

31.01.2003. Заняття 3. Аналіз послідовностей за допомогою серверів Internet.

1. Аналіз білкових послідовностей. Розрахунок молекулярної маси, pI, амінокислотного складу білків. Сервер ProtParam.

2. Аналіз нуклеотидних послідовностей. Трансляція, пошук відкритих рамок зчитування.

3. Пошук гомологічних послідовностей за допомогою сервера BLAST.

4. Передбачення вторинної структури білків за допомогою програми PHD.

Рекомендовані Web-сайти і література:

Інтегрована система пошуку молекулярно-біологічної інформації Entrez при NCBI-сервері

http://www.ncbi.nlm.nih.gov

Сервер ExPASy як засіб доступу до програм аналізу послідовностей і структур білків http://www.expasy.ch

Сервер WWW BLAST at NCBI http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST/

Сервер ProtParam http://expasy.hcuge.ch/tools/protparam.html

Альбертс Б. Молекулярная биология клетки. В 3-х т. 2-е изд. - М.: Мир. - 1994.

Одинець К. О., Корнелюк О. І. Методи аналізу і моделювання просторової структури білків // Наук. записки НаУКМА. – 2001. – Т. 19, Природн. науки. – С. 7-17.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

Шульц Г., Ширмер Р., Принципы структурной организации белков -. М.: Мир. - 1982.

07.02.2003. Семінар 2. Еволюція первинних структур білків.

1. Гомологія амінокислотних послідовностей як наслідок дивергенції і рекомбінації генів.

2. Пошук за гомологією.

3. Множинне вирівнювання послідовностей білків. Консенсуси і мотиви.

4. Вирівнювання як підгрунтя для інших методів аналізу структури і властивостей білків.

Рекомендовані Web-адреси і література:

BLAST http://www.ncbi.nlm.nih.gov/BLAST

FastA http://bioweb.pasteur.fr/seqanal/interfaces/fasta.html

Clustal W http://www2.ebi.ac.uk/clustalw/

MultAlin http://protein.toulouse.inra.fr/multalin.html

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

14.02.2003. Заняття 4. Філогенетичний аналіз послідовностей білків.

1. Множинне вирівнювання гомологічних послідовностей у системах Clustal та MultAlin.

2. Пошук білкових мотивів. Сервери та банки даних мотивів ProSite, Motifs, Blocks.

3. Філогенетичний аналіз за допомогою сервера Phylip. Еволюційні взаємовідношення білків.

Рекомендовані Web-сайти і література:

Сервер ProSite http://expasy.hcuge.ch/sprot/prosite.html

Сервер Blocks http://www.blocks.fhcrc.org/blocks_search.html

Сервер програми Phylip http://evolution.genetics.washington.edu/phylip.html

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

21.02.2003. Семінар 3. Передбачення вторинної структури білків по амінокислотній послідовності.

1. Торсійні кути пептидного звязку. Карти Рамачандрана.

2. Елементи вторинної структури білків – види спіралей і стрендів. Надвторинна структура.

3. Принципи передбачення вторинної структури.

Рекомендовані Web-адреси і література:

Морозов В. М. Структурно-функциональный анализ аминокислотных последовательностей через Internet // Молекул.биол. - 1996. -Т. 30, Вып. 2. - С. 387-393.

Rost B., Sander C., Schneider R. PHD – an automatic mail server for protein secondary structure prediction // Comput. Appl. Biosci. – 1994. – V. 10, № 1. – P. 53-60.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

28.02.2003. Заняття 5. Аналіз доменної організація білків.

1. Аналіз доменної організації білків за допомогою сервера ProDom.

2. Класифікація типів згортки білкових доменів за допомогою серверів SCOP, CATS і СЕ.

Рекомендовані Web-сайти і література:

Сервер ProDom http://www.toulouse.inra.fr/prodom.html

Сервер SCOP http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/

Сервер CATS http://www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cath/

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

14.03.2003. Семінар 4. Доменна організація білків. Класифікація просторових структур доменів.

1. Домени як одиниці просторової організації білків. Ознаки доменів.

2. Структурні класи білків. Типи просторової укладки. Систематика типів просторової укладки.

3. Порівняння структури різних доменів. Суперпозиція структур.

4. Пошук подібних за структурою доменів.

Рекомендована література:

Степанов В.М. Молекулярная биология. Структуры и функции белков. – М.:”Высшая школа”. - 1996.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

21.03.2003. Заняття 6. Просторова будова макромолекул білків.

1. Банки даних просторових структур макромолекул PDB, MMDB.

2. Пошук подібних просторових структур білків у сервері VASТ.

Рекомендовані Web-сайти і література:

RCSB http://www.rcsb.org/

Sali Lab http://guitar.rockefeller.edu/bioinformatics_resources.shtml

Степанов В.М. Молекулярная биология. Структуры и функции белков. – М.:”Высшая школа”. - 1996.

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

28.03.2003. Семінар 5. Самоорганізація білкових структур.

1. Cили, що стабілізують просторову структуру білків.

2. Самоорганізація вторинної структури білків, парадокс Левінталя.

3. "Розплавлена глобула" як інтермедіат фолдингу білків.

4. Денатурація та ренатурація білків, експериментальні методи вивчення.

Рекомендованаі література:

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

Шульц Г., Ширмер Р., Принципы структурной организации белков -. М.: Мир. - 1982.

Protein Folding. The Royal Society. Ed. by C. M. Dobson and A.R.Fersht, Cambridge. - 1995.

04.04.2003. Заняття 7. Аналіз просторової будови макромолекул.

1. Суперпозиція просторових структур білків з серверами CE, Lock.

2. Моделювання просторової структури білків Swiss-Model, UCLA.

3. Динаміка білкових молекул.

Рекомендовані Web-сайти і література:

CE http://cl.sdsc.edu/ce.html

Swiss-Model http://us.expasy.org/swissmod/SWISS-MODEL.html

Финкельштейн А. В. Введение в физику белка. Курс лекций 1999-2000 г.

11.04.2003. Семінар 6. Молекулярні основи хвороб, повязаних з порушеннями структури білків на різних рівнях їх структурної організації.

1. Серповидноклітинна анемія - результат мутацій гемоглобіну.

2. Пріонові білки та молекулярні основи бичачої губчатої енцефалопатії (BSE) і хвороби-Крейцфельда-Якоба(CJD).

3. Серпіни та хвороби, викликані дефіцитом інгібіторів протеаз.

4. Молекулярні основи хвороби Альцгеймера.

Література:

Рукосуев В. С., Жаворонков А. А. Прионные заболевания и амилоидоз мозга // Арх. патол. – 1999. – т.61, №2. – C. 50-55.

Кудинова Н. В., Березов Т. Т., Кудинов А. Р. b-Амилоид: болезнь Альцгеймера и b-амилоидозы мозга // Биохимия. – 1999. – т.64, №7 –C. 899-905.

Рогаев Е. И. Генетические факторы и полигення модель болезней Альцгеймера // Генетика, 1999. – т.35, №11. – C. 1558-1571.

Умови визначення навчального рейтингу з курсу

“Формування білкових структур”

IІ триместр 2003 н. р.

Робота в триместрі - 70

Іспит - 30

1. Робота в триместрі

Види робіт	Кількість	Максимум балів	Разом
1. Практичні заняття	7	4	28
2. Семінари	6	4	24
3. Тестування	1	8	8
4. Письмова робота	1	10	10

2. Іспит

1. Усні відповіді 3 Грунтовна відповідь 30

на запитання на 1 запитання - 10

Разом 100