2. Які білки були вперше синтезовані de novo. Дати характеристику структури і стабільності перших двох штучних білків.

FELIX. Складається з 79 амінокислот. Містить 19 з 20 видів природніх амінокислот. Структура: чотири антипаралельні альфа-спіралі. Не є стабільним для ЯМР. Експресований з синтетичного гену, клонованого в E.coli (кишкова паличка), після чого очищений. Виявилось, що фелікс в розчині є мономерним. Містить заздалегіть спроектований дисульфідний зв’язок, що зв’язує першу та четверту спіралі. Ховає одинарний триптофан в неполярному середовищі, скоріше за все близько до дисульфідного містка.

Betabellin. Сконструйований по типу «сендвічу» з двох ідентичних антипаралельних бета-листів, кожен з яких містить 32 амінокислотних залишків. Бета-листки пов’язані гідрофобною взаємодією. Після десяти переробок була отримана стабільна версія розчинного білка.

3. Роботи Вільяма Ф. Деградо по створенню штучних білків

Вільям Деградо мав великий успіх у розробці штучних білків. Перші білки складались з пучків альфа-спіралей. Він з колегами отримав проект білків, що демонстрували стабільну, згорнуту структуру. Першими прикладами були білки, що складались з 3-ох альфа спіралей. Потім вони розробили білок, заснований на вирівнюванні цих трьох коротких альфа спіралей, додавши до них петлі, щоб з`єднати 3 пептида в один безперервний ланцюг. Ядро цього білка було ретельно переобладнано, щоб включити специфічні заряд-зарядові пари амінокислотних залишків і отримали належну упаковку амінокислот багатих вуглецем. В результаті був створений білок «α3d», що був складений з 73 амінокислот. Цей білок був досить стабільним. Для отримання його структури застосовували спектроскопію ЯМР.

4. Використання комп’ютерних технологій в розробці штучних білків. Білок FSD-1

Бассил Дайат і Стівен Майо автоматизували процес розробки штучних білків, що згортаються в стабільні структури. Вони починали з укладання білка за певним типом укладки, в даному випадку в структуру поєднання деякого бета-листа та альфа-спіралі, яка характерна для цинкових пальців, які звязуються з ДНК. Потім вони використовували алгоритм пошуку, що перевіряв всі можливі варіанти комбінацій амінокислот, порівнюючи кожну комбінацію з функцією, яка оцінювала розміщення амінокислот всередині та на поверхні. Вони перебирали 1.9х10^27 комбінацій. Таким чином був отриманий білок на FSD-1. Після синтезу білок згортався в компактну структуру, що була передбачена обчислювальними алгоритмами.

5. Розробка штучних металоензимів. Білки серії DF

Деградо працював над розробкою металоензимів, беручи за основу «α3d» білок(див пит. 7). Цей процес розбивався на два етапи: спочатку конструювалася стабільна структура білка, яка включала сайт звязування металу. Білок DF1 містить специфічні амінокислоти, які можуть координувати звязування двох іонів металу. Але негативним було те, що сайт був захований всередину білка. Щоб включати метал, білок потрібно було денатурувати і потім повторно згорнути в присутності іонів металів.

На другому етапі відбувалось зменшення деяких амінокислот, так щоб утворювалась кишеня і повний білок «DF2».

6. Навіщо створювати білки з неприродних амінокислот? (ХУЙНЯ)

ну типу для стійкості і для синтезу і блохування хвороботворних генів (ВАСЯ)

7. Виготовлення білків з неприродних амінокислот. Принципи хімічного синтезу поліпептидів.

Перші способи введення неприродніх амінокислот в певних місцях в білках були розроблені в 1980х роках і були значно розширені з тих пір. Один із таких способів – хімічний синтез.

Цим методом можна додати будь-яку амінокислоту у будь-яке положення поліпептиду. Розмір поліпептидного ланцюга 40-50 амінокислот. Тому для більши великих білків , будуються білки із 30-50 амінокислот і зєднуються у кінцевий блок.

Стратегія хімічних методів:

Послідовне нарощування

Блочний метод

Таким чином утворюють складні білки. Недоліком хімічного методу є його дороговизна.

8. Виготовлення білків з неприродних амінокислот. Обґрунтувати використання комбінації хімічного та біологічного синтезів для побудови штучних та химерних білків.

Перші способи введення неприродних амінокислот в певних місцях в білках були розроблені в 1980-х і були значно розширені з тих пір. Для цього використовують декілька різних методів:

· Хімічний синтез

· Комбінація хім. і. біол. синтезу

· Використання цистеїну для модифікації амінокислот

· Використання рибосом, тРНК кодону та стоп-кодону для включення неприр. а.к.

· Створення та використання Трнк

Хімічний синтез: цим методом можна додати будь-яку а.к. в будь-якому положенні поліпептиду, метод обмежений тільки дослідником. Хім синтез досить дорогий та багатостадійний. Біологічний більш простий та швидкий, проте навіть малі зміни умов навколишнього середовища можуть негативно вплинути на результати синтезу і дуже малий вихід. Комбінація хім. та біол. Методів Як альтернатива хім. Синтезу якщо тільки кілька неприр. а.к. необхідно використати, то застосовується комбінація методів хім. та біол. синтезу. Малі пептиди з неприр. а.к. можуть бути синтезовані, а потім приєднані до іншої частини біологічно синтезованого білка.

13. Виготовлення білків з неприродних амінокислот. Використання цистеїнів для отримання спеціальних «неприродних» амінокислот.

Біологічний синтез білків набагато дешевше, ніж їх хімічний синтез. Тому були розроблені методи зміни, модифікації конкретних амінокислот у складі природного біологічного синтезу білків.

Один із найбільших підходів полягає у приєднанні нових хімічних груп до амінокислоти цистеїну за допомогою дисульфідних звязків. Зі структури природного білка видаляють цистеїн з поверхні,а потім один або два амінокислотних залишка цистеїну розміщують на поверхню у відповідних місцях. Цистеїн унікальний тим, що легко вступає у реакції завдяки SH-групи. Тобто у потрібне місце білка вставляють цистин, але його прибирають з поверхні, а на його місце ставлять амінокислоту, яка має дуже подібні властивості.

14. Виготовлення білків з неприродних амінокислот. Використання рибосом, тРНК та стоп-кодону для включення неприродних амінокислот

Використання стоп-кодонів (їх є 3), який зупиняє синтез в якості інформаційного і стіорення тРНК, який буде впізнавати цей стоп-кодон і активуватиметься амінокислотою. Створення тРНК, яка кодує непрості амінокислоти і використовує стоп-кодон, щоб вказати її місце розташування у білку. Отримані вектори із стоп-кодонів один з них вибирають так, щоб кодувати нову амінокислоту, а тРНК створюють з потрібним антикодоном на одному кінці і з неприродною амінокислотою хімічно прикріпленю на іншому кінці. Вибраний кодон розміщують в мРНК на кожному місці, де треба додати неприродну амінокислоту. Білки потім синтезуються у безклітинній системі, з додаванням тРНК.

В процесі синтезу рибосоми додають нову амінокислоту, коли вибраний (перекодований) стоп кодон зустрічається.

15. Виготовлення білків з неприродних амінокислот. Створення та використання тРНК які впізнають кодони, які складаються з більш ніж 3 основ (розширення генетичного коду)

Для проектування тРНК, які читають великі кодони з чотирьох або 5-ти основ . Рибосома буде використовувати ці штучні тРНК, поєднувати їх з відповідними 4 або 5 основами мРНК. У пошуках розширених генетичних кодів, досліджуються зміни в самій ДНК. Важливим є зміна нормальної основи на неприродні хімічні зє’днання

Ну, якщо кодувать амінокислоту не трьома нуклеотидами, а чотирма або п’ятьми, то можна збільшить кількість можливих амінокислот. Для цього треба синтезувать відповідне тРНК та змінить форму рибосоми, щоб сприймала 4-5-нуклеотидні послідовності. Оскільки амінокислота - це фосфатний + карбоксильний залишки з байдою між ними, можна змінюючи цю байду утворювать купу різноманітних неприродніх амінокислот. Ці 20 штук ж з’явились фактично рендомно, під впливом сліпої еволюції.

16. Застосування коротких олігонуклеотидів в наномедицині. Проблема деградації природних олігонуклеотидів в организмі

Олигонуклеотид — короткий фрагмент ДНК чи РНК, що можна отримати шляхом хімічного синтезу або розщепленням більш довгих нуклеотидів. Короткі олігонуклеотиди мають багато цікавих застосувань в наномедицині:

· При додаванні в клітину, короткі фрагменти РНК можуть звязуватися з природніми РНК, блокувати використання рибосомами і блокувати синтез білків;

· При правильному виборі послідовності РНК, ця коротка РНК може цілеспрямовано відключати хвороботворчі гени блокуючи синтез небажаних білків;

· Невеликі нуклеїнові кислоти можуть бути використані для діагностики хвороб: тобто вони можуть бути використані для ідентифікації генів в живих клітинах, які викликають захворювання.

Але суттєвою є проблема деградації олігопептидів в організмі. Клітини можуть захищати себе шляхом знищення чужерідних нуклеїнових кислот, тому що такі маленікі РНК часто є ознакою патогенної інфекції або пошкодження клітин.

17. Дати характеристику різним типам штучних нуклеїнових кислот (ДИВ. НАСТУПНЕ)

Дивіться наступне питання

18. Ефективна альтернатива природнім РНК і ДНК для застосування в біонанотехнології та наномедицині. Характеристика Пептидних Нуклеїнових Кислот, ПНК

Пептидні нуклеїнові кислоти розроблені в 1991р. датською групою дослідників. Вони були запропоновані як ефективна альтернатива природнім ДНК і РНК для застосування в біонанотехнологіях та медицині.

Пептидні нуклеїнові кислоти містять нормальний набір основ ДНК, але використовують пептидний зв'язок(точніше, N-(2-аміноетил)-гліцин повторів, повязаних пептидними звязками) замість цукрово-фосфатного остову, щоб зєднати основи разом. В ДНК заряди мають важливу роль в утворенні дуплексу, тому при певних умовах заряди можуть розштовхуватися і утворювати дві нитки, а так як пептидні нуклеїнові кислоти не мають заряду то вони більш стабільні. ПНК (пептидні нуклеїнові кислоти) більш стабільні за ДНК як у кислотних так і лужних розчинах.

Хоча штучні нуклеїнові кислоти досить не ефективно конкурують за звязування з подвійною спіраллю ДНК в клітині, вони здатні вбудовуватися в процесі розкриття ДНК і експонування основ, що відбувається коли ДНК зчитується у процесі синтезу білка. Таким чином вони можуть бути ефективними інгібіторами транскрипції в клітині, будучи набагато стабільнішими ніж приридні короткі нитки ДНК чи РНК.

Але в тойже час виникають деякі проблеми у використанні ПНК. Ланцюги синтетичних модифікованих ДНК чи РНК, можуть демонструати досить багато різних типів небажаних звязувань:

· Вони можуть звязуватися в паралельній і антипаралельній орієнтації з ДНК;

· Можуть утворювати широкий спектр незвичних подвійних і потрійних спіральних комплексів.

19. Застосування біонанотехнологій в наномедицині.

В наномедицині біонанотехногогії можуть знайти широке застосування в самих різноманітних галузях:

· Комп’ютерне моделювання лікарських препаратів проти СНІДу – дозволяє виробляти ефективні засоби боротьби зі СНІДом, ВІЛ, забезпечує знаходження оптимального дизайну препарату, завдяки чому він буде ефективний, і наприклад для ВІЛ – стійкий до мутацій вірусу.

· Імунотоксини – цільові вбивці клітин. Можна створити наномашини, що будуть шукати потрібні клітини, наприклад ракові, і знищувати їх. Являє собою гибрид антитіла і токсину. Перший забезпечує селективність, другий – вбивство. Разом вони повинні бути не токсичними. Токсин вивільняється тільки у цілі.

· Штучні ліпосоми. Забезпечення доставки особливо токсичних ліків в ліпосомах. Доставка ліків у макрофаги. Косметичні застосування.

· Штучна кров. Має ряд переваг перед природною: термін зберігання більший, не має забруднення. Умови зберігання кращі, або взагалі можливий синтез за потреби.

· Генотерапія. Заміна хворобливих генів, за для лікування генетичних хвороб.

· Персоналізована медицина. Забезпечення унікальності підходу з врахуванням особливостей кожної людни.

В усі роки прориви у вивченні якихось галузей науки дозволяли створювати ліки чи методи у медицині, що рятували життя людям. Нанотехнології не виключення – знання структури на нанорівні дозволяє контролювати біологічні процеси на цьому ж рівні і лікування хвороби на найнижчому рівні її зародження.

Наномедицина є природним доповненням до біонанотехнологій. Наприклад, імунна система створює наномашини, що знищують патогенні речовини в організмі. Система згортання крові дає нам інструменти для виправлення серйозних пошкоджень в секунди, загоєння ран і т. д.

20. Як комп’ютерне проектування лікарських препаратів допомагає виробляти ефективні препарати проти СНІДу.

ВІЛ – ретровірус, що викликає СНІД, є на сьогодні однією з найбільших проблем людства. Він на сьогодні невиліковний, насамперед, через неспроможність імунної системи боротись з ним і через особливості зараження клітин. Але ВІЛ також є найкраще охарактеризованим вірусом в науці і знаючи ці особливості можна за допомогою комп’ютерного проектування створювати сполуки, що будуть взаємодіяти з важливими для вірусу компонентами нейтралізуючи їх дії. Це робиться за схемою раціонального дизайну, що є одним з основних методів наномедицини:

· Обирається мішень у патогенному організмі.

· Ціль досліджується і характеризується на атомарному рівні.

· Створюються молекули, що вибірково вражають ціль і блокують патогенну дію.

Зазвичай останнє виконується комп’ютером. Але проблема ВІЛ це те, що він часто мутує бо використовує зворотну транскриптазу для своєї репродукції, і тут моделювання стає критичним, бо треба знайти таку конфігурацію зв’язків з ліками, щоб мутації майже не впливали на неї. Моделювання виконує комп’ютерний хімік, він розробляє і оптимізує молекулярні ліки, для ефективного зв’язування з мішенню.

Додатково див. (23-28 питання)

21. На чому базується цільовий підхід у наномедицині. Наведіть приклади.

Цільовий підхід:

· Вибирається ціль.

· Створюється конкретний пристрій, що знаходить ціль і виправляє функції.

Тобто цільовий підхід – це підхід створення лікарських препаратів, що діють на певні речовини, які порушують нормальні функції організму чи клітини, і ліки їх виправляють.

Базується цільовий підхід на знаходженні цієї цілі, що викликає дисфункцію, і створенні сполук-регуляторів, що відновлюють функції. Фармацевтична промисловість працює над виявленням ефективних способів отримання цільових сполук-регуляторів на молекулярному рівні.

На сьогодні цільовий підхід є найефективнішим методом для цілеспрямованого знищення патогенного організму або конкретного типу клітин організму.

Яскравим прикладом є аспірин, що з давніх часів використовується, як знеболююче. Він є наномашиною, що шукаю і нейтралізую гіперактивний білок болі. Найбільш поширеними ліками спочатку були рослинні ліки і т. д., що були виявленні шляхом скринінгу. Але молекулярні ліки мають серйозні обмеження часто вони націлені не тільки на бажані цілі а й на інші сполуки. Мала селективність може викликати так звані побічні ефекти. Тому сьогодні працюють над тим, щоб зменшити ці ефекти, в чому дуже сильно може допомогти наномедицина. Надомедицина додає новий рівень контролю у відкритті і оптимізації ліків, можна створювати речовини, які мають високо специфічний таргетинг (цілеспрямованість).

(Дивись 22, 23 питання додатково)

22. Молекулярні цільові ліки. Історія розвитку – від природних до синтетичних сполук.

В даний час цільова лікарська терапія є найефективнішим методом для цілеспрямованого знешкодження патогенного організму або конктретного типу клітин або хвороби.

Фарм промисловість працює над виявленням ефективних способів отримання цільових сполук – регуляторів на молекулярному рівні.

Найбільш поширені цільові ліки були спочатку виявлені шляхом скринінгу натуральних продуктів. Як тільки виявляється ефективний природний препарат вивчається механізм його дії і поліпшується лікарська дія.

Нанорозмірний дизайн додає новий рівень контролю у відкритті оптимізації ліків.

Молекулярні ліки мають серйозні обмеження. Будучи малими молекулами, вони, як правило, націлені не тільки на бажані цілі, а також на багато інших молекул в організмі, що призводить до побічних ефектів.

Сьогодні, щоб зменшити побічні ефекти, дослідники працюють над створенням наномашин, які можуть бути значно більш ефективними за рахунок створення в них таких властивостей, як високо специфічний таргетинг.

(Дивись 21, 23 питання додатково)

23. Загальна схема раціонального дизайну цільових молекулярних ліків

Схема:

1) Обирається мішень у патогенному організмі.

2) Ціль досліджується і характеризується на атомарному рівні.

3) Використовуючи цю нанорозмірну інформацію синтезуються молекули, які специфічно вражають ціль, блокуючи патогенну дію мішені.

Як це робиться в реальності…

Збирається команда:

· Біологи – характеризація цілей, виконує випробування лікарських методів (фізичне, біофізичне).

· Хімік, який синтезує ліки.

· Комп’ютерний хімік, який розробляє і оптимізує молекулярні ліки для ефективного зв’язування з мішенню.

Цикли проектування та тестування, виявлені молекулярні лікі, вдосконалюються, а потім використовуються в терапії.

Наприклад, ВААРТ (високоактивна антиретровірусна терапія) – приклад раціонального дизайну ліків.

(Дивись 22, 23 питання додатково)

24. ВААРТ (високоактивна антиретровірусна терапія) (HAART (highly active antiretroviral therapy)), як успішний приклад раціонального дизайну ліків.

Це метод лікування ВІЛ-інфекції та СНІДу, що полягає у одночасному застосуванні хворими кількохантиретровірусних препаратів . Це яскравий приклад раціонального дизайну ліків. ВІЛ – один з найкраще охарактеризованих організмів у науці, ці знання було використано для боротьби із СНІДом, завдяки розробці ефективних нанорозмірних анти-ВІЛ препаратів.

Вірус імунодефіциту людини має високу мутагенність, що дозволяє йому видозмінювати свою РНК та розвивати стійкість до деяких антиретровірусних препаратів. Тому в основі ВААРТ лежить застосування трьох або чотирьох препаратів для дії на різні стадії розвитку вірусу та запобігання розвитку стійкості. Якщо препарати приймаються нерегулярно або в недостатніх дозах, то вірус може виробляти стійкість до одного або кількох антиретровірусних препаратів, що приводить до погіршення підбору препаратів для подальшого ефективного лікування ВІЛ-інфекції. Терапія трьома і більше препаратів вимагає чіткого прийому ліків, без пропуску прийому та прийому більшої дози препарату у випадку пропуску прийому. Для покращення прихильності хворих до ВААРТ розроблені схеми прийому препаратів один раз на добу.

25. Загальна характеристика етапів робіт та отримання ліків проти СНІДУ.

Главными мишенями лекарственных средств являются ВИЧ-специфическая обратная транскриптаза и протеаза. Важно, что упомянутые ферменты действуют на различных стадиях жизненного цикла вируса.

Транскриптаза. Молекула ингибитора должна наилучшим образом соответствовать пространственному рельефу и природе химических групп активного центра фермента. Создание ингибиторов ферментов начинается с конструирования молекулярной структуры при помощи специализированных компьютерных программ, физических пространственных моделей и, безусловно, опыта и интуиции ученых. Этот важный творческий процесс называется молекулярным дизайном.

Протеаза. Проектируя молекулярную структуру ингибитора протеазы, исследователи пытаются учесть индивидуальные особенности этого необычного фермента. Дело в том, что протеаза активна только в форме димера, состоящего из двух одинаковых субъединиц этого белка (рис. 4). Задача ингибитора - воспрепятствовать процессу димеризации, связав субъединицы протеазы в неактивные комплексы мономер фермента - ингибитор.

СТРАТЕГИЯ СИНТЕЗА КОМПОНЕНТОВ ЛЕКАРСТВЕННЫХ "КОКТЕЙЛЕЙ". Процедура, известная под названием "ретросинтетический анализ", широко применяется при разработке стратегии синтеза сложных молекул.

Демонтаж молекулы АЗТ можно начать с разрыва одной из двух стратегических связей, обеспечивающих индивидуальность структуры. В первом случае это связь между атомом N1 пиримидинового основания и атомом углеводного цикла. Во втором - связь между атомом и головным атомом азота азидной группы.

(если мало, можешь посмотреть 26)

26. Застосування модифікованих нуклеотидів для боротьби проти СНІДУ. Принцип блокування зворотної транскриптази штучними лікарськими нуклеотидами (AZT (zidovudina) і DDI (didanosine)) у процесах розмноження ВІЛ.

Принцип дії нуклеозидних та нуклеотидних інгібіторів базується на конкурентному прингіченні зворотньої транскриптази, ферменту ВІЛ, що створює ДНК на основі вірусного РНК. Більшість таких препаратів — аналоги нуклеозидів, що відрізняються відсутністю гідроксильної групи в 3’ положенні рибозного кільця. Спочатку нуклеозидні інгібітори фосфорелюються, а потім вставляються в ланцюг ДНК, що синтезується. Це призводить до припинення її синтезу через нездатність утворювать зміненими нуклеотидами фосфодіефірний зв’язок. Такі інгібітори міцніше зв’язуються з зворотньою транскриптазою, ніж з ДНК-полімеразою, що обумовлює їх вибіркову дію на вірус, а не клітину. Вони перешкоджають зараженню ВІЛ нових клітин, але не впливають на вже інфіковані.

27. Нанорозмірний дізайн ліків проти СПІДу з використанням кристалографічної структури ВІЛ-протеази (HIV-1). Інгібітори протеази

Ингибиторы протеазы (протеиназы) ВИЧ относятся к новому поколению лекарственных препаратов. Проектируя молекулярную структуру ингибитора протеазы, исследователи пытаются учесть индивидуальные особенности этого необычного фермента. Дело в том, что протеаза активна только в форме димера, состоящего из двух одинаковых субъединиц этого белка (рис. 4). Задача ингибитора - воспрепятствовать процессу димеризации, связав субъединицы протеазы в неактивные комплексы мономер фермента - ингибитор.

Необходимым условием димеризации является переплетение С-концевого звена одного мономера протеазы с и N-концевым звеном другого. Эти звенья, напоминающие щупальца осьминогов, имеют определенный химический состав и пространственную конфигурацию. Молекула потенциального ингибитора должна как можно эффективнее изолировать звенья двух различных мономеров от взаимного контакта. Только в этом случае можно помешать фатальной сборке активного димера протеазы.

Образно говоря, поиск молекулярной структуры ингибитора сродни труду скульптора. Первоначально с помощью объемного моделирования снимают точный слепок с рельефа контактных поверхностей фермента. Получают с точностью до нескольких ангстрем пространственный образ С- и N-терминальных звеньев протеазы. По этому слепку "отливают" молекулярную структуру потенциального ингибитора димеризации. Вынутая из воображаемой формы молекула ингибитора протеазы напоминает драгоценное колье или гирлянду с медальонами.

28. Нанорозмірні інгібітори нуклеокапсидного білку ВІЛ (NCp7). Принцип дії цих інгібіторів. (НЕМА) (ТЫ ВЫИГРАЛ ДЖЕК-ПОТ!!!!)

29. Іммунотоксини – наномашини для цільового знищення клітин.Молекулярний принцип побудови імутоксинів.

Іммунотоксини – це цілеспрямовані вбивці клітин. У багатьох методиках лікування є необхідність у цілеспрямованому вбиванні клітин.Наприклад рак, який викликається клітинами, які ростуть без контролю.Тому треба виявити ці клітини і вбити не знищивши здорові. Є природні токсини рослин і бактерій, багато з них складаються з двох компонент: одна звязується з клітиною – мішенню, інша отрута, яка вбиває клітину. Нажаль ці токсини атакують і знищують багато типів клітин в організмі людини.Тому потрібен принцим для побудови ab ovo таких токсинів.

Для побудови використовують підхід, який використовують природні наномашини, але специфіка звязування досягається антитілами.

Токсини дуже ефективні, однак молекула може вбити всю клітину. Причина їхньої ефективності в тому, що вони є ферментами.

Ідеальний іммунотоксин повинен бути:

· Невеликим, щоб проникнути в ракову клітину

· Стабільним, щоб залишатись функціональним

· Мати низьку імуногенність, щоб цей препара можна було використовувати повторно

· Активним, щоб викликати регресію пухлини

30. Наведіть важливі характеристики ідеального імунотоксину. Практична розробка рекомбінантного імунотоксину – приклад.

Вибір токсинів дуже важливий. Ці токсини дуже ефективні: одна молекула може вбити всю клітину. Причому їх ефективність в тому, що вони є ферментами.

Ідеальний імунотоксин повинен бути:

· Активним, щоб викликати регресію пухлини.

· Невеликим за розміром, щоб проникнути в ракову клітину.

· Стабільним, щоб залишатися функціональним 5-10 годин, необхідних для фізичного досягнення клітини.

· Мати низьку імуногенність, щоб цей препарат можна було використовувати повторно. До недавнього часу це було важко досягти через властиву імуногенність імунотоксинів при введені людині.

Імунотоксини – химерні білки, які містять направляючий домен і домен токсину, який здатен викликати загибель клітини.

РЕ (імунотоксин на основі екзотоксину А та pseudomonas) вперше політичний шляхом скорочення розміру. Ця модифікація зменшує розмір молекули водночас видаляла небажані сайти з функцією проеази.

РЕ було поліпшено за рахунок зниження його імуногенності шляхом виявлення та усунення епітонів В- і Т-клітин, шляхом делеції та точкових мутацій ключових амінокислот. Модифікація РЕ може бути поворотно виедена і зберігає свою функцію знищення клітини (РЕ інгібує фактор елонгації ЕF-2 за рахунок АФФ-рибозолювання) змінює структруру білка, що заважає виконуватись транскрипції.

31. Використання наномашин для доставки ліків. Ліпосоми. Типи ліпосом, які використовуються у наномедицині

Вирізняють п’ять основних напрямів застосування нанотехнологій в медицині.

1. Доставляння лікарських речовин. Вирізняють два напрями адресної доставки ліків: пасивний направлений транспорт (полегшене подолання природних бар’єрів) та специфічна доставка (впізнавання патологічної тканини)

2. Нові методи і засоби лікування на манометровому рівні. Наприклад, прицільна протипухлинна терапія для щоденного клінічного використання має включати такі елементи: – можливість молекулярного відображення найменших проявів наночастинок на клітинному рівні; – ефективний механізм молекулярного прицілювання після ідентифікації певних клітинних маркерів; – технологію знищення клітин, ідентифікованих як злоякісні; – технологію моніторингу одержаного ефекту.

3. Діагностика in vivo. Впровадження нанотехнологічних підходів у практику медичної діагностики дозволяє здійснювати раню діагностику захворювань, виявляти онкологічні, ендокринні, серцево-судинні захворювання, вірусні та бактеріальні інфекції та покращити продуктивність діагностикі, основаної на передачі візуальної інформації про молекулярні структури – молекулярної фізіографії

4. Діагностика in vitro розвивається в двох напрямках: – використання наночасток як маркерів біологічних молекул; – застосування іноваційних нанотехнологічних способів вимірювання

5. Медична імплантація отримала в останне десятиліття імпульс для розвитку в зв’язку з необхідністю в способах і засобах відновлення чи заміщення органів та тканин.

Ліпіди за необхідних умов утворюють невеликі замкнуті бульбашки – ліпосоми, що складаються з ліпідного бішару, що покриває каплю води. Можна створити штучні ліпосоми (20нм-10мкм).

Взаємодія ліпосом з клітиною:

· Зіткнення та повільна (пасивна) дифузія

· Обєднання (ліпосома взаємодіє з мембраною) і вони обєднуються

Корисні застосування ліпосом

· Ліпосоми особливо корисні для доставки токсичних речовин

· Ліпосоми можуть збільшити термін служби лікарських препаратів, які швидко розходяться по крові

· Ефективні для доставки ліків у макрофаги крові

· Зменшують нейротоксичність препаратів

Покривають ліпосоми нейтральними полімерами, вони утворюють барєр, яий слабко взаємодіє із природниими молекулами в крові, таких як антитіла і білки згортання крові, які зазвичай міцно і швидко взаємодіють із інородніми тілами.

32. Що таке стелс-ліпосоми. Переваги використання стелс-ліпосом в наномедицині.

Ліпосоми – замкнуті бульбашки з ліпідного бішару. Можна створити штучні розміром від 20нм до 10мкм. Оскільки всередині вони мають воду, то можуть переносити в собі водорозчинні білки і водонерозчинні сполуки вбудовані в мембрану.

Ліпосоми є привабливим механізмом доставки ліків і мають ряд корисних застосувань:

· Корисні для доставки токсичних ліків;

· Збільшують термін служби лікарських припаратів;

· Особливо ефективні для доставки ліків у макрофагах крові;

· Зменшують нейротоксичність препаратів;

· Ефективно проникають у шкіру забеспечуючи доставку молекул до клітин у нижніх шарах.

Але «голі» ліпідні везикули швидко виводяться з крові. Щоб збільшити час їх життя було розроблено стелс-ліпосоми.

Один з підходів – це покриття ліпосом нейтральним полісахаридом (полі-етил гліколь). Він утворює бар’єр, який слабо взаємодіє з природними молекулами в крові. Стелс ліпосоми можуть циркулювати протягом декількох днів в кровотоці діючи як резервуар ліків, які повільно вивільнюються.

33. Біонанотехнологічна розробка штучної крові. Перспективи і проблеми.

Очищений гемоглобін має багато переваг у якості заміни крові. Він може бути використаний для будь-якого пацієнта не вимагаючи підбирати тип крові, так як цукрові залишки, які детермінують тип крові, знаходяться на поверхніі червоних кровяних клітин, а не на поверхні молекули гемоглобіну. Однак гемоглобін є тетрамером але розпадається до димера і являється токсичним для нирок.

Вирішення цієї проблеми:

1. Створити гемоглобіновий комплекс, якиє є стабільний у крові. Треба зшити гемоглобін у тетрамер або полігемоглобін.

2. Змінений гемоглобін містить 2 субодиниці гемоглобіну, зшиті в один ланцюг. В усіх цих випадках отриманий білок був досить великий, щоб не фільтруватись нирками.

3. Енкапсуляція гемоглобіну в ліпосоми(такі контейнери для дотавки кисню), але вони швидко видаляються з крові. Тривалість життя була покращена модифікацією поверхні ліпосомівполімерними цукрами, схожими на цукрову поверхню природних клітин крові, і створили ліпосоми, які менші за розміром ніж нормальні клітини.

4. Томас Чанг розробив полімерні капсули, які включають необхідні для детоксикації ферменти разом з гемоглобіном, створюючи безпеку й ефективну заміну крові.

34. Біонанотехнологічні підходи контролювання та блокування шкідливих молекул (РНК, Білки) в клітині.

Можна додавати короткі фрагменти РНК для блокування синтезу білків. При додаванні в клітину короткі фрагменти РНК можуть зв’язуватись з РНК і блокувати синтез білка рибосомами. При правильному виборі РНК можна блокувати конкретні гени. Також невеликі нуклеїнові кислоти можуть слугувати маркерами хвороб і можуть ідентифікувати гени які викликають хворобу. Для цього можуть бути використані штучні пептидні нуклеїнові кислоти, оскільки природна РНК не стабільна в організмі. ПНК є більш стабільними оскільки не мають заряду і зв’язуються пептидними зв’язками. Проблемою є те. Що вони можуть утворювати подвійні й потрійні спіралі та утворюють як паралельній так і антипаралельний зв’язок з ДНК.

35. Практичні методи введення лікарської ДНК в клітину. Перспективи генної терапії. (НЕМА)

36. Фізико-хімічні властивості металевих наночасток. (НЕМА)

37. Методи синтезу нанокластерів кон’югованих в білковий матрикс. (НЕМА)

(ДЖЕК-ПОТ, вы выиграли -10 балов)

38. Флуоресцентні характеристики нанокластерів золота зв’язаних з білковим матриксом.

Наночастинки набувають флуоресцентних властивостей коли їх розмір стає настільки маленьким, що енергетичні рівні квантуються. Зазвичай це відбувається при розмірі 5-2 нм. Варіюванням розміру можна змінювати частоти емісії. Малі частинки – більше уширення рівнів – більша частота. Великі – менше і менша частота. Але просто частинки мають поганий квантовий вихід. Це можна виправити, якщо зв’язати їх з деяким білковим матриксом, що буде стабілізувати їх. У вільному стані золото, яке знаходиться у триплетному стані є хімічно активним і реагує з вільними радикалами у розчині, матрикс перешкоджає цьому, квантовий вихід також збільшується.

Виявилось що зв’язані частинки утворюють 2 види кластерів з 8 та 25 атомів, кожен має свої флуоресцентні властивості. Також емісія сильно залежить від pH розчину, 8 атомна частинка майже не залежить, а от 25 атомний кластер зі збільшенням pH(лужність) збільшує емісію. Також нанокластери залежать від хімічного оточення, що впливає на довгоживучу компоненту емісії. Це змінює час емісії.

39. Фосфоресценція нанокластерів та можливі шляхи її використання у біонанотехнологіях. (НЕМА)

40. Поверхневий плазмонний резонанс наноструктур і його використання у біології та медицині. (НЕМА)

41. Ефекти посилення флуоресценції металевими наночастками, ПФМ ефект (Metal Enhanced Fluorescence (MEF)).

Типові експеременти з флуорофорами – це дослідження їх спектральних властивостей в умовах вільного простору. Наявність поблизу металевих поверхонь або частинок може змінювати ці умови і призвести до змін у отриманих спектрах. Це відбувається через взаємодю збуджених флуороворів з вільними електронами в металі.

Q_м= ( Г + Г_м)/( Г + Г_м+ k_nr), t = 1 / (Г + Г_м+ k_nr),

Г_м- швидкість випрмінювання, k_nr-швидкість безвипромінювального переходу, Q_м-квантовий вихід, t_м-час життя.

В той час як значення Гм збільшується, квантовий вихід зменшується і час житя зменшується. Це протилежно до більшості досліджень, де час життя флуоресценцій та квантовий вихід змініються в унісон.

Можливість зміни швидкості випромінювання була продемонстрована за рахунок вимірювання часу розпаду ( часу життя) комплексу Евпропію, що розташовувався на різних відстанях від плоскої металевої поверхні. Час життя комплексу зберігався експоненціальним однак коливався з відстанню від металевої поверхні. Цей ефект пояснюється різницею фаз відбитоо поля і фазою осциляції флуорофору. Зменшення часу життя відбувається тоді, коли відбите поле синфазне з осцилюючим диполем флуорофору, і збільшення – коли вони не у фазі.

42. Приклади використання ефекту посилення флуоресценції металевими наночастками (ПФМ ефекту) в розробці аналітичних біомедицинських платформ.

Мічення протеїнів методом МЕФ: зразок який містить зв’язану із сріблом ДНК поміщають у флуорометр, а потім додають флуорисцин помічену ДНК. ). Інтенсивність флуоресценції зростає одразу після додавання і повертається на звичайний рівень через 20 хв. Це збільшує інтенсивність із–за того, що поруч знаходяться і срібні частинки і помічені ДНК

МЕФ для аналізу розчинів: Розглянемо два підходи . В першому підході СіліційО2, занурений у срібний колоїд,що предусмотренній для заснованої на розчинах флуоресцентно-підсиленної чутливої платформи, забезпечує підсилення флуоресценції в 3 або5 разів. У другому підході використовуються олігонуклеотиди із срібними частинками і флуорофор позначені комплементарні олігонуклеотиди. Спостерігалось збільшення емісії від флуорофор-позначених комплементарних олігонуклеотидів після гібридизації у присутності срібних частинок. Цей результат вказує на можливість підходу до ДНК аналізу на основі агрегації металевих наночастинок зв’язаних з флуорофор поміченими олігонуклеотидами.

Контрольні запитання до змістовного модуля №1:

43. Загальні положення біонанотехнології та її зв’язок з біотехнологією та нанотехнологією.

Нанотехнології – область науки та техніки, що займається дослідженням, аналізом і синтезом, виробництвом і застосуванням продуктів з заданою атамарною структурою шляхом контрольованого маніпулювання окремими атомами, молекулами та іншими частинками, розміри яких знаходяться в межах 0.1 – 100нм.

Біотехнологія - використання живих організмів і біологічних процесів у виробництві.

Біонанотехнології – розділ нанотехнології, в якому необхідні атомні перестановки проводяться з використанням біологічних принципів, методів і способів. По суті вона споріднена з біотехнологією, оскільки дає можливість модифікувати на атомному рівні біологічні об’єкти, що синтезуються. Різницею між ними є те, що в біонанотехнологіях обов*язковим елементом є інженерне коструювання та збирання необхідних «кострукцій» на нанорівні.

+ можна включити пит 2

44. Ключові об’єднавчі ідеї біонанотехнології.

Біонанотехнологія відноситься до перетину нанотехнології і біології.

Ця дисципліна є своєрідним злиттям біологічних досліджень з різними областями нанотехнологій. Цей технічний підхід до біології дозволяє вченим представити і створити системи, які можуть бути використані для біологічних досліджень.

Найважливішими завданнями, які часто зустрічаються в нанобіології, є пов'язані із застосуванням наноінструментів у відповідних медичних / біологічних проблемах і вдосконалення цих додатків. Розробка нових інструментів для медичних і біологічних цілей є ще одною основною метою в області біонанотехнологій. Візуалізація біомолекул, біологічних мембран і тканин, а також використання консольних датчиків і застосування нанофотоніки для маніпулювання молекулярними процесами в живих клітинах є важливою темами для дослідників.

45. Методи дослідження в сучасній біології. Від нано- до макрооб’єктів

Сучасна біологія в своєму розпорядженні великою різноманітністю методів, що дозволяють вивчати структуру і функції живих і фіксованих клітин на мікроскопічному і субмікроскопічному рівнях. Найбільш широко застосовуються такі методи:
• флуоресцентна мікроскопія;

Флуоресцентна мікроскопія заснована на тому, що деякі речовини і структури здатні світитися при поглинанні світлової енергії. Для спостереження флуоресценції використовують або фільтри, що дають освітлення в синьо-фіолетової області, або ультрафіолетові та люмінісцентні мікроскопи. Власною (природною) флуоресценцією володіють: хлорофіл, вітаміни А, В12, деякі гормони. Хлорофіл при освітленні в ультрафіолетових променях світиться червоним кольором. Для вивчення структур і речовин, що не володіють природною флуоресценцією, можна використовувати флуорохроми. Флуорохром акридіновий помаранчевий вибірково з'єднується з нуклеїновими кислотами і при розгляді зрізів в ультрафіолетових променях ДНК світиться зеленим, а РНК - червоним кольором. Таким чином, цей метод дозволяє вивчати локалізацію різних хімічних речовин в живій та фіксованого клітці. Існують флуорохроми, вибірково зв'язуються з ліпідами, полісахаридами, кератином і ін
• рентгеноструктурний аналіз;

Метод рентгеноструктурного аналізу заснований на явищі дифракції рентгенівських променів і дає можливість визначити просторовий розташування молекул. Застосовується для вивчення структури білків, нуклеїнових кислот та інших речовин, що входять до складу цитоплазми і ядра клітини.

• метод диференціального центрифугування

Метод диференціального центрифугування заснований на різній швидкості осадження окремих частинок під дією відцентрової сили і використовується для розділення внутрішньоклітинних структур. Коефіцієнт седиментації (S) визначається швидкістю руху макромолекул в полі з прискоренням, вимірюється в одиницях Сведбергах. Для визначення S використовується центрифугування при високій швидкості (30000-60000 об./хв). При швидкісний седиментації використовується середу однакової щільності. Компоненти клітини, спочатку рівномірно розподілені по всьому об'єму пробірки, при центрифугуванні осідають кожен зі своєю швидкістю. В результаті, вміст пробірки розділяється на фракції (шари)
• цито-і гістохімія;
• цитоспектрофотометрії;
• диференціальне центрифугування;
• гістоавторадіографія;

• прижиттєве фарбування;
• темнопольна мікроскопія;

• фазово-контрастна мікроскопія;
• культивування клітин і тканин;

• спектроскопія ЯМР;
• електронна мікроскопія.

46. Об’єкти дослідження біонанотехнології.

Об’єктом дослідження біонанотехнології є атоми, молекули та інші наночастинки, розміри яких знаходяться в межах 0.1 – 100нм, а також їхні комплекси в живих організмах

47. Найважливіші завдання біонанотехнологій

· прицільне постачання ліків

· молекулярна візуалізація

· косметика

· створення нових лікарських засобів

· методи діагностики

· хірургія, в тому числі трансплантація тканин та органів

· тканинна інженерія

· харчові технології

· геноміка і протеоміка

· молекулярні біосенсори

· інше

48. Обґрунтувати переваги нанорозмірів для біотехнологій

Нанорозмірний інтервал побудови матерії має свої особливості. На цьому рівні речовина має відмінні від макросвіту властивості. Деякі властивості речовини можуть змінюватись при досягненні певних розмірів(це називається перехід до наноречовини). При зменшенні розмірів частинок, доля атомів, що розташовані на поверхні, та їх вклад у властивості об’єкта стають суттєвими ізбільшуються з подальшим зменшенням розмірів. На цьому розмірному рівні відбувається перехід від дії законів классичної механіки, до квантової,фізико-хімічні властивості речовин принципово змінюються або навіть набувають принципово нових унікальних властивостей – це може стосуватись механічних, електричних, температурних, магнітних, оптичних та інших властивостей матеріалів.

49. Проблема гравітації та інерції на нанорівні

Завдяки нанорозмірам біонаномашини майже несприятливі до законів гравітації та інерції.

Середні за розміром об’єкти: для об’єктів см-м, сили тертя, міцність, адгезія, порівняні з величинами сил інерції і гравітації

Великі об’єкти: Збільшення інерції або маси може швидко подолати міцність для великих об’єктів.

Малі об’єкти : ефекти протилежні до великих об’єктів, інерція не відіграє суттєвої ролі, гравітація також є незначною.

50. Біонаномашни потребують водне середовище

Форму і функції біонаномашин детермінують дві компоненти: хімія їх складових атомів і незвичайні властивості води навколо них. Полярні та зарядженні частинки біомолекул (гідрофільні) легко розчиняються у водному середовищі. Області, збагачені вуглецем, не можуть утворювати необхідних водневих зв’язків і збираються разом у вигляді маленьких крапель(зводячи до мінімуму контакт з оточуючою водою)

Гідрофобний ефект формує структуру та функцію біологічних молекул(білки, ліпіди, ДНК та інші)

Для білків ланцюг згортається в компактну глобулу; для ДНК пари основ розташовані всередині, в результаті чого сильно заряджені фосфати розміщуються по поверхні; для ліпідів, багато окремих молекул змушені бути разом щоб формувати мембрани, з їх гідрофобними атомами, розташовані між листами гідрофільних заряджених атомів.

51. 0000

52. Характеристика природніх наномашин. Навести приклади.

В нашому тілі працюють 10000 різних наномашин. Наше тіло – найскладніша система, більшість процесів якої відбуваються на нанорівні. Працюють наномашини спільно, щоб організувати безліч життєво важливих процесів (травлення, дихання, ріст, репарацію, почуття небезпеки, самовідтворення)

Приклади наномашин:

1) Природний травний фермент пепсин (додають навіть у пральний порошок)

2) Амілази – перетворюють борошнистий крохмаль в кукурудзяний солодкий сироп

Біонаномашини побудовані з дискретного числа атомів що взаємлодіють між собою. Нанодвигуни такі, як АТФ-синтаза та бактеріальні джгутики мають кілька дискретних поворотних станів, які змінюються. Макровластивості, такі як вязкість і тертя є незначними для дискретних атомарних ансамблів

53. Обґрунтувати роль теплового руху у біопроцесах на нанорівні.

Тепловий рух є значною силою на нанорівні. Основна частина роботи, яка виникає в клітині, викликана за допомогою випадкового дифузного руху. Біонаномашини працюють в хаотичному середовищі, вони постійно бомбардують молекули води, і якби не утримувалися б на місці, то вони швидко розсіювалися б. Будь які дві клітини всередині мікророзмірної клітини зустрічаються одна з одною кожну секунду

54. Білки, як природні біонаномашини. Характеристика властивостей їх компонент -амінокислот.

Більшість природних біонаномашин складаються з білка, бо він є

· Найбільш універсальним з природніх з природних біомолекул

· Використ. Для побудови наномашин, наноструктур і наносенсорів

Найдовший білок Titin складається з 20000 амінокислот. Типові розчинні білки мають розмір ланцюга в діапазоні від 200 до 500 амінокислотю

Білки – найваждивіший клас макромолекул, від яких залежить переважна більшість біологічних функцій. Кожен білок побудований з амінокислот, які складаються в ланцюг
Амінокислота — органічна сполука, молекули якої одночасно містять аміно- (-NH₂) та карбоксильну (-СООН) групи. Амінокислоти ємономерними одиницями білків, у складі яких залишки амінокислот з'єднані пептидними зв'язкамиЗ хімічної точки зору білок – поліпептидний ланцюг. Амінокислоти є структурними хімічними одиницями або "будівельною цеглою", що утворює білки. Амінокислоти на 16% складаються з азоту, це є основною хімічною відмінністю від двох інших найважливіших елементів живлення - вуглеводів і жирів. Важливість амінокислот для організму визначається тією величезною роллю, яку грають білки в усіх процесах життєдіяльності. Будь-який живий організм від найбільших тварин до крихітного мікроба складається з білків. Різноманітні форми білків беруть участь в усіх процесах, що відбуваються в живих організмах. У тілі людини з білків формуються м'язи, зв'язки, сухожилля, усі органи і залози, волосся, нігті; білки входять до складу рідин і кісток. Ферменти і гормони, що каталізують і регулюючі усі процеси в організмі, також є білками. Дефіцит білків в організмі може привести до порушення водного балансу, що викликає набряки. Кожен білок в організмі унікальний і існує для спеціальних цілей. Білки не є взаємозамінними. Вони синтезуються в організмі з амінокислот, які утворюються в результаті розщеплювання білків, що знаходяться в харчових продуктах. Таким чином, саме амінокислоти, а не самі білки є найбільш цінними елементами живлення. Окрім того, що амінокислоти утворюють білки, що входять до складу тканин і органів людського організму, деякі з них виконують роль нейромедіаторів (нейротрансмітерів) або є їх попередниками. Нейромедіатори - це хімічні речовини, передавальні нервовий імпульс від однієї нервової клітини на іншу. Таким чином, деякі амінокислоти потрібні для нормальної роботи головного мозку.

55. Закономірності будови глобулярних водорозчинних білків. Роль неполярних і полярних амінокислот у стабілізації просторової організації білків.

Білки мають властивість складатись у деякі структури, які можна поділи як: первинна, вторинна, третинна, четвертинна. Глобулярні білки є найпоширенішими білками і складаються з неполярної середини, полярної поверхні та активного центру де і відбувається взаємодія. Мають форму сфери чи овалу. Сферична структура обумовлена гідро-фільно-фобною взаємодією.

· Первинна – конкретна структура білка, набір амінокислот, який саме і визначає подальші функції і будову та властивості білка, тобто структура забезпечує функції, а не навпаки. Але безпосередньо в цьому стані білки не можуть існувати, тому утворюються інші структури.

· Вторинна – структура, яка утворюється за рахунок водневих зв’язків. Існує спіральна і складена вторинна структура, яка відповідно називається α-спіраль, β-шпилька. На α-спіраль припадає 3,6 аміногрупи і стабілізується водневими зв’язками. Розміщення β-шпилька може бути, як паралельною, так і антипаралельною, що визначається напрямом амінопослідовності, що відраховується від N кінця до C кінця. Водневі зв’язки в || знаходяться під деякими кутами, тому вони слабкіші. Утворення відбувається дуже швидно.

· Третинна структура утворюється за рахунок з’єднання ділянок вторинної структури. Утворення йде за рахунок взаємодії гідрофобний (неполярних) та гідрофільних (полярних) залишків. У водному середовищі гідрофільна частина знаходиться зовні, а гідрофобна буде намагатись сховатись в середину, що характерно для глобулярних білків. Укладання білку йде таким чином, щоб забезпечити максимально кількість міжатомних контактів, додаткові внески можуть давати дисульфідні ковалентні зв’язки ( S-S ), водневі та іонні взаємодії.

· Четвертинна виникає за рахунок самоорганізації та слабких взаємодій і являє собою комплекс білків, які тільки в цьому вигляді функціонально активні.

56. Ієрархія структурної будови білків. Охарактеризувати структурні елементи білків. (Див. 13 питання)

Білки мають властивість складатись у деякі структури, які можна поділи як: первинна, вторинна, третинна, четвертинна. Основними структурними елементами білка є 20 амінокислот, які зв’язані між собою пептидними зв’язками і вони часто називають амінокислотними залишками. Частина цих залишків продукується в організмі, а частина є так званими незамінними амінокислотами, які потрапляють в організм з їжею.

· Вторинна – структура, яка утворюється за рахунок водневих зв’язків. Існує спіральна і складена вторинна структура, яка відповідно називається α-спіраль, β-шпилька. На α-спіраль припадає 3,6 аміногрупи і стабілізується водневими зв’язками. Розміщення β-шпилька може бути, як паралельною, так і антипаралельною, що визначається напрямом амінопослідовності, що відраховується від N кінця до C кінця. Водневі зв’язки в || знаходяться під деякими кутами, тому вони слабкіші. Утворення відбувається дуже швидно.

· Четвертинна виникає за рахунок самоорганізації та слабких взаємодій і являє собою комплекс білків, які тільки в цьому вигляді функціонально активні.

57. Типи природніх білків.(Нічого більше не знайшов в конспекті, див. попередне)

Існує багато різновидів білків, але вони поділяються на групи:

· Неструктуровані білки – не мають гідрофобних залишків зазвичай регулюють активність генів.

· Фібрилярні – входять до складу сполучної тканини і мають тільки вторинну структуру. Утворюють скелет, кістки.

· Мембранні білки – знаходяться в гідрофобному оточенні і як наслідок мають інші принципи організації структури.

· Глобулярні білки – є найпоширенішими білками і складаються з неполярної середини, полярної поверхні та активного центру де і відбувається взаємодія. Мають форму сфери чи овалу. Сферична структура обумовлена гідро-фільно-фобною взаємодією.

58. Згортання білка у нативну структуру в клітині. Парадокс Лівенталя.

Просторова структура білка, якій приписують певні функції називається нативною. Розгортання білка з переходом у невпорядкованих стан називається денатурацією.

Виникає питання: як білок приходить до своєї нативної структури? З цього питання виник так званих парадокс Лівенталя, який полягаю у тому, що простим перебором всіх можливих комбінацій білка, час його утворення є дуже великим. Наприклад, для білка з 100 залишків можливо ~3¹⁹⁸ варіантів конформації, що відповідає ~10²²секунд, якщо один перехід триває ~10^-13 секунди. Тобто поліпептид приходить до свого стану набагато порядків швидше, ніж як би він просто перебирав всі можливі комбінації. Вирішити цей парадокс допомагає розуміння того, що білок не перебирає всі можливі комбінації, а за рахунок зв’язків, що швидко утворюються, він поступово самоорганізовується і утворює нативну структуру. Наприклад α-спіраль утворюється за наносекунди і стабілізується, що вже зменшує кількість можливих перестановок. Але для дуже великих білків, ця проблема все ж актуальна, хоч і не має порядків життя всесвіту. Великі білки збираються окремо з маленьких, або їм допомагають зібратись так звані білки конструктори – шаперони.

Шаперони — білки, наномашини, які допомагають нековалентному згортанню/розгортанню або розбиранню/зборці інших макромолекулярних структур, але не взаємодіють з цими структурами, коли останні виконують свої нормальні біологічні функції.

Шаперони допомагають у зборці білка, якщо той має на шляху своєї конструкції локальні мінімуми, які можуть завадити. Також існують так звані heat shock шаперони, які допомагають у ренатурації білків після їх теплової денатурації.

Як висновок: шаперони та збирання у вторинну структуру є рішення парадоксу Лівенталя.

59. Шаперони, як молекулярні наномашини. Приклади природніх шаперонів.

Шаперони — білки, які допомагають нековалентному згортанню/розгортанню або розбиранню/зборці інших макромолекулярних структур, але не взаємодіють з цими структурами, коли останні виконують свої нормальні біологічні функції. При денатурації (розгортанні) білок може взаємодіяти з іншими білками своїми гідрофобними групами і при великих концентраціях білків він може опинитися в пастці між іншими білками. Існує так званий парадокс Лівенталя, кий говорить що для білка всього зі 100 амінокислот, оскільки він має 3¹⁹⁸ конформацій, потрібно 10²⁶ секунд, щоб згорнутися. Шаперони захищають ланцюг що укладається від взаємодії з іншими біомолекулами і тим самим допомагають білку згорнутися до своєї нативної структури.

Перш за все шаперони обмежують наявний простір, прискорюючи згортання білків, та запобігають новосинтезованим пептидним ланцюгам взаємодіяти та створювати комплекси з недіючими структурами. У багатьох випадках шаперони також відновлюють структуру білків, що втратили її з часом або в результаті впливу умов навколишнього середовища.

Шаперони Hsp70: основна ф-я - підтримання розгорнутого стану ланцюга при запобіганні агрегації.

Шаперони Hsp 90: знайдені у еукаріотів і бактерій. За нормальних умов вони відіграють основну роль в секреторних шляхах і внутрішньоклітинному транспорті, а за умов стресу залучаються до процесів мітозу, мейозу, регуляції клітинного циклу.

60. Наномашини, які руйнують клітини. Інфекційні білки - пріони.

В деяких випадках змінені під час взаємодії структурні стани білків можуть фіксуватися надовго – стають практично необоротними. Це явище лежить в основі інфекційних властивостей білків пріонів. Пріони - особливий клас інфекційних агентів, що викликають важкі захворювання центральної нервової системи у людей і ряду вищих тварин. Пріонний білок має аномальну тривимірну структуру і здатний прямо каталізувати структурне перетворення нормального клітинного білка в собі подібний (пріонний), приєднуючись до білка-мішені і змінюючи його конформацію. Як правило, пріонний стан білка характеризується переходом α-спіралей білка в β-складчатість. Первісний пріон з’являється в наслідок порушення спадкової програми.

61. Основні функції білкових наномашин.

Основні ф-ї білків:

· Формування клітинних і позаклітинних структур. Також білки, що виконують структурну роль часто можуть брати участь і в виконанні інших ф-й: актин також приймає участь у скороченні м’язів, фібрилярні білки виконують опорну ф-ю у позаклітинних структур;

· Забеспечення різноманітних рухів. Білки забезпечують різноманітні рухи – зміни форми клітини, переміщення окремих елементів в середину клітини, обертальний рух джгутиків бактерій;

· Регуляція біологічних процесів. Сприймаючи різноманітні сигнали, що поступають на поверхню клітини, білки-рецептори, змінюючи свою структуру після взаємодії з сигналом і набуваючи в результаті здатності взаємодіяти з іншим білком, передають сигнал всередину клітини;

· Транспортна. Розчинні білки, що беруть участь в транспорті малих молекул, зв'язують відповідний субстрат в одній частині клітини або організму, наприклад в місцях високої концентрації або при присутності додаткових регуляторних факторів, і легко вивільняють його в місцях низької концентрації субстрату або там, де відсутні згадані регуляторні молекули. Прикладом таких транспортних білків можна назвати гемоглобін. Деякі мембранні білки беруть участь в транспорті малих молекул через біологічні мембрани, змінюючи їхню проникність для цих молекул;

· Захисна. Багато білків беруть участь в захисній відповіді організму як на пошкодження, так і на атаку патогенів. Прикладами першої групи білків служать фібриногени і тромбіни, що беруть участь в згортанні крові, а антитіла (імуноглобуліни), нейтралізують бактерії, віруси або чужорідні білки;

· Каталіз біохімічних реакцій. Ферменти — тип білків, що характеризується специфічними каталітичними властивостями, тобто кожний фермент каталізує одну або декілька реакцій. Ферменти каталізують реакції розщеплювання (катаболізм) і синтезу (анаболізм) складних молекул, зокрема, синтез та деградацію ДНК, РНК, білків, ліпідів та цукрів. Крім того вони каталізують синтез та деградацію малих молекул, хімічні модифікації та ряд інших реакцій, необхідних для життєдіяльності;

· Руйнування клітин чи порушення клітинного метаболізму (екзотоксини бактерій).

62. Роль білків в процесах каталізу біохімічних реакцій. Поняття активного центру.

Найкраще відома роль білків в організмі — каталіз різних хімічних реакцій. Ферменти — тип білків, що характеризується специфічними каталітичними властивостями, тобто кожний фермент каталізує одну або декілька реакцій. Ферменти каталізують реакції розщеплювання (катаболізм) і синтезу (анаболізм) складних молекул, зокрема, синтез та деградацію ДНК, РНК, білків, ліпідів та цукрів. Крім того вони каталізують синтез та деградацію малих молекул, хімічні модифікації та ряд інших реакцій, необхідних для життєдіяльності. Наприклад фермент пепсин розщеплює білки в процесі травлення. Прискорення реакції в результаті ферментативного каталізу часто величезне: наприклад, реакція, що каталізується ферментом оротат-карбоксилазою протікає в 10¹⁷ разів швидше, ніж без каталізатора. Молекули, які змінюються в результаті реакції при посередництві ферментів, називаються субстратами. Хоча ферменти зазвичай складаються з сотень амінокислот, тільки невелика частина з них взаємодіє з субстратом, і ще менша кількість — в середньому 3-4 амінокислоти в одній молекулі білка, часто розташовані далеко одна від іншої в первинній амінокислотній послідовності, — безпосередньо беруть участь в каталізі. Частина ферменту, яка з'єднується із субстратом і містить каталітичні амінокислоти, називається активним центром ферменту. Активний центр безпосередньо здійснює взаємодію з молекулою субстрату або з тими її частинами, які беруть участь в реакції. Активний центр зазвичай має вигляд маленької «кишені» на поверхні ферменту, яка містить залишки, що відповідають за специфічність до субстрату (заряд, гідрофобність, стеричні перешкоди), що з'єднуються з різними ділянками субстрату, і каталітичні залишки, які часто служать донорами або акцепторами протонів, або відповідають за зв'язування кофактору (наприклад PLP, TPP або НАД+). Активний центр — також ділянка зв'язування інгібіторів ферменту.

63. Що таке енергетичний бар’єр на шляху структурних перетворень молекул.

Реакція протікає спонтанно, коли хімічний потенціал початкового стану системи більший за хімічний потенціал кінцевого. Можна сказать, що в інакшому випадку виникає певний енергетичний бар’єр. За рахунок пониження потенціалу виділяється енергія, яку можна використать для запуску реакції, де початковиий хімічний потенціал менший за кінцевий. Для цього необхідно, щоб такі реакції, які називаються спряженими, мали спільний проміжний продукт. Наприклад, утворення складного ефіру глюкози спряжене з гідролізом АТФ, де проміжним продуктом виступає фосфорна кислота.

Проте більшість органічних реакції протікають дуже повільно, незалежно від різниці хімічних потенціалів. Основна причина це те, що для вступу в реакцію, молекули реагенту повинні мать певну мінімальну енергію, що називається енергією активації. Цю енергію також можна пов’язати з енергетичним бар’єром іншого роду. Наприклад, реагенти можуть бути оточені оболонкою з молекул води і реагувати лише тоді, коли стикаються в сприятливій орієнтації, що трапляється досить рідко. В цьому випадку енергія активації використовується більшою частиною на подолання гідратних оболонок, зближення реагентів та інші хімічні процеси, в яких вони беруть участь. Сполуки, які знижують енергію активації називаються ферментами.

64. Типи нековалентних міжмолекулярних взаємодій, які організують природні наномашини.

Водневий зв`язок – це заємодія між двома електронегативними атомами (A та B) одної або різних молекул через атом водню (H). Електронна хмара H зміщена в напрямку ковалентно зв’язаного атому A за рахунок його значно більшої електронегативності. Через це H приймає частковий позитивний заряд, A – частковий негативний. B, що також має частковий від’ємний заряд, електростатично взаємодіє з H, утворюючи водневий зв`язок. Ці зв’язки відносно слабкі, їх енергія не перевищує 40 кДж/моль, що на порядок менше за енергію ковалентних зв’язків, але більше за енергію теплового руху. Час життя – пікосекунди. Міцність залежить від взаємного розташування атомів. Вона найбільша, коли A, B, та H знаходяться на одній прямій та спадає зі зменшенням кута (AH, H ... B).

Сили Ван-дер-Ваальса – загальний термін для позначення взаємодії між нейтральними атомами на відстанях, що перевищують розміри атома. Енергія міжмолекулярної взаємодії – 0.8 – 8.16 кДж/моль. Поділяються на три типи:

Орієнтаційні – обумовлені електростатичною взаємодією між двумя постійними диполями. Енергія обернено пропорційна кубу відстані між диполями.

Дисперсійне притягання – обумовлене взаємодією між миттєвим диполем, що утворився в результаті флуктуації електронної густини електронейтрального атома та іншим диполем, що ним індукований. Енергія обернено пропорційна шостій степені від відстані.

Індукційне притягання – взаємодія між постійним диполем і індукованим ним. Енергія обернено пропорційна шостій степені від відстані.

Електростатичні – кулонівська взаємодія між йонами та зарядженими частинами молекули. Енергія пропорційна квадрату відстані.

Гідрофобні – мають ентропійну природу. Притягання в воді між неполярними молекулами за рахунок того, що їм термодинамічно не вигідно контактувати з водою. Чутливі до змін температури.

65. Організація вторинної структури білків і ДНК за допомогою направлених водневих зв’язків.

В ДНК комплементарність пар (АТ ГЦ) забезпечується наявністю водневих зв’язків між нуклеотидами: пуріновою основою одного нуклеотида і пірамідиновою іншого нуклеотида. В одному випадку їх дві штуки, в іншому – три, що збільшує загальну енергію взаємодії між нуклеотидами.

В білках водневі зв’язки беруть участь у формуванні наступних структур:

Альфа-спіраль. Можуть бути ліво- та право- закрученими з різним кроком. Водневий зв’язок утворюється між карбонільною групою одного амінокислотного залишка та аміногрупою іншого. Найбільше розповсюджений випадок, де спіральна структура стабілізована зв’язками між пептидними групами, що віддалені на чотири ланки. Один виток такої спіралі складає 3.6 амінокислотних залишки.

Бета-листи. Зигзагоподібні поліпептидні ланцюги, де водневі зв’язки утворюються відносно віддаленими амінокислотами одного ланцюга або різними ланцюгами одного білка. Пептидні ланцюги можуть бути як паралельно, так і антипаралельно напрямленими. (див. 13 питання детальніше. Для білків)

66. АТФ – макроенергетична сполука клітин. Загальна характеристика.

АТФ – одна з трьох “енергетичних валют” організму поряд з протонним та натрієвим потенціалом. Нуклеотид, що містить послідовно поєднані аденін, рибозу та три фосфатні залишки. У реакціях бере участь у вигляді комплексу з йоном магнію. Ковалентні зв’язки між оксигенами фосфатних груп є макроергічними. При відщепленні першої та другої з кінця фосфатних груп під час гідролізу вивільняється порядку 30кДж енергії. Однак, щоб ця енергія пішла для виконання корисної роботи, а не розсіялась у вигляді тепла, то розклад АТФ та реакція, що потребує її енергії відбуваються спряжено, з утворенням спільного продукту реакції.

АТФ слугує безпосереднім джерелом енергії для величезної кількості органічних реакцій. Синтезу, розпаду, транспорту, механічної та осмотичної роботи, тощо.

Окрім всього іншого, АТФ є початковим продуктом при синтезі нуклеїнових кислот, бере участь в регуляції багатьох фізичних процесів, а також має певну роль в якості медіатора в синапсах.

67. Природа генетичного матеріалу: нуклеїнові кислоти – інформаційні макромолекули.

Нуклеїнові кислоти – складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Нуклеотид складається з азотистої основи, п’ятивуглецевого моносахариду, або ж пентози і фосфатної кислоти. В залежності від виду пентози, нуклеїнові кислоти поділяють на дезоксирибонуклеїнову та рибонуклеїнову. ДНК та РНК – виконують у всіх живих організмах роль передачі та експресії генетичної інформації. Інформація в них кодується послідовністю азотистих основ. Для ДНК це – аденін, тимін, гуанін та цитозин. У випадку з РНК, тимін замінений на урацил.

Основні функції РНК - шаблон для трансляції генетичної інформації в білки та транспорт відповідних амінокислот до рибосом. В вірусах вони є носіями генетичної інформації. Може володіти каталітичною активністю. Такі РНК називаються рибозимами. Рибозими можуть каталізувати розщеплення самих себе або інших молекул РНК. Створені штучно рибозими, що здатні каталізувати свою власну зборку.

ДНК – власне, забезпечує зберігання та передачу генетичної інформації. Складається з двох ланцюжків, що зкріплені за допомогою водневих зв’язків між азотистими основами в структуру, що отримала назву “подвійна спіраль”. Ланцюжки розташовані антипаралельно. Сама спіраль правозакручена. В залежності від хімічних модифікацій основ, концентрації хімічних речовин в розчині, та інших факторів може приймати різні конформації (A, B, Z...).

68. Загальна характеристика структури нуклеїнових кислот. Фізико-хімічні властивості нуклеїнових кислот.

Нуклеїнові кислоти — складні високомолекулярні біополімери, мономерами яких є нуклеотиди. Природні нуклеїнові кислоти — ДНК і РНК — виконують у всіх живих організмах роль передачі і експресії генетичної інформації

Структура : Молекула нуклеотиду складається азотистої основи (пуринового або піримідинового) , п'ятивуглецевого моносахариду (пентози : рибози або дизоксирибози) і фосфатної кислоти. Залежно від виду пентози, що входить до складу нуклеотиду, їх поділяють на дезоксирибонуклеїнову (ДНК) та рибонуклеїнову (РНК). Нуклеїновим кислотам, як і білкам, притаманна первинна структура — певна послідовність розташування нуклеотидів, а також складніша вторинна і третинна структури, які формуються за допомогою водневих зв'язків, електростатичним та іншим взаємодіям.Ланцюжки із нуклеотидів зєднуються через залишок фосфорної кислоти.

До пуриновий азот. основ відноситься Аденін і Гуанін, до піримідинових Цитозин, Урацил і Тимін

Функції: гарно розчинні у воді, практично нерозчинні в органічних розчинниках. Дуже чутливі до дій температури і до критичного рівня рН. Молекули ДНК з високою молекулярною масою, виділені з природних джерел, здатні фрагментуватися під дією механічних сил, наприклад при перемішуванні розчину. Нуклеїнові кислоти фрагментуються ферментами - нуклеазами. Завдяки негативному заряду молекули нуклеїнові кислоти рухаються в електричному полі.

69. Характеристика структурних форм ДНК і РНК.

Нуклеотиди, в яких пентоза представлена рибозой, називають рибонуклеотид, а нуклеїнові кислоти, побудовані з рибонуклеотидов, - рибонуклеїнова кислота, або РНК. Нуклеїнові кислоти, в мономери яких входить дезоксирибоза, називають дезоксирибонуклеіновими кислотами, або ДНК. Нуклеїнові кислоти за своєю будовою відносять до класу лінійних полімерів. Остов нуклеїнової кислоти має однакову будову по всій довжині молекули і складається з чергуються груп - пентоза-фосфат-пентоза-Варіабельними групами в полінуклеотідних ланцюгах служать азотисті основи - пуринів і піримідинів. У молекули РНК входять аденін (А), урацил (U), гуанін (G) і цитозин (С), в ДНК - аденін (А), тимін (Т), гуанін (G) і цитозин (С). Унікальність структури і функціональна індивідуальність молекул ДНК і РНК визначаються їх первинною структурою - послідовністю азотистих основ у полінуклеотидного ланцюга. Поєднуються : Ц-Г, А-Т

ДНК

Первичная структура ДНК Концевые нуклеотиды ДНК различают по структуре: на 5'-конце находится фосфатная группа, а на 3'-конце цепи - свободная ОН-группа. Эти концы называют 5'- и 3'-концами. Линейная последовательность дезоксирибонуклеотидов в полимерной цепи ДНК обычно сокращённо записывают с помощью однобуквенного кода, например -A-G-C-T-T-A-C-A- от 5'- к 3'-концу.

Вторичная структура ДНК. Молекула ДНК имеет форму спирали, образованную двумя полинуклеотидными цепями, закрученными относительно друг друга и вокруг общей оси. Двойная спираль правозакрученная, полинуклеотидньхе цепи в ней антипараллельны т.е. если одна из них ориентирована в направлении 3'→5', то вторая - в направлении 5'→3'. Все основания цепей ДНК расположены внутри двойной спирали, а пентозофосфатный остов - снаружи. Полинуклеотидные цепи удерживаются относительно друг друга за счёт водородных связей между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми азотистыми основаниями А и Т (две связи) и между G и С (три связи). Число пуриновых оснований (А + G) равно числу пиримидиновых оснований (Т + С). Комплементарые основания уложены в стопку в сердцевине спирали. Между основаниями двухцепочечной молекулы в стопке возникают гидрофобные взаимодействия, стабилизирующие двойную спираль.

Третичная структура ДНК. Чтобы расположить ДНК в ядре клетки, должна быть сформирована очень компактная структура. Компактизация и суперспирализация ДНК осуществляются с помощью разнообразных белков, взаимодействующих с определёнными последовательностями в структуре ДНК.

70. Структура РНК. Рибозими.

Первичная структура РНК - порядок чередования рибонуклеозидмонофосфатов (НМФ) в полинуклеотидной цепи. В РНК, как и в ДНК, нук-леотиды связаны между собой 3',5'-фосфодиэфирными связями. Концы полинуклеотидных цепей РНК неодинаковы. На одном конце находится фосфорилированная ОН-группа 5'-углеродного атома, на другом конце - ОН-группа 3'-углеродного атома рибозы, поэтому концы называют 5'- и 3'-концами цепи РНК. Гидроксильная группа у 2'-углеродного атома рибозы делает молекулу РНК нестабильной (це важливо). Так, в слабощелочной среде молекулы РНК гидролизуются даже при нормальной температуре, тогда как структура цепи ДНК не изменяется

Вторичная структура РНК Молекула рибонуклеиновой кислоты построена из одной полинуклеотидной цепи. Отдельные участки цепи РНК образуют спирализованные петли - "шпильки", за счёт водородных связей между комплементарными азотистыми основаниями A-U и G-C. Участки цепи РНК в таких спиральных структурах антипараллельны, но не всегда полностью комплементарны, в них встречаются неспаренные нуклеотидные остатки или даже одноцепочечные петли, не вписьюающиеся в двойную спираль. Наличие спирализованных участков характерно для всех типов РНК.

Третичная структура РНК Одноцепочечные РНК характеризуются компактной и упорядоченной третичной структурой, возникающей путём взаимодействия спирализованных элементов вторичной структуры. Так, возможно образование дополнительных водородных связей между нуклеотидными остатками, достаточно удалёнными друг от друга

Рибозим (сокращение от «рибонуклеиновая кислота» и «энзим»), также называемая ферментативной РНК или каталитической РНК — это молекула РНК, обладающая каталитическим действием. Многие рибозимы естественного происхождения катализируют расщепление самих себя или других молекул РНК. В рамках исследований, посвященных происхождению жизни, удалось создать искусственные рибозимы типа РНК-полимеразы, способные при определенных условиях катализировать свою собственную сборку. Несмотря на то, что большинство рибозимов достаточно редко встречаются в клетках, иногда они очень важны для их существования. Например, активная часть рибосомы — молекулярной машины, осуществляющей трансляцию белков из РНК — является рибозимом.

71. Найбільш поширені і важливі для клітин РНК

мРНК, синонім — інформаційна РНК — синтезується на матриці ДНК під час транскрипції. Ця РНК переносить інформацію про первинну структуру білків від ДНК до місця синтезу білка і використовується під час трансляції як матриця для їх синтезу.

тРНК – маленький ланцюжок РНК, що транспортує амінокислоти, необхідні для синтезу білка, до місця де він відувається. Для кожної амінокислоти існує своя тРНК.

рРНК є центральною компонентою рибосоми, забезпечує механізм для розшифровки мРНК в амінокислоти і взаємодії з тРНК під час трансляції. Складається з двух субодиниць.

72. Роль білково-нуклеїнових взаємодій в організації та функціонуванні інформаційних макромолекул.

ДНК постійно взаємодіє із великою кількістю білків. Усі білки, які взаємод. з ДНК можна розділити на дві категорії: такі, що звязуються з ДНК будь-якої послідовності і ті, що здійснюють специфічне впізнавання певної послідовності пар основ.

На поверхні ДНК розташовані негативно заряджені фосфатні залишки, дезоксирибози та екзоциклічні групи азотистих основ у жолобках. Саме ці групи і залучаються до контактів з амінокислотними боковими залишками та пептидними групами на поверхні білка. Найважливішими типами контактів є електростатичні контакти та водневі зв'язки.

Для ефективного впізнавання потрібна певна конформація подвійної спіралі та/або певні зміни цієї конформації

Електростатичні взаємодії реалізуються між негативно зарядженими фосфатами ДНК та позитивно зарядженими за нейтральних рН залишками Arg та Lys у білках. Саме електростатичні взаємодії відповідають за неспецифічне зв'язування білків з ДНК. Але, оскільки заряди на фосфатних залишках в інтерфейсі між ДНК та білком, де відсутні протиіони, мають бути нейтралізованими, електростатичні взаємодії присутні практично завжди в білковонуклеїнових комплексах. Відповідно, білки, що здатні впізнавати з високою спорідненістю певні елементи послідовності, взаємодіють також з меншою спорідненістю та з усіма іншими послідовностями – неспецифічні за рахунок електростатичних взаємодій

Водневі зв'язки утворюються між донорними та акцепторними групами, з одного боку, амінокислотних залишків і поліпептидного остова, з іншого – цукрофосфатного остова й азотистих основ у жолобках. Оскільки водневі зв'язки потребують чіткої взаємної орієнтації донора та то саме вони зазвичай відіграють роль головного фактору специфічного впізнання

73. Використання молекулярних інструментів клітин в біонанотехнологіях

Асемблер рибосома, яка виробляє білки будь-якої довжини та складу на основі набору певних інструкцій. Інформ-керований синтез білка – складний процес, що вимагає узгод дії

Багато молекул інстр клітини є стабільними і можуть бути видалені з клітин для виконання запрограмованих синтезів під контролем дослідників. Крім того, кліт можуть бути спец спроектовані, щоб використовувати їх існуючий апар синтезу для синтезу білків, призн для окремих потреб.

74. Набір природних ферментів, що змінюють і взаємодіють з інформацією, яка знаходиться в нуклеїнових кислотах

А) Полімерази — ферменти, головною роллю яких є синтез нуклеїновиї кислот (РНК і ДНК), зазвичай на матриці іншої молекули нуклеїнової кислоти (зокрема в процесах реплікації і транскрипції. В комбінації з іншими факторами, вони отримують нуклеотиди з розчину і каталізують утворенняфосфодіестерних зв'язків між ланцюжком нуклеїнової кислоти, що росте, і новими нуклеотидами, вибраними за принипом комплементарності з нуклеотидами матриці.

Залежно від типу нуклеїнової кислоти, що синтезується, полімерази поділяють на ДНК-полімерази і РНК-полімерази. Більшіть полімераз ДНК-специфічні, тобто використовують в якості матриці ДНК, проте деякі вірусні або специфіцні полімерази (зворотні транскриптази, вірусні РНК-специфічні РНК-полімерази), використовують в якості матриці РНК, а інші (дезоксинуклеотиділ трансфераза) зовсім не потребують матриці.

Б) Лигаза (лат. ligāre — сшивать, соединять) — фермент, катализирующий соединение двух молекул с образованием новой химической связи (лигирование^[1]^[2]). При этом обычно происходит отщепление (гидролиз) небольшой химической группы от одной из молекул.

Лигазы относятся к классу ферментов EC 6.

В молекулярной биологии лигазы подкласса 6.5 классифицируют на РНК-лигазы и ДНК-лигазы.

В) Репресори, транс крип фактори, еносансери та інші регуляторні білки, які зв з нуклеотидамиі регулюють зчит інф. Вони можуть діяти шляхом фізичного блокування ланцюга, забезп точного зв полімерази на початковій точці синтезу або шляхом зміни фізичної структ ДНК

Г) Ексцизійні нуклеази, які видаляють основи з ланцюга накл., вони спец для модифікованих або не комплементарних основі викор для виправлення помилок(ексцизійна репарація основ та нуклеотидів)

Д) Топоізомерази вирішують топологічні проблеми, що виникають у довгих нитках ДНК. Це включає в себе релаксацію перекручених ниток ДНК, його примусове перекручення і розплітання шляхом передачі однієї частини ланцюга через іншу

Е) Рекомбінази викон виключення фрагмента ДНК з однієї нитки(заміну його з аналогічним фрагментом іншої нитки

Є) Сплайсеосома? Редагує фрагмент РНК, видаляючи част у центрі і з’єднуючи 2 флангових сегменти

Ж) Нуклеосоми та інші компактизучі білки для зберігання

Наявність цих молекул-інструментів породила цілу дисципліну, технологію рекомбінантних ДНК, що дозволяє модифікув ДНК і викор її для синтезу новоспечених білків та проектування організмів.

75. Дати характеристику основних комерційних молекулярних інструментів, які використовуються у біонанотехнологіях та технологіях рекомбінантних ДНК.

Рекомбінантна ДНК (recombinant DNA, rDNA) - молекула ДНК, отримана за допомогою методів генетичної інженерії (молекулярне клонування). Молекула поєднує в собі генетичний матеріал, виділений з різних біологічних джерел, створюючи таким чином певну ДНК послідовність. Отримана таким чином векторна ДНК може реплікуватись в клітинах-хазяях. Векторами для рекомбінантної ДНК можуть бути плазміди, віруси, штучні хромосоми на основі дріжджових чи тваринних хромосомальних елементів. Існує велика кількість різних систем, що дозволяють здійснювати експресію привнесених генів. Окрім загальної назви "рекомбінантна ДНК", таку молекулу іноді називають химерною ДНК. В технології рекомбінантної ДНК загалом використовують паліндромну послідовність, котра після відповідних маніпуляціях має тупі та липкі кінці. За допомогою технології рекомбінантної ДНК можливо привнести в геном одного організму певний ген, виділений з геному іншого організму, створюючи таким чином генетично модифікований організм. Технологія рекомбінантної ДНК і генетична рекомбінація є різними поняттями.

Білки, синтезовані в результаті експресії рекомбінантної ДНК називаються рекомбінантними білками. Інколи, під час присутності привнесеної молекули ДНК в геномі, експресія протеїну не відбувається. В цьому випадку вимагається використання специфічних векторних систем та певної стуктури ДНК конструкції (присутність специфічних промоторів, термінаторів та ін.)

Технологія створення рекомбінантної ДНК

Для створення молекули рекомбінантної ДНК необхідно пройти декілька етапів:

· виділення потрібного (цільового) гену

· вбудова гену в специфічну ДНК послідовність (вектор), здатну до реплікації в клітині-хазяєві

· введення вектору в організм-реципієнт

· визначення (скринінг) та відбір клітин, в геномі яких виявлена присутність гену інтересу

Створення рекомбінантної ДНК відбувається завдяки методу молекулярним клонуванням. Це є неосновний метод, але найбільш поширений. Тож, спочатку за допомогою рестриктаз отримують різного роду фрагменти ДНК, в тому числі й послідовності, що кодують гени. Фрагменти ДНК можуть мати як тупі так і липкі кінці^[6]. В результаті, різноманітні фрагменти ДНК можливо комбінувати між собою за допомогою різноманітних методів, наприклад методом рестрикційно/лігазного методу,методом Гібсона (Gibson assembly) та ін. Після введення чужорідної ДНК у геном органзіму-господаря, рекомбінантна ДНК-конструкція може експресуватись. В деяких випадках експресія не відбувається.

76. Загальна характеристика природніх наноматеріалів. Розміри наноструктур та типи

Наноматеріали

Матеріали, розроблені на основі наночасток з унікальними характеристиками, що випливають з мікроскопічних розмірів їх складових.

· Вуглецеві нанотрубки — протяжні циліндричні структури діаметром від одного до декількох десятків нанометрів і завдовжки до декількох сантиметрів, що складаються з однієї або декількох згорнутих в трубку гексагональних графітових площин (графеном) і зазвичай закінчуються напівсферичної голівкою.

· Фулерени — молекулярні сполуки, що належать класу аллотропних форм вуглецю (інші — алмаз, карбін і графіт) і які становлять опуклі замкнені багатогранники, складені з парного числа трьохкоординованих атомів вуглецю.

· Графен — моношар атомів вуглецю, отриманий у жовтні 2004 року в Манчестерському університеті (The University Of Manchester). Графен можна використовувати, як детектор молекул (NO 2), що дозволяє детектувати прихід і відхід одиничних молекул. Графен має високу рухливість при кімнатній температурі, завдяки чому як тільки вирішать проблему формування забороненої зони цього напівметал, обговорюють графен як перспективний матеріал, який замінить кремній в інтегральних мікросхемах.

· Нанокристали

· Аерогель

· Наноаккумулятори — на початку 2005 року компанія Altair Nanotechnologies (США) оголосила про створення інноваційного нанотехнологічного матеріалу для електродів літій-іонних акумуляторів. Акумулятори з Li 4 Ti 5 O 12 електродами мають час зарядки 10-15 хвилин. У лютому 2006 року компанія почала виробництво акумуляторів на своєму заводі в Індіані. У березні 2006 Altairnano і компанія Boshart Engineering уклали угоду про спільне створення електромобіля. У травні 2006 успішно завершилися випробування автомобільних наноаккумуляторов. У липні 2006 Altair Nanotechnologies отримала перше замовлення на поставку літій-іонних акумуляторів для електромобілів.

· Самоочисні поверхні на основі ефекту лотоса.

· Нанобетон.

Напрямки розвитку нанотехнологій

Нанотехнології розвиваються за такими основними напрямами:

· створення матеріалів з ексклюзивними, наперед заданими властивостями шляхом оперування окремими молекулами;

· конструювання нанокомп'ютерів, які використовують замість звичайних мікросхем набори логічних елементів з окремих молекул;

· збирання нанороботів — систем, що саморозмножуються і призначені для ведення будівництва на молекулярному рівні.