hirsh_ben_arie (idelsong) wrote,
hirsh_ben_arie
idelsong

Categories:
В 1838 г. ботаник Шлейден (мы его проходили в школе как одного из создателей клеточной теории) придумал красить срезы тканей растений раствором йода в серной кислоте. Гранулы крахмала - по латыни амилана - при этом красились в синий цвет. В 1854 г. Вирхов попробовал применить аналогичный метод для окрашивания человеческих тканей. На срезах мозга людей, умерших от старческой деменции, он нашел похожие круглые частицы, окрашиваемые йодом в синий цвет. Он назвал их corpora amylacea, или амилоидами.

amyloid
Амилоидные частицы, окрашенные раствором йода в серной кислоте.

Слово прижилось и по сей день, хотя структуры, открырые Вирховом, состоят не из крахмала, а из белка. Как известно, белки нередко имеют уникальную третичную структуру (или набор структур). С энергетической точки зрения эти структуры, несомненно, находится в недалеко от локального энергетическом минимума. Но этот минимум необязательно единственный. Мы все знаем, что, если сварить яйцо, его белок из очень растворимой формы необратимо превращается в практически нерастворимую.

Некоторые белки могут осуществить такой переход и при низких температурах. Помимо их естественной нативной структуры, они в принципе могут перейти в другую конформацию, так называемые β-sheets: очень стабильную, сильно упорядоченную, почти кристаллическую структуру, поддерживаемую множеством водородных связей.

Для того, чтобы образовывалась новая конформация, нужна затравка из молекул белка, уже находящихся в этой конформации. Тогда они как бы обучают имеющиеся молекулы белка этой конформации, из из них начинает формироваться периодические, почти кристаллические структуры, как правило, плохо растворимые в воде.

amyloid_expanded

В некоторых ситуациях затравка должна прийти извне. Когда-то давно я кое-что об этом писал. А еще гораздо раньше, в конце 1970 гг., в курсе вирусологии В.И.Агол рассказывал о некоторых экзотических возбудителях болезней, которые не РНК или ДНК-содержащие вирусы, а исключительно белки, но при этом могут передавать болезнь.

В те времена было совсем непонятно, как такое может быть. Через несколько лет такие белковые инфекционные агентам назвали прионами (от protein infection).

Агол рассказывал нам о двух таких болезнях: овецьей болезни scrapie (чесотка) и человеческой “куру”. В обоих случаях болезнь имела очень длинный инкубационный период (у человека - до 20 лет) и была связана с поеданием каких-то частей больного организма без термической обработки. Овцы, когда одна из них рожала, набрасывались и съедали плаценту. Люди - это был народ Фара в Новой Гвинее - съедали в сыром виде мозг умершего предка. Они, правда, соблюдали правила гигиены и не ели умерших от болезней. Но "куру" у них считалась не болезнью, а следствием колдовства, что и не удивительно при 20-летнем инкубационном периоде.

С середины 1980 гг к этим болезням прибавилась еще болезнь "бешеной коровы": кто-то придумал скармливать коровам перемолотые мясо и кости без термической обработки. При недостаточной термической обработке болезнь могла передаться и людям.

В других ситуациях такие затравки могут образоваться и спонтанно с очень маленькой скоростью. Образовашись, они способствуют тому, что и новые молекулы присоединяются к вновь созданной структуре.

Амилоиды могут вырасти в довольно большие упорядоченные нити. Именно благодаря упорядоченности они окрашиваются некоторыми красителями, которые так или иначе встраиваются в упорядоченную структуру.

Fibers
Электронная фотография амилоидных нитей

Picture1
Окрашивание амилоидных отложений в сердечной ткани красителем Congo Red (нижняя картинка - флюоресценция в поляризованном свете)

Если такие структуры выпадают в осадок какой-то ткани, это может вызвать повреждение этой ткани. Список болезней, связанных с образованием амилоидов, непрерывно растет. Несколько лет назад говорили о болезни Альцгеймера и Паркинсона, а сегодня статья в Википедии перечисляет >30 разных болезней, в том числе такие популярные, как диабет II типа, на котором остановлюсь подробнее.

 При диабете II типа β-клетки производят все больше и больше инсулина, который все слабее и слабее действует на органы, на которые он должен действовать. Организм отвечает на это тем, что островки Лангерганса разрастаются, пока в конце концов все не идет вразнос, и β -клетки становятся неспособны производить инсулин, а то и умирают. Одна из причин неспособности производить инсулин - отложение в β-клетках амилоида.

Он состоит из другого гормона, IAPP (islet amyloid polypeptide). В нормальной жизни -клетки одновременно с инсулином секретируют этот гормон, в количестве, примерно в 100 раз меньшем, чем инсулин. Он отвечает, в частности, за чувство сытости. А при диабете, когда β-клетки производят больше инсулина, они производят и больше IAPP. А он, оказывается, склонен и созданию амилоидных структур (у людей, но не у мышей или крыс).

Поэтому в островки Лангерганса у больных диабетом заполнены амилоидом, состоящим из IAPP, в то время как у здоровых - ничего такого нет. Говорят, что на неспособность к секреции инсулина влияют не столько амилоидные фибрилы, сколько их затравки.

islet
Слева - островок Лангерганса у не-диабетика, справа - у диабетика. Амилоиды IAPP покрашены зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.

Но что мы все о болезнях?.. Поговорим лучше о еще двух аспектах.

В некоторых случаях способность изменить конформацию, и превратить белок из растворимого в совершенно нерастворимые почти кристаллические нити - это благо. В первую очередь это касается нитей шелка или паутины. В железе у паука или шелкопряда, они находятся в очень густом растворе. А при выходе из железы, за счет очень небольших изменений внешней среды, белок меняет конформацию и становится очень похож на амилоидную структуру. Только в данном случае изменение происходит мгновенно. Почти кристаллическое устройство β-sheets обеспечивает прочность паутины, а чередование кристаллических участков с аморфными - высокую эластичность [3].

spider
Нити паутины покрашены зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.

И еще один аспект. В наше время нередко делают рекомбинантные белки в бактериях. То есть встраивают внутрь бактерии специфический ген интересующего нас белка, и бактерия производит его в огромныц количествах, иногда до 30-40 % всего белка в клетке. Нам этот белок нужен, естественно, в работающей конформации. И, с тех пор, как биологи стали производить рекомбинантные белки, они сталкивались с неудобством: Если клетка производит очень много ненужного ей белка, он меняет конформацию и оказывается в виде нерастворимых inclusion bodies. Считалось, что это денатурированные агрегаты.

Но чем дальше, тем стало понятнее, что inclusion bodies - не случайные агрегаты, а нечто вроде амилоидных структур. Белок внутри inclusion bodies находится в высокоструктурированном виде, и он там почти чистый. А нерастворимые inclusion bodies отделить от всего остального, что есть в бактерии, нередко проще, чем очистить растворимый белок. Он, конечно, в неправильной конформации, но, если белок небольшой, его нередко можно растворить в денатурирующих условиях, а затем аккуратно перевести в правильную конформацию. Значительная часть белков, производимых в бактериях в наше время, производится в виде inclusion bodies [4]

Picture2
Сверху - бактерии, не содержащие inclusion bodies, снизу - бактерии с inclusion bodies. Слева - фазовый контраст, справа - покрашено зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.

  1. Roesti ES et al. (2020) Vaccination Against Amyloidogenic Aggregates in Pancreatic Islets Prevents Development of Type 2 Diabetes Mellitus Vaccines (Basel) 8: E116.


  1. Kanatsuka A et al. (2018) IAPP/amylin and β-cell failure: implication of the risk factors of type 2 diabetes. Diabetol Int. 9:143-157.


  1. Kenney JM et al. (2002) Amyloidogenic nature of spider silk Eur J Biochem. 269:4159-63


  1. de Groot NS et al. (2009) Amyloids in bacterial inclusion bodies Trends Biochem Sci. 34:408-16


  1. Chiti F, and Dobson CM (2017)  Protein Misfolding, Amyloid Formation, and Human Disease: A Summary of Progress Over the Last Decade Annu Rev Biochem. 86:27-68

Tags: много гитик, профессиональное, чуть-чуть биологии
Subscribe

  • Пост 10-летней давности к 130-летней годовщине 1 марта

    Этому царствованию предшествовал длительный период застоя, с всё усиливающейся реакцией. Несмотря на то, что государство тратило все силы на…

  • (no subject)

    Что общего между Аманом и Берией? 1. Он казнен по ложному обвинению. 2. Обвинение включало в себя sexual abuse.

  • (no subject)

    Знаете известного антисемита Проханова? Оказывается, его дед, тоже Александр, был лидером молокан, обучался в Париже медицине и еще на каком-то…

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 1 comment