большим семействам белков: Myosin (см. [41] – [69]), Kinesin (см. [40], [70] – [82]), Dynein (см. [83] – [97]). Белок Myosin известен молекулярным биологам с 1864. Его строение было изучено в 50-х годах ХХ века при помощи электронного микроскопа
(см. [43] – [43]). Несколько позднее было установлено использование механической энергии в процессе функционирования белка [46], [47]. По сути дела Myosin
представляет собой простейшую механическую руку, осуществляющую один цикл по перемещению и выходящую из процесса движения. Важно отметить, что один и тот же белок может несколько раз принимать участие в процессе движения. К сожалению,
пока нет разумного объяснения тому, что принуждает белок принимать участие в движении. Не известно и какого-либо внешнего стимулятора. Белок Kinesin можно рассматривать как робот, располагающий двумя конечностями, при помощи которых он идет по направляющей. Направляющая является белковой последовательностью.
Эта последовательность поляризована на концах, Kinesin движется по ней от отрицательного полюса к положительному. Важным свойством механических роботов,
образованных белком Kinesin, является то, что эти роботы и соответственно их направляющие встречаются в клетке в большом количестве и используются в клетках многих типов. Белок Dynein образует существенно более сложное механическое устройство по сравнению с белками Myosin и Kinesin. Принцип действия этого устройства и его структура пока далеко не ясны изучены. Однако известно, что также как и Kinesin он представляет собой механическое устройство, осуществляющее движение по направляющей, но не от отрицательного полюса к положительному, а от положительного к отрицательному.
В одноклеточных организмах, например, в Escherichia coli, Salmonella enterica serovar Typhimurium (Salmonella), Streptococcus, Caulobacter, Leptospira, Aquaspirrilum serpens, Bacillus встречается еще один интересный пример механических белковых устройств (см., [98] – [100]). Это группа механических роботов, которые перемещением своих конечностей обеспечивают процесс плаванья клетки. Размер этих роботов составляет примерно 45 нм в диаметре. Их деятельность обеспечивает жизненно важную функцию для клетки, поскольку перемещение их менее благоприятной среды в более благоприятную является одной из фундаментальных основ существования таких организмов как Escherichia coli. Известно, что основным приводящим
11
устройством у этих роботов является роторный двигатель [101], [102]. В состав этих роботов входит ряд дополнительных интересных механизмов. Например, счетчики частиц, измерительные приборы [103]. Процесс движения с использованием этих роботов довольно хорошо изучен [104] – [106]. Однако структура этих роботов еще плохо изучена [99]. Имеющиеся модели [107], [108] отталкиваются от экспериментально наблюдаемого феномена, а не от понимания строения этих роботов.
На сегодняшний день изучение этих роботов сосредоточено преимущественно на выяснении того, из каких типов белков могут состоять такие роботы [109] – [115], а
также того, каковы принципы взаимодействия, обеспечивающие работу этих устройств
[116] – [122]. При этом известно, что типичный робот у состоит из примерно 20
различных белков [99].
Литература
1.Cooper N. The human genome project. Mill Valley, CA: Univ. Science Books, 1994.
2.Schuler G.D., Lander E.S., Hudson T.J. et al. A gene map for the human genome // Science. 1996. V.274. P.540-546.
3.Fraser C.M., Casjens S., Huang W.M., Sutton G.G., Clayton R., Lathigra R., White O., Ketchum K.A., Dodson R., Hickey E.K., Gwinn M., Dougherty B., Tomb J.F., Fleischmann R.D., Richardson D., Peterson J., Kerlavage A.R., Quackenbush J., Salzberg S., Hanson M., van Vugt R., Palmer N., Adams M.D., Gocayne J., Venter J.C. Genomic sequence of a Lyme disease spirochaete, Borrelia burgdorferi // Nature. 1997. V.390. P.580-586.
4.Fraser C.M., Norris S.J., Weinstock G.M., White O., Sutton G.G., Dodson R., Gwinn M., Hickey E.K., Clayton R., Ketchum K.A., Sodergren E., Hardham J.M., McLeod M.P., Salzberg S., Peterson J., Khalak H., Richardson D., Howell J.K., Chidambaram M., Utterback J., McDonald L., Artiach P., Bowman C., Cotton M.D., Venter J.C. Complete genome sequence of Treponema pallidum, the syphilis spirochete // Science. 1998. V.281. P.375-388.
12
5.Das R., Hegyi H., Gerstein M. Genome analyses of spirochetes: a study of the protein structures, functions and metabolic pathways in Treponema pallidum and Borrelia burgdorferi // J. Mol. Microbiol. Biotechnol. 2000. V.2. N4. P.387-392.
6.Gerstein M. Patterns of protein-fold usage in eight microbial genomes: a comprehensive structural census // Proteins. 1998. V.33. P.518-534.
7.Wolf Y.I., Brenner S.E., Bash P.A., Koonin E.V. Distribution of protein folds in the three superkingdoms of life // Genome Res. 1999. V.9. P.17-26.
8.Altschul S.F., Koonin E.V. Iterated profile searches with PSI-BLAST – a tool for discovery in protein databases // Trends in Biochem. Sci. 1998. V.23. P.444-447.
9.Altschul S.F., Madden T.L., Schaffer A.A., Zhang J., Zhang Z., Miller W., Lipman D.J. Gapped BLAST and PSI-BLAST: a new generation of database programs // Nucleic Acids Res. 1997. V.25. P.3389-3402.
10.Berman H.M., Westbrook J., Feng Z., Gilliland G., Bhat T.N., Weissing H., Shindyalov I.N., Bourne P.E. The Protein Data Bank // Nucleic Acids Res. 2000. V.28. P.235-242.
11.Burley S.K., Almo S.C., Bonanno J.B., Capel M., Chance M.R., Gaastgerland T., Lin D., Sali A., Studier F.W., Swaminathan S. Structural genomics: beyond the Human Genome Project // Nature Genetics. 1999. V.23. P.151-157.
12.Sanchez R., Pieper U., Mirkovic N., de Bakker P.I., Wittenstein E., Sali A. MODBASE, a database of annotated comparative protein structure models // Nucleic Acids Res. 2000. V.28. P.250-253.
13.Guex N., Peitsch M.C. SWISS-MODEL and the Swiss-PdbViewer: an environment for comparative protein modeling // Electrophoresis. 1997. V.18. P.27142723.
14.Freier S.M., Kierzek R., Jaeger J.A., Sugimoto N., Caruthers M.H., Neilson T., Turner D.H. Improved free-energy parameters for prediction of RNA duplex stability // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1986. V.83. P.9373-9377.
15.Jaeger J.A., Turner D.H., Zuker M. Improved predictions of secondary structures for RNA // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1989. V.86. P.7706-7710.
13
16.Walter A.E., Turner D.H., Kim J., Lyttle M.H., Muller P., Mathews D.H., Zuker M. Co-axial stacking of helixes enhances binding of oligobonucleotides and improves predictions of RNA folding // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1994. V.91. P.9218-9222.
17.Draper D.E. Parallel worlds // Nature Struct. Biol. 1996. V.3. P.397-400.
18.Westhof E., Jaeger L. RNA pseudoknots // Current Opinion Struct. Biol. 1992. V.2. P.327-333.
19.Flamm C., Hofacker I.L., Stadler P.F. RNA In Silico. The Computational Biology of RNA Secondary Structures // Adv. Complex Syst. 1999. V.2. P.65-90.
20.Waterman M., Smith T. Rapid dynamic programming methods for RNA secondary structure // Advances in Applied Mathematics. 1986. V.7. P.455–464.
21.Nussinov R., Jacobson A.B. Fast algorithm for predicting the secondary structure of singlestranded RNA // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 1980. V.77. N.11. P.6309–6313.
22.Tinoco I., Borer P.N., Dengler B., Levine M.D., Uhlenbeck O.C., Crothers D.M., Gralla J. Improved estimation of secondary structure in ribonucleic acids // Nature New Biology. 1973. V.246. P.40–41.
23.Zuker M., Stiegler P. Optimal computer folding of large RNA sequences using thermodynamics and auxiliary information // Nucleic Acids Research. 1981. V.9. P.133–148.
24.Жимулев И.Ф. Современные представления о структуре гена у эукариот //
Соросовский образовательный журнал. 2000. Т.6. N7. C.17-24.
25.Dorit R.L., Gilbert W. The limited universe of exons // Current Opinions in Structural Biology. 1991. V.1. P.973-977.
26.Patthy L. Exons – original building blocks of proteins? // BioEssays. 1991. V.13(4). P.187-192.
27.Watson J., Oilman M., Witkowski J., Zoller M. Recombinant DNA. 2nd ed. San Fransisco, CA: Scientific American Books, 1992.
28.Steitz J. Snurps // Scientific American. 1988 (June). P.56-63.
29.Kinosita K., Jr., Yasuda R., Noji H., Adachi K. A rotary molecular motor that can work at near 100% efficiency // Philos. Trans.: Biol. Sci. 2000. V.355 (1396). P.473–
489.
14
30.The Nobel Foundation. The Noble Prize in Chemistry 1997, April 10th, 2004. http://www.nobel.se/chemistry/educational/poster/1997/boyer-walker.html
31.Crofts A. Lecture 10, ATP Synthase. University of Illinois at Urbana-Champaign. http://www.life.uiuc.edu/crofts/bioph354/lect10.html
32.Lubert S. Biochemistry, 4th edition:W.H. Freeman and Company, 1995.
33.Itoh H., Takahashi A., Adachi K., Noji H., Yasuda R., Yoshida M., Kinosita K., Jr. Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase // Nature. 2004. V.427. P.465–468.
34.Howard J. Molecular motors: structural adaptations to cellular functions // Nature. 1997. V.389. P.561–567.
35.Vale R. Switches, latches, and amplifiers: common themes of G proteins and molecular motors // J. Cell Biol. 1996. V.135. P.291–302.
36.Farrell C.M., Mackey A.T., Klumpp L.M., Gilbert S.P. The role of ATP hydrolysis for kinesin processivity // J. Biol. Chem. 2002. V.277. P.17079–17087.
37.Block S.M., Goldstein L.S., Schnapp B.J. Bead movement by single kinesin molecules studied with optical tweezers // Nature. 1990. V.348. P.348–352.
38.Howard J., Hudspeth A.J., Vale R.D. Movement of microtubules by single kinesin molecules // Nature. 1989. V.342. P.154–158.
39.Finer J.T., Simmons R.M., Spudich J.A. Single myosin molecule mechanics: piconewton forces and nanometre steps // Nature. 1994. V.368. P.113–119.
40.Block S.M. Kinesin,What Gives? // Cell. 1998. V.93. P.5–8.
41.Sellers J.R. Myosins: a diverse superfamily. Biochimica et Biophys // Acta (BBA)
— Mol. Cell Res. 2000. V.1496. P.3–22.
42.Howard J. Molecular motors. Clamping own on myosin // Nature. 1994. V.368. P.98–99.
43.Huxley H.E. The double array of filaments in cross-striated muscle // J. Biophys. Biochem. Cytol. 1957. V.3. P.631–648.
44.Huxley H.E. Electron microscope studies of the organisation of the filaments in striated muscle // Biochimica et Biophys. Acta. 1953. V.12. P.387–394.
45.Hanson J., Huxley H.E. Structural basis of the cross-striations in muscle // Nature. 1953. V.153. P.530–532.
15