пятница, 5 сентября 2014 г.

Как найти изоэлектрическую точку белка?

Изоэлектрическая точка, как и молекулярная масса, является одной из важнейних характеристик белка или пептида. Под изоэлектрической точкой (pI) подразумевают значение pH среды, при котором суммарный электрический заряд на поверхности белковой частицы равен нулю. Как известно, в состав белков и пептидов входят аминокислоты, содержащие как группировки, способные в водной среде отдавать протоны с возникновением отрицательного заряда (анионогенные группы), так и группировки, способные присоединять протоны с появлением положительного заряда (катионогенные группы).  От соотношения тех и других зависит величина изоэлектрической точки. Если в составе белка (пептида) преобладают боковые радикалы, содержащие анионогенные группы, то его pI находится в кислой среде, где избыток протонов будет подавлять диссоциацию этих групп. Если в составе белка (пептида) преобладают боковые радикалы, содержащие катионогенные группы, то его pI находится в щелочной среде, так как протонирование этих групп будет затруднено при низкой концентрации ионов водорода в растворе. 
Наличие заряда на поверхности белковой частицы является (наряду с гидратной оболочкой) одним из факторов, удерживающих белок в водных растворах. В изоэлектрической точке растворимость белка в воде минимальна и он легко выпадает в осадок при воздействиях, снижающих гидратацию его молекул (при добавлении электролитов или водоотнимающих реагентов). Это можно использовать для избирательного осаждения белков из раствора с последующей очисткой их от низкомолекулярных примесей. Зная изоэлектрическую точку определённого белка, можно предсказать направление его движения в электрическом поле при известном значении pH среды. Я уже давно вывел следующее нехитрое правило: нужно из значения pI вычесть значение pH, при котором проводится электрофорез; если в результате получается отрицательное число, то заряд белка '-' и он будет двигаться к аноду, если получается положительное число – заряд белка '+' и он будет двигаться к катоду.
Экспериментально определить изоэлектрическую точку белка можно следующим образом. Готовят ряд пробирок, содержащих буферный раствор с различными значениями pH, добавляют в каждую раствор исследуемого белка, перемешивают и наблюдают за содержимым пробирок. pH пробирки с наибольшей мутностью соответствует изоэлектрической точке.  
Значение изоэлектрической точки можно также вычислить, используя специальные формулы, если известен аминокислотный состав белка или пептида. В настоящее время для подобных расчётов используются компьютерные программы. Так, например, на сайте «Практическая молекулярная биология» (http://molbiol.ru/) имеется раздел, на котором собрано большое количество программ, написанных на JavaScript. Эти программы позволяют автоматизировать многие расчёты, которые приходится производить в лабораторной практике. Среди них есть и программа «Анализ последовательности белка» (авторы – В.Клименков, А.Широкая, А.Авдей), позволяющая получить целый ряд параметров пептида или белка, исходя из его первичной структуры.

Посмотрим, как работает эта программа. В качестве примера можно взять биологически активный пептид ангиотензин II, обладающий мощным сосудосуживающим действием. Его первичная структура: Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe (Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1982, с.272). 
Сначала нужно перевести трёхбуквенные обозначения аминокислот пептида в однобуквенный код. Воспользуемся для этого другой программой на сайте MolBiol.ru. Полученную последовательность DRVYIHPF копируем в строку в программе «Анализ последовательности белка», нажимаем кнопку “Расчёт!” и в новом окне получаем следующую информацию:

Таким образом, изоэлектрическая точка ангиотензина II находится в слабощелочной среде,  и при нейтральном значении pH данный пептид будет заряжен положительно. Можете попытаться использовать эту программу для расчёта параметров других пептидов, первичная структура которых приведена в учебнике Овчинникова.

пятница, 29 августа 2014 г.

Аминокислотная "ромашка"

Индивидуальные свойства аминокислот, входящих в состав белков, определяются характером боковых радикалов, или R-групп, входящих в состав их молекулы. На физико-химических свойствах боковых радикалов основана современная классификация аминокислот, в соответствии с которой различают аминокислоты с полярными и неполярными радикалами. Неполярные радикалы представляют собой алифатические или ароматические углеводородные цепи с равномерным распределением электронной плотности. Неполярные радикалы не способны взаимодействовать с молекулами воды, и поэтому также называются гидрофобными. Зато они они легко взаимодействуют с другими такими же аминокислотными радикалами и молекулами неполярных растворителей. Полярные радикалы, наоборот, содержат функциональные группы, содержащие электроотрицательные атомы кислорода, азота, серы, что вызывает неравномерное распределение электронной плотности в радикале. В свою очередь, полярные радикалы в водной среде при pH 7.0 могут принимать анионную или катионную форму или оставаться электронейтральными. Все полярные радикалы способны образовывать водородные связи между собой, а также с молекулами воды и поэтому называются гидрофильными.
На рисунке представлено распределение боковых радикалов 20 белковых аминокислот по различным группам в зависимости от полярности и заряда. Аминокислоты соединены пептидными связями -CO-NH- в циклический полипептид, снаружи от остова которого показаны боковые радикалы, подобно лепесткам ромашки. 

Знание свойств боковых радикалов аминокислот позволяет предсказать растворимость пептидов в воде и органических растворителях, их поведение при электрофорезе и хроматографии, способность образовывать нековалентные связи, стабилизирующие пространственную структуру белков, а также объяснить природу взаимодействия активных центров белков с различными лигандами, которая лежит в основе функционирования любого белка. 

вторник, 12 августа 2014 г.

О готовности студентов медицинского вуза к использованию дистанционных технологий в обучении биохимии

Эта статья была опубликована в Материалах ежегодной научной Интернет-конференции "Новые образовательные стратегии в современном информационном пространстве", СПб.: Изд-во Лема, 2014. - С.116 - 118.


На кафедре биологической и общей химии ЯГМА в течение ряда лет функционирует онлайн-курс «Избранные вопросы биохимии», предназначенный для поддержки аудиторных занятий по биологической химии для студентов 2 курса лечебного, педиатрического, фармацевтического и стоматологического факультетов. В ходе обучения студенты изучают теоретический материал, для проверки усвоения которого проходят электронное тестирование по каждой теме курса и выполняют индивидуальные задания с целью закрепления полученных знаний. В 2011 году была запущена новая версия курса на базе СДО eFront (разработчик – Epignosis.Ltd), основанной на использовании технологий Web 2.0 [1].
На первой неделе курса студенты заполняют анкету «Представление участника электронного курса». Форма анкеты разработана с помощью сервиса «Диск Google» (http://www.google.com/drive/) и внедрена в начальную страницу курса. Целью анкетного опроса является исследование готовности студентов к использованию дистанционных образовательных технологий в изучении дисциплины, выяснение их отношения к возможности обучения с использованием социальных сервисов.
Опрос проводился в сентябре – октябре 2012 года, феврале – марте и сентябре – октябре 2013 года. В анкетировании приняли участие 132 студента всех факультетов, в том числе 27 юношей и 105 девушек. Большинство из них (59,8%) представляли лечебный факультет, 18,9% –  фармацевтический, 14,4% - педиатрический и 5,3% - стоматологический факультет. Более 80% студентов окончили среднюю школу в 2011 и 2012 годах.
Основная масса студентов (48,5%) оценивает свой уровень владения персональным компьютером как хороший, 34,8% - как средний и 16,7% - как отличный. Личный адрес электронной почты имеют 97% студентов.
Для выхода в Интернет наши студенты используют различные устройства (в опросе можно было указать несколько). Среди них в первую очередь следует назвать ноутбук с беспроводным модемом, который используют 81,8% студентов, затем следуют: персональный компьютер, подключенный к сети (27,3%), мобильный телефон (15,9%), смартфон или КПК (6,8%), другие устройства – 3,8%.
Все принявшие участие в опросе студенты пользуются материалами, полученными в Интернете, для подготовки к практическим занятиям: постоянно используют эти материалы 16,7% опрошенных, часто – 53,8% и иногда – 29,5%.
Из общедоступных социальных сетей студенты отдают предпочтение сетевому проекту «В Контакте» (94,7%); пользователями сети «Одноклассники» являются 23,5% студентов; имеют аккаунт в Facebook – 18,3%. Не состоят ни в одной из социальных сетей 4,5% студентов.
Наряду с общедоступными социальными сетями существуют также профессиональные медицинские сетевые сообщества, в некоторые из которых открыт доступ не только врачам, но и студентам-медикам. Из таких сообществ наибольшей популярностью пользуется «Медкампус» (http://www.medcampus.ru/), в котором зарегистрированы 41,7% студентов, принявших участие в опросе. Другим таким сообществом является сетевой проект «Мир Врача» (http://mirvracha.ru/portal/index), в котором состоят 3% студентов из числа опрошенных.  56,8% студентов не состоят ни в одной из медицинских социальных сетей.
Из социальных сервисов Web 2.0 в процессе обучения на первом месте находится Wikipedia (http://www.wikipedia.org/), которой пользуются три четверти опрошенных студентов, 17,4% студентов смотрят ролики на Youtube (http://www.youtube.com/), 11,4% студентов читают блоги преподавателей, 1,5% являются пользователями веб-сервиса Evernote (http://evernote.com/). Не используют ни один из перечисленных сервисов 21,2% студентов.
79 опрошенных студентов (59,8%) могут уделить занятиям в курсе от 2 до 4 часов в неделю. Менее 2 часов в неделю планируют работать с курсом 18,9% (25 студентов). Такое же количество студентов собирается заниматься от 4 до 10 часов в неделю.
Среди причин, побудивших записаться на электронный курс, студентами в  первую очередь были названы: «получить материал для подготовки к семинарам, практическим занятиям, экзамену»; «получить более глубокие знания»; «проверить свои знания», «повысить рейтинг». 

Литература
1. Ершиков С.М. Использование СДО eFront для создания новой версии дистанционного курса «Избранные вопросы биохимии» //Новые образовательные стратегии в современном информационном пространстве: Сборник научных статей. – СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2013. - С.221 – 226.http://fit-herzen-conf.ru/pdf/2012.pdf#page=221

воскресенье, 23 февраля 2014 г.

Мини-урок "Питание и здоровье" (из материалов научно-практической конференции)


История этого видеоролика такова. В июле 2013 года в Санкт-Петербурге ООО "Дистанционный репетитор" проводило 3-ю научно-практическую конференцию "Дистанционное обучение - взгляд из настоящего в будущее", в которой я принимал участие. В ходе одного из мастер-классов ведущая Светлана Александровна Павлова предложила участникам организоваться в группы и провести мини-урок на любую тему по своему предмету. Объединившись с преподавателями химии и биологии, быстро нашли общую тему и минут за 15 набросали план урока и иллюстрации к нему. Что из этого получилось - смотрите видео.
Возможно, по содержанию есть какие-то неточности - не судите строго. Импровизировать приходилось прямо на ходу. Впоследствии мне не удалось найти записи этого урока в видеоматериалах конференции, но сегодня неожиданно для себя получил от С.А.Павловой ссылку на указанный видеоролик, в связи с чем выражаю свою искреннюю благодарность.