Учреждение образования

”ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ“

Факультет биотехнологический

Кафедра биохимии и биоинформатики

Управляемая самостоятельная работа № 3

на тему:

Успехи инженерной энзимологии, протеомики, фармацевтической биохимии. Биохимия в медицине и сельском хозяйстве.

Студент 1 курса, гр.23БХ-1		___________		Голуб Сергей Владимирович
Биохимия		(подпись)__________________2024

Проверил		Аль Меселмани Моханад Али
Доцент кафедры биохимии и биоинформатики	(подпись)___________________2024

ПИНСК 2024

Оглавление

Введение 3

Успехи инженерной энзимологии, протеомики, фармацевтической биохимии 4

Биохимия в медицине и сельском хозяйстве 8

Заключение 12

Список использованной литературы 13

Введение

Биохимия является фундаментальной наукой, изучающей химические процессы и взаимодействия в живых организмах. Инженерная энзимология, протеомика и фармацевтическая биохимия - это узкие направления биохимии, которые оказывают значительное влияние на современную науку и технологии.

В последние десятилетия исследования в этих областях привели к важным открытиям и технологическим прорывам, которые находят свое применение как в медицине, так и в сельском хозяйстве. Разработка новых методов и техник работы с ферментами, изучение структуры и функций белков, а также создание новых лекарственных препаратов - все это стало возможным благодаря успехам в этих областях.

Таким образом, биохимия играет ключевую роль в современной науке, оказывая огромное влияние на различные сферы жизни человека. В данном обзоре мы рассмотрим основные достижения в инженерной энзимологии, протеомике, фармацевтической биохимии, а также рассмотрим их влияние на медицину и сельское хозяйство.

Успехи инженерной энзимологии, протеомики, фармацевтической биохимии

Расшифровка человеческого генома была ”детской игрой“ по сравнению с новым проектом биологов: они хотят описать все белки, содержащиеся в организме человека, и понять, как те функционируют, как взаимодействуют друг с другом. Еще недавно расшифровка генома преподносилась СМИ как вершинное достижение биологии.

Однако само по себе знание последовательности генов не дает представления о том, как функционирует организм. Более того, знание генома не позволяет нам ничего сказать о том, чем живет клетка – любая клетка человеческого организма. Сами по себе гены – лишь инструкция по сборке белковых молекул. Тех молекул, из которых, как из кирпичиков, сложены любые наши клетки. Тех молекул, что преобразуют усвоенные организмом компоненты пищи в энергию. Тех молекул, чьим радением организм растет и старится. Тех молекул, из-за дефицита или избытка которых мы болеем.

Лишь ”функциональное исследование генома“, то есть составление атласа протеинов, их опись, позволит понять, какую же роль они играют в человеческой клетке. Вслед за расшифровкой генома необходима расшифровка протеома. Иначе этот ”пульт“ так и останется игрушкой в наших руках. Термин ”протеом“ предложил в 1994 году австралийский исследователь Марк Уилкинс.

Под ним подразумевают полный комплект протеинов, имеющихся в организме, – совокупность белковых молекул, вырабатываемых им. Эти молекулы управляют всеми обменными процессами, протекающими в организме, идет ли речь о пищеварении, выработке гормонов или электрическом возбуждении нервных клеток.

Любые молекулярно-биологические процессы, происходящие в организме, отражаются в протеоме. Исследование протеома – крупный международный научный проект. В 2001 году для работы над ним была создана международная Организация протеома человека (Human Proteome Organization / HUPO). Особое внимание участников проекта вызывают белковые молекулы крови, печени и головного мозга. В эти исследования включается и большой бизнес – прежде всего, крупные фармацевтические компании. Создаются многочисленные фирмы, занятые изучением человеческих белков.

Протеом – величина не постоянная. Это геном был ”книгой, содержавшей около трех миллиардов букв“. И все: буквы стояли на своих – отведенных им природой – местах. Здесь же – в протеоме – все непрестанно меняется. Если и сравнивать протеом с книгой, то с книгой, которая пишется у вас на глазах. Автор то дописывает что-то, то хлестко черкает.

Почти в каждой клетке число белковых молекул все время меняется. Синтезируются новые молекулы и распадаются существовавшие. Состав белков зависит от пола и возраста человека, от его кулинарных пристрастий, от времени суток и многих других причин. В клетках различных органов тела свой состав белков: в головном мозге он один, в поджелудочной железе – другой, в дельтовидной мышце – третий.

Протеом раковой клетки разительно отличается от протеома здоровой клетки. До сих пор неизвестно, сколько белковых молекул имеется в человеческом организме вообще и в клетках тела, в частности. Так, банк данных ”Human Protein Index“, созданный калифорнийской фирмой ”Large Scale Proteomics“ – ведущей фирмой в области исследования протеома, – располагает сведениями о 115 тысячах белков, содержащихся в образцах 157 тканей.

Банк данных SWISS PROT содержит сведения о 8500 хорошо исследованных белков. Еще лет пятнадцать назад некоторые специалисты заявляли, что составить атлас человеческих белков сравнительно легко. Теперь мы знаем, что по инструкциям, хранящимся в 40 тысячах наших генов, синтезируется от полумиллиона до миллиона белковых молекул. Многообразие белков явно недооценивалось. Их в десятки раз больше, чем генов. Это – первая неожиданность, с которой столкнулись исследователи протеома. Биологические основы этого многообразия различны.

Долгое время считалось, что схема изготовления белков проста: один ген – один вид молекул РНК; один вид молекул РНК – один сорт белков. Догадка оказалась ошибочной. Более половины генов человека ”отвечают за выпуск“ сразу нескольких молекул РНК. Следовательно, в них заложена инструкция по изготовлению нескольких белков. Вот и сюрприз номер два. На этом сюрпризы не кончились. Каждая клетка – как удельный князек – самовольно распоряжается имуществом, оказавшимся на ее территории, изменяя белковые молекулы до неузнаваемости: там красуется довесок из углеводорода, там – лишний сахар, там – украшеньице из фосфора. Так появляются все новые разновидности белков.

Итак, исследование протеинов – задача не из легких и не из дешевых. Анализ структуры белка обходится сейчас в 50 - 200 тысяч долларов. Зачем они нам нужны? Зачем мы изучаем протеины? Затем, что мы болеем. Сравнив состояние человека с идеальным протеомом, можно понять, какими недугами он страдает. Ведь многие наши болезни вызваны нарушениями синтеза протеинов – их перепроизводством или дефицитом. Так, при болезнях, вызванных неправильным обменом веществ, в организме наблюдается недостаток белковых молекул или они бездействуют.

Если белков слишком много или они проявляют повышенную активность, человек может заболеть раком. Некоторые болезни, например, ”коровье бешенство“, вызваны появлением в организме дефектного белка – приона (от английского выражения protein infectious, ”инфекционный протеин“).

Как только в организм человека попадет этот ”белок-убийца“, начинается его копирование, что приводит к гибели жертвы. Анализ протеома – это путь к созданию новых лекарств. Особенно важно сравнение протеомов здоровых и больных людей. Это позволит понять, какие белковые молекулы играют ключевую роль в развитии тех или иных заболеваний. Все предстоит открыть и понять заново. Как вырождаются клетки, когда человек болен раком желудка? Как стареют клетки сердечной мышцы? Что происходит при воспалении хряща? Как меняются ткани тела под воздействием гормонов? Выявив эти изменения, можно улучшить диагностику заболеваний и проводить целенаправленное лечение.

Американские исследователи Ланс Лиотта и Эмануэль Петрикоин разработали тест, позволяющий выявить рак яичников на ранней стадии. В основе теста - использование протеинового чипа. Особый интерес вызывает плазма крови. Предположительно, в ней содержатся все виды протеинов, выработанных организмом человека. А значит, любая болезнь, перенесенная нами, оставляет мету в крови - в этом архиве, хранящемся в наших жилах.

Со временем все эти разрозненные данные о дефектах белковых молекул будут собраны воедино – в образе особой виртуальной клетки. Если ввести в эту модель новое лекарство, то экран тут же покажет, насколько оно эффективно и каковы побочные последствия применения данного лекарства.

Синтез любого химического или ценного продукта с помощью ферментативного катализа имеет множество преимуществ, поскольку ферменты обладают особыми действиями, такими как эффективность, субстратная специфичность и стереоселективность

Более ранние исследования были сосредоточены на выделении и характеристике монофункциональных ферментов, но благодаря прогрессу в технологии генной инженерии возрос исследовательский интерес в области разработки многофункциональных ферментов.

Многофункциональный белок может представлять собой отдельный полипептид, одновременно выполняющий различные реакции, или он может представлять собой ассоциацию нескольких ферментов, соединяющихся через линкеры. Многофункциональный фермент умножает преимущества ферментативных реакций, выполняя различные реакции в одной емкости, что дает преимущество для производства целевого продукта с меньшими затратами и с желаемым количеством за меньшее время

В ходе эволюции природа уже разработала механизм производства многофункциональных химерных белков. Таким образом, следуя по стопам природы, исследователи заинтересованы в разработке новых химерных генов, которые приводят к производству химерного белка с желаемой каталитической активностью.

Создание противоопухолевых препаратов – очень дорогое и длительное занятие, связанное с высоким риском провала. Прежде чем препарат начинает использоваться в клинической практике, его эффективность проверяется на культурах клеток опухоли человека и в экспериментах на животных, а затем он проходит клинические испытания. На стадии доклинического отбора препаратов используют несколько клеточных линий опухолей человека. При этом отбирают препараты, обладающие эффективностью в отношении определенных типов опухолей.

После этого проводят токсикологические исследования на животных и оценивают эффективность препаратов по отношению к опухолям человека, привитых мышам. В экспериментах на животных исследуют фармакокинетику препаратов, выясняют оптимальную схему их применения и токсичность.

Эти эксперименты включают подбор оптимальных доз препаратов, изучение их проникновения в клетки и тканевого распределения, а также исследования времени их существования в плазме крови, путей метаболизма и выведения из организма. Затем активные препараты передаются на предварительные испытания в клинику (фаза 1). Для испытаний отбирают онкологических больных с обширным опухолевым процессом, которые обычно проявляют устойчивость к большинству лекарственных препаратов.

Цель испытаний заключается в определении оптимальной дозы препарата, выяснении оптимальной схемы его применения, а также особенности фармакокинетики и метаболизма. Отмечают признаки эффективности препарата, а также проявления токсичности. У ранее леченных больных эффективность препаратов проявляется в меньшей степени, чем у больных, которым курс лечения ранее не назначался. Поэтому испытания, проводящиеся в фазе 1, не являются оптимальными для установления степени эффективности препаратов.

На следующей фазе (фаза 2) проводятся детальные испытания препаратов на контингенте ранее леченных или нелеченных больных с определенными типами опухолей. В этих испытаниях устанавливают эффективность лекарственных средств.

В дальнейших испытаниях на больных с конкретным типом опухоли оценивают эффективность препарата при его изолированном применении или совместно с другими противоопухолевыми агентами. Простейшая оценка включает нерандомизированные исследования препарата. При этом для определенного типа опухоли возможно достаточно точно оценить чувствительность к тому или иному препарату, а также его токсичность. Иногда подобные исследования проводят на рандомизированных группах больных, сравнивая эффективность нового препарата с одним из уже используемых в клинике.

После подтверждения эффективности лекарственного средства его применяют в комбинации с другими противоопухолевыми препаратами и снова испытывают на больных с определенным типом опухоли, находящейся на определенной стадии развития. Целью этих испытаний является оценка эффективности и переносимости назначенной рецептуры. Третья фаза испытаний оказывается более результативной, если проводится рандомизированное сравнение с группой больных, проходящих лечение по какой-либо из стандартных схем.

После этого эффективность новой рецептуры можно оценить в крупномасштабных испытаниях. В результате таких исследований тщательно оценивают эффективность лечения определенной категории онкологических больных.