Биология в школе, 2024, № 5
научно-практический журнал
Покупка
Тематика:
Педагогика общего среднего образования
Издательство:
Школьная Пресса
Наименование: Биология в школе
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 84
Дополнительно
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Учредитель: ООО «Школьная Пресса». Издается с 1927 г. Периодичность – 8 номеров в год БИОЛОГИЯ в школе В НОМЕРЕ: 5/2024 НАУКА 3 Иванищев В.В. Фолдинг как процесс формирования функционально активной структуры белка МЕТОДИКА ПРЕПОДАВАНИЯ 11 Петунин О.В. Организационный компонент дизайна современного занятия по биологии 16 Митина Е.Г., Макеенко Г.А., Кравец П.П. Биоэтические аспекты содержания обучения общей биологии Опыт, педагогические находки 21 Хайбулина К.В. Формирование личностных, метапредметных и предметных результатов на школьных экскурсиях по биологии 30 Харченко Л.В. Интеграция физической активности в образовательный процесс школьников в условиях гиподинамии Биологическое образование за рубежом 36 Кауынбаева Э., Майматаева А.Д., Суматохин С.В. Профильное обучение биологии в школах Казахстана: проблемы и пути совершенствования УЧИТЕЛЮ ЭКОЛОГИИ 41 Тимофеев А.Н., Тюленева О.Н. Методический практикум: обзор нормативных документов и программ по экологическому образованию школьников 50 В блокнот учителя
ВНЕУРОЧНАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ 51 Безух К.Е., Авакян А.Э. Сюжеты художественных книг как основа для составления познавательных биологических задач 64 Сахаров А.В., Мишутина О.В., Арбузова Е.Н., Лошенко В.И., Луканина С.Н. Использование технопарка педагогических компетенций в системе биологического образования «школа–вуз» 75 Репш Н.В., Коляда А.С., Берсенева С.А., Белов А.Н. Изучаем флору Дальнего Востока России. Дальневосточные актинидии Пятилетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,244 Двухлетний импакт-фактор журнала в РИНЦ 0,467 Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свид. о рег. ПИ № ФС77-38549 от 21 декабря 2009 г. Формат 84108/16 Усл. печ. л. 5.0. Изд. № 3886. Заказ Учредитель — ООО «Школьная Пресса» Отпечатано в АО «ИПК «Чувашия», 428019, г. Чебоксары, пр. И. Яковлева, д. 13 © ООО «Школьная Пресса», © «Биология в школе», 2024, № 5 Главный редактор С.В. Суматохин Зам. главного редактора Л.Ю. Ганич Редактор отдела Е.Н. Огольцова Ответственный секретарь Е.Н. Огольцова Редакционная коллегия: Е.В. Алексеева, С.В. Алексеев, Н.Д. Андреева, Е.Н. Арбузова, М.М. Асланян, Т.В. Барсукова, Е.А. Галкина, Д.С. Ермаков, К.А. Жумагулова, В.М. Захаров, Е.А. Игумнова, А.А. Каменский, М.П. Кирпичников, А.В. Кулёв, А.Г. Кузнецова, Н.М. Кузнецова, В.В. Латюшин, Н.М. Мамедов, В.В. Пасечник, И.Н. Пономарёва, Л.В. Попова, А.П. Пуговкин, Е.Д. Станисавлъевич, С.В. Суматохин, А.В. Теремов, Е.В. Титов, Т.В. Уткина Редакция не всегда разделяет мнения и оценки, содержащиеся в материалах. Адрес редакции и издательства: корреспонденцию направлять по адресу: 127254, г. Москва, а/я 62 тел.: 8 (495) 619-52-87, 619-83-80 E-mail: biologia@schoolpress.ru Сайт: http: // www.школьнаяпресса.рф E-mail: marketing@schoolpress.ru К с в е д е н и ю а в то р о в: рукописи, присланные в редакцию, не возвращаются. Редакция знакомится со всеми письмами читателей, но оставляет за собой право не вступать в переписку. Издание охраняется Гражданским кодексом РФ (часть 4). Любое воспроизведение материалов, размещенных в журнале, как на бумажном носителе, так и в виде ксерокопирования, сканирования, записи в память ЭВМ, и размещение в Интернете запрещается. Журнал рекомендован Высшей аттестационной комиссией (ВАК) Министерства образования и науки Российской Федерации в перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёной степени доктора и кандидата наук. Журнал зарегистрирован в базе данных Российского индекса научного цитирования.
НАУКА Биология в школе. 2024. № 5. С. 3–10 Biology at school. 2024. № 5. P. 3–10 ФОЛДИНГ КАК ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНО АКТИВНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКА FOLDING AS A PROCESS OF A FUNCTIONALLY ACTIVE PROTEIN STRUCTURE FORMATION Научная статья УДК 577.2: 372.857 Scientific article DOI 10.47639/0320-9660_2024_5_3 В.В. Иванищев, доктор биологических наук, профессор зав. кафедрой биологии и технологий живых систем, ФГБОУ ВО «Тульский госпедуниверситет им. Л.Н. Толстого», е-mail: avdey_VV@mail.ru V.V. Ivanishchev, Doctor of Biological Sciences, Professor Head of the Department of Biology and Technologies of Living Systems, Tula State Lev Tolstoy Pedagogical University, е-mail: avdey_VV@mail.ru Abstract. Folding is a process that results in the formation of a three-dimensional protein structure (conformation) that has specific biochemical activity. It includes several stages, which are provided not only by environmental conditions (pH, concentration of metal ions, non-protein components), but also by specialized factors, such as regulatory proteins, foldases, chaperones. The work shows the complexity and multi-stage nature of folding, describes the models and factors of the process, as well as its possible violations. Modern achievements in predicting the three-dimensional structure of proteins and the problems of such research are noted Аннотация. Фолдинг – процесс, в результате которого формируется трехмерная структура белка (конформация), обладающая специфической биохимической активностью. Он включает несколько этапов, которые обеспечиваются не только условиями среды (рН, концентрацией ионов металлов, небелковых компонентов), но и специализированными факторами, такими как регуляторные белки, фолдазы, шапероны. В работе показана сложность и многоэтапность фолдинга, описаны модели и факторы процесса, а также возможные его нарушения. Отмечены современные достижения в прогнозировании трехмерной структуры белков и проблемы дальнейших исследований Keywords: рroteins, folding, three-dimensional structure, chaperones, chemical modification Ключевые слова: фолдинг, трехмерная структура, шапероны, химическая модификация © В.В. Иванищев, 2024 рая и определяет его функциональные свойства. Некоторые ученые полагают, что раскрытие механизмов фолдинга белков является едва ли не задачей тысячелетия для молекулярной биологии. При этом проводится аналогия по В предыдущей работе [1] был описан процесс синтеза белковых молекул в рибосоме. При этом отмечено, что далее полипептидная цепь каждой молекулы белка должна сформировать 3-D-структуру (конформацию), кото
5/2024 Биология в школе к определенным используемым лекарствам, вакцинам и т.д. Общие представления о том, что первичная структура полипептидной цепи во многом определяет все более высокие уровни структурной организации белка (вторичную, третичную, четвертичную) на практике сталкиваются с многочисленными результатами исследований о том, что это не совсем так. Оказалось, что формирование функционально активной конформации – сложный процесс, зависящий от многих факторов, включающих не только условия среды (рН, концентрацию ионов металлов или других компонентов), но и наличие специальных белковых молекул (фолдаз, шаперонов), благодаря которым полипептидная цепь сворачивается в структуру, обладающую определенными свойствами. Накопленные на сегодняшний день знания в области фолдинга белков обширны и многообразны. И это делает необходимым провести анализ накопленных результатов для расширения представлений биологов и заинтересованных лиц в этой области науки. уровню сложности, сопоставимая с расшифровкой генома человека [2, 3], если не еще более сложная [4]. В то же время оказывается, что проблема сворачивания полипептидной цепи в функционально активную молекулу имеет не только теоретическое значение. На практике, а именно в фармакологии, эти представления важны для понимания взаимодействия лекарственных препаратов с разными белками (в том числе транспортными, а также оказывающими влияние на те или иные биохимические и физиологические процессы). В биомедицине особенности 3-D-структуры белков связаны с рядом болезней. Это касается не только уже достаточно хорошо известных заболеваний прионной природы, но и других, также связанных с функционированием головного мозга (болезнь Альцгеймера), образованием амилоидных фибрилл в результате неправильного сворачивания и агрегации белков, а также, возможно, канцерогенеза [5–6]. Подобные знания важны и для биотехнологии в той части, которая занимается проблемами экспрессии генов, кодирующих белки и ферменты в трансгенных организмах, для понимания причин возникновения неправильно свернутых агрегированных форм новых для организма и рекомбинантных белков, а также их аккумуляции и распределения в телах включения. Актуальность подобных исследований обусловлена необходимостью развития теоретических и общебиологических представлений, которые могут затрагивать вопросы, касающиеся рационального дизайна лекарств, влияния мутаций на структуру и функции белков, эволюционных представлений и пр. Прогнозирование структуры белка также важно для понимания механизмов взаимодействия между патогеном и хозяином, специфики выживания и размножения патогенов, причин их устойчивости Синтез белка и начальные этапы фолдинга В ходе элонгации полипептидной цепи происходит ее удлинение, в результате чего синтезированная часть белка должна перемещаться за пределы рибосомы и выходить в пространство цитозоля (или компартмента, где синтез белка также протекает в митохондриях или хлоропластах). Показано, что элонгация, которую обеспечивает не только рибосома как суперфермент, но и специализированные белки (факторы элонгации), протекает во времени неравномерно: периоды быстрого синтеза прерываются паузами. Это определяется особенностями вторичной структуры иРНК, контекстом кодонов (вторым генетическим кодом [1]), столкнове Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
НАУКА ке, к примеру, встроятся в плазматическую мембрану или будут транспортированы в другой компартмент клетки. ниями между рибосомами в полисомах или их взаимодействием, а также механизмом действия фермента – РНК-полимеразы. Благодаря явлению альтернативного сплайсинга, первичный исходный транкрипт иРНК (мРНК) в разных условиях среды – клеток конкретного органа или ткани созревает в виде разных по аминокислотной последовательности конечных продуктов. Вариации сигналов второго генетического кода в таких (альтернативных) иРНК позволяют рибосоме синтезировать белки с иными первичными последовательностями аминокислот. В целом это способствует обогащению и увеличению разнообразия протеома (совокупности белковых молекул организма). Сворачивание в 3-D-конформацию может начинаться после синтеза определенного по длине участка полипетида. Показано, что в теле рибосомы (в пространстве между большой и малой частицами) формируется специальный туннель (или канал), через который синтезированная последовательность белка начинает выходить в окружающее пространство за пределы рибосомы. Химическая модификация белков Для обеспечения проявления необходимых свойств белка (фермента), а также правильной укладки полипептидной цепи в компактную конформацию, некоторые аминокислотные остатки в ее составе подвергаются реакциям химической модификации. Они могут включать различные изменения. 1. Удаление формильной группы от N-кон цевого остатка метионина (если эта аминокислота должна присутствовать в первичной структуре) или полное удаление формил-метионила (если метионин не должен присутствовать в первичной структуре белка или фермента). 2. Удаление сигнального пептида, если он есть (для проникновения, например, в хлоропласт или митохондрию, если такой белок используется в данном компартменте). 3. Окисление остатков цистеина с образованием дисульфидных (S-S) мостиков (что важно для правильной укладки полипептидной цепи). 4. Гидроксилирование остатков пролина (например, в коллагене для появления заряженной группы, необходимой для образования водородных и подобных ей связей, а также присоединения через ОН-группы остатков углеводов для придания особых свойств белкам). 5. Присоединение остатков углеводов к имеющимся у аминокислотных остатков полипептида ОН-группам. 6. Фосфорилирование ОН-групп. 7. Йодирование групп, например, у белка тиреоглобулина – источника йод-содержащих гормонов. 8. Присоединение простетической группы (ионов металла, гем-структуры, например, у гемоглобина и т.п.). Этот туннель обладает достаточно большой длиной, покрывающей 30–40 аминокислот. При этом ширина туннеля не позволяет этой части полипептидной цепи сразу формировать элементы вторичной структуры. Такой процесс начинается после того, как к работе подключаются факторы биогенеза белков, ассоциированных с рибосомами, фолдазы и шапероны. В результате происходит правильный процессинг (созревание) N-конца белка, что помогает сворачиваться или сохранять развернутое состояние полипептидной цепи (если белок должен использоваться в другом компартменте, например, в митохондрии или хлоропласте). Все это также гарантирует, что белки найдут свое место назначения в клет Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
5/2024 Биология в школе расплавленная глобула (отсутствие стабильной третичной структуры); нативный белок (полностью сформированы домены третичной структуры и/или образован олигомер из отдельных полипептидных цепей – субъединиц). В основе сворачивания лежит эффект кооперативности, при котором после образования хотя бы одной «правильной» (часто – водородной) связи остальные «правильные» связи образуются как бы автоматически и с большой скоростью. Поэтому фолдинг небольшой молекулы завершается в течение секунд, а у сложных белков он может занимать несколько минут. При этом фолдинг ряда белков начинается еще во время трансляции. У небольших белков он, по-видимому, может происходить сразу после трансляции. 9. Метилирование остатков лизина и аргинина у гистонов, ядерных и рибосомальных белков и др. После указанных преобразований (которые частично могут происходить в ходе синтеза белка еще до его полного завершения, а также параллельно с укладкой полипептидной цепи в компактную конформацию) молекула белка сворачивается в нативную (функционально активную) структуру. Описанные процессы протекают определенным образом, если белок используется в этом же компартменте клетки (например цитоплазме). Если же белок используется в другом компартменте (хлоропластах, митохондриях), то специальные белки (шапероны) поддерживают его неупорядоченную структуру. Тогда частично химическая модификация и окончательная укладка в функционально активную форму белка может происходить в новом компартменте. Факторы фолдинга Первичная структура белковой молекулы во многом определяет особенности следующих уровней его структурной организации. Несмотря на то, что центральная роль в фолдинге принадлежит физико-химическим взаимодействиям функционально активных групп самого белка, обусловленных наличием заряда или гидрофобной части, определяющую роль в процессе формирования конформации белка играют лишь некоторые (часто – немногие) аминокислотные остатки [6]. Кроме того, важная роль в фолдинге принадлежит специальным факторам – лигандам неорганической или органической природы (например, ионам металла, хромофорной группе), химически модифицированным группам белка (например, в результате их фосфорилирования), а также специальным белковым факторам. Последние оказываются особенно необходимыми для фолдинга крупных белковых молекул. Модели фолдинга белка Фолдингом называют сворачивание полипептидной цепи в правильную трехмерную структуру. Для белков, состоящих из нескольких субъединиц, в это понятие включается и формирование четвертичной структуры. Молекулярные биологи различают две модели сворачивания белков [6]: 1. Модель сворачивания по принципу «все или ничего». Она характерна для маленьких белков, состоящих из менее, чем сотни аминокислотных остатков. Из-за малого размера сворачивание происходит достаточно быстро после образования нескольких «правильных» связей. 2. Модель промежуточных состояний включает постепенное возрастание упорядоченности в белковой молекуле, которое протекает в несколько стадий: случайный клубок (развернутая цепь); клубок (частично сформирована вторичная структура); Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
НАУКА босомами и используемых, главным образом, за пределами клетки. Например, амилазы слюны, пищеварительных ферментов. У человека обнаружено около 20 белков этого семейства, которые участвуют как в многочисленных физиологических, так и патологических (онкогенез) процессах. Структурная особенность таких ферментов – наличие тиоредоксин-подобных доменов, определяющих функциональную активность ферментов, связанную с окислением/ восстановлением SH-групп. Другой фермент – пептидилпролилизомераза (ППИ) (также представлен целым семейством) оказывает влияние на образование изгиба в месте включения пролина. Изгиб в пептидной цепи является предпочтительным при цис-конфигурации, когда радикал предыдущего аминокислотного остатка и кольцо следующего за ним пролина располагаются по одну сторону относительно плоскости пептидной связи. Поэтому при неправильном образовании пептидной связи ППИ катализирует ее временный разрыв, в результате чего кольцо пролина и радикал рядом стоящей (предыдущей) аминокислоты оказываются в цис-конфигурации. Возникающее взаимодействие (отталкивание) между радикалом предыдущей аминокислоты и пролина обеспечивает изгиб полипептидной цепи для более компактной ее укладки. Вторая группа белковых факторов фолдинга представлена шаперонами. Исторически их открыли как белки теплового шока (БТШ), когда было обнаружено, что при повышенной температуре в растениях образуются какие-то белки с неизвестными функциями. Дальнейшие исследования показали, что БТШ весьма многочисленны и существенно отличаются друг от друга по молекулярной массе. Различают несколько групп таких белков, например, Hsp60 (Heat shock protein), Hsp70, Hsp90 и др. (цифра указываРоль лигандов в фолдинге белков состоит в том, что они: (1) увеличивают стабильность структуры белка; (2) частично формируют вторичную структуру и обеспечивают полное создание третичной структуры; (3) значительно меняют третичную структуру; (4) обеспечивают подвижки доменов или даже субъединиц белка относительно друг друга и т.п. Белковые факторы фолдинга делят на две группы. 1. Белки с каталитической активностью, т.е. ферменты фолдинга – фолдазы. Обнаружено только два таких фермента. Они требуются для процесса лишь в каталитических количествах, т.е. в концентрациях на несколько порядков более низких, чем концентрации обслуживаемых ими белков. 2. Молекулярные шапероны, представленные разнообразными белками с разными механизмами действия. Они требуются в количествах, сравнимых с концентрацией сворачиваемого белка, но не входят в состав конечных продуктов фолдинга. Фолдазы представлены двумя разновидностями ферментов. В последние годы говорят о семействах ферментов, поскольку, выполняя одну и ту же функцию, они характеризуются несколько разными физико-химическими свойствами. Первый представитель фолдаз — протеиндисульфидизомераза (ПДИ) катализирует разрыв неправильно образованных дисульфидных мостиков. Например, в РНК-азе содержится 8 остатков цистеина. Теоретически возможно 105 комбинаций образования всего четырех дисульфидных мостиков, но только одна из этих комбинаций является правильной, т.е. обеспечивает формирование активной структуры РНК-азы. Фермент (ПДИ) связан с мембраной эндоплазматической сети и потому оказывает существенное влияние на фолдинг белков, синтезируемых мембранно-связанными ри Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.
5/2024 Биология в школе помощи сигнального пептида (начальной N-последовательности белка) через временные каналы мембран полипептидная цепь переправляется внутрь нового компартмента, где уже другие шапероны обеспечивают правильный фолдинг вновь поступившего белка. Наиболее изученной является функция рефолдинга (восстановление трехмерной структуры и функции белков), которая осуществляется с помощью специальной молекулярной машинки, сформированной несколькими молекулами белков-шаперонов. Было показано, что у шаперонов есть также белковые помощники – ко-шапероны, чья молекулярная масса в несколько раз меньше. Взаимодействующие шапероны и кошапероны образуют единую систему. Среди тех, которые обеспечивают процесс фолдинга и рефолдинга, известна система GroEL / GroES. ет на примерную величину молекулярной массы в кДа). Позднее было показано, что подобные белки присутствуют в организмах и при обычных условиях, но в меньших количествах. При этом не все БТШ оказались шаперонами. Разнообразным шаперонам приписывают множество функций: обеспечение правильного фолдинга вновь синтезированных полипептидных цепей путем предупреждения беспорядочной агрегации, образования «неправильных» взаимодействий и значительное ослабление в случае их проявления; обеспечение рефолдинга – восстановления структуры (вторичной, третичной) денатурированных белков; поддержание ряда белков в определенной конформации, обеспечивая их правильное взаимодействие с другими веществами, к примеру, гормонами; участие во внутриклеточном транспорте белков в лизосомы (если белки не могут быть восстановлены и требуется их лизис), а также в другие компартменты, например, митохондрии, где своих белков синтезируется всего 5 %, а 95 % образуется за счет генома ядра и они должны проникнуть в митохондрии из цитоплазмы. Аналогично, это же можно сказать и о белках хлоропластов, но «цитоплазматических» белков там явно меньше (например, малые субъединицы главного фермента ассимиляции углекислого газа – D-рибулозо–1,5-бисфосфат-карбоксилазы-оксигеназы). Выполнение описанных функций шаперонами осуществляется посредством разнообразных механизмов действия. Использование белков в иных компартментах (митохондриях, хлоропластах) создает проблему их фолдинга в месте функционирования (in situ). В таких случаях шапероны обеспечивают «развернутость» полипептидной цепи после ее синтеза в цитоплазме. В этом состоянии белок переносится, например, к митохондрии. При Конформеры и патология сворачивания и агрегации белков Для белковых молекул характерно не только формирование определенной конформации, но и ее поддержание в меняющихся условиях среды. Несмотря на общие представления о броуновском движении атомов можно полагать, что в целом все макромолекулы одного и того же белка идентичны. При этом некоторые исследователи считают, что молекула белка может находиться либо только в нативном, либо в денатурированном состоянии, что, по-видимому, значительно облегчает математическое описание состояния белковых молекул с точки зрения законов термодинамики [6]. Однако биохимические исследования показывают, что это не совсем так. Для белков характерно наличие нескольких 3-D-конформаций, находящихся в равновесии. Так, это показано для сывороточного альбумина человека (важнейшего транспортного белка Любое распространение материалов журнала, в т.ч. архивных номеров, возможно только с письменного согласия редакции.