Содержание клиническая медицина



Yüklə 2,3 Mb.
Pdf görüntüsü
səhifə7/15
tarix09.02.2017
ölçüsü2,3 Mb.
#8134
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   15

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ 

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ 

В ВЫСЫХАЮЩИХ КАПЛЯХ 

БИОЛОГИЧЕСКИХ СУБСТРАТОВ

A.K. Martusevich, N.F. Kamakin, Z.G. Simonova



MOLECULAR MECHANISMS OF 

STRUCTURING IN DRYING DROPS OF 

BIOTIC SUBSTRATES

Кировская государственная медицинская 

академия

Нижегородский НИИ травматологии и 

ортопедии

Выполнен  анализ  отечественной  и  зарубежной 

литературы  и  данных  многолетних  собственных  ис-

следований, посвященных расшифровке молекулярных 

механизмов  структуризации  биологических  субстра-

тов организма человека и животных при дегидратации. 

Впервые  с  комплексных  позиций  рассмотрена  роль 

протеинового компонента биосубстратов в их дегидра-

тационной самоорганизации. Показано, что они высту-

пают в качестве «стержневой» основы структуризации 

биожидкости, реализация кристаллогенных свойств ко-

торой регулируется системой многоуровневой модуля-

ции.

Ключевые слова: биокристалломика, кристалло-

генез, модуляция.

Research  contains  russian  and  foreign  literature  re-

view and analysis of received investigation results devoted 

to determine molecular mechanisms of human and animals 

biotic substrates structuring in the process of dehydration. 

For the first time the role of biotic substrates protein com-

ponent  in  its  dehydration  self-organization  is  illustrated 

complexly. It is shown, that these proteins appeared to be 

foundation in biotic substrates structuring, implementation 

of  its  crystalogeneous  characteristics  can  be  regulated  by 

multilevel modulation system.



Key words: byokristallomyks, kristallogenesis, mod-

ulation. 



Введение

В настоящее время биокристаллоскопия остается 

научной  дисциплиной,  находящейся  на  эмпирическом 

этапе  развития.  Это  связано  с  преимущественно  при-

  развития.  Это  связано  с  преимущественно  при-

развития.  Это  связано  с  преимущественно  при-

кладным акцентом работ, выполняемых в данной обла-

сти биологии и медицины, направленным на максималь-

но  широкий  охват  физиологических  и  патологических 

состояний, для которых производится описание харак-

тера  кристаллообразования  биологических  субстратов 

для  последующего  использования  с  диагностической 

целью [3, 13, 16, 24, 43, 44, 53, 54]. Предлагаемые тео-

, 16, 24, 43, 44, 53, 54]. Предлагаемые тео-

. Предлагаемые тео-

рии  кристаллизации  биоматериала  («Функциональная 

морфология  биологических  жидкостей»  [43,  44];  тео-

рия самоорганизации белка «Протос» [34]) затрагивают 

лишь  отдельные  аспекты  проблемы  (свободное  кри-

сталлообразование биосред и кристаллизация белка со-

ответственно). Однако целостная концепция, способная 

трактовать наблюдаемые изменения биокристаллогене-

за с единых для всех субстратов и состояний позиций, в 

настоящее время отсутствует.

Расшифровка молекулярных механизмов структу-

рообразования биологических субстратов при дегидра-

тации  последних  требует  проведения  обширных  экс-

периментальных  исследований  в  области  биокристал-

лоскопии,  однако  подобные  работы  единичны  [19-21]. 

Важно  отметить,  что  изучение  характера  воздействия 

различных  факторов  производилось  избирательно,  не-

систематично. Так, в отдельных сообщениях показаны 

особенности  структуризации  биосубстрата  с  учетом 

свойств подложки [4, 50], создания изоляции образца от 

внешней среды путем вакуумирования [37] или помеще-

ния в закрытую ячейку [1], влияния рН и осмолярности 

среды [6, 7, 53], магнитного поля [9], низкоинтенсивного 

и гелий-неонового лазерного излучения [8, 31] и других 

факторов. Эти воздействия принципиально различают-

ся по механизму влияния на кристаллизацию биосреды, 

что затрудняет объединение полученных результатов в 

единый массив и составление общего представления о 

факторах,  модулирующих  биокристаллогенез.  Кроме 


Экспериментальная медицина и клиническая диагностика

33

того, систематизации данных существенно препятству-



ет качественный описательный подход исследователей 

к  анализу  кристаллоскопических  образцов,  базирую-

щийся  на  нахождении  специфичных  признаков  или 

маркеров изучаемых потенциальных триггеров. Сейчас 

практически единственным вариантом объективизации 

данных визуальной морфометрии является применение 

специализированных  компьютерных  программ  обра-

ботки кристаллограмм и  тезиграмм [10-12, 15, 42], но 

этот подход также не лишен недостатков. В частности, 

к их числу относятся высокая вариабельность кристал-

лических  и  аморфных  структур  в  микропрепарате  вы-

сушенной  биологической  жидкости  [5],  существенные 

трудности в унификации данного способа анализа к раз-

личным  биосубстратам  [11],  невозможность  фиксации 

возможных  уникальных  характеристик  и/или  структур 

фации  и  др.  На  возможность  использования  иных  ме-

тодов верификации результатов кристаллоскопии, осно-

ванных  на  учете  физико-химических  характеристик 

дегидратирующегося биосубстрата или уже сформиро-

ванных биокристаллов, указывают лишь А.А. Девяткин 

с соавт. (рентгеноструктурный анализ [14]) и Т.А. Яхно 

с  соавт.  (акустомеханический  импеданс  [45,  57]).  В  то 

же время только интегративный физико-биохимический 

подход  позволяет  комплексно  оценить  процессы,  при-

водящие к формированию кристаллоскопической и те-

зиграфической картины биоматериала, строго соответ-

ствующей  всему  массиву  стабильных  и  динамических 

факторов,  индивидуализированно  связанных  с  состоя-

нием организма человека.

Роль протеинового компонента  

в кристаллогенезе биосред

На основании данных литературы и многолетних 

собственных  изысканий  в  области  экспериментальной 

биокристаллоскопии  нами  предполагается,  что  веду-

щая  роль  в  формировании  фации  как  информационно 

насыщенного  отпечатка  жидкой  биологической  ткани 

принадлежит белкам и протеинсодержащим соединени-

ям [13, 18, 19, 32-34, 45-48]. При этом, с нашей точки 

зрения,  остальные  компоненты  биологической  среды, 

придающие  последней  выраженную  гетерогенность, 

выступают в качестве универсальных или в различной 

степени специфичных модуляторов кристаллообразова-

ния [26-29].

В  модельных  экспериментах  на  белковых  и 

белково-солевых растворах [6, 45, 57], а также при ис-

следовании  локализации  протеинового  компонента 

кристаллоскопической  картины  реальных  биосубстра-

тов  [17,  20,  25,  33]  было  показано,  что  белки  играют 

многогранную  роль  в  генезе  кристаллоскопической  и 

тезиграфической фации.

В этом плане представляет интерес тот факт, что 

биосреды с высоким содержанием белка и растворы ин-

дивидуальных белков и их смесей образуют аналогич-

ные дегидратационные картины. Подобное заключение 

позволяют  сделать  как  наши  собственные  результаты, 

так  и  данные  литературы  [6,  45],  что  дополнительно 

обосновывает  значимость  протеинового  компонента  в 

процессах  дегидратационной  самоорганизации  биоло-

гических сред.

Конкретизируя  тезис  о  полифункциональности 

белков  как  базиса  последующего  биокристаллогенеза, 

необходимо подчеркнуть следующие моменты:

–  белки  создают  ограниченное  пространство  для 

формирующейся фации, образуя особый сетчатый «кар-

кас» по свободной, не соприкасающейся с подложкой, 

поверхности образца («скин-слой» [17, 45]) и придавая 

высыхающей  капле  клиновидную  пространственную 

конфигурацию [43];

– белки способны выступать в качестве самостоя-

тельных активных центров кристаллообразования как в 

индивидуальном виде (монокристаллы), так и в форме 

соединений, в т. ч. комплексных, с другими компонен-

тами  биоматериала  (гетерокристаллы).  Это  свойство 

протеинов  в  некоторых  случаях  может  быть  диагно-

стически  значимым  при  условии  достаточной  изучен-

ности вопроса о специфических морфотипах отдельных 

белков [24, 31, 37]. Примерами подобных заболеваний-

кандидатов  на  специфическую  кристаллодиагностику 

являются  миеломная  болезнь,  миоглобинопатии,  ами-

лоидозы, другие болезни накопления и т. д.;

– белки могут являться модуляторами кристалло-

генеза  как  протеиновых,  так  и  небелковых  элементов 

биологического субстрата [27-29]. Подобный коопера-

тивный  эффект,  как  указывалось  выше,  может  приво-

дить  либо  к  образованию  кристаллов,  состоящих  ис-

ключительно из модулируемого вещества, либо к фор-

мированию структур, представляющих собой результат 

сокристаллизации модулятора и преобразуемого соеди-

нения [28]. Последнее обстоятельство существенно за-

трудняет  идентификацию  химического  состава  ново-

образованных биокристаллов, т. к. позволяет получить 

информацию  лишь  в  форме  определенных  условных 

параметров  или  в  виде  особых  маркерных  структур. 

Следует заметить, что это требует предварительной (до 

использования  с  диагностической  или  исследователь-

ской  целью)  разработки  оценочных  параметров  и/или 

нахождения маркерных элементов и характеристик.

В  целом,  подводя  итог  данному  краткому  опи-

санию  роли  белковых  молекул  в  биокристаллогенезе, 

можно свидетельствовать об их превалирующем значе-

нии в формировании кристаллоскопической и тезигра-

фической  фации.  Немаловажным  моментом,  дополни-

тельно  подчеркивающим  принципиальное  место  про-

теинового  компонента  в  формировании  особенностей 

процесса и результата кристаллизации биологического 

субстрата, является тот факт, что присутствие в послед-

нем  белковых  молекул  непосредственно  определяет  и 

«маркирует» биогенность анализируемого материала.



Понятие о кристаллопротеоме. Его состав

К  диагностической  ценности  белков  как  компо-

нентов биосред и биологических субстратов в послед-

нее время привлечено значительное внимание научной 

общественности.  Результатом  этих  изысканий  стала 

молодая биологическая наука – протеомика, предметом 

изучения  которой  являются  белки  организма.  Следует 

отметить, что акцент исследований данной дисциплины 

в настоящее время сдвинут в сторону выявления специ-

фических маркеров патологических состояний, прежде 

всего, онкомаркеров [30]. Их выделение производится 

многочисленными  высокотехнологичными  инстру-

ментальным  методами  (ВЭЖХ,  масс-спектроскопия, 

3D-электрофорез  и  др.).  С  другой  стороны,  известная 

давно способность белков к образованию кристаллов в 

этом плане практически не используется, несмотря на 

имеющиеся  значительные  предпосылки  [2,  12,  13,  23, 

34-36, 49, 56]. Так, широко распространенный рентге-

ноструктурный анализ как способ определения состава 

различных  элементов  в  своей  основе  содержит  этапы 

получения и последующего исследования монокристал-

лов белков.

Все  вышеперечисленное  создает  существенный 


34

Вятский медицинский вестник, № 2, 2011

базис  для  нового  перспективного  направления  биоло-

гии и биохимии – кристаллопротеомики. С наших пози-

ций, кристаллопротеомика – биологическая дисципли-

на, интегрирующая методологию и методику протеоми-

ки и биокристалломики [26]. Под кристаллопротеомом 

мы  предлагаем  понимать  кристаллическую  структуру 

всех  белков  определенного  биологического  образца  и 

целостного  организма.  Задачами  данного  направления 

могут стать:

а) изучение общих закономерностей построения и 

функционирования кристаллопротеома;

б)  выяснение  его  особенностей  при  широком 

спектре физиологических и патологических состояний;

в) оценка диагностической и прогностической ин-

формативности  исследования  кристаллопротеома  био-

сред организма;

г)  раскрытие  жидкокристаллической  составляю-

щей кристаллопротеома биосубстратов;

д) уточнение возможностей применения знаний о 

кристаллопротеоме в создании методов управления его 

состоянием (прежде всего, по шкале «кристаллическое 

состояние  –  частичная  кристалличность  –  жидкокри-

сталлический  статус  –  частичное  ингибирование  кри-

сталлогенеза – полное торможение кристаллизации») в 

условиях  in  vitro  и  in  vivo.  Экспериментальная  реали-

in  vitro  и  in  vivo.  Экспериментальная  реали-

  vitro  и  in  vivo.  Экспериментальная  реали-

vitro  и  in  vivo.  Экспериментальная  реали-

  и  in  vivo.  Экспериментальная  реали-

in  vivo.  Экспериментальная  реали-

  vivo.  Экспериментальная  реали-

vivo.  Экспериментальная  реали-

.  Экспериментальная  реали-

зация установленных закономерностей и тенденций на 

биомоделях  различного  уровня  организации  (прионы, 

микроорганизмы,  грибы,  растения,  низшие  и  высшие 

животные); 

е)  обоснование  потенциальных  перспектив  кор-

рекции состояния живого организма и его частей путем 

воздействия на совокупность белков последнего.

Вышеперечисленные  положения  указывают  на 

достаточно широкую область биологии и медицины, за-

трагиваемую при исследовании кристаллической струк-

туры протеома клеток, тканей и организма в целом.

Рассматривая  место  и  роль  кристаллопротео-

ма  в  процессах  жизнедеятельности  отдельных  клеток  

(рис.  1),  мы  предполагаем,  что  он  выступает  в  каче-

стве  реально  действующего  универсального  мессен-

джера,  осуществляющего  посреднические  функции 

между  совокупностью  относительно  стабильной  гене-

тически  детерминированной  информацией  (геномом) 

и  метаболическими  реакциями  цитозоля  и  органелл. 

Кроме  того,  данный  процесс  реализации  геномной 

информации  не  изолирован  от  влияния  многочислен-

ных  разнородных  факторов,  имеющих  как  эндоген-

ное  происхождение  (биотических),  так  и  экзогенных 

(ксенобиотических).  Каждый  из  них  способен  стать 

первичным  (непосредственно  воздействующим  на 

физико-химические  свойства  белков)  или  вторичным 

(опосредованно  через  промежуточные  соединения  и/

или  процессы)  модулятором  состояния  кристалло- 

протеома.

Рис. 1. Регуляторная роль кристаллопротеома в функционировании клеток и состав его кристаллических элементов

 



 

 

Рис. 1. Регуляторная роль кристаллопротеома в функционировании клеток и состав 



его кристаллических элементов 

 

Особым  аспектом  проблемы  является  определение  состава 



кристаллопротеома  (рис.  1).  В  соответствии  с  нашими  представлениями, 

белки,  имея  абсолютный  размер  в  диапазоне  0,1-100  Å  (10

-11

-10


-8

 

м),  в 



определенных условиях приобретают способность к образованию первичных 

центров  будущего  биокристаллогенеза  –  нанокристаллов.  Дальнейшая 

интеграция  отдельных  нанокристаллов  приводит  к  формированию  более 

крупных  элементов  –  кристалломицелл  [25].  Прогрессирование  этого 

процесса  способствует  объединению  указанных  частиц  в  ассоциаты,  на 

следующем  этапе  формирующие  крупные,  достигающие  в  максимальном 

измерении нескольких миллиметров (например, кристаллы мочевой кислоты 

в синовиальной жидкости, кристаллы в растительных клетках при холодовом 

шоке [2, 22, 25, 32, 38-41, 47, 51]) макрокристаллы. Этот каскад может иметь 

обратимый  характер  и,  по  нашему  мнению,  обладает  способностью 

стабилизироваться на любой из вышеперечисленных стадий. 

Более  того,  мы  считаем,  что  практически  в  любой  момент  в  составе 

кристаллопротеома  присутствуют  все  указанные  элементы,  тогда  как 

принципиальным  различием  отдельных  состояний  является  лишь  их 

взаимное соотношение. Последний параметр, с наших позиций, и определяет 

характер  и  направленность  регуляции  элементами  кристаллопротеома 

                        

ГЕНОМ

БЕЛКИ 


НАНОкристаллы 

Кристалломицеллы 

Ассоциаты 

кристалломицелл 



МАКРОкристаллы 

Кристалло-

протеом

Адаптация / Дезадаптация 

Биотические 

факторы 


модуляции 

кристаллогенеза 

Ксенобиотические 

факторы 


модуляции 

кристаллогенеза

Особым  аспектом  проблемы  является  определе-

ние состава кристаллопротеома (рис. 1). В соответствии 

с  нашими  представлениями,  белки,  имея  абсолютный 

размер в диапазоне 0,1-100 Å (10

-11

-10


-8

 м), в определен-

ных условиях приобретают способность к образованию 

первичных центров будущего биокристаллогенеза – на-

нокристаллов. Дальнейшая интеграция отдельных нано-

кристаллов приводит к формированию более крупных 

элементов  –  кристалломицелл  [25].  Прогрессирование 

этого  процесса  способствует  объединению  указанных 



Экспериментальная медицина и клиническая диагностика

35

частиц в ассоциаты, на следующем этапе формирующие 



крупные, достигающие в максимальном измерении не-

скольких миллиметров (например, кристаллы мочевой 

кислоты в синовиальной жидкости, кристаллы в расти-

тельных клетках при холодовом шоке [2, 22, 25, 32, 38-

41, 47, 51]), макрокристаллы. Этот каскад может иметь 

обратимый  характер  и,  по  нашему  мнению,  обладает 

способностью стабилизироваться на любой из вышепе-

речисленных стадий.

Более того, мы считаем, что практически в любой 

момент в составе кристаллопротеома присутствуют все 

указанные элементы, тогда как принципиальным разли-

чием отдельных состояний является лишь их взаимное 

соотношение. Последний параметр, с наших позиций, и 

определяет характер и направленность регуляции  эле-

ментами  кристаллопротеома  метаболических  процес-

сов на различных уровнях организации живой материи 

(в эволюционном ряду) и отдельных биосистем (моле-

кулярный, субклеточный, клеточный, тканевой, орган-

ный, организменный  и др.). Подобным образом могут 

обеспечиваться  адаптивные  или  дезадаптивные  (в  за-

висимости  от  характера  исходного  информационного 

сигнала и его трансформации в результате воздействия 

комплекса биотических и ксенобиотических модифика-

торов)  сдвиги  функционального  состояния  отдельной 

клетки и целостного организма.

Таким  образом,  кристаллопротеом  есть  высоко-

динамичная само- и экзогенно регулируемая биохими-

ческая система, сформированная совокупностью белков 

и играющая значительную роль в обеспечении и изме-

нении  жизнедеятельности  организма  и  его  отдельных 

элементов.

Классификация и спектр потенциальных 

модуляторов кристаллогенеза биосубстратов

Продолжая дискуссию о многоуровневой модуля-

ции кристаллопротеома, необходимо подчеркнуть, что 

массив воздействующих на него эндогенных и экзоген-

ных  факторов  чрезвычайно  гетерогенен,  причем  эти 

агенты крайне разнородны по силе оказываемой транс-

формации  исходного  биоинформационного  сигнала 

[25-29]. В целях их систематизации было произведено 

выделение 4 порядков модуляторов.

Классификация модуляторов биокристаллогенеза 

по уровню и силе воздействия

Модуляторы 0 порядка (геномные):

– генные мутации;

– конформационные преобразования генома;

– трансформация генома.

Модуляторы I порядка (белковые):

* дефектные белки;

* конформационная модификация белков;

* изменение синтеза белка.

Модуляторы  II  порядка  (кристаллизационные, 

биотические, микроокружение кристаллогенеза):

1. электролитный состав;

2. химические преобразования в гетерогенной си-

стеме;


3. влияние концентрации и состояния полимерных 

небелковых молекул.

Модуляторы  III  порядка  (агрегационные,  ксено-

III  порядка  (агрегационные,  ксено-

  порядка  (агрегационные,  ксено-

биотические, макроокружение кристаллогенеза):

1.  физические  характеристики  макроокружения 

биоматериала  (давление,  влажность,  скорость  потоков 

воздуха, рН, осмолярность, температура и т. д.);

2. дезагреганты;

3. водно-электролитный баланс биосреды;

4. антагонизм образующихся гетерологичных кри-

сталлов

Для уточнения роли каждого порядка была созда-



на принципиальная схема их действия (рис. 2), наглядно 

отображающая значимость отдельных групп факторов. 

В соответствии с данной схемой, модуляторами нуле-

вого порядка признаются трансформации генетической 

информации, изменяющие сигнал еще на стадии его ге-

нерации. Результатом их действия является передавае-

мая статичная регуляторная информация.

Рис. 2. Кристаллоскопическая фация как результат многоуровневой модуляции

 



 

Рис. 2. Кристаллоскопическая фация как результат многоуровневой модуляции 

 

Для  уточнения  роли  каждого  порядка  была  создана  принципиальная 



схема  их  действия  (рис.  2),  наглядно  отображающая  значимость  отдельных 

групп  факторов.  В  соответствии  с  данной  схемой,  модуляторами  нулевого 

порядка признаются трансформации генетической информации, изменяющие 

сигнал  еще  на  стадии  его  генерации.  Результатом  их  действия  является 

передаваемая статичная регуляторная информация. 

Следующим  важнейшим  фактором,  оказывающим  влияние  на 

метаболический  сигнал,  выступают  физико-химические  особенности  самих 

белков,  образующих  протеом.  В  этот  первый  порядок  интегрированы  их 

конформационные,  ионизационные,  структурные  характеристики,  наличие 

заместителей, комплексобразования, агрегации, денатурации части или всех 

протеинов и др. 

В  меньшей  степени  оказывают  воздействие  на  биоинформацию,  а, 

следовательно,  на  способность  к  кристаллизации  экзо-  и  эндогенные 

небелковые  компоненты  биосистемы.  К  ним  можно  отнести  различные 

соединения  органического  ряда  и  электролиты  (второй  порядок).  Эти 

факторы оказывают умеренное и предположительно обратимое действие на 

биосигнал. 

Наконец,  минимальный  вклад  в  трансформацию  информации  вносят 

агенты третьего порядка. К числу последних, по нашему мнению, могут быть 

причислены  различные  олигопептиды,  некоторые  электролиты  и  широкий 

спектр физических факторов (температура окружающей и внутренней среды, 

магнитные  и  электрические  поля,  ионизирующие  и  лазерные  излучения  и 

др.). 


Yüklə 2,3 Mb.

Dostları ilə paylaş:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   ...   15




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2024
rəhbərliyinə müraciət

gir | qeydiyyatdan keç
    Ana səhifə


yükləyin