Разгадан механизм движения «шагающего белка»

Содержание и уход

Белка домашняя – это существо с неуемной энергией, которое может прыгать и бегать часами. Для ее содержания в доме необходим просторный вольер или большая клетка.

Для одного животного потребуется клетка размерам 50х60см и высотой 150 см. Прутья лучше сделать оцинкованными, или покрыть их хорошей порошковой краской. Зазор между прутьями не должен быть более 2 см. Клетку необходимо оборудовать выдвижным поддоном, чтобы её было легче убирать. На поддон положите сено, тростник, либо лесной мох.

Обязательно в клетке должна быть поилка, кормушка и домики, где белки обычно устраивают гнёзда. Одному зверьку необходимо два домика, которые должны быть хорошо закреплены на достаточной высоте. Положите в клетку кусочки мягкой ткани, кусочки шерстяной пряжи, мелкие древесные опилки, немного ваты, которые белочка обязательно использует при организации гнезда.

Владелец должен иметь доступ в домик (для этого можно использовать откидную крышу или широкий вход). Не забудьте о минеральном и соляном камнях, которые следует установить в удобном для питомца месте, лучше, если это будет место рядом с поилкой или кормушкой.

Мы уже говорили о том, что белки остро нуждаются в движении, поэтому без различных лесенок, гамаков, качелей, крупных веток и колес вам не обойтись.

Белка домашняя будет чувствовать себя комфортно в клетке, установленной вдали от сквозняков и прямых лучей солнца. Убирать ее следует через день. Это убережет вашего питомца от инфекционных заболеваний.

Ускользающая грань

Никита Гудимчук уточняет: за его популярными объяснениями стоят сложные, еще плохо изученные явления.

— Честно говоря, мы мало чего понимаем в митозе. Лишь некоторые детали. Неясна архитектура кинетохора, имеется масса вопросов к самим микротрубочкам. Но знание некоторых нюансов позволяет нам работать в прикладном направлении. Например, известно, что основную роль в закреплении микротрубочки на кинетохоре играет белковый комплекс NDC80. В ходе многолетних исследований мы довольно четко представляем, как именно он работает. И сейчас пытаемся разработать молекулу, которая бы его «выключала». Эти исследования поддержаны грантом РНФ для научных групп под руководством молодых ученых.

Группа изучения митоза. Слева направо: Максим Вовченко, Алена Коршунова, Александр Костарев, Вадим Мустяца, Юлия Лопанская, Никита Гудимчук
Дарья Дувидзон

Нахождение такой молекулы, по словам Никиты, позволит создать новое поколение противораковых лекарств. Многие современные препараты, призванные остановить бесконтрольное размножение опухолевых клеток, воздействуют именно на микротрубочки — либо «замораживая», либо расщепляя их и тем самым разрушая механизм деления и здоровых клеток. Результат — огромный список побочных действий.

— Особенно тяжело приходится нервной системе, — уточняет Никита. — Наши нейроны способны достигать в длину около метра, перенос веществ и энергии от ядра к далекой периферии для них особенно важен. Чем и занимаются там микротрубочки. Поэтому их поломка приводит к серьезным нейродегенеративным эффектам: тремор, невралгия, ухудшение памяти и так далее. Мы же пытаемся этого избежать, прицельно воздействуя только на крепление микротрубочки к кинетохору. Клетка теряет способность делиться, но микротрубочки продолжают выполнять свои важные функции.

Прикладное и фундаментальное направление деятельности своей научной группы Никита Гудимчук разделяет специально для журналистов, инвесторов или составления заявок на гранты. Реальный исследовательский мотив всего один — отыскать постоянно ускользающую грань между живой и неживой материей.

— Научившись блокировать NDC80, мы получим отличную возможность разобраться, как работают остальные белки кинетохора, а значит, лучше понять общий механизм митоза. Поэтому я не могу сказать, где в нашей работе проходит деление «чистой» науки на прикладную, — признается Никита Гудимчук.

Идея рычага

Долгое время исследователи митоза, в основном биологи, принимали в штыки гипотезу о том, что микротрубочки могут самостоятельно развивать силу и перемещать хромосомы. Само собой полагалось, что это удел исключительно моторных белков. Взявшиеся за дело физики в корне изменили представления о механике «веретена деления».

 Честно говоря, мы мало чего понимаем в митозе. Лишь некоторые детали. Неясна архитектура кинетохора, имеется масса вопросов к самим микротрубочкам

— Почему и как именно микротрубочка укорачивается? — риторически вопрошает Гудимчук. — Причина в том, что димер тубулина, из которого состоят микротрубочки, присоединяет к себе нестабильную химическую молекулу ГТФ и со временем ее расщепляет. Выделившаяся при этом энергия изменяет форму тубулина так, что взаимодействие между соседними димерами ослабевает. Это приводит к тому, что каждая из 13 цепочек-протофиломентов начинает загибаться наружу — микротрубочка расслаивается. А что, если каждый загибающийся протофиламент, подобно рычагу, способен совершать полезную работу по перемещению хромосомы?

Эту идею успешно осуществила команда Фазоила Атауллаханова совместно с группой Дика Макинтоша из Университета Колорадо в Боулдере. Сначала на поверхность микротрубочки был закреплен стеклянный шарик микронных размеров, а потом с помощью технологии лазерного пинцета (автор которой, Артур Эшкин, получил в этом году Нобелевскую премию по физике ) была измерена сила, с которой изгибающиеся протофиламенты давят на шарик. Оказалось, что одна микротрубочка способна развивать силу порядка 70 пиконьютонов (10−12), что в масштабах клетки довольного много. Для сравнения: одного молекулярного моторчика хватает лишь на пять пиконьютонов.

Моделирование разбирающейся микротрубочки с закрепленным на ее поверхности стеклянным шариком

Grishchuk et al., Nature (2005)

Диаграммы походки

Наконец, мы хотели бы вернуться к вопросам схемы походки. Это не будет проблемой для роботов, которые могут двигаться только одним типом походки. Однако при разработке алгоритма походки робота с большим количеством степеней свободы, существует некоторая проблема.

Мы представили эту проблему на следующем рисунке а виде диаграммы. Существенным различием между двумя представленными вариантами является дополнительное пустое поле в периоде походки. В этот момент все ноги находятся на земле, а туловище выталкивается вперед на всю длину шага. Во время фазы стояния на одной ноге, другие движутся в обратном направлении 1/5 длины шага.

Системы управления — отдельная проблема. Простое перемещение даже роботов со многими степенями свободы и поддержкой нескольких простых датчиков расстояния может быть реализовано в восьмиразрядных микроконтроллерах. Написание программы на языках BASIC (bascom, BASIC stamp, BASIC micro) также не является большой проблемой для среднего опытного программиста.

Тирозин

Тирозин — ароматическая аминокислота, одна из двадцати аминокислот, необходимых для синтеза белка. Он образован из фенилаланина и других аминокислот. Тирозин участвует в синтезе адреналина, норадреналина, серотонина и дофамина. 

Для правильного метаболизма тирозина в мозге необходимы витамин B 6 (пиридоксин) и фолиевая кислота. Тирозин используется для синтеза белков, катехоламинов, гормонов щитовидной железы, меланинов и может расщепляться на конечные метаболиты CO 2, H 2 O, NH + и энергию. 

Между тирозином и α-кетоновой кислотой происходит реакция пераминирования, в результате чего п-гидроксифенилпируват вступает в реакцию с O 2.образуется гомогентизат. Ароматическое кольцо гомогентизата далее разрушается молекулярным кислородом с образованием малеилацетата. Он изомеризуется в фумарилацетоацетат, который гидролизуется до фумарата и ацетоацетата. 

• Тирозин обладает улучшающими настроение и антидепрессивными свойствами. 
• Он действует как адаптоген — улучшает адаптацию организма при стрессовых реакциях, снижает негативные последствия стресса, подавляет аппетит. 
• Тирозин участвует в синтезе энкефалинов, обезболивающих. 
• Используется в качестве нейротрансмиттера для стимуляции синтеза L-допа при болезни Паркинсона. 
• Тирозин используется в сочетании с триптофаном и имипрамином в качестве антидепрессанта. Эти аминокислоты содержатся в соевых продуктах, курице, индейке, рыбе, бананах, молоке, сыре, семенах кунжута, овсянке. 

Недостаток тирозина снижает синтез белка, отмечается повышенная утомляемость, признаки депрессии, нарушение функции печени, снижение активности щитовидной железы. Очень серьезный дефицит тирозина может возникнуть при генетическом заболевании — фенилкетонурии, при котором организм не может метаболизировать аминокислоту фенилаланин, поэтому ее необходимо исключить из рациона. В отсутствие фенилаланина тирозин не может образовываться.

Недостаток тирозина снижает активность щитовидной железы

Функции белков

Функции белков в организме человека

• Структурная. Примерно половина белков в организме играет «каркасную» роль, например, в коже и мышцах. Эти белки — коллаген, актин и миозин.
• Транспортная. Белки помогают транспортировать многие питательные вещества через кровь и другие жидкости организма, такие как гемоглобин, липопротеины.
• Гормональная. Гормоны — это аминокислотные цепи, из которых состоят пептиды, такие как инсулин.
• Ферментативная. Все ферменты — белки. Например, пищеварительный фермент амилаза и другие.
• Иммунная. Антитела — это белковые молекулы. Белки также участвуют в подавлении воспалительных реакций.
• Защитная. Белок альбумин выполняет защитную функцию, поддерживая необходимый pH крови.

Функции белков в организме человека

По питательной ценности белок делится на полезный и менее ценный. Значение зависит от набора аминокислот, которые лучше всего усваиваются человеческим организмом. Этот «набор» меняется в зависимости от физиологического развития человека.

Цифры и ноты

Криптограммы с цифрами практически никогда не состоят из одних лишь цифр, как правило, они встречаются в комбинации с картинками, буквами, нотами и прочим. По сути, наличие цифр – это вспомогательный фактор, диктующий условия для разгадывания ребуса. Как разгадывать ребусы с цифрами:

• Если над изображением какого-либо предмета стоят цифры в разном порядке, это значит, что буквы изображенного слова читаются в указанном порядке.
• Если цифры в ребусе зачеркнуты, значит, из него нужно выкинуть те буквы, которые соответствуют зачеркнутым цифрам.

Ребусы с нотами могут показаться людям, не имеющим музыкального образования, сложными и требующими особых знаний для того, чтобы их решать. Отчасти они правы – в таких головоломках в большинстве случаев используют изображение нот, для обозначения соответствующих им слогов – «до», «ре», «ми» и т.д. И тогда придется вспомнить школьные уроки музыки, и определить, что за нота изображена в ребусе.

В некоторых, упрощенных случаях, изображение скрипичного ключа дает понять, что задействовано лишь слово «нота».

Классификация белков

По содержанию аминокислот белки делятся на полноценные и неполноценные.

Полноценный белок содержит в своем составе все необходимые аминокислоты, а неполноценный белок, соответственно, каких-то аминокислот не содержит.

Для строительства всех белков организма важно не только наличие всех аминокислот, но и их пропорции в пищевом продукте. Пища, наиболее близкая по аминокислотному составу белкам тела человека, является оптимальной

Если какой-то одной аминокислоты не хватает, другие аминокислоты не могут использоваться организмом, более того, для того, чтобы возместить нехватку, начнут распадаться собственные белки, в первую очередь белки – ферменты, участвующие в процессах биосинтеза, и мышечные белки. В условиях недостатка той или иной незаменимой аминокислоты, другие аминокислоты оказываются избыточными, хотя этот избыток относительный. Распадающиеся мышечные белки образуют высокотоксичные продукты обмена и усиленно выводятся организмом, создавая отрицательных азотистый баланс. Человек начинает хиреть, хотя может искренне считать, что с питанием у него все в порядке.

По своему происхождению белки делятся на животные и растительные.

К животным белкам относятся белки яиц, молока и молочных продуктов, рыбы и морепродуктов, мясо животных и птиц.

К растительным белкам относятся белки зерновых, бобовых, орехов и грибов.

Продукты питания считаются белковыми, если они содержат не меньше 15% белка.

Все животные белки являются полноценными, т.е. содержат полный набор аминокислот. Большинство растительных белков являются неполноценными.

Как разгадывать основные виды ребусов

Принято считать, что самыми простыми являются загадки, состоящие из картинок. Тут можно поспорить, поскольку и такие головоломки бывают весьма непростыми, но для восприятия и развития правильного ассоциативного ряда они, безусловно, проще. Вся соль таких заданий состоит в том, что практически любое изображение можно толковать по-разному, и именно в подборе вариантов состоит смысл любой головоломки. Итак, главные правила, руководствуясь которыми, следует решать такой ребус, это:

1. Последовательно перечислить предметы на картинке, слева направо, в единственном числе и именительном падеже.
2. Если на картинке предмет изображен в перевернутом виде, значит, его название читается задом наперед.
3. Если, кроме картинки в задании присутствуют запятые, они означают, что у изображенного на картинке слова нужно отнять столько знаков, сколько нарисовано запятых. Если запятые изображены в начале слова, значит, и буквы нужно отнять в начале слова. Если запятые присутствуют в конце слова – соответственно, отнимать нужно последние символы.
4. Также задачка может содержать в себе и стрелки. Они означают, что после того, как была правильно разгадана картинка, ее название нужно прочитать задом наперед. Кроме того, направлениями стрелок может быть указано прямое и обратное прочтение слогов, а не целого слова.

Своего рода стабильность

Еще один важный критерий — это тип устойчивости. Это неразрывно связано с количеством лап. Различают следующие типы устойчивости: статически стабильная походка, динамически стабильная походка и квазистатическая стабильная походка.

Статически стабильная походка

Статически стабильная походка — это походка, при которой робот может быть остановлен в любой момент, без потери равновесия. Классическим примером этого типа движений является походка шестиногих роботов.

Динамически стабильная походка

Противоположность этому типу движений — динамически устойчивая походка. В этом случае, только в определенные моменты движения, робот может быть остановлен, в другие, сохраняется стабильность походки за счет динамики движения. Остановка в такой момент приведет к опрокидыванию робота.

Квазистатическая устойчивая походка

Последний тип — квазистатическая устойчивая походка. В этом случае, в отличие от других, устойчивость походки обеспечивается конструкцией ноги. Примером может служить походка двуногих роботов с большими и тяжелыми ступнями, в которой стабильность движения обеспечивает «маятник» — движущаяся нога уравновешивает наклон туловища.

Коллаген

Коллаген — это основной белок соединительной ткани у животных. Коллаген содержится в костях, хрящах, сухожилиях, зубах, коже, роговице, легких, печени, кровеносных сосудах и других органах и тканях. На его долю приходится около 25-30% белка млекопитающих. 

У человека и позвоночных было идентифицировано двенадцать типов коллагена, состоящего из более чем 24 различных полипептидных α-спиралей. Комбинации этих спиралей определяют типы коллагена. Например, наиболее распространенный коллаген I типа (90% общей массы коллагена) состоит из 2 спиралей α-1 и 1 α-2. 

Структура коллагена

Коллаген отличается от других белков организма своим уникальным аминокислотным составом: 33%. из всех аминокислот составляют Gly, 10% – про, 10% – гидрокси-Pro и 1% – гидрокси-Lys. Основная структурная единица коллагена — тропоколаген, состоит из трех левовращающихся α-спиралей, скрученных в одну правовращающуюся суперспираль. Такие суперспирали связываются поперечными ковалентными связями с образованием фибрилл.

Биологическая ценность белков

Биологическую ценность белков определяют аминокислоты. Белки со всеми незаменимыми аминокислотами в достаточном количестве, имеют высокую биологическую ценность. Белки с высокой биологической ценностью содержатся в источниках животного происхождения: мясе, яйцах, молочных продуктах, рыбе. 

Если в белке нет одной или нескольких незаменимых аминокислот, его биологическая ценность низкая. Как правило, белки растительного происхождения имеют низкую биологическую ценность. Если питательная ценность ежедневного рациона слишком низкая, для выработки энергии используются белки организма. 

Дефицит белка часто встречается у пациентов, перенесших операцию, и у пожилых людей. Дефицит белка возникает при заболеваниях почек, серьезных травмах, ожогах, сепсисе, мальабсорбции. Дефицит белка вызывает потерю мышечной массы, плохое заживление ран, восприимчивость к инфекциям, отек и ожирение печени.

Натянутые отношения

Пожалуй, это единственный момент в танце хромосом, когда в их рядах царит абсолютная симметрия. Хромосомные пары застыли в экваториальной плоскости клетки, оба партнера смотрят в противоположные стороны — в направлении полюсов деления. Из ближайших центросом к ним протянулись микротрубочки. Зацепившись концами за кинетохоры, они немного растягивают сестринские хромосомы друг от друга. Еще мгновение, и микротрубочки начнут стремительно укорачиваться, разделяя и увлекая за собой хромосомы. Этот механизм получил название «веретено деления» клетки.

 Центром сборки микротрубочек служит специальная органелла — центросома, расположенная близ клеточного ядра. Расходясь лучами из центросомы, тысячи микротрубочек формируют каркас клетки и ее транспортную систему

Но что если микротрубочки, выросшие из одной центросомы, прикрепятся неправильно? К обоим сестринским хромосомам сразу или хромосоме, которой положено отойти к противоположному полюсу деления? Это неизбежно приведет к ошибке распределения наследственной информации, а значит, к крайне негативным последствиям. К счастью, природой предусмотрен сенсор, отслеживающий корректность закрепления микротрубочек.

— Поверхность кинетохора «ворсистая», с нее свисает множество белковых ниточек — фибрилл, — объясняет Никита Гудимчук. — Они-то, предположительно, и связываются с концами микротрубочек. Прочность крепления регулируются специальным белком с поэтическим названием Aurora B киназа. Его концентрация максимальна в центре соединения сестринских хромосом и резко спадает при удалении от центра. Смысл существовании Aurora B киназы — рушить связи фибриллок с микротрубочками. Неправильно зацепившиеся микротрубочки не могут с нужно силой растянуть сестринские хромосомы в стороны полюсов. Хромосомы остаются прижатыми друг к другу, а микротрубочки подпадают под все увеличивающееся влияния Авроры и в конечном счете отпадают. Прикрепившиеся верно, наоборот, уходят от ее воздействия, их связь с фибриллами крепнет, и уже ничто не мешает им тащить хромосому к правильному полюсу деления. Удивительно изящное решение!

Схема коррекции ошибок закрепления микротрубочек ферментом Aurora B, область действия которого обозначена прямоугольником. Красные кружки – кинетохоры – сложные и до конца не изученные белковые комплексы, расположенные на каждой хромосоме в районе центромеры и служащие для закрепления с микротрубочками веретена деления. Зеленые линии – микротрубочки, зеленые кружочки – центросомы. Светлые овалы – белки когезины, которые скрепляют сестринские хромосомы до момента их разделения

Аминокислоты

Белки состоят из аминокислотной цепи. Аминокислоты связываются между собой с образованием пептидных цепей, более 10 аминокислот — полипептиды.

Общая формула аминокислот H 2 N – CHR – COOH. Строение отдельных аминокислот кардинально отличается. Согласно им выделяют три основные группы аминокислот: 

• алифатические;
• ароматические;
• гетероциклические. 

Алифатические кислоты делятся на моноаминомонокарбоновые и моноаминодикарбоновые кислоты. В молекуле трех аминокислот — цистеина, цистина и метионина содержится атом серы. 

Строение аминокислот

Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества. За исключением глицина, все они имеют асимметричный атом углерода и оптически активны. Человеческий белок содержит 20 отдельных аминокислот. Некоторые из них незаменимы (существенны), другие — заменяемы, потому что их можно синтезировать.

Во время катаболизма всех аминокислот образуются шесть веществ, которые участвуют в общем катаболическом процессе. Эти вещества представляют собой пируват, ацетил-КоА, кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат и оксалоацетат. 

Аминокислоты, из которых промежуточные продукты цикла Кребса (α-кетоглутарат, сукцинил-КоА, фумарат) образуются во время катаболизма и впоследствии превращаются в конечный продукт оксалоацетат и могут использоваться для гликогенеза, называются гликогенными аминокислотами. 

Некоторые аминокислоты превращаются в ацетоацетат или ацетил-CoA во время катаболизма и могут использоваться для синтеза ацетоновых материалов. Их называют кетогенными. Многие аминокислоты используются в синтезе веществ глюкозы и ацетона, потому что катаболизм производит два продукта, соответствующий метаболит цикла Кребса и ацетоацетат (Tyr, Phe, Trp) или ацетил-КоА (Ile). Такие аминокислоты называют смешанными или гликокетогенными.

Почти все природные аминокислоты (за исключением метионина) реагируют с α-кетоглутаровой кислотой. Эта катализируемая трансаминазой реакция дает глутаминовую кислоту и соответствующую α-кетоновую кислоту. Образовавшаяся глутаминовая кислота подвергается окислительному дезаминированию под действием каталитической глутаматдегидрогеназы.

Вывод

В данной статье «Шагающие роботы — теория и основы» рассмотрены вопросы, связанные с шагающими роботами, наиболее часто используемыми решениями для реализации походки, и описаны примерные диаграммы походки. Описание всех возможных конструкций ног и методов походки просто невозможно из-за огромного объема информации.

Надеемся, материал вам понравился. Не стесняйтесь узнавать больше о робототехнике, изобретать и конструировать собственных шагающих роботов. Конструкция такого робота доставит вам большое удовлетворение и гордость за себя, особенно когда заработает все как надо.