Каждая клетка продуцирует тысячи белков, каждый из которых выполняет специфическую функцию. Набор белков клетки называется ее протеомом, а наука протеомика занимается изучением структуры, функций, локализации и взаимодействия белков внутри клетки и между клетками. Организация по изучению человеческого протеома (Human Proteome Organization), исходя из того, что потенциально один ген может кодировать тысячи белков, оценивает возможность идентификации в человеческом протеоме по крайней мере миллиона белков.
Функции генов проявляются посредством синтеза (экспрессии) соответствующих белков. В окончательном счете для полного понимания взаимосвязей между генами, продукцией белков и проявлением признаков мы должны сопоставить данные структуральной геномики, функциональной геномики и протеомики. Но, в любом случае, по сравнению с геномикой, протеомика ставит перед исследователями гораздо более многочисленные и трудные задачи.
Структура белковых молекул гораздо сложнее, чем структура молекул ДНК, которые представляют собой линейные молекулы, состоящие из четырех нерегулярно повторяющихся элементов (нуклеотидов). Белковая молекула – это цепочка из 22 элементов (аминокислот) соединенных в последовательности, закодированной в нуклеотидах соответствующего гена. Эти цепочки скручены в сложные запутанные структуры, форма которых обеспечивает выполнение специфических функций протеинов. Известно, что форма, которую принимает белковая молекула, зависит от последовательности аминокислот, однако все механизмы скручивания и складывания аминокислотной цепочки до конца не изучены. Это ограничивает наши возможности по прогнозу того, какую форму примет та или иная последовательность аминокислот и для выполнения каких функций будет предназначен белок, который при этом образуется.
В организме присутствуют тысячи структурно отличающихся друг от друга белков, в то время как молекулы ДНК имеют практически одинаковую форму. Кроме того, в отличие от неизменного генома, протеом организма настолько динамичен, что можно говорить о практически бесконечно большом количестве возможных комбинаций составляющих его белков. Геном организма не меняется ни в зависимости от типа клетки, ни в зависимости от возраста организма, протеом же варьирует от клетки к клетке, от года к году и даже от момента к моменту. Он меняется в ответ на сигналы, посылаемые другими клетками и поступающие из окружающей среды. Один-единственный ген может отвечать за синтез различных вариантов белка, каждый из которых обладает своей собственной функцией.
Первоочередной задачей исследователей, работавших над Human Genome Project, была разработка методов, которые позволили бы им добиться поставленных целей. Ученые, занимающиеся протеомикой, и по сей день находятся в подобном положении: им необходимо разработать достаточное количество методов и приемов, которые могли бы обеспечить эффективную работу над огромным количеством вопросов. Здесь приведены лишь некоторые из них:
– каталогизация всех белков, синтезируемых различными типами клеток;
– выяснение характера влияния возраста, условий окружающей среды и заболеваний на синтезируемые клеткой протеины;
– выяснение функций идентифицированных белков;
– составление схем связей между повышением или понижением уровня синтеза белков и происходящими в организме процессами, например, при развитии заболевания, инфицировании организма или биохимическими реакциями сельскохозяйственного растения, происходящими в ответ на нападение насекомых;
– изучение взаимодействий различных белков с другими белками, содержащимися внутри клетки и во внеклеточном пространстве.
