Hvordan proteinstrukturer bygges

Moderne biologi har trengt dypt inn i dypet av cellen - de levende ”mursteinene”. En levende celle fremsto for forskere som en harmonisk kombinasjon av enklere strukturer - membraner, rør, granuler, fiberformasjoner, bestående av ordnede molekyler koblet til hverandre.

Studiet av biologiske strukturer, deres sammensetning og molekylære organisasjon, deres spesifikke aktivitet har blitt gjenstand for molekylærbiologi.

Suksessen til sistnevnte er først og fremst assosiert med dekoding av strukturen til nukleinsyrer og arten av arvelig informasjon. Et nukleinsyremolekyl er en lineær sekvens av fire typer nukleotider arrangert i en kompleks, men strengt definert rekkefølge, som kan sammenlignes med den vanlige ordningen av bokstaver i en meningsfylt tekst. Akkurat som en tekst bærer noe budskap, litt informasjon, inneholder rekkefølgen av nukleotider i et nukleinsyremolekyl informasjon om de individuelle strukturene til proteiner som skal opprettes i ferd med å bygge en organisme.

Et proteinmolekyl er også en lineær sekvens av strukturelle elementer, men ikke nukleotider, men tjue typer aminosyrer. Hver kombinasjon av tre nukleotider i et nukleinsyremolekyl (genetisk kode) bestemmer på forhånd inkluderingen av en eller annen av de tjue aminosyrene. Sekvensen av nukleotidtripletter bestemmer den eksakte sekvensen av aminosyrer i det syntetiserte proteinmolekylet.

Fortsetter den allerede generelt aksepterte sammenligningen av genetisk informasjon med skrevet tekst, kan vi si at under proteinsyntese blir teksten skrevet på nukleotidspråket oversatt til språket til aminosyrer. Informasjonen i aminosyre-teksten til en bestemt type protein - det vil si sammensetningen og sekvensen av aminosyrer som ligger i den alene - bestemmer dens form og subtile interne organisering - den romlige ordenen av strukturelle elementer, som visse av dens biologiske funksjoner avhenger. Hvis denne ordren blir forstyrret, mister for eksempel enzymproteiner evnen til å katalysere reaksjoner i kroppen.

Studier har vist at visse funksjoner til et protein utføres direkte av assosiasjoner av kjemiske grupper lokalisert i bestemte deler av et ordnet proteinmolekylsspesifikke funksjonelle sentre. Når rekkefølgen forstyrres - for eksempel et proteinmolekyl smelter - så får kombinasjonene av kjemiske grupper muligheten til å endre sitt gjensidige arrangement, spredningen og funksjonelle sentre slutter å eksistere.

Dermed er oversettelsen av nukleotidspråket til aminosyrens språk ikke bare en oversettelse. Aminosyrebokstaver er mye rikere på fysisk-kjemisk innhold enn nukleotidene. Og generelt er informasjonen som bæres av et proteinmolekyl fundamentalt forskjellig fra nukleotidinformasjonen, siden den også bestemmer spesifisiteten til strukturen til proteinmolekyler og deres subtileste biologiske funksjoner.

En annen sammenligning kan gjøres fra det tekniske feltet. Informasjonen i nukleinsyrene er som tegninger der deler produseres og settes sammen i en bestemt rekkefølge. Et proteinmolekyl er en samlet mekanisme, og informasjonen i aminosyresekvensen er selve mekanismens program.

I en levende celle fungerer de fleste proteiner ikke i fri tilstand, men som komponenter i komplekse strukturer - velbalanserte og kontrollerbare systemer, hvor hvert protein har et bestemt sted og en viss andel i den generelle fysiologiske funksjonen. Konstruksjonen av komplekse cellestrukturer er en dialektisk overgang fra kjemifeltet (som skal inkludere funksjonen til individuelle proteinmolekyler) til biologi.

Komplekse biologiske strukturer, i tillegg til proteiner, inneholder også lipider, karbohydrater og andre stoffer.Imidlertid, i konstruksjonen av komplekse intracellulære strukturer, er ikke rollen til disse stoffene den ledende.

På grunn av deres kjemiske struktur kan karbohydrater og lipider ganske enkelt ikke inneholde den store mengden informasjon som er nødvendig for en slik konstruksjon. Den viktigste rollen i den tilhører spesifikke proteiner.

Dermed bekrefter og detaljerer dagens molekylærbiologi den velkjente posisjonen til F. Engels om proteiner som livsgrunnlaget. I proteiner, hvor uendelig forskjellige molekyler er bygget fra strukturelle elementer med veldig forskjellige egenskaper, hvor presisjonen til en unik organisasjon er kombinert med fleksibilitet og plastisitet, har naturen funnet et eksepsjonelt materiale som gjorde det mulig å skape en høyere, biologisk form for bevegelse av materie.
Den strenge molekylære organisasjonen av biologiske strukturer bestemmes primært av særegenheter ved samspillet mellom proteiner. Molekylene deres er koblet selektivt: hver har veldefinerte naboer. Disse kan være enten molekyler som er identiske med denne eller forskjellige fra den. Men i alle fall er naboene "programmert", satt og kan ikke være noe annet. Organisasjonens nøyaktighet forverres ytterligere av det faktum at proteiner som ikke er like i romlig konfigurasjon, med forskjellige kjemiske grupper, er koblet til hverandre på en orientert måte: ikke tilfeldig, men bare av visse områder av overflatene. Disse kontaktområdene er kjemisk strukturert for å gi pålitelig og feilfri bindingsselektivitet. De kalles spesifikke kontaktområder, eller spesifikke sentre.

Tilstedeværelsen av spesifikke sentre er en felles egenskap for proteiner som utfører spesialiserte biologiske funksjoner. Dette er "arbeidsorganene" til proteinmolekyler. Takket være spesielle spesifikke sentre binder enzymproteiner selektivt stoffer, hvor katalysatorene for kjemiske transformasjoner er antitoksinproteiner, binder giftstoffer osv.

Et system av interaksjoner er organisert mellom de kjemiske gruppene i et bestemt senter og et partnermolekyl ved kontakt. Den inkluderer for det første elektrostatisk tiltrekning mellom grupper med motsatte elektriske ladninger; for det andre de såkalte hydrogenbindinger mellom elektrisk polare grupper; og til slutt tredje, "hydrofobe" bindinger - interaksjoner mellom ikke-polære grupper (grupper frastøtt av vann). Som regel oppstår ikke stabile kjemiske bindinger her, siden hver enkelt av de oppførte interaksjonene er ganske svake. Men generelt gir systemet til et bestemt senter tilstrekkelig styrke for forbindelsen av molekyler.

Ovennevnte selektivitet av virkningen av spesifikke sentre oppnås på grunn av korrespondansen i sammensetningen og arrangementet av kjemiske grupper i sentrum og i partnermolekylet - den såkalte komplementariteten. Enhver erstatning eller bevegelse av grupper betyr brudd på komplementær ™. Det er også klart at et spesifikt senter ikke bare er en fungerende mekanisme, men også en kryptering som tillater et proteinmolekyl å "gjenkjenne" sin partner blant mange andre molekyler, selv de som har stor likhet med denne partneren.

Konseptet med spesifikke sentre gjenspeiler bare den generelle karakteren til de funksjonelle mekanismene som ligger i proteiner. De spesifikke funksjonene til proteiner, strukturen og reaksjonene til deres spesifikke sentre forblir et vitenskapsområde hvor nesten alt gjenstår å gjøre. Dette gjelder også prosesser for dannelse av supramolekylære biologiske strukturer.

Noen biologiske strukturer er ekstremt komplekse. Slike er for eksempel membraner med * enzymatiske komplekser. Montering av slike strukturer utføres, som data fra andre studier viser, av et stort system med mange proteinkomponenter.Deltakelsen av mange proteiner i dette arbeidet er tilsynelatende bare indirekte - de deltar bare i prosessen med å lage en struktur, men er ikke inkludert i sammensetningen. Det antas at det er spesifikke enzymer blant disse tilleggsproteinene.

På den annen side er det biologiske strukturer som har en relativt enkel struktur. For eksempel er andre fibrøse strukturer bygget fra proteinmolekyler av bare en type.

I noen tilfeller er det mulig i laboratorier å spalte enkle biologiske strukturer i deres separate elementer - protein og andre molekyler. Under passende miljøforhold kombineres disse elementene igjen av seg selv i riktig rekkefølge og gjenskaper den opprinnelige strukturen. Denne omskapingsprosessen blir ofte referert til som selvmontering. En rekke forskningsteam både i utlandet og i vårt land studerer mekanismene. En av disse gruppene er laboratoriet for proteinstrukturer og funksjoner ved Institutt for biokjemi, hvor selvmontering av fibrinfibre studeres.
Fibrin er et fibrøst protein som dukker opp i blodet når det koagulerer. Dannelsen av et kontinuerlig nettverk av dets fibre gjør flytende blod til en størknet gelatinøs masse. Det er takket være dette fenomenet at blødningen stopper etter skader - blodet på den skadede overflaten av kroppen koagulerer.

Under gunstige forhold for kroppen i blodet som sirkulerer gjennom intakte kar, er det en løselig forløper for fibrin - proteinet fibrinogen. Når blodkar blir skadet, begynner et spesielt komplekst system med proteiner å produsere enzymet trombin, som spalter fire små partikler kalt fibrinpeptider fra et stort fibrinogenmolekyl. Etter å ha mistet dem, blir fibrinogen til fibrin-protein, hvor polymerisasjonen (forbindelse med hverandre) av molekylene danner fibre.

Monomeriske fibrinmolekyler polymeriserer med en streng ordrekarakteristikk for alle selvmonteringsprosesser.

Eksperimentelle studier av selvmonteringsprosesser krever løsninger
tilsvarende monomere proteinmolekyler. Kilden deres er nesten alltid naturlige supramolekylære strukturer, hvor monomerene er mer eller mindre fast "montert". Kompleksiteten og vanskeligheten med å oppnå innledende monomere løsninger fra disse strukturene ligger i det faktum at uforsiktig "demontering" kan skade skjøre proteinmolekyler.

Derfor er det første problemet som oppstår før forskere som tar fatt på studiet av selvmonteringsprosesser, nettopp "demontering" av biologiske strukturer. I hvert enkelt tilfelle må man lete etter handlingsmetoder som er spesifikke for hver struktur som effektivt vil bryte båndene mellom dens bestandige monomerer og ikke ville skade monomerene selv. For fibrin var det ikke mulig i lang tid å finne en fullstendig tilfredsstillende måte for spaltning av dets polymerfibre. Oppløsningen av urea som opprinnelig ble foreslått for dette formålet og deretter av natriumbromid var ineffektiv. Først i 1965 utviklet en ansatt i vårt laboratorium TV Varetskaya en metode som fullstendig tilfredsstiller alle kravene, basert på bruk av fortynnede oppløsninger av eddiksyre ved temperaturer nær 0 ° C. De monomere fibrinmolekylene oppnådd på denne måten har alltid samme egenskaper, gjengitt fra eksperiment til erfaring. De tidligere metodene for spaltning av fibrin i oppløsninger av urea eller natriumbromid ga ikke slik bestandighet av egenskaper: forskjellige prøver av det monomere proteinet som ble oppnådd med deres hjelp, varierte for eksempel i forskjellige polymeriseringshastigheter.

Interessant, når et annet protein, det strukturelle mitokondriaproteinet, oppnås i oppløst tilstand, gir de beste resultatene (som de amerikanske forskerne som studerte selvmontering av disse strukturene konkluderte) også en avkjølt fortynnet løsning av eddiksyre.

Prosessene involvert i selvmontering av strukturer studeres på forskjellige måter.En av disse måtene er en systematisk studie av resultatene av å påvirke prosessen med visse stoffer.

For eksempel kan en forsinkelse i fibrinpolymerisasjon være forårsaket av å utsette startmonomerløsningen for en vandig løsning av uorganiske salter, spesielt natriumklorid. Innenfor grensene for lave saltkonsentrasjoner - opptil 2-3% - er forsinkelsen i polymerisasjon jo sterkere, jo "sterkere" løsningen.

Hvilken informasjon gir dette faktum?

Det er kjent at salter i en vandig løsning eksisterer i form av ioner som bærer positive og negative elektriske ladninger. Den elektrostatiske effektiviteten til saltioner estimeres vanligvis av en spesiell mengde - ionestyrke, som tar hensyn til konsentrasjonen av løsningen og størrelsen på ladningen til ionene. Den kjemiske naturen til de enkelte saltionene er irrelevant her. Polymeriseringsforsinkelsen bestemmes hovedsakelig av ionestyrken til saltløsningen tilsatt til den monomere proteinløsningen. Dette viser at effekten overveiende er elektrostatisk. Det er åpenbart at saltioner screener ("slukker") de elektriske ladningene til monomere fibrinmolekyler - en omstendighet som bare indikerer at deres elektriske ladninger er involvert i mekanismen for selektiv forbindelse av proteinmolekyler. Under normale forhold - i fravær av interferens fra elektrostatisk ladede saltioner - bør positivt og negativt ladede ioniske grupper, som er komplementære i bestemte sentre, tiltrekke seg molekyler til hverandre.

Mer detaljerte studier utført i vårt laboratorium av EV Lugovskii viste at, sammen med den generelle screeningeffekten av ionestyrke, er det en annen effekt av salter, som avhenger sterkt av den kjemiske naturen, ionenes individualitet og bestemmes av deres evne til å feste til et protein. Festingen av et ion til et bestemt senter introduserer tilsynelatende en ekstra forstyrrelse i arbeidet.

E. V. Lugovskii undersøkte effekten av høyere saltkonsentrasjoner på polymerisasjon. Det viste seg at noen salter forsinket kraftig, mens andre tvert imot akselererer polymerisering. Så, for eksempel, virker to beslektede salter, natriumklorid og bromid, motsatt: den første akselererer, og den andre forsinker prosessen. Som bromid, men enda sterkere, virker natriumjodid, som klorid, med forskjellige styrker - noen ganger sterkere, så svakere - sulfater, fosfater og noen andre salter virker.

Det viste seg at etter styrken av den akselererende effekten på fibrinpolymerisasjon, blir saltene ordnet i en rad som sammenfaller med den veletablerte og velkjente raden for "salting" (utfelling) av proteiner i løsninger med høye saltkonsentrasjoner. Imidlertid, i eksperimenter med fibrinpolymerisasjon, skjer ikke ekte salting ennå, siden prosessen er studert ved saltkonsentrasjoner som fremdeles ikke når salting ut. I tillegg, når det saltes ut, utfelles proteiner i form av en formløs masse, og i det beskrevne tilfellet ble normale fibrinfibre dannet - de kunne sees ved hjelp av et fasekontrastmikroskop.

Mange studier har funnet at tilbøyeligheten til et salt til salting forbedres av tilstedeværelsen av ikke-polære grupper i molekylene som er nær overflaten og i kontakt med miljøet. Jo flere slike grupper, jo lavere er konsentrasjonen av saltoppløsningen, tilstrekkelig for salting av proteinet.

Disse velkjente posisjonene kan brukes til å forklare resultatene av eksperimentet vårt, der utvilsomt en utsaltningseffekt manifesteres, noe som indikerer at et monomert fibrinmolekyl skal inneholde et stort antall ikke-polare grupper på overflaten. Men vi har ikke skikkelig salting. Utsaltingseffekten manifesteres bare i akselerasjonen av spesifikk polymerisering. Dette kan bare forklares med det faktum at ikke-polære grupper er komplementære komponenter i et spesifikt senter i proteinmolekylet.

Studier av effekten av saltoppløsninger på fibrinpolymerisasjon viser således at både elektrostatiske interaksjoner og "hydrofobe" interaksjoner mellom ikke-polære grupper er involvert i prosessen med fibrin-selvmontering. Dataene fra andre studier indikerer at den tredje typen interaksjoner mellom proteinmolekyler også er involvert - hydrogenbindinger.

La oss nå gå over til fibrinogen, forløperen til fibrin. Dens molekyler er også i stand til å polymerisere for å danne fibrinlignende fibre. Derfor har fibrinogenmonomerer også spesifikke sentre. Imidlertid krever deres polymerisering spesielle betingelser og spesielt en høy ionestyrke av løsningen. Hvis skjerming av elektriske ladninger forsinker fibrinpolymerisasjon, er det tvert imot en forutsetning for å kombinere fibrinogenmonomerer i kjeden. Men av dette følger det at plasseringen av elektriske ladninger i et spesifikt senter i fibrinogenmolekylet er ugunstig for polymerisering, og det bør bare utføres gjennom samspillet mellom de kjemiske gruppene som ikke har elektrisk ladning.

Fibrinpeptider, med spaltingen av som fibrinogenmolekylet blir et monomert fibrinmolekyl, bærer negative elektriske ladninger. Tilsynelatende er fjerningen deres den faktoren som endrer ladningssystemet i et bestemt senter og skaper komplementaritet.

Interessant er at en av blødningstypene, en alvorlig arvelig sykdom, er forårsaket av en mutasjonsendring i fibrinogen, der dette proteinet mister sine positive ladninger nær punktene for spaltning av fibrinpeptider. Sistnevnte, som i det normale tilfellet, spaltes, men trombin forårsaker ikke lenger aktivering av fibrinogen, (Som diagrammet viser består aktivering i det faktum at en nærliggende positiv ladning av et spesifikt senter frigjøres fra den nøytraliserende effekten av fibrinpeptid . Hvis det ikke er noen slik ladning, blir spalting av fibrinpeptid meningsløs: aktivering skjer ikke.)

Visse fragmenter av fibrinogen eller fibrin er preget av defekte spesifikke sentre, som imidlertid er i stand til selektivt å samhandle med monomert fibrin. Slike fragmenter kan oppnås ved å ødelegge disse proteiner med enzymer. I eksperimenter med dem er det lett å observere hvordan aktive fragmenter samhandler med fibrin og forstyrrer fibermontering. Det er nettopp slike eksperimenter - produksjon og studier av aktive fragmenter - som laboratoriet vårt for tiden er engasjert i. Det er håpet at ved å studere strukturen og de selektive reaksjonene til disse fragmentene, vil vi bedre forstå hvordan proteiner i seg selv er bygget og virker.

Komplementariteten til ioniske grupper, som spiller en så viktig rolle i selvsamlingen av fibrin, er tilsynelatende også viktig i selvmonteringen av andre biologiske strukturer. Andelen av energien til elektrostatiske bindinger i den totale mengden av interaksjonsenergien til de forbindende molekylene er sannsynligvis liten. Mer avgjørende for forbindelsen av molekyler er "hydrofobe" bindinger. Men ioniske grupper kan øke hastigheten på selvmontering. Elektrostatiske ladninger kan samhandle over en relativt lang avstand. Og det er deres langsiktige handling som gjør det mulig, sannsynligvis, å "undersøke" miljøet, å gjenkjenne ønsket partner og kontakte ham på en orientert måte.
Det komplette skjemaet for dannelse av fibrin, startende med fibrinogen, inkluderer enzymet trombin, som er preget av utrolig fin selektivitet. Under forholdene som er karakteristiske for dens handling, berører den slett ikke mye "fremmede" proteiner. Den virker bare på fibrinogen, og den utfører bare en ren spesifikk funksjon: den spalter fibrinpeptider fra den. Dette arbeidet med trombin er nødvendig og tilstrekkelig for dannelsen av monomert fibrin.

Dette antyder at når man monterer svært komplekse strukturer, som foregår i flere trinn, bør spesifikke enzymer som trombin også virke.Det er lett å forestille seg følgende reaksjonssekvens: et forløperprotein beregnet på for eksempel å delta i to monteringsreaksjoner, aktiveres av det første enzymet og kombineres med en spesifikk partner; dette gjør det tilgjengelig for det andre enzymet og etterfølgende spesifikk feste av den andre partneren. Det er mulig at dette er nettopp mekanismen for organisering av disse biologiske strukturene, hvis kompleksitet utelukker muligheten for direkte selvmontering.

I mellomstadene av montering av komplekse strukturer kan enzymer ikke bare være aktiveringsverktøy. Virkningen deres kan endre de generelle egenskapene til proteiner. For eksempel kan et visst protein, som allerede er "innebygd" i en struktur, bli en uoppløselig del av det, etter å ha mistet en betydelig del av sine hydrofile komponenter på grunn av enzymer. Naturligvis ekskluderer en slik ordning ikke andre, noe som antyder muligheten for at det eksisterer bærerproteiner som leverer uoppløselige proteiner til monteringsstedet.

Avslutningsvis skal det bemerkes at studiet av samleprosesser av supramolekylære biologiske strukturer er et felt fylt med uklare og komplekse spørsmål. Derfor, på dette stadiet av utviklingen, er informasjon om prosessene som forekommer i slike relativt enkle systemer som systemet for dannelse av fibrinfibre spesielt interessant og nyttig.

V. Belitser

Lignende publikasjoner

Nevrale impulser og RNA

Fødselen av molekylærbiologi

Hvordan "bygge" et molekyl?