Kako se grade proteinske strukture

Moderna biologija duboko je prodrla u dubinu stanice - "ciglu" živih. Živa stanica znanstvenicima se učinila skladnom kombinacijom jednostavnijih struktura - membrana, cjevčica, granula, vlaknastih formacija, koje se sastoje od međusobno povezanih molekula.

Proučavanje bioloških struktura, njihovog sastava i molekularne organizacije, njihove specifične aktivnosti postalo je predmetom molekularne biologije.

Uspjeh potonjeg povezan je prije svega s dekodiranjem strukture nukleinskih kiselina i prirodom nasljednih informacija. Molekula nukleinske kiseline linearni je slijed od četiri vrste nukleotida složenih u složen, ali strogo definiran redoslijed, koji se mogu usporediti s redovitim rasporedom slova u smislenom tekstu. Baš kao što tekst nosi neku poruku, neke informacije, redoslijed nukleotida u molekuli nukleinske kiseline sadrži informacije o pojedinačnim strukturama proteina koje treba stvoriti u procesu izgradnje organizma.

Molekula proteina također je linearni slijed strukturnih elemenata, ali ne nukleotida, već dvadeset vrsta aminokiselina. Svaka kombinacija tri nukleotida u molekuli nukleinske kiseline (genetski kod) unaprijed određuje uključivanje jedne ili druge od dvadeset aminokiselina. Slijed nukleotidnih trojki određuje točan slijed aminokiselina u sintetiziranoj molekuli proteina.

Nastavljajući već općeprihvaćenu usporedbu genetskih podataka s napisanim tekstom, možemo reći da se tijekom sinteze proteina tekst napisan na jeziku nukleotida prevodi na jezik aminokiselina. Podaci sadržani u aminokiselinskom tekstu određene vrste proteina - to jest sastav i slijed aminokiselina koji su samo njemu svojstveni - određuju njegov oblik i finu unutarnju organizaciju - prostorni poredak strukturnih elemenata na kojima određeni njegovi biološki funkcije ovise. Ako se poređenje poremeti, na primjer, enzimski proteini gube sposobnost kataliziranja reakcija u tijelu.

Studije su pokazale da određene funkcije proteina izravno izvode udruge kemijskih skupina smještenih u određenim dijelovima uređenih molekula proteina - specifičnih funkcionalnih centara. Kad se naruši poredak - na primjer, molekula proteina topi - tada kombinacije kemijskih skupina dobivaju priliku da promijene međusobni raspored, raspršenje i funkcionalni centri prestaju postojati.

Dakle, prijevod nukleotidnog jezika na jezik aminokiselina nije samo prijevod. Slova aminokiselina fizikalno-kemijskim su sadržajem mnogo bogatija od nukleotidnih. I općenito, informacije koje nosi proteinska molekula bitno se razlikuju od nukleotidnih informacija, jer određuju specifičnost strukture proteinskih molekula i njihove najsuptilnije biološke funkcije.

Još jedna usporedba može se napraviti iz tehničkog područja. Informacije sadržane u nukleinskim kiselinama slične su nacrtima od kojih se dijelovi proizvode i sastavljaju prema određenom redoslijedu. Molekula proteina je okupljeni mehanizam, a informacije sadržane u slijedu njegovih aminokiselina program su samog mehanizma.

U živoj stanici većina proteina ne funkcionira u slobodnom stanju, već kao komponente složenih struktura - dobro uravnoteženih i kontroliranih sustava, gdje svaki protein ima određeno mjesto i određeni udio u ukupnoj fiziološkoj funkciji. Konstrukcija složenih staničnih struktura dijalektički je prijelaz iz područja kemije (što bi trebalo uključivati ​​i funkcioniranje pojedinih molekula proteina) u područje biologije.

Složene biološke strukture, osim bjelančevina, sadrže i lipide, ugljikohidrate i druge tvari.Međutim, u izgradnji složenih unutarstaničnih struktura uloga tih tvari nije vodeća.

Po samoj prirodi svoje kemijske strukture, ugljikohidrati i lipidi jednostavno ne mogu sadržavati toliko veliku količinu informacija koja je potrebna za takvu konstrukciju. Najvažnija uloga u njemu pripada određenim proteinima.

Dakle, današnja molekularna biologija potvrđuje i detaljno iznosi poznati stav F. Engelsa o proteinima kao osnovi života. U proteinima, gdje se beskrajno raznolike molekule grade od strukturnih elemenata s vrlo različitim svojstvima, gdje se preciznost jedinstvene organizacije kombinira s fleksibilnošću i plastičnošću, priroda je pronašla izuzetan materijal koji je omogućio stvaranje višeg, biološkog oblika kretanja materije.
Stroga molekularna organizacija bioloških struktura prvenstveno je određena osobitostima interakcije bjelančevina. Njihove su molekule selektivno povezane: svaka ima dobro definirane susjede. To mogu biti ili molekule identične ovoj ili različite od nje. Ali u svakom slučaju, susjedi su "programirani", postavljeni i ne mogu biti drugačije. Točnost organizacije dodatno pogoršava činjenica da su proteini koji nisu jednaki u prostornoj konfiguraciji, s različito smještenim kemijskim skupinama, međusobno povezani orijentirano: ne slučajno, već samo određenim područjima njihovih površina. Ta su kontaktna područja kemijski strukturirana tako da pružaju pouzdanu i bez pogrešaka selektivnost lijepljenja. Nazivaju se određenim kontaktnim područjima ili određenim centrima.

Prisutnost specifičnih centara uobičajeno je svojstvo proteina koji obavljaju specijalizirane biološke funkcije. To su "radni organi" molekula proteina. Zahvaljujući posebnim specifičnim centrima, enzimski proteini selektivno vežu tvari, čiji su katalizatori kemijskih transformacija antitoksinski proteini, vežu toksine itd.

Sustav interakcija organiziran je između kemijskih skupina određenog središta i partnerske molekule nakon kontakta. Uključuje, prvo, elektrostatičku privlačnost između skupina s suprotnim električnim nabojima; drugo, takozvane vodikove veze između električno polarnih skupina; i, konačno, treće, "hidrofobne" veze - interakcije između nepolarnih skupina (skupine koje voda odbija). Ovdje u pravilu ne nastaju stabilne kemijske veze, jer je svaka pojedinačno od navedenih interakcija prilično slaba. Ali općenito, sustav određenog središta pruža dovoljnu čvrstoću veze molekula.

Spomenuta selektivnost djelovanja određenih centara postiže se zahvaljujući korespondenciji u sastavu i rasporedu kemijskih skupina u samom središtu i u partnerskoj molekuli - takozvanoj komplementarnosti. Svaka zamjena ili kretanje grupa znači kršenje komplementarnog ™. Također je jasno da određeno središte nije samo radni mehanizam, već i šifra koja omogućuje molekuli proteina da "prepozna" svog partnera među mnogim drugim molekulama, čak i onima s velikom sličnošću s tim partnerom.

Koncept specifičnih centara odražava samo opći karakter funkcionalnih mehanizama svojstvenih proteinima. Specifične funkcije proteina, struktura i reakcije njihovih specifičnih centara ostaju područje znanosti u kojem ostaje gotovo sve što treba učiniti. To se odnosi i na procese stvaranja supramolekularnih bioloških struktura.

Neke su biološke strukture izuzetno složene. Takve su, na primjer, membrane s * enzimskim kompleksima. Sastavljanje takvih struktura izvodi se, kako pokazuju podaci drugih studija, velikim sustavom brojnih proteinskih komponenata.Sudjelovanje mnogih proteina u ovom radu očito je samo neizravno - oni samo sudjeluju u procesu stvaranja strukture, ali nisu uključeni u njezin sastav. Pretpostavlja se da među tim pomoćnim proteinima postoje specifični enzimi.

S druge strane, postoje biološke strukture koje imaju relativno jednostavnu strukturu. Na primjer, druge vlaknaste strukture izgrađene su od proteinskih molekula samo jedne vrste.

U brojnim slučajevima u laboratorijima moguće je razgraditi jednostavne biološke strukture na njihove pojedinačne elemente - protein i druge molekule. Pod odgovarajućim uvjetima okoliša, ti se elementi opet sami kombiniraju u pravom redoslijedu i stvaraju izvornu strukturu. Ovaj postupak ponovnog stvaranja obično se naziva samo-montaža. Brojni istraživački timovi u inozemstvu i kod nas proučavaju njegove mehanizme. Jedna od takvih skupina je Laboratorij za proteinske strukture i funkcije Instituta za biokemiju, gdje se proučava samostalno sastavljanje fibrinskih vlakana.
Fibrin je vlaknasti protein koji se pojavljuje u krvi kada se zgruša. Stvaranje neprekidne mreže vlakana pretvara tekuću krv u skrutnutu želatinastu masu. Zahvaljujući ovom fenomenu krvarenje se zaustavlja nakon ozljeda - krv na oštećenoj površini tijela koagulira.

U povoljnim uvjetima za tijelo u krvi koja cirkulira kroz netaknute žile, postoji topivi preteča fibrina - protein fibrinogen. Kada su krvne žile oštećene, poseban složeni sustav bjelančevina počinje proizvoditi enzim trombin, koji cijepa četiri male čestice zvane fibrinski peptidi iz velike molekule fibrinogena. Izgubivši ih, fibrinogen se pretvara u fibrin-protein, čija polimerizacija (međusobna veza) molekula tvori vlakna.

Monomerne molekule fibrina polimeriziraju se sa strogim redoslijedom karakterističnim za sve procese samo-montaže.

Eksperimentalna proučavanja procesa samo-montaže zahtijevaju rješenja
odgovarajuće monomerne molekule proteina. Njihov izvor su gotovo uvijek prirodne supramolekularne strukture, u koje su monomeri više ili manje čvrsto "postavljeni". Složenost i poteškoća dobivanja početnih monomernih otopina iz ovih struktura leži u činjenici da neoprezno "demontiranje" može oštetiti krhke molekule proteina.

Stoga je prvi problem koji se nameće pred znanstvenicima koji se upuštaju u proučavanje procesa samoskupljanja upravo „demontaža“ bioloških struktura. U svakom pojedinačnom slučaju treba potražiti metode djelovanja specifične za svaku strukturu koje bi učinkovito raskinule veze između sastavnih monomera i ne bi nanijele štetu samim monomerima. Za fibrin dugo nije bilo moguće pronaći potpuno zadovoljavajući način razgradnje njegovih polimernih vlakana. Otopine uree u početku predložene u tu svrhu, a zatim natrijevog bromida bile su neučinkovite. Tek 1965. godine zaposlenica našeg laboratorija T.V.Varetskaya razvila je metodu koja u potpunosti zadovoljava sve zahtjeve koji se temelje na upotrebi razrijeđenih otopina octene kiseline na temperaturama blizu 0 ° C. Tako dobivene monomerne molekule fibrina uvijek imaju ista svojstva, reproducirane iz pokusa u iskustvo. Prethodne metode razgradnje fibrina u otopinama uree ili natrijevog bromida nisu dale takvu postojanost svojstava: različiti uzorci monomernog proteina dobiveni uz njihovu pomoć razlikovali su se, na primjer, u različitim brzinama polimerizacije.

Zanimljivo je da kada se drugi protein, strukturni protein mitohondrija, dobije u otopljenom stanju, najbolje rezultate (kao što su zaključili američki znanstvenici koji proučavaju samostalno sastavljanje ovih struktura) daje i ohlađena razrijeđena otopina octene kiseline.

Procesi koji su uključeni u samostalno sastavljanje konstrukcija proučavaju se na razne načine.Jedan od tih načina je sustavno proučavanje rezultata utjecaja na tijek procesa određenih tvari.

Na primjer, kašnjenje u polimerizaciji fibrina može nastati izlaganjem polazne otopine monomera vodenoj otopini anorganskih soli, posebno natrijevog klorida. U granicama niskih koncentracija soli - do 2-3% - kašnjenje polimerizacije je jače, otopina je "jača".

Koje podatke pruža ta činjenica?

Poznato je da soli u vodenoj otopini postoje u obliku iona koji nose pozitivne i negativne električne naboje. Elektrostatička učinkovitost solnih iona obično se procjenjuje posebnom vrijednošću - ionskom snagom koja uzima u obzir koncentraciju otopine i veličinu naboja njezinih iona. Kemijska priroda pojedinih slanih iona ovdje nije bitna. Kašnjenje polimerizacije uglavnom je određeno ionskom snagom otopine soli dodane u monomernu otopinu bjelančevina. To pokazuje da je učinak pretežno elektrostatičke prirode. Očito je da solni ioni prekrivaju ("gase") električne naboje monomernih molekula fibrina - okolnost koja samo ukazuje na to da su njihovi električni naboji uključeni u mehanizam selektivne veze proteinskih molekula. U normalnim uvjetima - u odsutnosti smetnji od elektrostatski nabijenih iona soli - pozitivno i negativno nabijene ionske skupine, koje se komplementarno nalaze u određenim centrima, trebale bi privući molekule jedna drugoj.

Detaljnija ispitivanja koja je u našem laboratoriju izvršio EV Lugovskii pokazala su da, uz opći probirni učinak ionske snage, postoji i drugi učinak soli, koji snažno ovisi o kemijskoj prirodi i individualnosti iona, a određuje se njihovom sposobnošću da vežu na protein. Pričvršćivanje iona za određeno središte očito unosi dodatni poremećaj u njegov rad.

E. V. Lugovskii istraživao je učinak većih koncentracija soli na polimerizaciju. Pokazalo se da neke soli naglo odgađaju, dok druge, naprotiv, ubrzavaju polimerizaciju. Tako, na primjer, dvije srodne soli, natrijev klorid i bromid, djeluju suprotno: prva ubrzava, a druga usporava proces. Poput bromida, ali još jači, natrijev jodid djeluje poput klorida, različitih jačina - ponekad jači, a zatim slabiji - sulfati, fosfati i neke druge soli.

Pokazalo se da su snagom ubrzavajućeg učinka na polimerizaciju fibrina soli poredane u nizu koji se podudara s već dugo poznatim i dobro poznatim redom za "soljenje" (taloženje) proteina u otopinama s visokim koncentracijama soli. Međutim, u pokusima s polimerizacijom fibrina još se ne događa pravo soljenje, budući da se postupak proučava u koncentracijama soli koje još uvijek ne dosežu soli. Uz to, prilikom soljenja proteini se talože u obliku bezoblične mase, a u opisanom su slučaju nastala normalna vlakna fibrina - mogla su se vidjeti pomoću faznog kontrastnog mikroskopa.

Mnoga su istraživanja otkrila da je sklonost proteina soljenju pojačana prisutnošću nepolarnih skupina u njegovim molekulama koje su blizu njegove površine i u kontaktu s okolinom. Što je više takvih skupina, niža je koncentracija fiziološke otopine, dovoljna za soljenje proteina.

Ovi dobro poznati položaji mogu se koristiti za objašnjenje rezultata našeg eksperimenta, u kojem se nesumnjivo očituje učinak soljenja, što ukazuje na to da monomerna molekula fibrina treba na svojoj površini sadržavati velik broj nepolarnih skupina. Ali mi nemamo pravo soljenje. Učinak usoljavanja očituje se samo u ubrzavanju specifične polimerizacije. To se može objasniti činjenicom da su nepolarne skupine komplementarne komponente određenog središta molekule proteina.

Dakle, studije učinka slanih otopina na polimerizaciju fibrina pokazuju da su i elektrostatičke interakcije i „hidrofobne” interakcije između nepolarnih skupina uključene u proces samoskupljanja fibrina. Podaci drugih studija pokazuju da je uključena i treća vrsta interakcija između molekula proteina - vodikove veze.

Okrenimo se sada fibrinogenu, preteči fibrina. Njegove molekule također su sposobne polimerizirati da bi stvorile vlakna slična fibrinu. Stoga, monomeri fibrinogena također imaju specifična središta. Međutim, njihova polimerizacija zahtijeva posebne uvjete i, posebno, visoku ionsku čvrstoću otopine. Ako zaštita od električnih naboja odgađa polimerizaciju fibrina, tada je, naprotiv, preduvjet za kombiniranje monomera fibrinogena u lancu. Iz toga slijedi da je mjesto električnih naboja u određenom središtu molekule fibrinogena nepovoljno za polimerizaciju i trebalo bi ga provoditi samo interakcijom onih kemijskih skupina koje nemaju električni naboj.

Peptidi fibrina, čijim cijepanjem molekula fibrinogena postaje monomerna molekula fibrina, nose negativne električne naboje. Čini se da je njihovo uklanjanje faktor koji mijenja sustav naboja u određenom centru i stvara komplementarnost.

Zanimljivo je da je jedna od vrsta krvarenja, teška nasljedna bolest, uzrokovana mutacijskom promjenom fibrinogena, u kojoj ovaj protein gubi pozitivne naboje u blizini mjesta cijepanja fibrinskih peptida. Potonji se, kao i u normalnom slučaju, cijepaju, ali trombin više ne uzrokuje aktivaciju fibrinogena, (Kao što dijagram pokazuje, aktivacija se sastoji u činjenici da se obližnji pozitivni naboj određenog centra oslobađa od neutralizirajućeg učinka fibrina). Ako nema takvog naboja, cijepanje fibrinskog peptida postaje besmisleno: ne dolazi do aktivacije.)

Određeni fragmenti fibrinogena ili fibrina karakterizirani su defektnim specifičnim centrima, koji su međutim sposobni za selektivnu interakciju s monomernim fibrinom. Takvi se fragmenti mogu dobiti uništavanjem tih proteina enzimima. U eksperimentima s njima lako je uočiti kako aktivni fragmenti komuniciraju s fibrinom i ometaju sastavljanje vlakana. Upravo su takvi pokusi - proizvodnja i proučavanje aktivnih fragmenata - trenutno u našem laboratoriju. Nadamo se da ćemo proučavanjem strukture i selektivnih reakcija ovih fragmenata bolje razumjeti kako se sami proteini grade i djeluju.

Komplementarnost ionskih skupina, koja igra tako bitnu ulogu u samo-okupljanju fibrina, očito je također važna i pri samo-okupljanju drugih bioloških struktura. Udio energije elektrostatičkih veza u ukupnoj količini energije interakcije molekula koja se povezuje vjerojatno je mali. Za vezu molekula najvažnije su "hidrofobne" veze. Ali ionske skupine mogu ubrzati samookupljanje. Elektrostatički naboji mogu međusobno djelovati na relativno velikoj udaljenosti. A upravo njihova dugotrajna akcija omogućuje, vjerojatno, „sondiranje“ okoline, prepoznavanje željenog partnera i orijentirani kontakt s njim.
Kompletna shema stvaranja fibrina, počevši od fibrinogena, uključuje enzim trombin, koji se odlikuje nevjerojatno finom selektivnošću. U uvjetima karakterističnim za njegovo djelovanje, uopće ne utječe na mnoge "strane" bjelančevine. Djeluje samo na fibrinogen i izvršava samo jednu visoko specifičnu funkciju: od njega cijepa peptide fibrina. Ovaj rad trombina nužan je i dovoljan za stvaranje monomernog fibrina.

To sugerira da bi pri sastavljanju vrlo složenih struktura, koje se odvija u nekoliko faza, trebali djelovati i specifični enzimi poput trombina.Lako je zamisliti sljedeći slijed reakcija: protein prekurzor namijenjen, na primjer, sudjelovanju u dvije reakcije sklapanja, aktivira prvi enzim i kombinira se s određenim partnerom; to ga čini dostupnim za drugi enzim i naknadno specifično vezanje drugog partnera. Moguće je da je to upravo mehanizam organizacije onih bioloških struktura čija složenost isključuje mogućnost izravnog samo-okupljanja.

U međufazama sklapanja složenih struktura enzimi mogu biti ne samo alati za aktivaciju. Njihovo djelovanje može promijeniti opća svojstva bjelančevina. Na primjer, određeni protein, koji je već “ugrađen” u strukturu, može postati njegov netopivi dio, izgubivši značajan dio svojih hidrofilnih komponenata zbog enzima. Naravno, takva shema ne isključuje druge, što podrazumijeva mogućnost postojanja proteina nosača koji dovode netopive proteine ​​do mjesta okupljanja.

U zaključku valja napomenuti da je proučavanje procesa sklapanja supramolekularnih bioloških struktura područje prepuno nejasnih i složenih pitanja. Stoga su u ovoj fazi svog razvoja informacije o procesima koji se događaju u tako relativno jednostavnim sustavima kao što je sustav stvaranja vlakana fibrina posebno zanimljive i korisne.

V. Belitser

Slične publikacije

Neuronski impulsi i RNA

Rođenje molekularne biologije

Kako "izgraditi" molekulu?