Ako sa vytvárajú bielkovinové štruktúry

Moderná biológia prenikla hlboko do hĺbky bunky - „tehly“ žijúcich. Živá bunka sa vedcom javila ako harmonická kombinácia jednoduchších štruktúr - membrán, trubíc, granúl, vláknitých útvarov, pozostávajúcich z usporiadaných molekúl navzájom spojených.

Štúdium biologických štruktúr, ich zloženia a molekulárnej organizácie, ich špecifickej činnosti sa stalo predmetom molekulárnej biológie.

Úspech týchto látok je spojený predovšetkým s dekódovaním štruktúry nukleových kyselín a charakterom dedičnej informácie. Molekula nukleovej kyseliny je lineárna sekvencia štyroch typov nukleotidov usporiadaných v zložitom, ale striktne definovanom poradí, ktoré je možné porovnať s pravidelným usporiadaním písmen v zmysluplnom texte. Tak, ako text nesie určitú správu, nejaké informácie, obsahuje poradie nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny informácie o jednotlivých štruktúrach proteínov, ktoré sa majú vytvoriť v procese budovania organizmu.

Molekula proteínu je tiež lineárna sekvencia štruktúrnych prvkov, nie však nukleotidy, ale dvadsať druhov aminokyselín. Každá kombinácia troch nukleotidov v molekule nukleovej kyseliny (genetický kód) určuje zahrnutie jednej alebo druhej z dvadsiatich aminokyselín. Sekvencia nukleotidových tripletov určuje presnú sekvenciu aminokyselín v syntetizovanej proteínovej molekule.

Pri pokračovaní už všeobecne akceptovaného porovnania genetických informácií s písaným textom môžeme povedať, že počas syntézy proteínov je text napísaný v nukleotidovom jazyku preložený do jazyka aminokyselín. Informácie obsiahnuté v aminokyselinovom texte konkrétneho typu proteínu - to znamená zloženie a postupnosť aminokyselín, ktoré sú mu vlastné - určujú jeho tvar a jemnú vnútornú organizáciu - priestorové usporiadanie štruktúrnych prvkov, na ktorých sú určité jeho vlastnosti biologické funkcie závisia. Ak je toto usporiadanie narušené, napríklad enzýmové proteíny strácajú schopnosť katalyzovať reakcie v tele.

Štúdie preukázali, že určité funkcie proteínu priamo vykonávajú asociácie chemických skupín nachádzajúcich sa v určitých častiach usporiadanej molekuly proteínu - špecifické funkčné centrá. Ak dôjde k narušeniu poradia - napríklad molekula proteínu sa topí - potom dostanú kombinácie chemických skupín príležitosť zmeniť svoje vzájomné usporiadanie, prestanú existovať rozptylové a funkčné centrá.

Preklad nukleotidového jazyka do jazyka aminokyselín teda nie je iba prekladom. Aminokyselinové písmená sú oveľa bohatšie na fyzický a chemický obsah ako nukleotidové. A všeobecne sa informácie prenášané proteínovou molekulou zásadne líšia od nukleotidových informácií, pretože určujú špecifickosť štruktúry proteínových molekúl a ich najjemnejších biologických funkcií.

Z technickej oblasti je možné urobiť ešte jedno porovnanie. Informácie obsiahnuté v nukleových kyselinách sú ako plány, z ktorých sa vyrábajú a montujú diely v konkrétnom poradí. Molekula proteínu je zostavený mechanizmus a informácie obsiahnuté v sekvencii jeho aminokyselín sú programom samotného mechanizmu.

V živej bunke väčšina bielkovín nepracuje vo voľnom stave, ale ako zložky zložitých štruktúr - vyvážených a kontrolovateľných systémov, kde každý proteín má určité miesto a určitý podiel na celkovej fyziologickej funkcii. Konštrukcia zložitých štruktúr bunky je dialektickým prechodom z oblasti chémie (ktorá by mala zahŕňať fungovanie jednotlivých molekúl bielkovín) do oblasti biológie.

Komplexné biologické štruktúry okrem bielkovín obsahujú aj lipidy, sacharidy a ďalšie látky.Pri konštrukcii zložitých intracelulárnych štruktúr však úloha týchto látok nie je vedúca.

Sacharidy a lipidy už zo svojej podstaty svojej chemickej štruktúry jednoducho nemôžu obsahovať také veľké množstvo informácií, ktoré sú potrebné pre takúto konštrukciu. Najdôležitejšia úloha v ňom patrí konkrétnym proteínom.

Dnešná molekulárna biológia teda potvrdzuje a podrobne uvádza známe postavenie F. Engelsa o bielkovinách ako základe života. V proteínoch, kde sa z štruktúrnych prvkov s veľmi odlišnými vlastnosťami vytvárajú nekonečne rozmanité molekuly, kde sa precíznosť jedinečnej organizácie spája s flexibilitou a plasticitou, našla príroda výnimočný materiál, ktorý umožňoval vytvoriť vyššiu biologickú formu hmoty pohyb.
Striktná molekulárna organizácia biologických štruktúr je primárne určená zvláštnosťami interakcie proteínov. Ich molekuly sú spojené selektívne: každá z nich má presne definovaných susedov. Môžu to byť buď molekuly identické s touto alebo odlišné od nej. Ale v každom prípade sú susedia „naprogramovaní“, nastavení a nemôže to byť inak. Presnosť organizácie ďalej zhoršuje skutočnosť, že proteíny, ktoré nie sú rovnaké v priestorovej konfigurácii, s odlišne umiestnenými chemickými skupinami, sú navzájom spojené orientovaným spôsobom: nie náhodne, ale iba určitými oblasťami svojich povrchov. Tieto kontaktné oblasti sú chemicky štruktúrované, aby poskytovali spoľahlivú a bezchybnú selektivitu väzby. Nazývajú sa konkrétne kontaktné oblasti alebo konkrétne centrá.

Prítomnosť špecifických centier je spoločnou vlastnosťou proteínov, ktoré vykonávajú špecializované biologické funkcie. Toto sú „pracovné orgány“ molekúl bielkovín. Vďaka špeciálnym špecifickým centrám enzýmové proteíny selektívne viažu látky, ktorých katalyzátormi chemických premien sú antitoxínové proteíny, viažu toxíny atď.

Systém interakcií je organizovaný medzi chemickými skupinami konkrétneho centra a partnerskej molekuly pri kontakte. Zahŕňa po prvé elektrostatickú príťažlivosť medzi skupinami s opačnými elektrickými nábojmi; po druhé, takzvané vodíkové väzby medzi elektricky polárnymi skupinami; a nakoniec po tretie „hydrofóbne“ väzby - interakcie medzi nepolárnymi skupinami (skupinami odpudzovanými vodou). Tu spravidla nevznikajú stabilné chemické väzby, pretože každá z uvedených interakcií je dosť slabá. Ale všeobecne systém konkrétneho centra poskytuje dostatočnú pevnosť spojenia molekúl.

Vyššie uvedená selektivita pôsobenia konkrétnych centier sa dosahuje vďaka korešpondencii v zložení a rozmiestnení chemických skupín v samom strede a v partnerskej molekule - takzvanej komplementarite. Akákoľvek výmena alebo presun skupín znamená porušenie doplnkovej ™. Je tiež zrejmé, že konkrétne centrum nie je iba pracovným mechanizmom, ale aj šifrou, ktorá umožňuje molekule proteínu „rozpoznať“ svojho partnera spomedzi mnohých ďalších molekúl, dokonca aj tých, ktoré sú s týmto partnerom veľmi podobné.

Koncept špecifických centier odráža iba všeobecný charakter funkčných mechanizmov obsiahnutých v proteínoch. Špecifické funkcie bielkovín, štruktúra a reakcie ich špecifických centier zostávajú oblasťou vedy, v ktorej je ešte potrebné urobiť takmer všetko. To platí aj pre procesy tvorby supramolekulárnych biologických štruktúr.

Niektoré biologické štruktúry sú mimoriadne zložité. Sú to napríklad membrány s * enzymatickými komplexmi. Zostavenie takýchto štruktúr sa uskutočňuje, ako ukazujú údaje z iných štúdií, veľkým systémom mnohých proteínových zložiek.Účasť mnohých proteínov na tejto práci je zjavne iba nepriama - podieľajú sa iba na procese vytvárania štruktúry, ale nie sú zahrnuté v jej zložení. Predpokladá sa, že medzi týmito doplnkovými proteínmi sú špecifické enzýmy.

Na druhej strane existujú biologické štruktúry, ktoré majú pomerne jednoduchú štruktúru. Napríklad ďalšie vláknité štruktúry sú zostavené z proteínových molekúl iba jedného typu.

V niektorých prípadoch je možné v laboratóriách rozložiť jednoduché biologické štruktúry na samostatné prvky - bielkoviny a ďalšie molekuly. Za vhodných podmienok prostredia sa tieto prvky opäť samy skombinujú v správnom poradí a vytvoria pôvodnú štruktúru. Tento proces opätovného vytvorenia sa bežne nazýva samo-zostavenie. Mnoho výskumných tímov v zahraničí aj u nás študuje jeho mechanizmy. Jednou z týchto skupín je Laboratórium proteínových štruktúr a funkcií Biochemického ústavu, kde sa študuje samomontáž fibrínových vlákien.
Fibrín je vláknitý proteín, ktorý sa objaví v krvi pri zrážaní. Vytvorenie spojitej siete jeho vlákien premení tekutú krv na stuhnutú želatínovú hmotu. Práve vďaka tomuto javu sa krvácanie po úrazoch zastaví - krv na poškodenom povrchu tela sa zráža.

Za priaznivých podmienok pre telo v krvi cirkulujúcej cez neporušené cievy existuje rozpustný prekurzor fibrínu - proteín fibrinogén. Pri poškodení krvných ciev začne špeciálny komplexný systém bielkovín produkovať enzým trombín, ktorý štiepi štyri malé častice nazývané fibrínové peptidy z veľkej molekuly fibrinogénu. Po ich strate sa fibrinogén zmení na fibrínový proteín, ktorého polymerizácia (vzájomné spojenie) molekúl vytvára vlákna.

Monomérne molekuly fibrínu polymerizujú s prísnou charakteristikou usporiadania pre všetky procesy samo-montáže.

Experimentálne štúdie procesov samostatnej montáže si vyžadujú riešenia
zodpovedajúce molekuly monomérneho proteínu. Ich zdrojom sú takmer vždy prírodné supramolekulárne štruktúry, v ktorých sú monoméry viac-menej pevne „zabudované“. Zložitosť a obtiažnosť získavania počiatočných monomérnych roztokov z týchto štruktúr spočíva v tom, že neopatrná „demontáž“ môže poškodiť krehké molekuly proteínov.

Preto prvým problémom, ktorý sa objaví pred vedcami, ktorí sa pustia do štúdia procesov samo-montáže, je práve „demontáž“ biologických štruktúr. V každom jednotlivom prípade je potrebné hľadať spôsoby pôsobenia špecifické pre každú štruktúru, ktoré by účinne narušili väzby medzi jej monomérmi, ktoré ich tvoria, a nepoškodili by samotné monoméry. Pre fibrín nebolo dlho možné nájsť úplne uspokojivý spôsob rozkladu jeho polymérnych vlákien. Roztoky močoviny pôvodne navrhnuté na tento účel a potom bromidu sodného boli neúčinné. Až v roku 1965 vyvinul pracovník našej laboratória TV Varetskaya metódu, ktorá úplne spĺňa všetky požiadavky, a to na základe použitia zriedených roztokov kyseliny octovej pri teplotách blízkych 0 ° C. Takto získané molekuly monomérneho fibrínu majú vždy rovnaké vlastnosti, reprodukované od experimentu k zážitku. Predchádzajúce spôsoby rozkladu fibrínu v roztokoch močoviny alebo bromidu sodného neposkytli takú stálosť vlastností: rôzne vzorky monomérneho proteínu získané s ich pomocou sa líšili napríklad rôznymi rýchlosťami polymerizácie.

Je zaujímavé, že keď sa ďalší proteín, štruktúrny proteín mitochondrií, získa v rozpustenom stave, najlepšie výsledky (ako dospeli americkí vedci študujúci samo-zostavenie týchto štruktúr) tiež k ochladenému zriedenému roztoku kyseliny octovej.

Procesy spojené so samostatnou montážou štruktúr sa študujú rôznymi spôsobmi.Jedným z týchto spôsobov je systematické štúdium výsledkov ovplyvňovania priebehu procesu určitých látok.

Napríklad oneskorenie polymerizácie fibrínu môže byť spôsobené, ak je počiatočný roztok monoméru vystavený vodnému roztoku anorganických solí, najmä chloridu sodného. V medziach nízkych koncentrácií solí - do 2 - 3% - je oneskorenie polymerizácie silnejšie, čím je roztok „silnejší“.

Aké informácie poskytuje táto skutočnosť?

Je známe, že soli vo vodnom roztoku existujú vo forme iónov prenášajúcich kladný a záporný elektrický náboj. Elektrostatická účinnosť iónov solí sa zvyčajne odhaduje pomocou špeciálnej hodnoty - iónovej sily, ktorá zohľadňuje koncentráciu roztoku a veľkosť náboja jeho iónov. Chemická podstata jednotlivých iónov solí tu nie je dôležitá. Oneskorenie polymerizácie je určené hlavne iónovou silou soľného roztoku pridaného k monomérnemu proteínovému roztoku. To ukazuje, že účinok má prevažne elektrostatický charakter. Je zrejmé, že ióny soli vyšetrujú („uhasia“) elektrické náboje monomérnych molekúl fibrínu - okolnosť, ktorá iba naznačuje, že ich elektrické náboje sú zapojené do mechanizmu selektívneho spojenia proteínových molekúl. Za normálnych podmienok - pri absencii interferencie s elektrostaticky nabitými iónmi solí - by pozitívne a negatívne nabité iónové skupiny, komplementárne umiestnené v špecifických centrách, mali navzájom priťahovať molekuly.

Podrobnejšie štúdie uskutočnené v našom laboratóriu spoločnosťou EV Lugovskii ukázali, že spolu so všeobecným skríningovým účinkom iónovej sily existuje aj ďalší účinok solí, ktorý silno závisí presne od chemickej povahy, individuality iónov a je určený ich schopnosťou pripojiť k proteínu. Pridanie iónu do konkrétneho centra zjavne spôsobuje ďalšiu poruchu v jeho práci.

E. V. Lugovskii skúmal vplyv vyšších koncentrácií solí na polymerizáciu. Ukázalo sa, že niektoré soli prudko meškajú, zatiaľ čo iné naopak polymerizáciu urýchľujú. Napríklad dve príbuzné soli, chlorid sodný a bromid, pôsobia opačne: prvá urýchľuje a druhá brzdí proces. Rovnako ako bromid, ale ešte silnejší, pôsobí jodid sodný, ako chlorid, s rôznou silou - niekedy silnejšou, potom slabšou - pôsobia sírany, fosfáty a niektoré ďalšie soli.

Ukázalo sa, že vďaka sile akceleračného účinku na polymerizáciu fibrínu sú soli usporiadané v rade, ktorý sa zhoduje s dlho zavedeným a dobre známym radom na „solenie“ (vyzrážanie) proteínov v roztokoch s vysokou koncentráciou solí. Avšak v experimentoch s polymerizáciou fibrínu ešte nedochádza k skutočnému soleniu, pretože proces sa študuje pri koncentráciách solí, ktoré stále nedosahujú solenie. Počas solenia sa navyše bielkoviny vyzrážajú vo forme beztvarej hmoty a v opísanom prípade sa vytvorili normálne fibrínové vlákna - bolo ich možné vidieť pomocou mikroskopu s fázovým kontrastom.

Mnoho štúdií zistilo, že náchylnosť proteínu k soleniu sa zvyšuje prítomnosťou nepolárnych skupín v jeho molekulách, ktoré sú blízko jeho povrchu a sú v kontakte s prostredím. Čím viac takýchto skupín, tým nižšia je koncentrácia soľného roztoku postačujúca na vysolenie proteínu.

Tieto dobre známe polohy možno použiť na vysvetlenie výsledkov nášho experimentu, v ktorom sa nepochybne prejaví soliaci efekt, čo naznačuje, že monomérna molekula fibrínu by mala na svojom povrchu obsahovať veľké množstvo nepolárnych skupín. Skutočné solenie však nemáme. Účinok solenia sa prejaví iba v urýchlení špecifickej polymerizácie. To sa dá vysvetliť iba skutočnosťou, že nepolárne skupiny sú komplementárne zložky špecifického centra molekuly proteínu.

Štúdie účinku soľných roztokov na polymerizáciu fibrínu teda ukazujú, že do procesu samomontáže fibrínu sú zapojené elektrostatické interakcie aj „hydrofóbne“ interakcie medzi nepolárnymi skupinami. Údaje ďalších štúdií naznačujú, že sa jedná aj o tretí typ interakcií medzi molekulami proteínov - vodíkové väzby.

Poďme teraz k fibrinogénu, predchodcovi fibrínu. Jeho molekuly sú tiež schopné polymerizácie za vzniku vlákien podobných fibrínu. Preto majú fibrinogénové monoméry tiež špecifické centrá. Ich polymerizácia si však vyžaduje špeciálne podmienky a najmä vysokú iónovú silu roztoku. Ak tienenie elektrických nábojov spomaľuje polymerizáciu fibrínu, potom je to naopak predpoklad pre kombináciu fibrinogénových monomérov v reťazci. Z toho však vyplýva, že umiestnenie elektrických nábojov v konkrétnom strede molekuly fibrinogénu je pre polymerizáciu nepriaznivé a malo by sa tak uskutočňovať iba prostredníctvom interakcie tých chemických skupín, ktoré elektrický náboj nemajú.

Fibrínové peptidy, ktorých štiepením sa molekula fibrinogénu stáva monomérnou molekulou fibrínu, nesú negatívne elektrické náboje. Ich odstránenie je zjavne faktorom, ktorý mení systém poplatkov v konkrétnom centre a vytvára komplementárnosť.

Je zaujímavé, že jeden z typov krvácania, ťažké dedičné ochorenie, je spôsobený mutačnou zmenou fibrinogénu, pri ktorej tento proteín stráca svoje pozitívne náboje v blízkosti miest štiepenia fibrínových peptidov. Posledne uvedené, ako v normálnom prípade, sú štiepené, ale trombín už nespôsobuje aktiváciu fibrinogénu (Ako ukazuje diagram, aktivácia spočíva v tom, že blízky pozitívny náboj konkrétneho centra sa uvoľní z neutralizačného účinku Ak taký náboj nie je, potom sa štiepenie fibrínového peptidu stane bezvýznamným: k aktivácii nedôjde.)

Určité fragmenty fibrinogénu alebo fibrínu sú charakterizované defektnými špecifickými centrami, ktoré sú však schopné selektívnej interakcie s monomérnym fibrínom. Takéto fragmenty je možné získať deštrukciou týchto proteínov enzýmami. Pri experimentoch s nimi je ľahké pozorovať, ako aktívne fragmenty interagujú s fibrínom a narúšajú zhromažďovanie vlákien. Práve takým experimentom - výrobe a štúdiu aktívnych fragmentov - sa naše laboratórium v ​​súčasnosti venuje. Dúfame, že štúdiom štruktúry a selektívnych reakcií týchto fragmentov lepšie pochopíme, ako sa vytvárajú a pôsobia samotné proteíny.

Komplementarita iónových skupín, ktorá hrá tak zásadnú úlohu pri samo-zhromažďovaní fibrínu, je zjavne dôležitá aj pri samo-zhromažďovaní ďalších biologických štruktúr. Podiel energie elektrostatických väzieb na celkovom množstve energie interakcie spojovacích molekúl pravdepodobne nie je veľký. Podstatnejšie pre spojenie molekúl sú „hydrofóbne“ väzby. Ale iónové skupiny môžu urýchliť samostatnú montáž. Elektrostatický náboj môže interagovať na relatívne veľkú vzdialenosť. A práve ich pôsobenie na diaľku umožňuje pravdepodobne „sondovať“ prostredie, spoznať požadovaného partnera a orientovane sa s ním skontaktovať.
Kompletná schéma tvorby fibrínu, počnúc fibrinogénom, obsahuje enzým trombín, ktorý sa vyznačuje úžasne jemnou selektivitou. Za podmienok charakteristických pre jeho pôsobenie sa vôbec nedotýka veľkého množstva „cudzích“ bielkovín. Pôsobí iba na fibrinogén a vykonáva iba jednu vysoko špecifickú funkciu: štiepi z nej fibrínové peptidy. Táto práca trombínu je nevyhnutná a dostatočná na tvorbu monomérneho fibrínu.

To naznačuje, že pri zostavovaní veľmi zložitých štruktúr, ktoré prebiehajú v niekoľkých fázach, musia tiež pôsobiť špecifické enzýmy, ako je trombín.Je ľahké si predstaviť nasledujúcu postupnosť reakcií: prekurzorový proteín, ktorý je určený napríklad na účasť na dvoch montážnych reakciách, je aktivovaný prvým enzýmom a viaže sa na konkrétneho partnera; vďaka tomu je k dispozícii pre druhý enzým a následné špecifické pripojenie druhého partnera. Je možné, že ide presne o mechanizmus organizácie tých biologických štruktúr, ktorých zložitosť vylučuje možnosť priameho zhromaždenia.

V medzistupňoch zhromažďovania zložitých štruktúr môžu byť enzýmy nielen nástrojmi na aktiváciu. Ich pôsobenie môže zmeniť všeobecné vlastnosti bielkovín. Napríklad určitý proteín, ktorý je už „zabudovaný“ do štruktúry, sa môže stať jeho nerozpustnou súčasťou a stratil vďaka enzýmom významnú časť svojich hydrofilných zložiek. Takáto schéma samozrejme nevylučuje ďalšie, čo naznačuje možnosť existencie nosných proteínov, ktoré dodávajú nerozpustné proteíny na miesto montáže.

Na záver je potrebné poznamenať, že štúdium montážnych procesov supramolekulárnych biologických štruktúr je oblasťou plnou nejasných a zložitých otázok. Preto sú v tejto fáze vývoja informácie o procesoch prebiehajúcich v tak relatívne jednoduchých systémoch, ako je systém tvorby fibrínových vlákien, obzvlášť zaujímavé a užitočné.

V. Belitser

Podobné publikácie

Nervové impulzy a RNA

Zrod molekulárnej biológie

Ako „postaviť“ molekulu?