Cum sunt construite structurile proteice

Biologia modernă a pătruns adânc în adâncurile celulei - „cărămida” celor vii. O celulă vie a apărut oamenilor de știință ca o combinație armonioasă de structuri mai simple - membrane, tubuli, granule, formațiuni fibroase, constând din molecule ordonate conectate între ele.

Studiul structurilor biologice, compoziția și organizarea lor moleculară, activitatea lor specifică a devenit subiectul biologiei moleculare.

Succesul acestora din urmă este asociat în primul rând cu descifrarea structurii acizilor nucleici și cu natura informațiilor ereditare. O moleculă de acid nucleic este o secvență liniară a patru tipuri de nucleotide dispuse într-o ordine complexă, dar strict definită, care poate fi comparată cu dispunerea regulată a literelor într-un text semnificativ. Așa cum un text conține un mesaj, unele informații, ordinea nucleotidelor dintr-o moleculă de acid nucleic conține informații despre structurile individuale ale proteinelor care urmează să fie create în procesul de construire a unui organism.

O moleculă proteică este, de asemenea, o secvență liniară de elemente structurale, dar nu nucleotide, ci douăzeci de tipuri de aminoacizi. Fiecare combinație de trei nucleotide într-o moleculă de acid nucleic (cod genetic) determină includerea unuia sau altuia dintre cei douăzeci de aminoacizi. Secvența tripletelor de nucleotide determină secvența exactă a aminoacizilor din molecula de proteină sintetizată.

Continuând compararea deja general acceptată a informațiilor genetice cu textul scris, putem spune că în timpul sintezei proteinelor, textul scris în limbajul nucleotidic este tradus în limbajul aminoacizilor. Informațiile conținute în textul aminoacizilor unui anumit tip de proteină - adică compoziția și secvența aminoacizilor inerentă numai ei - determină forma și organizarea sa subtilă - ordonarea spațială a elementelor structurale, pe care anumite funcțiile biologice depind. Când această ordonare este perturbată, proteinele enzimatice, de exemplu, își pierd capacitatea de a cataliza reacțiile din organism.

Studiile au arătat că anumite funcții ale unei proteine ​​sunt îndeplinite direct de asociații de grupuri chimice situate în anumite părți ale unei molecule de proteine ​​ordonate - centre funcționale specifice. Când ordinea este întreruptă - de exemplu, o moleculă de proteină se topește - atunci combinațiile de grupuri chimice au posibilitatea de a-și schimba aranjamentul reciproc, dispersia și centrele funcționale încetează să mai existe.

Astfel, traducerea limbajului nucleotidic în limba aminoacizilor nu este doar o traducere. Literele de aminoacizi sunt mult mai bogate în conținut fizic și chimic decât cele nucleotidice. Și, în general, informațiile transportate de o moleculă proteică sunt fundamental diferite de informațiile nucleotidice, deoarece determină specificitatea structurii moleculelor proteice și funcțiile lor biologice cele mai subtile.

Mai trebuie făcută o comparație din domeniul tehnic. Informațiile conținute în acizii nucleici sunt ca niște planuri din care părțile sunt realizate și asamblate într-o ordine specifică. O moleculă de proteină este un mecanism asamblat, iar informațiile conținute în secvența aminoacizilor săi este programul mecanismului în sine.

Într-o celulă vie, majoritatea proteinelor funcționează nu într-o stare liberă, ci ca componente ale structurilor complexe - sisteme bine echilibrate și controlate, în care fiecare proteină are un anumit loc și o anumită pondere în funcția generală, deja fiziologică. Construcția structurilor complexe ale unei celule este o tranziție dialectică de la domeniul chimiei (care ar trebui să includă funcționarea moleculelor de proteine ​​individuale) la domeniul biologiei.

Structurile biologice complexe, pe lângă proteine, conțin și lipide, carbohidrați și alte substanțe.Cu toate acestea, în construcția de structuri intracelulare complexe, rolul acestor substanțe nu este cel principal.

Prin natura structurii lor chimice, carbohidrații și lipidele pur și simplu nu pot conține acea cantitate foarte mare de informații necesare pentru o astfel de construcție. Cel mai important rol în acesta aparține proteinelor specifice.

Astfel, biologia moleculară de astăzi confirmă și detaliază poziția binecunoscută a lui F. Engels despre proteine ​​ca bază a vieții. În proteine, unde molecule infinit de diverse sunt construite din elemente structurale cu proprietăți foarte diferite, unde precizia unei organizații unice este combinată cu flexibilitate și plasticitate, natura a găsit un material excepțional care a făcut posibilă crearea unei forme biologice superioare de materie circulaţie.
Organizarea moleculară strictă a structurilor biologice este determinată în primul rând de particularitățile interacțiunii proteinelor. Moleculele lor sunt conectate selectiv: fiecare are vecini bine definiți. Acestea pot fi fie molecule identice cu aceasta, fie diferite de aceasta. Dar, în orice caz, vecinii sunt „programați”, stabiliți și nu pot fi altfel. Acuratețea organizației este în continuare agravată de faptul că proteinele care nu sunt aceleași în configurația spațială, cu grupuri chimice situate diferit, sunt conectate între ele într-un mod orientat: nu aleator, ci doar de anumite zone ale suprafețelor lor. Aceste zone de contact sunt structurate chimic pentru a oferi selectivitate fiabilă și fără erori. Acestea sunt numite zone de contact specifice sau centre specifice.

Prezența centrelor specifice este o proprietate comună a proteinelor care îndeplinesc funcții biologice specializate. Acestea sunt „organele de lucru” ale moleculelor de proteine. Datorită centrelor specifice speciale, proteinele enzimatice leagă în mod selectiv substanțele, catalizatorii cărora transformările chimice sunt proteinele antitoxine, leagă toxinele etc.

Un sistem de interacțiuni este organizat între grupurile chimice ale unui centru specific și o moleculă parteneră la contact. Include, în primul rând, atracția electrostatică între grupuri cu sarcini electrice opuse; în al doilea rând, așa-numitele legături de hidrogen dintre grupurile electrice polare; și, în sfârșit, în al treilea rând, legături „hidrofobe” - interacțiuni între grupuri nepolare (grupuri respinse de apă). De regulă, legăturile chimice stabile nu apar aici, deoarece fiecare dintre interacțiunile enumerate este destul de slabă. Dar, în general, sistemul unui centru specific oferă o rezistență suficientă a conexiunii moleculelor.

Selectivitatea menționată mai sus a acțiunii unor centre specifice se realizează datorită corespondenței în compoziția și plasarea grupurilor chimice chiar în centru și în molecula parteneră - așa-numita complementaritate. Orice înlocuire sau mișcare a grupurilor înseamnă o încălcare a complementarului ™. Este, de asemenea, clar că un centru specific nu este doar un mecanism de lucru, ci și un cifru care permite unei molecule de proteine ​​să-și „recunoască” partenerul printre multe alte molecule, chiar și cele cu o mare asemănare cu acest partener.

Conceptul de centre specifice reflectă doar caracterul general al mecanismelor funcționale inerente proteinelor. Funcțiile specifice ale proteinelor, structura și reacțiile centrelor lor specifice, rămân o zonă a științei în care aproape tot rămâne de făcut. Acest lucru se aplică și proceselor de formare a structurilor biologice supramoleculare.

Unele structuri biologice sunt extrem de complexe. Acestea sunt, de exemplu, membrane cu * complexe enzimatice. Asamblarea unor astfel de structuri se realizează, după cum arată datele altor studii, printr-un sistem mare de numeroase componente proteice.Participarea multor proteine ​​în această lucrare este, aparent, doar indirectă - ele participă doar la procesul de creare a unei structuri, dar nu sunt incluse în compoziția sa. Se presupune că există enzime specifice printre aceste proteine ​​accesorii.

Pe de altă parte, există structuri biologice care au o structură relativ simplă. De exemplu, alte structuri fibroase sunt construite din molecule proteice de un singur tip.

În mai multe cazuri în laboratoare este posibil să se descompună structuri biologice simple în elementele lor individuale - proteine ​​și alte molecule. În condiții de mediu adecvate, aceste elemente sunt din nou combinate singure în ordinea corectă și recreează structura originală. Acest proces de recreere este denumit în mod obișnuit autoasamblare. O serie de echipe de cercetare, atât în ​​străinătate, cât și în țara noastră, studiază mecanismele sale. Unul dintre aceste grupuri este Laboratorul de structuri și funcții ale proteinelor al Institutului de Biochimie, unde se studiază auto-asamblarea fibrelor de fibrină.
Fibrina este o proteină fibroasă care apare în sânge atunci când coagulează. Formarea unei rețele continue a fibrelor sale transformă sângele lichid într-o masă gelatinoasă solidificată. Datorită acestui fenomen, sângerarea se oprește după leziuni - sângele de pe suprafața deteriorată a corpului se coagulează.

În condiții favorabile pentru organismul din sângele care circulă prin vasele intacte, există un precursor solubil al fibrinei - proteina fibrinogen. Când vasele de sânge sunt deteriorate, un sistem special complex de proteine ​​începe să producă enzima trombină, care scindează patru particule mici numite peptide de fibrină dintr-o moleculă mare de fibrinogen. După ce le-a pierdut, fibrinogenul se transformă în fibrină-proteină, a cărei polimerizare (conexiune între ele) a moleculelor care formează fibre.

Moleculele de fibrină monomerică polimerizează cu ordonare strictă, care este caracteristică tuturor proceselor de auto-asamblare.

Studiile experimentale ale proceselor de auto-asamblare necesită soluții
molecule de proteine ​​monomerice corespunzătoare. Sursa lor este aproape întotdeauna structuri supramoleculare naturale, în care monomerii sunt mai mult sau mai puțin „montați” ferm. Complexitatea și dificultatea obținerii soluțiilor monomerice inițiale din aceste structuri constă în faptul că „dezmembrarea” inexactă poate deteriora moleculele de proteine ​​fragile.

Prin urmare, prima problemă care apare înaintea oamenilor de știință care se angajează în studiul proceselor de auto-asamblare este tocmai „demontarea” structurilor biologice. În fiecare caz individual, trebuie să căutați metode de acțiune specifice fiecărei structuri care să rupă efectiv legăturile dintre monomerii săi constituanți și să nu provoace niciun prejudiciu monomerilor înșiși. Pentru fibrină, nu a fost posibil pentru o lungă perioadă de timp să se găsească o cale complet satisfăcătoare de descompunere a fibrelor sale polimerice. Soluțiile de uree propuse inițial în acest scop și apoi de bromură de sodiu au fost ineficiente. Abia în 1965, un angajat al laboratorului nostru, TV Varetskaya, a dezvoltat o metodă care îndeplinește complet toate cerințele, bazată pe utilizarea soluțiilor diluate de acid acetic la temperaturi apropiate de 0 ° C. Moleculele de fibrină monomerică obținute în acest mod întotdeauna au aceleași proprietăți, reproduse de la experiment la experiență. Metodele anterioare de descompunere a fibrinei în soluții de uree sau bromură de sodiu nu au dat o astfel de constanță a proprietăților: diferite probe de proteină monomerică obținute cu ajutorul lor au diferit, de exemplu, în diferite rate de polimerizare.

Interesant este faptul că atunci când o altă proteină, proteina structurală a mitocondriilor, este obținută într-o stare dizolvată, cele mai bune rezultate (după cum au concluzionat oamenii de știință americani care studiază auto-asamblarea acestor structuri) oferă, de asemenea, o soluție diluată răcită de acid acetic.

Procesele implicate în auto-asamblarea structurilor sunt studiate în diferite moduri.Una dintre aceste modalități este un studiu sistematic al rezultatelor influențării procesului anumitor substanțe.

De exemplu, o întârziere în polimerizarea fibrinei poate fi cauzată dacă soluția inițială de monomer este expusă la o soluție apoasă de săruri anorganice, în special clorură de sodiu. În limitele concentrațiilor scăzute de sare - până la 2-3% - întârzierea polimerizării este cu atât mai puternică, cu cât „mai puternică” este soluția.

Ce informații oferă acest fapt?

Se știe că sărurile într-o soluție apoasă există sub formă de ioni purtători de sarcini electrice pozitive și negative. Eficiența electrostatică a ionilor de sare este de obicei estimată printr-o valoare specială - puterea ionică, care ia în considerare concentrația soluției și magnitudinea sarcinii ionilor săi. Natura chimică a ionilor sări individuali este irelevantă aici. Întârzierea în polimerizare este determinată în principal de puterea ionică a soluției de sare adăugată la soluția de proteină monomerică. Acest lucru arată că efectul este predominant de natură electrostatică. Evident, ionii de sare verifică („sting”) sarcinile electrice ale moleculelor de fibrină monomerică - circumstanță care indică doar faptul că sarcinile lor electrice sunt implicate în mecanismul de conectare selectivă a moleculelor de proteine. În condiții normale - în absența interferenței de la ioni de sare încărcați electrostatic - grupurile ionice încărcate pozitiv și negativ, care sunt complementare situate în centre specifice, ar trebui să atragă molecule între ele.

Studii mai detaliate efectuate în laboratorul nostru de EV Lugovskii au arătat că, împreună cu efectul general de screening al puterii ionice, există un alt efect al sărurilor, care depinde puternic de natura chimică și individualitatea ionilor și este determinat de capacitatea lor de a atașați la o proteină. Atașarea unui ion la un centru specific introduce aparent o perturbare suplimentară în activitatea sa.

E. V. Lugovskii a investigat efectul concentrațiilor mai mari de sare asupra polimerizării. S-a dovedit că unele săruri întârzie brusc, în timp ce altele, dimpotrivă, accelerează polimerizarea. De exemplu, două săruri înrudite, clorura de sodiu și bromura, acționează opus: prima accelerează, iar a doua întârzie procesul. La fel ca bromura, dar și mai puternică, iodura de sodiu acționează, precum clorura, cu diferite concentrații - uneori mai puternice, apoi mai slabe - acționează sulfații, fosfații și alte săruri.

S-a dovedit că prin puterea efectului accelerator asupra polimerizării fibrinei, sărurile sunt dispuse într-un rând care coincide cu rândul bine stabilit și bine cunoscut pentru „sărarea” (precipitarea) proteinelor în soluții cu concentrații mari de sare. Cu toate acestea, în experimentele cu polimerizarea fibrinei, sărarea reală nu are loc încă, deoarece procesul este studiat la concentrații de sare care încă nu ajung la cele de sărare. În plus, la sărare, proteinele sunt precipitate sub forma unei mase fără formă și, în cazul descris, s-au format fibre normale de fibrină - acestea puteau fi văzute folosind un microscop cu contrast de fază.

Multe studii au descoperit că înclinația unei proteine ​​la sărare este sporită de prezența în moleculele sale a grupurilor nepolare apropiate de suprafața sa și în contact cu mediul. Cu cât sunt mai multe astfel de grupuri, cu atât este mai mică concentrația soluției saline, suficientă pentru sărarea proteinelor.

Aceste poziții bine cunoscute pot fi folosite pentru a explica rezultatele experimentului nostru, în care, fără îndoială, se manifestă un efect de sărire, indicând faptul că o moleculă de fibrină monomerică ar trebui să conțină un număr mare de grupuri nepolare pe suprafața sa. Dar nu avem o sărare reală. Efectul de sărire se manifestă numai prin accelerarea polimerizării specifice. Acest lucru poate fi explicat doar prin faptul că grupurile nepolare sunt componente complementare ale unui centru specific al moleculei de proteină.

Astfel, studiile efectului soluțiilor saline asupra polimerizării fibrinei arată că atât interacțiunile electrostatice, cât și interacțiunile „hidrofobe” între grupurile nepolare sunt implicate în procesul de auto-asamblare a fibrinei. Datele altor studii indică faptul că este implicat și al treilea tip de interacțiuni între moleculele de proteine ​​- legăturile de hidrogen.

Să ne întoarcem acum la fibrinogen, precursorul fibrinei. Moleculele sale sunt, de asemenea, capabile de polimerizare pentru a forma fibre asemănătoare fibrinei. Prin urmare, monomerii fibrinogeni au și centri specifici. Cu toate acestea, polimerizarea lor necesită condiții speciale și, în special, o rezistență ionică ridicată a soluției. Dacă ecranarea sarcinilor electrice întârzie polimerizarea fibrinei, atunci, dimpotrivă, este o condiție prealabilă pentru combinarea monomerilor fibrinogenului în lanț. Dar rezultă din aceasta că aranjarea sarcinilor electrice într-un centru specific al moleculei de fibrinogen este nefavorabilă polimerizării și ar trebui realizată numai prin interacțiunea acelor grupuri chimice care nu au sarcină electrică.

Peptidele de fibrină, cu scindarea cărora molecula de fibrinogen devine o moleculă de fibrină monomerică, poartă sarcini electrice negative. Aparent, eliminarea lor este factorul care schimbă sistemul de taxe într-un centru specific și creează complementaritate.

Interesant este că unul dintre tipurile de sângerare, o boală ereditară severă, este cauzată de o schimbare mutațională a fibrinogenului, în care această proteină își pierde încărcăturile pozitive în apropierea punctelor de scindare ale peptidelor de fibrină. Acestea din urmă, ca și în cazul normal, sunt despicate, dar trombina nu mai provoacă activarea fibrinogenului (După cum arată diagrama, activarea constă în faptul că o sarcină pozitivă apropiată a unui centru specific este eliberată de efectul neutralizant al peptidei fibrinei Dacă nu există o astfel de sarcină, atunci scindarea peptidei de fibrină devine lipsită de sens: activarea nu are loc.)

Anumite fragmente de fibrinogen sau fibrină sunt caracterizate prin centre specifice defecte, care, totuși, sunt capabile să interacționeze selectiv cu fibrina monomerică. Astfel de fragmente pot fi obținute prin distrugerea acestor proteine ​​de către enzime. În experimentele cu acestea, este ușor de observat modul în care fragmentele active interacționează cu fibrina și perturbă asamblarea fibrelor. Tocmai în aceste experimente - producția și studiul fragmentelor active - se angajează în prezent laboratorul nostru. Se speră că, studiind structura și reacțiile selective ale acestor fragmente, vom înțelege mai bine modul în care proteinele sunt construite și acționează.

Complementaritatea grupurilor ionice, care joacă un rol atât de esențial în auto-asamblarea fibrinei, este, aparent, importantă și în auto-asamblarea altor structuri biologice. Ponderea energiei legăturilor electrostatice în cantitatea totală de energie de interacțiune a moleculelor de legătură este probabil mică. Mai esențiale pentru conectarea moleculelor sunt legăturile „hidrofobe”. Dar grupurile ionice pot accelera autoasamblarea. Sarcinile electrostatice pot interacționa pe o distanță relativ mare. Și acțiunea lor pe termen lung face posibilă, probabil, „sondarea” mediului, recunoașterea partenerului dorit și contactarea acestuia într-o manieră orientată.
Schema completă de formare a fibrinei, începând cu fibrinogenul, include enzima trombină, care se caracterizează printr-o selectivitate uimitor de fină. În condițiile caracteristice acțiunii sale, nu atinge deloc o mulțime de proteine ​​„străine”. Acționează numai asupra fibrinogenului și îndeplinește o singură funcție pur specifică: scindează din acesta peptidele de fibrină. Această activitate a trombinei este necesară și suficientă pentru formarea fibrinei monomerice.

Acest lucru sugerează că atunci când se asamblează structuri foarte complexe, care are loc în mai multe etape, ar trebui să acționeze și enzime specifice, cum ar fi trombina.Este ușor să ne imaginăm următoarea secvență de reacții: o proteină precursor destinată, de exemplu, să participe la două reacții de asamblare, este activată de prima enzimă și se combină cu un partener specific; acest lucru îl face disponibil pentru a doua enzimă și pentru atașarea specifică ulterioară a celui de-al doilea partener. Este posibil ca acesta să fie tocmai mecanismul de organizare a acelor structuri biologice, a căror complexitate exclude posibilitatea auto-asamblării directe.

În etapele intermediare ale asamblării structurilor complexe, enzimele pot fi nu numai instrumente de activare. Acțiunea lor poate modifica proprietățile generale ale proteinelor. De exemplu, o anumită proteină, deja „încorporată” într-o structură, poate deveni o parte insolubilă a acesteia, pierzând o parte semnificativă a componentelor sale hidrofile datorită enzimelor. Desigur, o astfel de schemă nu exclude altele, implicând posibilitatea existenței proteinelor purtătoare care livrează proteine ​​insolubile la locul de asamblare.

În concluzie, trebuie remarcat faptul că studiul proceselor de asamblare a structurilor biologice supramoleculare este un câmp plin de întrebări neclare și complexe. Prin urmare, în acest stadiu al dezvoltării sale, informațiile despre procesele care apar în astfel de sisteme relativ simple precum sistemul de formare a fibrelor de fibrină sunt deosebit de interesante și utile.

V. Belitser

Publicații similare

Impulsuri neuronale și ARN

Nașterea biologiei moleculare

Cum să „construiești” o moleculă?