Hur proteinstrukturer byggs

Modern biologi har trängt djupt in i cellens djup - de levande ”tegelstenarna”. En levande cell framträdde för forskare som en harmonisk kombination av enklare strukturer - membran, rör, granuler, fibrösa formationer, bestående av ordnade molekyler kopplade till varandra.

Studiet av biologiska strukturer, deras sammansättning och molekylära organisation, deras specifika aktivitet har blivit föremål för molekylärbiologi.

Den senare framgången är främst förknippad med dechiffrering av nukleinsyrans struktur och arten av ärftlig information. En nukleinsyramolekyl är en linjär sekvens av fyra typer av nukleotider ordnade i en komplex men strikt definierad ordning, som kan jämföras med den ordinarie ordningen av bokstäver i en meningsfull text. Precis som en text bär något meddelande, viss information, innehåller ordningen av nukleotider i en nukleinsyramolekyl information om de enskilda strukturerna av proteiner som ska skapas i processen att bygga en organism.

En proteinmolekyl är också en linjär sekvens av strukturella element, men inte nukleotider, utan tjugo typer av aminosyror. Varje kombination av tre nukleotider i en nukleinsyramolekyl (genetisk kod) förutbestämmer inkluderingen av en eller annan av de tjugo aminosyrorna. Sekvensen för nukleotidtripletterna bestämmer den exakta sekvensen av aminosyror i den syntetiserade proteinmolekylen.

Fortsatt den redan allmänt accepterade jämförelsen av genetisk information med skriftlig text kan vi säga att under proteinsyntes översätts texten skriven på nukleotidspråket till aminosyrans språk. Informationen i aminosyratexten för en specifik typ av protein - det vill säga sammansättningen och sekvensen av aminosyror som är inneboende i den ensamma - avgör dess form och fina interna organisation - den rumsliga ordningen av strukturella element, på vilka vissa av dess biologiska funktioner beror på. Om denna ordning störs tappar till exempel enzymproteiner sin förmåga att katalysera reaktioner i kroppen.

Studier har visat att vissa funktioner hos ett protein utförs direkt av sammanslutningar av kemiska grupper lokaliserade i vissa regioner i ett ordnat proteinmolekylspecifikt funktionellt centrum. När ordningen störs - till exempel smälter en proteinmolekyl - då får kombinationerna av kemiska grupper möjlighet att ändra sitt ömsesidiga arrangemang, scatter och funktionella centra upphör att existera.

Således är översättningen av nukleotidspråket till aminosyrans språk inte bara en översättning. Aminosyrabokstäver är mycket rikare på fysikaliskt och kemiskt innehåll än nukleotid. Och i allmänhet skiljer sig informationen som bärs av en proteinmolekyl i grunden från nukleotidinformationen, eftersom den också bestämmer specificiteten hos proteinmolekylernas struktur och deras subtilaste biologiska funktioner.

Det finns en annan jämförelse som kan göras från det tekniska området. Informationen i nukleinsyror är som ritningar från vilka delar tillverkas och monteras i en specifik ordning. En proteinmolekyl är en sammansatt mekanism, och informationen i aminosyrasekvensen är själva mekanismens program.

I en levande cell fungerar de flesta proteiner inte i ett fritt tillstånd utan som komponenter i komplexa strukturer - välbalanserade och kontrollerade system, där varje protein har en viss plats och en viss andel i den övergripande fysiologiska funktionen. Konstruktionen av komplexa cellstrukturer är en dialektisk övergång från kemifältet (som bör inkludera funktionen hos enskilda proteinmolekyler) till biologifältet.

Komplexa biologiska strukturer, förutom proteiner, innehåller också lipider, kolhydrater och andra ämnen.Men vid konstruktionen av komplexa intracellulära strukturer är dessa substansers roll inte den ledande.

Av karaktären av deras kemiska struktur kan kolhydrater och lipider helt enkelt inte innehålla den mycket stora mängden information som är nödvändig för en sådan konstruktion. Den viktigaste rollen i den tillhör specifika proteiner.

Således bekräftar och beskriver dagens molekylärbiologi den välkända positionen för F. Engels om proteiner som livets grund. I proteiner, där oändligt olika molekyler byggs från strukturella element med mycket olika egenskaper, där precisionen i en unik organisation kombineras med flexibilitet och plasticitet, har naturen hittat ett exceptionellt material som gjorde det möjligt att skapa en högre, biologisk form av rörelse av materia.
Den strikta molekylära organisationen av biologiska strukturer bestäms främst av särdragen hos interaktionen mellan proteiner. Deras molekyler är kopplade selektivt: var och en har väldefinierade grannar. Dessa kan vara antingen molekyler som är identiska med den här eller skiljer sig från den. Men i alla fall är grannarna "programmerade", inställda och kan inte vara annorlunda. Organisationens noggrannhet förvärras ytterligare av det faktum att proteiner som inte är desamma i rumskonfiguration, med olika kemiska grupper, är kopplade till varandra på ett orienterat sätt: inte slumpmässigt, men bara i vissa områden av deras ytor. Dessa kontaktområden är kemiskt strukturerade för att ge tillförlitlig och felfri bindningsselektivitet. De kallas specifika kontaktområden eller specifika centra.

Närvaron av specifika centra är en gemensam egenskap hos proteiner som utför specialiserade biologiska funktioner. Dessa är de "fungerande organen" i proteinmolekyler. På grund av speciella specifika centra binder enzymproteiner selektivt ämnen, vars katalysatorer för kemiska transformationer är antitoxinproteiner, binder toxiner etc.

Ett system för interaktioner är organiserat mellan de kemiska grupperna i ett specifikt centrum och en partnermolekyl när de kommer i kontakt. Den inkluderar för det första elektrostatisk attraktion mellan grupper med motsatta elektriska laddningar; för det andra de så kallade vätebindningarna mellan elektriskt polära grupper; och slutligen, tredje, "hydrofoba" bindningar - interaktioner mellan icke-polära grupper (grupper som avvisas av vatten). Som regel uppstår inte stabila kemiska bindningar här, eftersom var och en av de listade interaktionerna är ganska svaga. Men i allmänhet ger systemet för ett specifikt centrum tillräcklig styrka för anslutningen av molekyler.

Ovan nämnda selektivitet för verkan av specifika centra uppnås på grund av korrespondensen i sammansättningen och placeringen av kemiska grupper i centrum och i partnermolekylen - den så kallade komplementariteten. Varje ersättning eller förflyttning av grupper innebär ett brott mot kompletterande ™. Det är också tydligt att ett specifikt centrum inte bara är en fungerande mekanism utan också en kryptering som gör det möjligt för en proteinmolekyl att "känna igen" sin partner bland många andra molekyler, även de med stor likhet med denna partner.

Begreppet specifika centra återspeglar endast den allmänna karaktären hos de funktionella mekanismerna som är inneboende i proteiner. Proteinernas specifika funktioner, strukturen och reaktionerna i deras specifika centra förblir ett vetenskapligt område där nästan allt återstår att göra. Detta gäller även för processerna för bildning av supramolekylära biologiska strukturer.

Vissa biologiska strukturer är extremt komplexa. Sådana är till exempel membran med * enzymatiska komplex. Montering av sådana strukturer utförs, som data från andra studier visar, av ett stort system med många proteinkomponenter.Deltagandet av många proteiner i detta arbete är uppenbarligen bara indirekt - de deltar bara i processen att skapa en struktur, men ingår inte i dess sammansättning. Det antas att det finns specifika enzymer bland dessa tillbehörsproteiner.

Å andra sidan finns det biologiska strukturer med en relativt enkel struktur. Till exempel är andra fibrösa strukturer byggda av proteinmolekyler av endast en typ.

I ett antal fall i laboratorier är det möjligt att sönderdela enkla biologiska strukturer i deras individuella element - protein och andra molekyler. Under lämpliga miljöförhållanden kombineras dessa element igen i sig i rätt ordning och återskapar den ursprungliga strukturen. Denna omskapningsprocess kallas vanligen självmontering. Ett antal forskargrupper både utomlands och i vårt land studerar dess mekanismer. En sådan grupp är laboratoriet för proteinstrukturer och funktioner vid Institutet för biokemi, där självmontering av fibrinfibrer undersöks.
Fibrin är ett fibröst protein som förekommer i blodet när det koagulerar. Bildandet av ett kontinuerligt nätverk av dess fibrer förvandlar flytande blod till en stelnad gelatinös massa. Det är tack vare detta fenomen att blödningen slutar efter sår - blodet på den skadade ytan på kroppen koagulerar.

Under gynnsamma förhållanden för kroppen i blodet som cirkulerar genom intakta kärl finns det en löslig föregångare till fibrin - proteinet fibrinogen. När blodkärlen skadas börjar ett speciellt komplext proteinsystem att producera enzymet trombin, som klyver fyra små partiklar som kallas fibrinpeptider från en stor fibrinogenmolekyl. Efter att ha förlorat dem förvandlas fibrinogen till fibrin-protein, där polymerisationen (koppling till varandra) av molekylerna bildar fibrer.

Monomeriska fibrinmolekyler polymeriserar med en strikt ordningskaraktäristik för alla självmonteringsprocesser.

Experimentella studier av självmonteringsprocesser kräver lösningar
motsvarande monomera proteinmolekyler. Deras källa är nästan alltid naturliga supramolekylära strukturer, där monomererna är mer eller mindre fast "monterade". Komplexiteten och svårigheten att erhålla initiala monomera lösningar från dessa strukturer är att felaktig "demontering" kan skada ömtåliga proteinmolekyler.

Därför är det första problemet som uppstår före forskare som påbörjar studiet av självmonteringsprocesser just "demontering" av biologiska strukturer. I varje enskilt fall måste man leta efter handlingsmetoder som är specifika för varje struktur, som effektivt skulle bryta banden mellan dess ingående monomerer och inte skulle skada monomererna själva. För fibrin var det inte möjligt under en lång tid att hitta ett helt tillfredsställande sätt att bryta ner dess polymerfibrer. De urea-lösningar som ursprungligen föreslogs för detta ändamål och sedan av natriumbromid var ineffektiva. Först 1965 utvecklade en anställd i vårt laboratorium TV Varetskaya en metod som helt uppfyller alla krav baserade på användningen av utspädda lösningar av ättiksyra vid temperaturer nära 0 ° C. De monomera fibrinmolekylerna som erhållits på detta sätt har alltid samma egenskaper, återges från experiment till erfarenhet. De tidigare metoderna för sönderdelning av fibrin i lösningar av urea eller natriumbromid gav inte sådan beständighet av egenskaper: olika prover av det monomera proteinet som erhölls med deras hjälp skilde sig till exempel med olika polymerisationshastigheter.

Intressant är att när ett annat protein, det strukturella proteinet från mitokondrier, erhålls i upplöst tillstånd, ger de bästa resultaten (enligt slutsatser från amerikanska forskare som studerar självmonteringen av dessa strukturer) också en kyld utspädd lösning av ättiksyra.

Processerna som är involverade i självmontering av strukturer studeras på olika sätt.Ett av dessa sätt är en systematisk studie av resultaten av att påverka processen för vissa ämnen.

Exempelvis kan en fördröjning i fibrinpolymerisation orsakas om den initiala monomerlösningen exponeras för en vattenlösning av oorganiska salter, särskilt natriumklorid. Inom gränserna för låga saltkoncentrationer - upp till 2-3% - är fördröjningen i polymerisation ju starkare, desto "starkare" är lösningen.

Vilken information ger detta faktum?

Det är känt att salter i vattenlösning existerar i form av joner som bär positiva och negativa elektriska laddningar. Den elektrostatiska effektiviteten hos saltjoner uppskattas vanligtvis med en speciell kvantitet - jonstyrka, som tar hänsyn till koncentrationen av lösningen och storleken på laddningen av dess joner. De kemiska egenskaperna hos de enskilda saltjonerna är irrelevant i detta fall. Polymerisationsfördröjningen bestäms huvudsakligen av jonstyrkan för den saltlösning som tillsätts till den monomera proteinlösningen. Detta visar att effekten huvudsakligen är elektrostatisk till sin natur. Det är uppenbart att saltjoner screenar ("släcka") de elektriska laddningarna av monomera fibrinmolekyler - en omständighet som bara indikerar att deras elektriska laddningar är inblandade i mekanismen för selektiv anslutning av proteinmolekyler. Under normala förhållanden - i avsaknad av störningar från elektrostatiskt laddade saltjoner - bör positivt och negativt laddade joniska grupper, komplementära i specifika centra, locka molekyler till varandra.

Mer detaljerade studier utförda i vårt laboratorium av EV Lugovskii har visat att, tillsammans med den allmänna screeningeffekten av jonstyrka, finns det en annan effekt av salter, vilket starkt beror på den kemiska naturen, jonernas individualitet och bestäms av deras förmåga att fäster vid ett protein. Fästningen av en jon till ett specifikt centrum inför uppenbarligen en ytterligare störning i sitt arbete.

E.V. Lugovsky undersökte effekten av högre saltkoncentrationer på polymerisation. Det visade sig att vissa salter fördröjer kraftigt, medan andra tvärtom accelererar polymerisationen. Så, till exempel, två relaterade salter, natriumklorid och bromid, verkar motsatt: den första accelererar och den andra fördröjer processen. Som bromid, men ännu starkare, verkar natriumjodid, som klorid, med olika styrkor - ibland starkare, då svagare - sulfater, fosfater och några andra salter verkar.

Det visade sig att på grund av den accelererande effekten på fibrinpolymerisation styrs salterna i en rad, vilket sammanfaller med den sedan länge etablerade och välkända raden för "saltning" (utfällning) av proteiner i lösningar med höga saltkoncentrationer . I experiment med fibrinpolymerisation inträffar emellertid verklig saltning ännu inte, eftersom processen studeras vid saltkoncentrationer som fortfarande inte når saltning. Vid utfällning utfälls dessutom proteiner i form av en formlös massa, och i det beskrivna fallet bildades normala fibrinfibrer - de kunde ses med hjälp av ett faskontrastmikroskop.

Många studier har funnit att ett proteins benägenhet att salta ut förstärks av närvaron i dess molekyler av icke-polära grupper nära dess yta och i kontakt med miljön. Ju fler sådana grupper desto lägre koncentration av saltlösningen är tillräcklig för att salta ut proteinet.

Dessa välkända positioner kan användas för att förklara resultaten av vårt experiment, där utan tvekan en saltningseffekt manifesteras, vilket indikerar att en monomer fibrinmolekyl bör innehålla ett stort antal icke-polära grupper på dess yta. Men vi har inte riktigt saltat ut. Saltningseffekten manifesteras endast i accelerationen av specifik polymerisation. Detta kan bara förklaras av det faktum att icke-polära grupper är komplementära komponenter i ett specifikt centrum av proteinmolekylen.

Således visar studier av saltlösningens effekt på fibrinpolymerisation att både elektrostatiska interaktioner och "hydrofoba" interaktioner mellan icke-polära grupper är involverade i processen för självmontering av fibrin. Data från andra studier indikerar att den tredje typen av interaktioner mellan proteinmolekyler också är inblandad - vätebindningar.

Låt oss nu vända oss till fibrinogen, föregångaren till fibrin. Dess molekyler kan också polymerisera för att bilda fibrinliknande fibrer. Därför har fibrinogenmonomerer också specifika centra. Emellertid kräver deras polymerisation speciella förhållanden och i synnerhet en hög jonstyrka hos lösningen. Om avskärmning av elektriska laddningar försenar fibrinpolymerisation, är det tvärtom en förutsättning för att kombinera fibrinogenmonomerer i kedjan. Men det följer att placeringen av elektriska laddningar i ett specifikt centrum av fibrinogenmolekylen är ogynnsamt för polymerisation och det bör endast utföras genom interaktion mellan de kemiska grupperna som inte har en elektrisk laddning.

Fibrinpeptider, med vars klyvning fibrinogenmolekylen blir en monomer fibrinmolekyl, bär negativa elektriska laddningar. Uppenbarligen är deras borttagning den faktor som förändrar laddningssystemet i ett specifikt centrum och skapar komplementaritet.

Intressant är att en av blödningstyperna, en allvarlig ärftlig sjukdom, orsakas av en mutationsförändring i fibrinogen, där detta protein förlorar sina positiva laddningar nära punkterna för klyvning av fibrinpeptider. De senare, som i det normala fallet, klyvs, men trombin orsakar inte längre aktivering av fibrinogen, (Som diagrammet visar består aktivering i det faktum att en närliggande positiv laddning av ett specifikt centrum frigörs från den neutraliserande effekten av fibrinpeptid . Om det inte finns någon sådan laddning blir klyvning av fibrinpeptid meningslös: aktivering sker inte.)

Vissa fragment av fibrinogen eller fibrin kännetecknas av defekta specifika centra, vilka emellertid kan interagera selektivt med monomert fibrin. Sådana fragment kan erhållas genom nedbrytning av dessa proteiner med enzymer. I experiment med dem är det lätt att observera hur aktiva fragment, som interagerar med fibrin, stör sammansättningen av fibrer. Det är just sådana experiment - produktion och studier av aktiva fragment - som vårt laboratorium för närvarande är engagerat i. Man hoppas att genom att studera strukturen och de selektiva reaktionerna hos dessa fragment kommer vi att bättre förstå hur proteiner själva byggs och fungerar.

Komplementariteten hos joniska grupper, som spelar en så viktig roll vid självmonteringen av fibrin, är uppenbarligen också viktig vid självmonteringen av andra biologiska strukturer. Andelen energi av elektrostatiska bindningar i den totala mängden interaktionsenergi för de anslutande molekylerna är förmodligen inte stor. Viktigare för anslutningen av molekyler är "hydrofoba" bindningar. Men joniska grupper kan påskynda självmonteringen. Elektrostatiska laddningar kan interagera över ett relativt långt avstånd. Och det är deras långsiktiga handling som gör det möjligt, förmodligen, att "undersöka" miljön, att känna igen den önskade partnern och att kontakta honom på ett orienterat sätt.
Det fullständiga schemat för fibrinbildning, med början med fibrinogen, inkluderar enzymet trombin, som kännetecknas av otroligt fin selektivitet. Under de förhållanden som är karakteristiska för dess verkan påverkar det inte mycket "främmande" proteiner alls. Den verkar endast på fibrinogen och den utför endast en mycket specifik funktion: den klyver fibrinpeptider från den. Detta arbete med trombin är nödvändigt och tillräckligt för bildandet av monomert fibrin.

Detta antyder att vid sammansättning av mycket komplexa strukturer, som äger rum i flera steg, måste specifika enzymer, som trombin, också verka.Det är lätt att föreställa sig följande reaktionssekvens: ett föregångarprotein som är tänkt att till exempel delta i två sammansättningsreaktioner, aktiveras av det första enzymet och kombineras med en specifik partner; detta gör det tillgängligt för det andra enzymet och efterföljande specifik bindning av den andra partnern. Det är möjligt att detta är just mekanismen för att organisera dessa biologiska strukturer, vars komplexitet utesluter möjligheten till direkt självmontering.

I de mellanliggande stadierna av sammansättningen av komplexa strukturer kan enzymer inte bara vara verktyg för aktivering. Deras verkan kan förändra proteinernas allmänna egenskaper. Till exempel kan ett visst protein, redan "inbäddat" i en struktur, bli en olöslig del av det, efter att ha förlorat en betydande del av sina hydrofila komponenter på grund av enzymer. Naturligtvis utesluter ett sådant schema inte andra, vilket antyder möjligheten att det finns bärarproteiner som levererar olösliga proteiner till monteringsstället.

Sammanfattningsvis bör det noteras att studien av monteringsprocesserna för supramolekylära biologiska strukturer är ett fält fyllt med oklara och komplexa frågor. Därför är information om processerna i sådana relativt enkla system som systemet för bildning av fibrinfibrer särskilt intressant och användbart vid detta utvecklingsstadium.

V. Belitser

Liknande publikationer

Neurala impulser och RNA

Födelsen av molekylärbiologi

Hur "bygger" jag en molekyl?