Hvordan proteinstrukturer er bygget |
|
Undersøgelsen af biologiske strukturer, deres sammensætning og molekylære organisation, deres specifikke aktivitet er blevet genstand for molekylærbiologi. Succesen med sidstnævnte er primært forbundet med dechiffrering af strukturen af nukleinsyrer og arten af arvelig information. Et nukleinsyremolekyle er en lineær sekvens af fire typer nukleotider arrangeret i en kompleks, men strengt defineret rækkefølge, som kan sammenlignes med det regelmæssige arrangement af bogstaver i en meningsfuld tekst. Ligesom en tekst bærer en besked, noget information, indeholder rækkefølgen af nukleotider i et nukleinsyremolekyle information om de enkelte strukturer af proteiner, der skal oprettes i processen med at opbygge en organisme. Et proteinmolekyle er også en lineær sekvens af strukturelle elementer, men ikke nukleotider, men tyve typer aminosyrer. Hver kombination af tre nukleotider i et nukleinsyremolekyle (genetisk kode) bestemmer inklusionen af en eller anden af de tyve aminosyrer. Sekvensen af nukleotidtripletterne bestemmer den nøjagtige sekvens af aminosyrer i det syntetiserede proteinmolekyle. Fortsætter vi den allerede generelt accepterede sammenligning af genetisk information med skrevet tekst, kan vi sige, at under proteinsyntese oversættes teksten skrevet på nukleotidsproget til aminosyrens sprog. Oplysningerne indeholdt i aminosyre-teksten til en bestemt type protein - det vil sige sammensætningen og sekvensen af aminosyrer, der er forbundet med den alene - bestemmer dens form og fine interne organisation - den rumlige rækkefølge af strukturelle elementer, som visse af dens biologiske funktioner er afhængige af. Når denne rækkefølge forstyrres, mister enzymproteiner for eksempel deres evne til at katalysere reaktioner i kroppen. Undersøgelser har vist, at bestemte funktioner i et protein udføres direkte af sammenslutninger af kemiske grupper placeret i bestemte dele af et ordnet proteinmolekyle-specifikke funktionelle centre. Når rækkefølgen forstyrres - for eksempel smelter et proteinmolekyle - så får kombinationerne af kemiske grupper mulighed for at ændre deres gensidige arrangement, scatter og funktionelle centre ophører med at eksistere. Således er oversættelsen af nukleotidsproget til aminosyrens sprog ikke kun en oversættelse. Aminosyrebogstaver er meget rigere på fysisk og kemisk indhold end nukleotid. Og generelt er informationen, der bæres af et proteinmolekyle, fundamentalt forskellig fra nukleotidinformation, da den bestemmer specificiteten af strukturen af proteinmolekyler og deres subtileste biologiske funktioner. Der er en anden sammenligning, der skal foretages fra det tekniske felt. Oplysningerne i nukleinsyrer er som tegninger, hvorfra dele fremstilles og samles i en bestemt rækkefølge. Et proteinmolekyle er en samlet mekanisme, og informationen indeholdt i sekvensen af dets aminosyrer er selve mekanismens program. I en levende celle fungerer de fleste proteiner ikke i en fri tilstand, men som komponenter i komplekse strukturer - velafbalancerede og kontrollerede systemer, hvor hvert protein har et bestemt sted og en vis andel i den overordnede fysiologiske funktion. Opbygningen af komplekse strukturer i cellen er en dialektisk overgang fra kemifeltet (som bør omfatte funktionen af individuelle proteinmolekyler) til området biologi. Komplekse biologiske strukturer, ud over proteiner, indeholder også lipider, kulhydrater og andre stoffer.Ved konstruktionen af komplekse intracellulære strukturer er disse stoffers rolle imidlertid ikke den førende. I kraft af deres kemiske struktur kan kulhydrater og lipider simpelthen ikke indeholde den meget store mængde information, der er nødvendig for en sådan konstruktion. Den vigtigste rolle i det hører til specifikke proteiner. Således bekræfter og detaljerer den nuværende molekylærbiologi F. Engelss velkendte holdning til proteiner som livsgrundlaget. I proteiner, hvor uendeligt forskellige molekyler er bygget fra strukturelle elementer med meget forskellige egenskaber, hvor præcisionen i en unik organisation kombineres med fleksibilitet og plasticitet, har naturen fundet et ekstraordinært materiale, der gjorde det muligt at skabe en højere, biologisk form for bevægelse af stof. Tilstedeværelsen af specifikke centre er en fælles ejendom af proteiner, der udfører specialiserede biologiske funktioner. Disse er de "arbejdende organer" i proteinmolekyler. Takket være specielle specifikke centre binder enzymproteiner selektivt stoffer, hvis katalysatorer for kemiske transformationer er antitoksinproteiner, binder toksiner osv. Et system af interaktioner er organiseret mellem de kemiske grupper i et specifikt center og et partnermolekyle ved kontakt. Det inkluderer for det første elektrostatisk tiltrækning mellem grupper med modsatte elektriske ladninger; for det andet de såkaldte hydrogenbindinger mellem elektrisk polære grupper; og endelig tredje "hydrofobe" bindinger - interaktioner mellem ikke-polære grupper (grupper frastødt af vand). Som regel opstår der ikke stabile kemiske bindinger her, da hver enkelt af de anførte interaktioner er ret svage. Men generelt giver systemet til et specifikt center tilstrækkelig styrke til forbindelsen af molekyler. Ovennævnte selektivitet af virkningen af specifikke centre opnås på grund af korrespondancen i sammensætningen og arrangementet af kemiske grupper i selve centrum og i partnermolekylet - den såkaldte komplementaritet. Enhver udskiftning eller flytning af grupper betyder en overtrædelse af det supplerende ™. Det er også klart, at et specifikt center ikke kun er en fungerende mekanisme, men også en kryptering, der tillader et proteinmolekyle at "genkende" sin partner blandt mange andre molekyler, selv dem, der har stor lighed med denne partner. Begrebet specifikke centre afspejler kun den generelle karakter af de funktionelle mekanismer, der er forbundet med proteiner. Proteins specifikke funktioner, strukturen og reaktionerne i deres specifikke centre forbliver et videnskabeligt område, hvor næsten alt er tilbage at gøre. Dette gælder også for processerne til dannelse af supramolekylære biologiske strukturer. Nogle biologiske strukturer er ekstremt komplekse. Sådanne er f.eks. Membraner med * enzymatiske komplekser. Samlingen af sådanne strukturer udføres, som data fra andre undersøgelser viser, af et stort system med adskillige proteinkomponenter.Deltagelsen af mange proteiner i dette arbejde er tilsyneladende kun indirekte - de deltager kun i processen med at skabe en struktur, men er ikke inkluderet i dens sammensætning. Det antages, at der er specifikke enzymer blandt disse hjælpeproteiner. På den anden side er der biologiske strukturer, der har en relativt enkel struktur. For eksempel er andre fibrøse strukturer bygget af proteinmolekyler af kun en type. I en række tilfælde i laboratorier er det muligt at nedbryde enkle biologiske strukturer i deres individuelle grundstoffer - protein og andre molekyler. Under passende miljøforhold kombineres disse elementer igen i den rigtige rækkefølge og genskaber den oprindelige struktur. Denne gendannelsesproces kaldes almindeligvis selvmontering. En række forskningsteams både i udlandet og i vores land studerer dets mekanismer. En sådan gruppe er laboratoriet for proteinstrukturer og funktioner fra Institut for Biokemi, hvor selvsamling af fibrinfibre undersøges. Under gunstige forhold for kroppen i blodet, der cirkulerer gennem intakte kar, er der en opløselig forløber for fibrin - proteinet fibrinogen. Når blodkar er beskadiget, begynder et specielt komplekst system af proteiner at producere enzymet thrombin, som spalter fire små partikler kaldet fibrinpeptider fra et stort fibrinogenmolekyle. Efter at have mistet dem, bliver fibrinogen til fibrin-protein, hvis polymerisation (forbindelse med hinanden) af molekylerne danner fibre. Monomeriske fibrinmolekyler polymeriserer med en streng ordrekarakteristik for alle selvmonteringsprocesser. Eksperimentelle undersøgelser af selvmonteringsprocesser kræver løsninger Derfor er det første problem, der opstår inden forskere, der påbegynder undersøgelsen af selvmonteringsprocesser, netop "nedtagning" af biologiske strukturer. I hvert enkelt tilfælde skal man kigge efter handlingsmetoder, der er specifikke for hver struktur, der effektivt ville bryde båndene mellem dens sammensatte monomerer og ikke ville skade monomererne selv. For fibrin var det i lang tid ikke muligt at finde en fuldstændig tilfredsstillende måde at nedbryde dets polymerfibre på. Opløsningerne af urinstof, der oprindeligt blev foreslået til dette formål, og derefter af natriumbromid var ineffektive. Først i 1965 udviklede en medarbejder fra vores laboratorium T.V. Varetskaya en metode, der fuldt ud opfylder alle kravene baseret på brugen af fortyndede opløsninger af eddikesyre ved temperaturer tæt på 0 ° C.De monomere fibrinmolekyler opnået på denne måde har altid de samme egenskaber, gengivet fra eksperiment til erfaring. De tidligere metoder til nedbrydning af fibrin i opløsninger af urinstof eller natriumbromid gav ikke en sådan bestandighed af egenskaber: forskellige prøver af det monomere protein, der blev opnået med deres hjælp, adskilte sig for eksempel i forskellige polymerisationshastigheder. Interessant nok opnås de bedste resultater (som konkluderet af amerikanske forskere, der studerer selvsamlingen af disse strukturer), når et andet protein, mitokondriens strukturelle protein, opnås i en afkølet fortyndet opløsning af eddikesyre. Processerne involveret i selvmontering af strukturer studeres på forskellige måder.En af disse måder er en systematisk undersøgelse af resultaterne af påvirkning af processen med visse stoffer. For eksempel kan en forsinkelse i fibrinpolymerisation forårsages, hvis den indledende monomeropløsning udsættes for en vandig opløsning af uorganiske salte, især natriumchlorid. Inden for grænserne for lave saltkoncentrationer - op til 2-3% - er forsinkelsen i polymerisation jo stærkere, jo "stærkere" er opløsningen. Hvilke oplysninger giver denne kendsgerning? Det er kendt, at salte i en vandig opløsning findes i form af ioner, der bærer positive og negative elektriske ladninger. Den elektrostatiske effektivitet af saltioner estimeres normalt med en særlig værdi - ionstyrke, der tager højde for koncentrationen af opløsningen og størrelsen af dens ioners ladning. Den kemiske karakter af de enkelte saltioner er irrelevant her. Forsinkelsen i polymerisation bestemmes hovedsageligt af ionstyrken af saltopløsningen tilsat til den monomere proteinopløsning. Dette viser, at effekten overvejende er elektrostatisk. Naturligvis screener saltioner ("quench") de elektriske ladninger af monomere fibrinmolekyler - en omstændighed, der bare indikerer, at deres elektriske ladninger er involveret i mekanismen til selektiv forbindelse af proteinmolekyler. Under normale forhold - i fravær af interferens fra elektrostatisk ladede saltioner - bør positivt og negativt ladede ioniske grupper, som er komplementære placeret i specifikke centre, tiltrække molekyler til hinanden. Mere detaljerede undersøgelser udført i vores laboratorium af E.V. Lugovskii har vist, at der sammen med den generelle screeningseffekt af ionstyrke er en anden effekt af salte, som i høj grad afhænger af ionernes kemiske natur og individualitet og bestemmes af deres evne til at binde til et protein. Vedhæftningen af en ion til et specifikt center indfører tilsyneladende en yderligere forstyrrelse i sit arbejde. E. V. Lugovskii undersøgte effekten af højere saltkoncentrationer på polymerisation. Det viste sig, at nogle salte forsinkede kraftigt, mens andre tværtimod fremskynder polymerisation. Så for eksempel virker to beslægtede salte, natriumchlorid og bromid, modsat: den første accelererer, og den anden forsinker processen. Som bromid, men endnu stærkere, virker natriumiodid som chlorid med forskellige styrker - nogle gange stærkere, derefter svagere - sulfater, fosfater og nogle andre salte virker. Det viste sig, at saltet i kraft af den accelererende virkning på fibrinpolymerisation er anbragt i en række, der falder sammen med den veletablerede og velkendte række til "saltning" (udfældning) af proteiner i opløsninger med høje saltkoncentrationer. I eksperimenter med fibrinpolymerisation forekommer der imidlertid endnu ikke reel udsaltning, da processen undersøges ved saltkoncentrationer, der stadig ikke når ud saltning. Derudover udfældes proteiner ved saltning i form af en formløs masse, og i det beskrevne tilfælde blev normale fibrinfibre dannet - de kunne ses ved hjælp af et fasekontrastmikroskop. Mange undersøgelser har vist, at tilbøjeligheden af et protein til saltning forstærkes af tilstedeværelsen i dets molekyler af ikke-polære grupper tæt på overfladen og i kontakt med miljøet. Jo flere sådanne grupper, jo lavere er koncentrationen af saltopløsningen, tilstrækkelig til saltning af proteinet. Disse velkendte positioner kan bruges til at forklare resultaterne af vores eksperiment, hvor utvivlsomt en saltningseffekt manifesteres, hvilket indikerer, at et monomert fibrinmolekyle skal indeholde et stort antal ikke-polære grupper på overfladen. Men vi har ikke rigtig saltning ud. Udsaltningseffekten manifesteres kun i accelerationen af specifik polymerisering. Dette kan kun forklares ved, at ikke-polære grupper er komplementære komponenter i et specifikt centrum af proteinmolekylet. Undersøgelser af virkningen af saltopløsninger på fibrinpolymerisation viser således, at både elektrostatiske interaktioner og "hydrofobe" interaktioner mellem ikke-polære grupper er involveret i processen med selvsamling af fibrin. Data fra andre undersøgelser indikerer, at den tredje type interaktioner mellem proteinmolekyler også er involveret - hydrogenbindinger. Lad os nu henvende os til fibrinogen, forløberen for fibrin. Dets molekyler er også i stand til at polymerisere til dannelse af fibrinlignende fibre. Derfor har fibrinogenmonomerer også specifikke centre. Imidlertid kræver deres polymerisation særlige betingelser og især høj ionstyrke af opløsningen. Hvis afskærmning af elektriske ladninger forsinker fibrinpolymerisation, er det tværtimod en forudsætning for at kombinere fibrinogenmonomerer i kæden. Men det følger heraf, at arrangementet af elektriske ladninger i et specifikt centrum af fibrinogenmolekylet er ugunstigt til polymerisation, og det bør kun udføres gennem interaktion mellem de kemiske grupper, der ikke har nogen elektrisk ladning. Fibrinpeptider, med spaltning af hvilket fibrinogenmolekylet bliver et monomert fibrinmolekyle, bærer negative elektriske ladninger. Tilsyneladende er deres fjernelse den faktor, der ændrer afgiftssystemet i et specifikt center og skaber komplementaritet. Interessant nok er en af typerne af blødning, en alvorlig arvelig sygdom, forårsaget af en mutationsændring i fibrinogen, hvor dette protein mister sine positive ladninger nær spaltningsstederne for fibrinpeptider. Sidstnævnte spaltes, som i det normale tilfælde, men thrombin forårsager ikke længere aktivering af fibrinogen (som diagrammet viser består aktivering i det faktum, at en nærliggende positiv ladning af et specifikt center frigøres fra den neutraliserende virkning af fibrinpeptid. Hvis der ikke er sådan en ladning, derefter bliver spaltning af fibrinpeptid meningsløs: aktivering forekommer ikke.) Visse fragmenter af fibrinogen eller fibrin er karakteriseret ved defekte specifikke centre, som imidlertid er i stand til selektivt at interagere med monomert fibrin. Sådanne fragmenter kan opnås ved ødelæggelse af disse proteiner med enzymer. I eksperimenter med dem er det let at observere, hvordan aktive fragmenter, der interagerer med fibrin, forstyrrer samling af fibre. Det er netop sådanne eksperimenter - produktion og undersøgelse af aktive fragmenter - som vores laboratorium i øjeblikket er involveret i. Det er håbet, at ved at studere strukturen og selektive reaktioner af disse fragmenter, vil vi bedre forstå, hvordan proteinerne selv bygges og virker. Komplementariteten af ioniske grupper, som spiller en så væsentlig rolle i selvsamlingen af fibrin, er tilsyneladende også vigtig i selvsamlingen af andre biologiske strukturer. Andelen af energien af elektrostatiske bindinger i den samlede sum af interaktionsenergien af de forbindende molekyler er sandsynligvis lille. Mere vigtigt for forbindelsen af molekyler er "hydrofobe" bindinger. Men ioniske grupper kan fremskynde selvmontering. Elektrostatiske ladninger kan interagere over en relativt lang afstand. Og det er deres langtrækkende handling, der gør det muligt sandsynligvis at "undersøge" miljøet, genkende den ønskede partner og kontakte ham på en orienteret måde. Dette antyder, at når der samles meget komplekse strukturer, som finder sted i flere trin, skal specifikke enzymer som thrombin også virke.Det er let at forestille sig følgende rækkefølge af reaktioner: et forstadieprotein beregnet til f.eks. At deltage i to samlingsreaktioner aktiveres af det første enzym og kombineres med en specifik partner; dette gør det tilgængeligt for det andet enzym og efterfølgende specifik binding af den anden partner. Det er muligt, at dette netop er organiseringsmekanismen for disse biologiske strukturer, hvis kompleksitet udelukker muligheden for direkte selvmontering. I de mellemliggende stadier af samlingen af komplekse strukturer kan enzymer ikke kun være værktøjer til aktivering. Deres virkning kan ændre proteins generelle egenskaber. For eksempel kan et bestemt protein, der allerede er "indlejret" i en struktur, blive en uopløselig del af det efter at have mistet en betydelig del af dets hydrofile komponenter på grund af enzymer. Naturligvis udelukker en sådan ordning ikke andre, hvilket indebærer muligheden for eksistensen af bærerproteiner, der afgiver uopløselige proteiner til samlingsstedet. Afslutningsvis skal det bemærkes, at undersøgelsen af samlingsprocesser for supramolekylære biologiske strukturer er et felt fyldt med uklare og komplekse spørgsmål. Derfor er information om processerne, der forekommer i sådanne relativt enkle systemer som systemet til dannelse af fibrinfibre, specielt interessant og nyttigt på dette trin af dets udvikling. V. Belitser Lignende publikationer
|
Moderne biologi er trængt dybt ned i celledybden - de levende ”mursten”. En levende celle syntes for forskere som en harmonisk kombination af enklere strukturer - membraner, rør, granuler, fiberformationer, der består af ordnede molekyler forbundet med hinanden.
| Fysiologisk todimensionalitet af information: mekanismer og konsekvenser | Test med L-Dopa |
|---|
Nye opskrifter
