Jak zbudowane są struktury białkowe

Nowoczesna biologia wniknęła głęboko w głąb komórki - „cegły” żywych. Żywa komórka ukazała się naukowcom jako harmonijne połączenie prostszych struktur - błon, rurek, granulek, formacji włóknistych, składających się z uporządkowanych cząsteczek połączonych ze sobą.

Badanie struktur biologicznych, ich składu i organizacji molekularnej, ich specyficznej działalności stało się przedmiotem biologii molekularnej.

Sukces tego ostatniego wiąże się przede wszystkim z dekodowaniem struktury kwasów nukleinowych i naturą informacji dziedzicznej. Cząsteczka kwasu nukleinowego to liniowa sekwencja czterech typów nukleotydów ułożonych w złożonej, ale ściśle określonej kolejności, którą można porównać ze zwykłym układem liter w znaczącym tekście. Tak jak tekst niesie jakąś wiadomość, jakąś informację, tak kolejność nukleotydów w cząsteczce kwasu nukleinowego zawiera informacje o poszczególnych strukturach białek, które mają powstać w procesie budowy organizmu.

Cząsteczka białka to także liniowa sekwencja elementów strukturalnych, ale nie nukleotydów, ale dwadzieścia typów aminokwasów. Każda kombinacja trzech nukleotydów w cząsteczce kwasu nukleinowego (kodzie genetycznym) determinuje włączenie jednego lub drugiego z dwudziestu aminokwasów. Sekwencja trojaczków nukleotydów określa dokładną sekwencję aminokwasów w syntetyzowanej cząsteczce białka.

Kontynuując ogólnie przyjęte porównanie informacji genetycznej z tekstem pisanym, możemy powiedzieć, że podczas syntezy białek tekst napisany w języku nukleotydów jest tłumaczony na język aminokwasów. Informacja zawarta w tekście aminokwasowym określonego typu białka - to znaczy skład i sekwencja samych mu aminokwasów - determinuje jego kształt i subtelną organizację wewnętrzną - przestrzenne uporządkowanie elementów strukturalnych, na których zależą funkcje biologiczne. Jeśli to uporządkowanie zostanie zakłócone, na przykład białka enzymatyczne tracą zdolność katalizowania reakcji w organizmie.

Badania wykazały, że określone funkcje białka są wykonywane bezpośrednio przez asocjacje grup chemicznych zlokalizowanych w określonych częściach uporządkowanej cząsteczki białka - specyficzne centra funkcjonalne. Kiedy porządek zostaje zakłócony - na przykład topi się cząsteczka białka - wtedy kombinacje grup chemicznych mają możliwość zmiany ich wzajemnego układu, przestają istnieć centra rozproszone i funkcjonalne.

Zatem tłumaczenie języka nukleotydów na język aminokwasów nie jest tylko tłumaczeniem. Litery aminokwasów są znacznie bogatsze w zawartość fizykochemiczną niż litery nukleotydów. Generalnie informacje przenoszone przez cząsteczkę białka zasadniczo różnią się od informacji o nukleotydach, ponieważ określają specyfikę struktury cząsteczek białka i ich najsubtelniejsze funkcje biologiczne.

Jeszcze jedno porównanie można zrobić z pola technicznego. Informacje zawarte w kwasach nukleinowych są jak plany, z których części są produkowane i składane w określonej kolejności. Cząsteczka białka jest złożonym mechanizmem, a informacja zawarta w sekwencji jej aminokwasów jest programem samego mechanizmu.

W żywej komórce większość białek funkcjonuje nie w stanie wolnym, ale jako składniki złożonych struktur - dobrze wyważonych i kontrolowanych systemów, w których każde białko ma określone miejsce i udział w ogólnych funkcjach fizjologicznych. Budowa złożonych struktur komórki jest dialektycznym przejściem z dziedziny chemii (która powinna obejmować funkcjonowanie poszczególnych cząsteczek białka) na dziedzinę biologii.

Złożone struktury biologiczne, oprócz białek, zawierają również lipidy, węglowodany i inne substancje.Jednak w budowie złożonych struktur wewnątrzkomórkowych rola tych substancji nie jest wiodąca.

Z samej natury swojej struktury chemicznej węglowodany i lipidy po prostu nie mogą zawierać tak dużej ilości informacji, jaka jest niezbędna do takiej konstrukcji. Najważniejsza rola w nim należy do określonych białek.

Zatem dzisiejsza biologia molekularna potwierdza i uszczegóławia dobrze znane stanowisko F. Engelsa dotyczące białek jako podstawy życia. W białkach, w których nieskończenie różnorodne cząsteczki zbudowane są z elementów strukturalnych o bardzo różnych właściwościach, gdzie precyzja unikalnej organizacji łączy się z elastycznością i plastycznością, natura znalazła wyjątkowy materiał, który umożliwił stworzenie wyższej, biologicznej formy ruchu. materii.
Ścisła organizacja molekularna struktur biologicznych jest przede wszystkim zdeterminowana specyfiką interakcji białek. Ich cząsteczki są połączone selektywnie: każda ma dobrze określonych sąsiadów. Mogą to być cząsteczki identyczne z tą lub różne od niej. Ale w każdym przypadku sąsiedzi są „zaprogramowani”, ustawieni i nie mogą być inaczej. Dokładność organizacji dodatkowo pogarsza fakt, że białka, które nie są takie same w konfiguracji przestrzennej, z różnie rozmieszczonymi grupami chemicznymi, są połączone ze sobą w sposób zorientowany: nie przypadkowo, ale tylko przez określone obszary ich powierzchni. Te obszary styku mają strukturę chemiczną, aby zapewnić niezawodną i bezbłędną selektywność łączenia. Nazywa się je określonymi obszarami kontaktowymi lub określonymi ośrodkami.

Obecność określonych centrów jest wspólną właściwością białek pełniących specjalistyczne funkcje biologiczne. Są to „organy robocze” cząsteczek białka. Dzięki specjalnym, specyficznym ośrodkom, białka enzymatyczne selektywnie wiążą substancje, których katalizatorami przemian chemicznych są białka antytoksyny, wiążą toksyny itp.

System interakcji jest zorganizowany między grupami chemicznymi określonego centrum i cząsteczką partnerską po kontakcie. Obejmuje, po pierwsze, przyciąganie elektrostatyczne między grupami o przeciwnych ładunkach elektrycznych; po drugie, tak zwane wiązania wodorowe między grupami elektrycznie polarnymi; i wreszcie trzecie, wiązania „hydrofobowe” - interakcje między grupami niepolarnymi (grupami odpychanymi przez wodę). Z reguły nie powstają tutaj stabilne wiązania chemiczne, ponieważ każda z wymienionych interakcji jest raczej słaba. Ale ogólnie system określonego centrum zapewnia wystarczającą siłę połączenia cząsteczek.

Wspomnianą selektywność działania poszczególnych centrów uzyskuje się dzięki podobieństwu w składzie i układzie grup chemicznych w samym centrum oraz w cząsteczce partnerskiej - tzw. Komplementarności. Jakiekolwiek zastąpienie lub przesunięcie grup oznacza naruszenie komplementarnego ™. Jest również jasne, że określone centrum jest nie tylko mechanizmem roboczym, ale także szyfrem, który pozwala cząsteczce białka „rozpoznać” swojego partnera wśród wielu innych cząsteczek, nawet tych, które mają duże podobieństwo do tego partnera.

Koncepcja określonych ośrodków odzwierciedla jedynie ogólny charakter mechanizmów funkcjonalnych właściwych białkom. Specyficzne funkcje białek, struktura i reakcje ich specyficznych ośrodków pozostają dziedziną nauki, w której prawie wszystko pozostaje do zrobienia. Dotyczy to również procesów tworzenia się supramolekularnych struktur biologicznych.

Niektóre struktury biologiczne są niezwykle złożone. Są to na przykład membrany z * kompleksami enzymatycznymi. Montaż takich struktur odbywa się, jak pokazują dane z innych badań, przez duży system wielu składników białkowych.Udział wielu białek w tej pracy jest pozornie tylko pośredni - uczestniczą one jedynie w procesie tworzenia struktury, ale nie wchodzą w jej skład. Zakłada się, że wśród tych białek pomocniczych są określone enzymy.

Z drugiej strony istnieją struktury biologiczne, które mają stosunkowo prostą strukturę. Na przykład inne struktury włókniste są zbudowane z cząsteczek białka tylko jednego typu.

W wielu przypadkach w laboratoriach możliwe jest rozłożenie prostych struktur biologicznych na ich poszczególne elementy - białka i inne cząsteczki. W odpowiednich warunkach środowiskowych elementy te są ponownie łączone w odpowiedniej kolejności i odtwarzają pierwotną strukturę. Ten proces odtwarzania jest powszechnie określany jako samoorganizacja. Szereg zespołów badawczych zarówno za granicą, jak iw naszym kraju bada jego mechanizmy. Jedną z takich grup jest Pracownia Struktur i Funkcji Białek Instytutu Biochemii, w której bada się samoorganizację włókien fibryny.
Fibryna to włókniste białko, które pojawia się we krwi podczas koagulacji. Utworzenie ciągłej sieci jego włókien zamienia płynną krew w zestaloną galaretowatą masę. To dzięki temu zjawisku krwawienie ustaje po urazach - krew na uszkodzonej powierzchni ciała krzepnie.

W sprzyjających warunkach dla organizmu we krwi krążącej przez nienaruszone naczynia występuje rozpuszczalny prekursor fibryny - białko fibrynogen. Kiedy naczynia krwionośne ulegają uszkodzeniu, specjalny złożony układ białek zaczyna wytwarzać enzym trombinę, który rozszczepia cztery małe cząsteczki zwane peptydami fibryny z dużej cząsteczki fibrynogenu. Po ich utracie fibrynogen zamienia się w białko fibryny, którego polimeryzacja (połączenie ze sobą) cząsteczek tworzy włókna.

Monomeryczne cząsteczki fibryny polimeryzują w ścisłym uporządkowaniu, co jest charakterystyczne dla wszystkich procesów samoorganizacji.

Badania eksperymentalne procesów samoorganizacji wymagają rozwiązań
odpowiednie cząsteczki białka monomerycznego. Ich źródłem są prawie zawsze naturalne struktury supramolekularne, w których monomery są mniej lub bardziej mocno „osadzone”. Złożoność i trudność uzyskania początkowych roztworów monomerycznych z tych struktur polega na tym, że niedokładny „demontaż” może uszkodzić delikatne cząsteczki białka.

Dlatego pierwszym problemem, który pojawia się przed naukowcami zajmującymi się badaniem procesów samoorganizacji, jest właśnie „demontaż” struktur biologicznych. W każdym indywidualnym przypadku należy szukać metod działania właściwych dla każdej struktury, które skutecznie zrywałyby wiązania między jej składowymi monomerami i nie powodowałyby żadnej szkody dla samych monomerów. W przypadku fibryny przez długi czas nie można było znaleźć w pełni zadowalającego sposobu rozkładu jej włókien polimerowych. Proponowane początkowo do tego celu roztwory mocznika, a następnie bromku sodu okazały się nieskuteczne. Dopiero w 1965 roku pracownik naszego laboratorium TV Varetskaya opracował metodę, która w pełni spełnia wszystkie wymagania polegającą na stosowaniu rozcieńczonych roztworów kwasu octowego w temperaturach bliskich 0 ° C. Uzyskane w ten sposób monomeryczne cząsteczki fibryny mają zawsze takie same właściwości, odtwarzane od eksperymentu do doświadczenia. Dotychczasowe metody rozkładu fibryny w roztworach mocznika lub bromku sodu nie dawały takiej stałości właściwości: różne próbki otrzymanego za ich pomocą monomerycznego białka różniły się np. Różnymi szybkościami polimeryzacji.

Co ciekawe, gdy inne białko, strukturalne białko mitochondriów, uzyskuje się w stanie rozpuszczonym, najlepsze wyniki (jak stwierdzili amerykańscy naukowcy badający samoorganizację tych struktur) uzyskuje się również przez schłodzony rozcieńczony roztwór kwasu octowego.

Procesy związane z samoorganizacją konstrukcji są badane na różne sposoby.Jednym z takich sposobów jest systematyczne badanie skutków wpływania na proces niektórych substancji.

Na przykład, opóźnienie polimeryzacji fibryny może być spowodowane wystawieniem wyjściowego roztworu monomeru na działanie wodnego roztworu soli nieorganicznych, w szczególności chlorku sodu. W granicach niskich stężeń soli - do 2-3% - opóźnienie polimeryzacji jest tym silniejsze, im „silniejszy” jest roztwór.

Jakich informacji dostarcza ten fakt?

Wiadomo, że sole w roztworze wodnym występują w postaci jonów niosących dodatnie i ujemne ładunki elektryczne. Wydajność elektrostatyczną jonów soli zwykle ocenia się za pomocą specjalnej wielkości - siły jonowej, która uwzględnia stężenie roztworu i wielkość ładunku jego jonów. Charakter chemiczny poszczególnych jonów soli nie ma tu znaczenia. Opóźnienie polimeryzacji zależy głównie od siły jonowej soli fizjologicznej dodanej do roztworu monomerycznego białka. To pokazuje, że efekt ten ma głównie charakter elektrostatyczny. Oczywiście jony soli ekranują („wygaszają”) ładunki elektryczne monomerycznych cząsteczek fibryny - okoliczność, która po prostu wskazuje, że ich ładunki elektryczne są zaangażowane w mechanizm selektywnego łączenia cząsteczek białka. W normalnych warunkach - przy braku interferencji ze strony naładowanych elektrostatycznie jonów soli - dodatnio i ujemnie naładowane grupy jonowe, które są komplementarnie zlokalizowane w określonych centrach, powinny przyciągać do siebie cząsteczki.

Bardziej szczegółowe badania przeprowadzone w naszym laboratorium przez EV Lugovskii wykazały, że obok ogólnego efektu przesiewowego siły jonowej istnieje inny wpływ soli, który silnie zależy od natury chemicznej i indywidualności jonów i jest określony przez ich zdolność do dołączyć do białka. Przyłączenie jonu do konkretnego centrum pozornie wprowadza dodatkowe zakłócenie w jego pracy.

E. V. Lugovskii badał wpływ wyższych stężeń soli na polimeryzację. Okazało się, że niektóre sole gwałtownie opóźniają, podczas gdy inne wręcz przeciwnie, przyspieszają polimeryzację. Na przykład dwie pokrewne sole, chlorek sodu i bromek, działają przeciwnie: pierwsza przyspiesza, a druga opóźnia proces. Podobnie jak bromek, ale nawet silniejszy, jodek sodu działa, podobnie jak chlorek, z różnymi mocami - czasami silniejszy, potem słabszy - działają siarczany, fosforany i niektóre inne sole.

Okazało się, że dzięki sile przyspieszającego działania na polimeryzację fibryny, sole są ułożone w rzędzie, który pokrywa się z istniejącym od dawna i znanym rzędem „wysalania” (wytrącania) białek w roztworach o wysokim stężeniu soli. Jednak w eksperymentach z polimeryzacją fibryny rzeczywiste wysalanie jeszcze nie występuje, ponieważ proces jest badany przy stężeniach soli, które nadal nie osiągają poziomu wysalania. Dodatkowo podczas wysalania białka wytrącają się w postaci bezkształtnej masy, aw opisywanym przypadku powstały normalne włókna fibryny - można je było zobaczyć pod mikroskopem z kontrastem fazowym.

Wiele badań wykazało, że skłonność białka do wysalania jest zwiększona przez obecność w jego cząsteczkach grup niepolarnych, które znajdują się blisko jego powierzchni i mają kontakt ze środowiskiem. Im więcej takich grup, tym niższe stężenie roztworu soli, wystarczające do wysalenia białka.

Te dobrze znane pozycje można wykorzystać do wyjaśnienia wyników naszego eksperymentu, w którym niewątpliwie przejawia się efekt wysalania, wskazujący, że monomeryczna cząsteczka fibryny powinna zawierać na swojej powierzchni dużą liczbę grup niepolarnych. Ale nie mamy prawdziwego wysalania. Efekt wysalania przejawia się jedynie w przyspieszeniu określonej polimeryzacji. Można to wytłumaczyć jedynie tym, że grupy niepolarne są komplementarnymi składnikami określonego centrum cząsteczki białka.

Tak więc badania nad wpływem roztworów soli fizjologicznej na polimeryzację fibryny pokazują, że zarówno oddziaływania elektrostatyczne, jak i oddziaływania „hydrofobowe” między grupami niepolarnymi są zaangażowane w proces samoorganizacji fibryny. Dane z innych badań wskazują, że występuje również trzeci rodzaj interakcji między cząsteczkami białek - wiązania wodorowe.

Przejdźmy teraz do fibrynogenu, prekursora fibryny. Jego cząsteczki są również zdolne do polimeryzacji, tworząc włókna podobne do fibryny. Dlatego też monomery fibrynogenu mają również określone centra. Jednak ich polimeryzacja wymaga specjalnych warunków, a zwłaszcza dużej siły jonowej roztworu. Jeśli ekranowanie ładunków elektrycznych opóźnia polimeryzację fibryny, to wręcz przeciwnie, jest to warunek wstępny połączenia monomerów fibrynogenu w łańcuchu. Ale z tego wynika, że ​​ułożenie ładunków elektrycznych w określonym centrum cząsteczki fibrynogenu jest niekorzystne dla polimeryzacji i powinno się to odbywać tylko poprzez oddziaływanie tych grup chemicznych, które nie mają ładunku elektrycznego.

Peptydy fibrynowe, w wyniku rozszczepienia których cząsteczka fibrynogenu staje się monomeryczną cząsteczką fibryny, niosą ujemne ładunki elektryczne. Najwyraźniej ich usunięcie jest czynnikiem zmieniającym system opłat w określonym ośrodku i tworzącym komplementarność.

Co ciekawe, jednym z rodzajów krwawień, ciężką chorobą dziedziczną, jest mutacyjna zmiana fibrynogenu, w której białko to traci ładunki dodatnie w pobliżu miejsc rozszczepienia peptydów fibryny. Te ostatnie, jak w normalnym przypadku, są rozszczepiane, ale trombina nie powoduje już aktywacji fibrynogenu (jak pokazuje diagram, aktywacja polega na tym, że pobliski ładunek dodatni określonego centrum jest uwalniany z neutralizującego działania peptydu fibryny . Jeśli nie ma takiego ładunku, to rozszczepienie peptydu fibryny staje się bez znaczenia: aktywacja nie występuje.)

Niektóre fragmenty fibrynogenu lub fibryny charakteryzują się wadliwymi specyficznymi centrami, które jednak są zdolne do selektywnej interakcji z monomeryczną fibryną. Takie fragmenty można uzyskać przez zniszczenie tych białek przez enzymy. W eksperymentach z nimi łatwo jest zaobserwować, jak aktywne fragmenty oddziałują z fibryną i zakłócają montaż włókien. To właśnie takie eksperymenty - produkcja i badanie aktywnych fragmentów - prowadzi obecnie nasze laboratorium. Mamy nadzieję, że badając strukturę i wybiórcze reakcje tych fragmentów, lepiej zrozumiemy, jak zbudowane są i działają same białka.

Komplementarność grup jonowych, która odgrywa tak istotną rolę w samoorganizacji fibryny, jest najwyraźniej ważna również w samoorganizacji innych struktur biologicznych. Udział energii wiązań elektrostatycznych w całkowitej ilości energii oddziaływania łączących się cząsteczek jest prawdopodobnie niewielki. Bardziej istotne dla połączenia cząsteczek są wiązania „hydrofobowe”. Ale grupy jonowe mogą przyspieszyć samoorganizację. Ładunki elektrostatyczne mogą oddziaływać na stosunkowo duże odległości. I to właśnie ich dalekosiężne działanie umożliwia prawdopodobnie „sondowanie” otoczenia, rozpoznanie pożądanego partnera i kontakt z nim w ukierunkowany sposób.
Pełny schemat tworzenia fibryny, zaczynając od fibrynogenu, obejmuje enzym trombinę, który charakteryzuje się niezwykle dobrą selektywnością. W warunkach charakterystycznych dla jego działania w ogóle nie dotyka wielu „obcych” białek. Działa tylko na fibrynogen i pełni tylko jedną czysto specyficzną funkcję: odszczepia od niego peptydy fibryny. Ta praca trombiny jest konieczna i wystarczająca do tworzenia monomerycznej fibryny.

Sugeruje to, że przy składaniu bardzo złożonych struktur, który odbywa się w kilku etapach, powinny również działać określone enzymy, takie jak trombina.Łatwo sobie wyobrazić następującą sekwencję reakcji: białko prekursorowe, które ma np. Uczestniczyć w dwóch reakcjach składania, jest aktywowane przez pierwszy enzym i łączy się z określonym partnerem; to czyni go dostępnym dla drugiego enzymu i późniejszego specyficznego przyłączenia drugiego partnera. Niewykluczone, że jest to właśnie mechanizm organizacji tych struktur biologicznych, których złożoność wyklucza możliwość bezpośredniego samoorganizacji.

Na pośrednich etapach składania złożonych struktur enzymy mogą być nie tylko narzędziami aktywacyjnymi. Ich działanie może zmieniać ogólne właściwości białek. Na przykład pewne białko, już „osadzone” w strukturze, może stać się nierozpuszczalną częścią jej, tracąc znaczną część swoich hydrofilowych składników z powodu enzymów. Oczywiście taki schemat nie wyklucza innych, sugerując możliwość istnienia białek nośnikowych, które dostarczają nierozpuszczalne białka do miejsca montażu.

Podsumowując, należy zauważyć, że badanie procesów składania supramolekularnych struktur biologicznych jest obszarem pełnym niejasnych i złożonych pytań. Dlatego na tym etapie jego rozwoju szczególnie interesująca i przydatna jest informacja o procesach zachodzących w tak stosunkowo prostych układach, jak system tworzenia włókien fibrynowych.

V. Belitser

Podobne publikacje

Impulsy nerwowe i RNA

Narodziny biologii molekularnej

Jak „zbudować” cząsteczkę?