Kaip statomos baltymų struktūros

Šiuolaikinė biologija giliai įsiskverbė į ląstelės gilumą - gyvųjų „plytą“. Gyva ląstelė mokslininkams pasirodė kaip darnus paprastesnių struktūrų - membranų, vamzdelių, granulių, pluoštinių darinių - derinys, susidedantis iš tarpusavyje sujungtų sutvarkytų molekulių.

Biologinių struktūrų, jų sudėties ir molekulinės organizacijos, specifinio aktyvumo tyrimas tapo molekulinės biologijos objektu.

Pastarųjų sėkmė visų pirma siejama su nukleorūgščių struktūros ir paveldimos informacijos pobūdžio dekodavimu. Nukleorūgščių molekulė yra keturių tipų nukleotidų tiesinė seka, išdėstyta sudėtinga, bet griežtai apibrėžta tvarka, kurią galima palyginti su įprastu raidžių išdėstymu prasmingame tekste. Kaip tekste yra tam tikra žinia, tam tikra informacija, nukleotidų eilėje nukleorūgščių molekulėje yra informacijos apie atskiras baltymų struktūras, kurios turi būti sukurtos organizmo kūrimo procese.

Baltymų molekulė taip pat yra tiesinė struktūrinių elementų seka, bet ne nukleotidai, o dvidešimt aminorūgščių rūšių. Kiekvienas trijų nukleotidų derinys nukleorūgščių molekulėje (genetinis kodas) lemia vienos ar kitos iš dvidešimties aminorūgščių įtraukimą. Nukleotidų tripletų seka nustato tikslią sintetintos baltymo molekulės aminorūgščių seką.

Tęsdami jau visuotinai pripažintą genetinės informacijos palyginimą su rašytiniu tekstu, galime sakyti, kad baltymų sintezės metu nukleotidų kalba parašytas tekstas verčiamas į aminorūgščių kalbą. Informacija, esanti tam tikros rūšies baltymų aminorūgščių tekste, tai yra, vien tik jam būdingų aminorūgščių sudėtis ir seka, lemia jo formą ir subtilią vidinę organizaciją - erdvinį struktūrinių elementų išdėstymą, kuriame yra tam tikrų jo baltymų biologinės funkcijos priklauso. Jei sutrinka tokia tvarka, pavyzdžiui, fermentiniai baltymai praranda galimybę katalizuoti organizmo reakcijas.

Tyrimai parodė, kad tam tikras baltymo funkcijas tiesiogiai vykdo cheminių grupių asociacijos, esančios tam tikrose užsakytos baltymo molekulės dalyse - specifiniai funkciniai centrai. Sutrikus tvarkai - pavyzdžiui, ištirpsta baltymo molekulė -, tada cheminių grupių deriniai gauna galimybę pakeisti jų tarpusavio išsidėstymą, sklaidos ir funkciniai centrai nustoja egzistuoti.

Taigi nukleotidų kalbos vertimas į aminorūgščių kalbą nėra tik vertimas. Aminorūgščių raidės yra daug turtingesnės fizikiniu ir cheminiu kiekiu nei nukleotidinės. Apskritai baltymo molekulės turima informacija iš esmės skiriasi nuo informacijos apie nukleotidus, nes ji lemia baltymų molekulių struktūros specifiką ir subtiliausias jų biologines funkcijas.

Dar vieną palyginimą galima padaryti iš techninės srities. Nukleorūgštyse esanti informacija yra tarsi brėžiniai, iš kurių dalys gaminamos ir surenkamos tam tikra tvarka. Baltymų molekulė yra sujungtas mechanizmas, o jo aminorūgščių sekoje esanti informacija yra paties mechanizmo programa.

Gyvoje ląstelėje dauguma baltymų funkcionuoja ne laisvoje būsenoje, o kaip sudėtingų struktūrų komponentai - gerai subalansuotos ir valdomos sistemos, kur kiekvienas baltymas užima tam tikrą vietą ir tam tikrą dalį bendros fiziologinės funkcijos. Kompleksinių ląstelių struktūrų konstravimas yra dialektinis perėjimas iš chemijos srities (kuri turėtų apimti atskirų baltymų molekulių veikimą) į biologijos sritį.

Kompleksinėse biologinėse struktūrose, be baltymų, taip pat yra lipidų, angliavandenių ir kitų medžiagų.Tačiau statant sudėtingas tarpląstelines struktūras šių medžiagų vaidmuo nėra pagrindinis.

Dėl savo cheminės struktūros pobūdžio angliavandeniuose ir lipiduose paprasčiausiai negali būti tokio didelio kiekio informacijos, kurios reikia tokiai konstrukcijai. Svarbiausias vaidmuo jame tenka specifiniams baltymams.

Taigi šiandieninė molekulinė biologija patvirtina ir detalizuoja gerai žinomą F. Engelso poziciją apie baltymus kaip gyvenimo pagrindą. Baltymuose, kur be galo įvairios molekulės yra kuriamos iš labai skirtingų savybių struktūrinių elementų, kur unikalios organizacijos tikslumas derinamas su lankstumu ir plastiškumu, gamta rado išskirtinę medžiagą, kuri leido sukurti aukštesnę, biologinę judėjimo formą. materijos.
Griežtą molekulinę biologinių struktūrų organizaciją pirmiausia lemia baltymų sąveikos ypatumai. Jų molekulės jungiasi selektyviai: kiekviena turi gerai apibrėžtus kaimynus. Tai gali būti vienodos molekulės ir skirtingos nuo jos. Bet kokiu atveju kaimynai yra „užprogramuoti“, nustatyti ir kitaip būti negali. Organizacijos tikslumą dar labiau apsunkina tai, kad baltymai, kurie nėra vienodi erdvinėje konfigūracijoje, su skirtingomis išsidėsčiusiomis cheminėmis grupėmis, yra sujungti vienas su kitu orientuotai: ne atsitiktinai, o tik tam tikromis jų paviršių sritimis. Šie kontaktiniai plotai yra chemiškai struktūrizuoti, kad būtų užtikrintas patikimas ir be klaidų klijavimo selektyvumas. Jie vadinami konkrečiomis kontaktinėmis sritimis arba konkrečiais centrais.

Specifinių centrų buvimas yra bendra baltymų, atliekančių specializuotas biologines funkcijas, savybė. Tai yra baltymų molekulių „darbo organai“. Specialių specifinių centrų dėka fermentiniai baltymai selektyviai suriša medžiagas, kurių cheminių virsmų katalizatoriai yra antitoksiniai baltymai, suriša toksinus ir kt.

Sąveikos metu organizuojama sąveikos sistema tarp konkretaus centro cheminių grupių ir molekulės-partnerės. Tai apima, visų pirma, elektrostatinę trauką tarp grupių, turinčių priešingus elektrinius krūvius; antra, vadinamieji vandenilio ryšiai tarp elektrinių polinių grupių; ir galiausiai, trečia, „hidrofobinės“ jungtys - nepolinių grupių (grupių, kurias atstumia vanduo) sąveika. Paprastai stabilios cheminės jungtys čia neatsiranda, nes kiekviena iš išvardytų sąveikų yra gana silpna. Bet apskritai konkretaus centro sistema suteikia pakankamą molekulių jungties stiprumą.

Minėtas specifinių centrų veikimo selektyvumas pasiekiamas dėl atitikimo cheminių grupių sudėčiai ir išsidėstymui pačiame centre ir molekulėje partnerėje - vadinamojo komplementarumo. Bet koks grupių pakeitimas ar judėjimas reiškia papildomo ™ pažeidimą. Taip pat aišku, kad konkretus centras yra ne tik veikiantis mechanizmas, bet ir šifras, leidžiantis baltymų molekulei „atpažinti“ savo partnerį tarp daugelio kitų molekulių, net ir labai panašių į šį partnerį.

Konkrečių centrų samprata atspindi tik baltymams būdingų funkcinių mechanizmų bendrą pobūdį. Specifinės baltymų funkcijos, jų specifinių centrų struktūra ir reakcijos išlieka mokslo sritimi, kurioje dar reikia padaryti beveik viską. Tai taip pat taikoma supramolekulinių biologinių struktūrų susidarymo procesams.

Kai kurios biologinės struktūros yra labai sudėtingos. Tokios yra, pavyzdžiui, membranos su * fermentiniais kompleksais. Tokių struktūrų surinkimas atliekamas, kaip rodo kitų tyrimų duomenys, didelė daugelio baltymų komponentų sistema.Daugelio baltymų dalyvavimas šiame darbe, matyt, yra tik netiesioginis - jie dalyvauja tik struktūros kūrimo procese, tačiau nėra įtraukti į jo sudėtį. Manoma, kad tarp šių pagalbinių baltymų yra specifinių fermentų.

Kita vertus, yra biologinių struktūrų, kurių struktūra yra gana paprasta. Pavyzdžiui, kitos pluoštinės struktūros yra pastatytos iš tik vieno tipo baltymų molekulių.

Daugeliu atvejų laboratorijose paprastas biologines struktūras galima suskaidyti į atskirus jų elementus - baltymus ir kitas molekules. Esant tinkamoms aplinkos sąlygoms, šie elementai vėl sujungiami tinkama tvarka ir atkuria pradinę struktūrą. Šis atkūrimo procesas paprastai vadinamas savęs surinkimu. Nemažai mokslininkų grupių tiek užsienyje, tiek mūsų šalyje tiria jos mechanizmus. Viena tokių grupių yra Biochemijos instituto Baltymų struktūrų ir funkcijų laboratorija, kurioje tiriamas fibrino skaidulų savaiminis susidarymas.
Fibrinas yra pluoštinis baltymas, kuris atsiranda kraujyje, kai jis krešėja. Susiformavus nuolatiniam jos skaidulų tinklui, skystas kraujas virsta sukietėjusia želatina. Dėl šio reiškinio kraujavimas sustoja po sužalojimų - kraujas ant pažeisto kūno paviršiaus krešėja.

Palankiomis organizmo sąlygomis kraujyje, cirkuliuojančiame nepažeistais indais, yra tirpus fibrino pirmtakas - baltymas fibrinogenas. Pažeidus kraujagysles, speciali kompleksinė baltymų sistema pradeda gaminti fermentą trombiną, kuris iš didelės fibrinogeno molekulės suskaido keturias mažas daleles, vadinamus fibrino peptidais. Jų netekęs, fibrinogenas virsta fibrino-baltymu, kurio polimerizacija (jungimasis tarpusavyje) suformuoja pluoštus.

Monomerinės fibrino molekulės polimerizuojasi griežta tvarka, kas būdinga visiems savaiminio susidarymo procesams.

Eksperimentiniai savaiminio surinkimo procesų tyrimai reikalauja sprendimų
atitinkamų monomerinių baltymų molekulių. Jų šaltinis beveik visada yra natūralios supramolekulinės struktūros, kuriose monomerai yra daugiau ar mažiau tvirtai „pritvirtinti“. Pradinių monomerinių tirpalų gavimo iš šių struktūrų sudėtingumas ir sunkumas yra tas, kad netikslus „išardymas“ gali pažeisti trapias baltymų molekules.

Todėl pirmoji problema, iškilusi prieš mokslininkus, kurie imasi savęs surinkimo procesų tyrimo, yra būtent biologinių struktūrų „išardymas“. Kiekvienu atskiru atveju reikia ieškoti būdų, būdingų kiekvienai struktūrai, kurie veiksmingai nutrauktų ryšius tarp jo sudedamųjų monomerų ir nepakenktų patiems monomerams. Fibrinui ilgai nebuvo įmanoma rasti visiškai patenkinamo jo polimerinių skaidulų skaidymo būdo. Iš pradžių šiam tikslui pasiūlyti karbamido ir natrio bromido tirpalai buvo neveiksmingi. Tik 1965 m. Mūsų laboratorijos televizijos „Varetskaya“ darbuotojas sukūrė metodą, kuris visiškai tenkina visus reikalavimus, pagrįstus praskiestų acto rūgšties tirpalų naudojimu arti 0 ° C temperatūros. Tokiu būdu gautos monomerinės fibrino molekulės visada turi tą patį savybės, atkartotos iš eksperimento į patirtį. Ankstesni fibrino skaidymo karbamido ar natrio bromido tirpaluose metodai tokio savybių pastovumo nesuteikė: skirtingi monomerinio baltymo mėginiai, gauti jų pagalba, skyrėsi, pavyzdžiui, skirtingais polimerizacijos greičiais.

Įdomu tai, kad kai kitas baltymas, struktūrinis mitochondrijų baltymas, gaunamas ištirpusios būsenos, geriausi rezultatai (kaip padarė išvadą šių struktūrų savaiminį susidarymą tiriantys amerikiečių mokslininkai) taip pat suteikia atvėsintą praskiestą acto rūgšties tirpalą.

Procesai, susiję su konstrukcijų savaiminiu surinkimu, tiriami įvairiais būdais.Vienas iš šių būdų yra sistemingas tam tikrų medžiagų proceso įtakojimo rezultatų tyrimas.

Pavyzdžiui, fibrino polimerizacijos vėlavimas gali būti sukeltas, jei pradinis monomero tirpalas veikiamas neorganinių druskų, ypač natrio chlorido, vandeniniu tirpalu. Mažos druskos koncentracijos ribose - iki 2-3% - polimerizacijos vėlavimas yra stipresnis, tuo "stipresnis" tirpalas.

Kokią informaciją pateikia šis faktas?

Yra žinoma, kad druskos vandeniniame tirpale yra teigiamų ir neigiamų elektrinių krūvių turinčių jonų pavidalu. Druskos jonų elektrostatinis efektyvumas paprastai įvertinamas pagal specialią vertę - jonų stiprumą, kuris atsižvelgia į tirpalo koncentraciją ir jo jonų krūvio dydį. Cheminė atskirų druskos jonų prigimtis čia nėra svarbi. Polimerizacijos vėlavimą daugiausia lemia druskos tirpalo, įpilto į monomerinį baltymų tirpalą, joninė jėga. Tai rodo, kad poveikis daugiausia yra elektrostatinis. Akivaizdu, kad druskos jonai patikrina („užgesina“) monomerinių fibrino molekulių elektrinius krūvius - tai aplinkybė, kuri tik parodo, kad jų elektriniai krūviai yra susiję su selektyvaus baltymų molekulių sujungimo mechanizmu. Normaliomis sąlygomis - nesant elektrostatiškai įkrautų druskos jonų trukdžių - teigiamai ir neigiamai įkrautos joninės grupės, kurios viena kitą papildo tam tikruose centruose, turėtų pritraukti molekules.

Išsamesni tyrimai, kuriuos mūsų laboratorijoje atliko „EV Lugovskii“, parodė, kad kartu su bendru jonų stiprumo atrankiniu poveikiu yra dar vienas druskų poveikis, kuris labai priklauso nuo jonų cheminės prigimties ir individualumo ir yra nulemtas jų gebėjimo prisijungti prie baltymo. Jono prijungimas prie konkretaus centro, matyt, įneša papildomą jo darbo sutrikimą.

E. V. Lugovskii tyrė didesnės druskos koncentracijos poveikį polimerizacijai. Paaiškėjo, kad kai kurios druskos smarkiai vėluoja, o kitos, priešingai, pagreitina polimerizaciją. Taigi, pavyzdžiui, dvi giminingos druskos, natrio chloridas ir bromidas, veikia priešingai: pirmoji pagreitina, o antroji lėtina procesą. Kaip ir bromidas, bet dar stipresnis, natrio jodidas veikia, kaip ir chloridas, skirtingo stiprumo - kartais stipresnis, tada silpnesnis - sulfatai, fosfatai ir kai kurios kitos druskos.

Paaiškėjo, kad dėl greitėjančio poveikio fibrino polimerizacijai druskos yra išdėstytos iš eilės, sutampančios su seniai žinoma ir gerai žinoma baltymų „sūdymo“ (nusodinimo) tirpaluose, kuriuose yra didelė druskos koncentracija, eilute. Tačiau eksperimentuojant su fibrino polimerizacija, realaus pasūdymo dar nėra, nes procesas tiriamas esant druskos koncentracijai, kuri vis dar nepasiekia. Be to, sūdant, baltymai nusodinami beformės masės pavidalu, o aprašytu atveju susidarė normalios fibrino skaidulos - jas buvo galima pamatyti naudojant fazinio kontrasto mikroskopą.

Daugelis tyrimų parodė, kad baltymų polinkį sūdyti padidina tai, kad jo molekulėse yra nepolinių grupių, esančių netoli jo paviršiaus ir besiliečiančių su aplinka. Kuo daugiau tokių grupių, tuo mažesnė druskos tirpalo koncentracija, pakankama baltymams pasūdyti.

Šias gerai žinomas pozicijas galima naudoti paaiškinant mūsų eksperimento rezultatus, kuriame, be abejo, pasireiškia sūdymo efektas, nurodant, kad monomerinės fibrino molekulės paviršiuje turėtų būti daugybė nepolinių grupių. Bet mes neturime tikros sūdymo. Sūdymo efektas pasireiškia tik pagreitinant specifinę polimerizaciją. Tai galima paaiškinti tik tuo, kad nepolinės grupės yra papildantys konkretaus baltymo molekulės centro komponentai.

Taigi fiziologinio tirpalo poveikio fibrino polimerizacijai tyrimai rodo, kad tiek elektrostatinė, tiek „hidrofobinė“ sąveika tarp nepolinių grupių dalyvauja fibrino savaiminio susidarymo procese. Kitų tyrimų duomenys rodo, kad dalyvauja ir trečiasis baltymų molekulių sąveikos tipas - vandenilio jungtys.

Dabar pereikime prie fibrinogeno, fibrino pirmtako. Jo molekulės taip pat sugeba polimerizuotis, kad susidarytų į fibriną panašūs pluoštai. Todėl fibrinogeno monomerai taip pat turi specifinius centrus. Tačiau jų polimerizacijai reikalingos ypatingos sąlygos ir ypač didelis tirpalo joninis stipris. Jei elektrinių krūvių ekranavimas stabdo fibrino polimerizaciją, priešingai, tai yra būtina sąlyga, norint grandinėje sujungti fibrinogeno monomerus. Bet iš to išplaukia, kad elektrinių krūvių vieta konkrečiame fibrinogeno molekulės centre yra nepalanki polimerizacijai ir tai turėtų būti atliekama tik sąveikaujant toms cheminėms grupėms, kurios neturi elektrinio krūvio.

Fibrino peptidai, kuriuos skaidant fibrinogeno molekulė tampa monomerine fibrino molekule, neša neigiamus elektrinius krūvius. Akivaizdu, kad jų pašalinimas yra veiksnys, pakeičiantis krūvių sistemą konkrečiame centre ir sukuriantis papildomumą.

Įdomu tai, kad vieną iš kraujavimo rūšių - sunkią paveldimą ligą - sukelia mutaciniai fibrinogeno pokyčiai, kai šis baltymas praranda teigiamus krūvius netoli fibrino peptidų skilimo taškų. Pastarieji, kaip ir įprastu atveju, yra suskaidomi, tačiau trombinas nebesukelia fibrinogeno aktyvacijos (Kaip parodyta diagramoje, aktyvacija susideda iš to, kad netoliese esantis konkretaus centro teigiamas krūvis išsiskiria iš neutralizuojančio fibrino peptido poveikio Jei tokio krūvio nėra, fibrino peptido skilimas tampa beprasmis: aktyvacija nevyksta.)

Tam tikri fibrinogeno ar fibrino fragmentai pasižymi ydingais specifiniais centrais, kurie vis dėlto gali selektyviai sąveikauti su monomeriniu fibrinu. Tokius fragmentus galima gauti sunaikinant šiuos baltymus fermentais. Atliekant eksperimentus su jais, lengva stebėti, kaip aktyvūs fragmentai sąveikauja su fibrinu ir sutrikdo pluošto susidarymą. Būtent tokiais eksperimentais - aktyvių fragmentų gamyba ir tyrimais - šiuo metu užsiima mūsų laboratorija. Tikimasi, kad ištyrę šių fragmentų struktūrą ir selektyvias reakcijas, mes geriau suprasime, kaip patys baltymai yra kuriami ir veikia.

Joninių grupių, atliekančių tokį esminį vaidmenį savarankiškai susidarant fibrinui, komplementarumas, matyt, taip pat yra svarbus ir savarankiškam kitų biologinių darinių sujungimui. Elektrostatinių ryšių energijos dalis bendrame jungiančių molekulių sąveikos energijos kiekyje tikriausiai yra maža. Molekulių sujungimui svarbesnės yra „hidrofobinės“ jungtys. Tačiau joninės grupės gali paspartinti savęs susidarymą. Elektrostatiniai krūviai gali sąveikauti gana dideliu atstumu. Ir tai yra jų tolimas veiksmas, kuris, tikriausiai, leidžia „ištirti“ aplinką, atpažinti norimą partnerį ir su juo orientuotis.
Pilna fibrino susidarymo schema, pradedant fibrinogenu, apima fermentą trombiną, kuriam būdingas nuostabiai puikus selektyvumas. Jo veikimui būdingomis sąlygomis jis visiškai neliečia daugybės „svetimų“ baltymų. Jis veikia tik fibrinogeną ir atlieka tik vieną grynai specifinę funkciją: skaldo iš jo fibrino peptidus. Šis trombino darbas yra būtinas ir pakankamas, kad susidarytų monomerinis fibrinas.

Tai rodo, kad montuojant labai sudėtingas struktūras, kurios vyksta keliais etapais, taip pat turi veikti specifiniai fermentai, tokie kaip trombinas.Lengva įsivaizduoti tokią reakcijų seką: pirmtakas baltymas, skirtas, pavyzdžiui, dalyvauti dviejose surinkimo reakcijose, suaktyvinamas pirmuoju fermentu ir sujungiamas su konkrečiu partneriu; tai daro jį prieinamu antram fermentui ir paskesniam specifiniam antrojo partnerio prisijungimui. Gali būti, kad būtent tai yra tų biologinių struktūrų organizavimo mechanizmas, kurių sudėtingumas atmeta tiesioginio susibūrimo galimybę.

Tarpiniuose sudėtingų struktūrų surinkimo etapuose fermentai gali būti ne tik aktyvinimo įrankiai. Jų veikimas gali pakeisti bendras baltymų savybes. Pavyzdžiui, tam tikras baltymas, jau „įsišaknijęs“ į struktūrą, gali tapti netirpia jo dalimi, dėl fermentų praradęs didelę hidrofilinių komponentų dalį. Žinoma, tokia schema neatmeta kitų, o tai reiškia galimybę turėti baltymų nešėjų, kurie netirpius baltymus pateikia į surinkimo vietą.

Apibendrinant reikia pažymėti, kad supramolekulinių biologinių struktūrų surinkimo procesų tyrimas yra laukas, kuriame gausu neaiškių ir sudėtingų klausimų. Todėl šiame kūrimo etape informacija apie procesus, vykstančius tokiose palyginti paprastose sistemose kaip fibrino skaidulų susidarymo sistema, yra ypač įdomi ir naudinga.

V. Belitseris

Panašūs leidiniai

Neuroniniai impulsai ir RNR

Molekulinės biologijos gimimas

Kaip „susikurti“ molekulę?