Jak se vytvářejí proteinové struktury

Moderní biologie pronikla hluboko do hlubin buňky - „cihly“ živých. Živá buňka se vědcům jevila jako harmonická kombinace jednodušších struktur - membrán, zkumavek, granulí, vláknitých útvarů, skládajících se z uspořádaných molekul navzájem spojených.

Studium biologických struktur, jejich složení a molekulární organizace, jejich specifické aktivity se staly předmětem molekulární biologie.

Úspěch posledně jmenovaného je spojen především s dekódováním struktury nukleových kyselin a povahou dědičné informace. Molekula nukleové kyseliny je lineární sekvence čtyř typů nukleotidů uspořádaných ve složitém, ale přísně definovaném pořadí, které lze přirovnat k pravidelnému uspořádání písmen ve smysluplném textu. Stejně jako text nese nějakou zprávu, nějakou informaci, obsahuje pořadí nukleotidů v molekule nukleové kyseliny informace o jednotlivých strukturách proteinů, které mají být vytvořeny v procesu budování organismu.

Molekula proteinu je také lineární sekvence strukturních prvků, ale ne nukleotidy, ale dvacet typů aminokyselin. Každá kombinace tří nukleotidů v molekule nukleové kyseliny (genetický kód) předurčuje zahrnutí jedné nebo druhé z dvaceti aminokyselin. Sekvence nukleotidových tripletů určuje přesnou sekvenci aminokyselin v syntetizované proteinové molekule.

Při pokračování již obecně přijímaného srovnání genetické informace s psaným textem lze říci, že během syntézy proteinů je text napsaný v nukleotidovém jazyce přeložen do jazyka aminokyselin. Informace obsažené v aminokyselinovém textu konkrétního typu proteinu - tj. Složení a sekvence aminokyselin, které jsou mu vlastní - určují jeho tvar a jemnou vnitřní organizaci - prostorové uspořádání strukturních prvků, na nichž závisí jeho biologické funkce. Pokud je toto uspořádání narušeno, například enzymové proteiny ztrácejí schopnost katalyzovat reakce v těle.

Studie ukázaly, že určité funkce proteinu jsou přímo prováděny asociacemi chemických skupin umístěných v určitých částech uspořádané molekuly proteinu - specifickými funkčními centry. Když je pořadí narušeno - například se roztaví molekula proteinu - pak dostanou kombinace chemických skupin příležitost změnit své vzájemné uspořádání, přestanou existovat rozptylová a funkční centra.

Překlad nukleotidového jazyka do jazyka aminokyselin tedy není jen překladem. Aminokyselinová písmena jsou mnohem bohatší na fyzikálně-chemický obsah než nukleotidová. A obecně se informace nesená molekulou proteinu zásadně liší od informací o nukleotidech, protože také určuje specificitu struktury proteinových molekul a jejich nejjemnějších biologických funkcí.

Je třeba provést další srovnání z technické oblasti. Informace obsažené v nukleových kyselinách jsou jako plány, ze kterých se vyrábějí a skládají díly v určitém pořadí. Molekula proteinu je sestavený mechanismus a informace obsažené v sekvenci jeho aminokyselin je program samotného mechanismu.

V živé buňce většina proteinů nefunguje nikoli ve volném stavu, ale jako složky složitých struktur - vyvážených a kontrolovatelných systémů, kde každý protein má určité místo a určitý podíl na celkové fyziologické funkci. Konstrukce komplexních buněčných struktur je dialektickým přechodem z oblasti chemie (která by měla zahrnovat fungování jednotlivých molekul bílkovin) do oblasti biologie.

Komplexní biologické struktury obsahují kromě bílkovin také lipidy, sacharidy a další látky.Při konstrukci složitých intracelulárních struktur však role těchto látek není hlavní.

Vzhledem ke své povaze své chemické struktury nemohou sacharidy a lipidy jednoduše obsahovat takové velké množství informací, které jsou pro takovou konstrukci nezbytné. Nejdůležitější role v něm patří specifickým proteinům.

Dnešní molekulární biologie tedy potvrzuje a podrobně popisuje známou pozici F. Engelsa ohledně proteinů jako základu života. V bílkovinách, kde jsou nekonečně rozmanité molekuly vytvářeny ze strukturních prvků s velmi odlišnými vlastnostmi, kde je přesnost jedinečné organizace kombinována s flexibilitou a plasticitou, našla příroda výjimečný materiál, který umožnil vytvořit vyšší biologickou formu pohybu hmoty.
Striktní molekulární organizace biologických struktur je primárně určena zvláštnostmi interakce proteinů. Jejich molekuly jsou spojeny selektivně: každá má přesně definované sousedy. Mohou to být buď molekuly identické s touto nebo odlišné od ní. V každém případě jsou ale sousedé „naprogramovaní“, nastaveni a nemohou být jinak. Přesnost organizace dále zhoršuje skutečnost, že proteiny, které nejsou v prostorové konfiguraci stejné, s odlišně umístěnými chemickými skupinami, jsou navzájem propojeny orientovaným způsobem: ne náhodně, ale pouze určitými oblastmi jejich povrchů. Tyto kontaktní oblasti jsou chemicky strukturovány, aby poskytovaly spolehlivou a bezchybnou selektivitu vazby. Nazývají se konkrétní kontaktní oblasti nebo konkrétní centra.

Přítomnost specifických center je běžnou vlastností proteinů, které plní specializované biologické funkce. Jedná se o „pracovní orgány“ molekul bílkovin. Díky speciálním specifickým centrům enzymové proteiny selektivně váží látky, jejichž katalyzátory chemických transformací jsou antitoxinové proteiny, váží toxiny atd.

Systém interakcí je organizován mezi chemickými skupinami konkrétního centra a partnerskou molekulou při kontaktu. Zahrnuje za prvé elektrostatickou přitažlivost mezi skupinami s opačnými elektrickými náboji; zadruhé, takzvané vodíkové vazby mezi elektricky polárními skupinami; a konečně třetí, „hydrofobní“ vazby - interakce mezi nepolárními skupinami (skupinami odpuzovanými vodou). Stabilní chemické vazby zde zpravidla nevznikají, protože každá jednotlivá z uvedených interakcí je poměrně slabá. Obecně však systém konkrétního centra poskytuje dostatečnou sílu spojení molekul.

Výše uvedené selektivity působení konkrétních center je dosaženo díky korespondenci ve složení a uspořádání chemických skupin v samotném centru a v partnerské molekule - tzv. Komplementaritě. Jakákoli výměna nebo pohyb skupin znamená porušení doplňkového ™. Je také jasné, že konkrétní centrum není jen pracovním mechanismem, ale také šifrou, která umožňuje molekule proteinu „rozpoznat“ svého partnera mezi mnoha jinými molekulami, dokonce i těmi, které mají s tímto partnerem velkou podobnost.

Koncept specifických center odráží pouze obecný charakter funkčních mechanismů obsažených v proteinech. Specifické funkce proteinů, struktura a reakce jejich specifických center zůstávají oblastí vědy, kde zbývá téměř vše, co je třeba udělat. To platí také pro procesy tvorby supramolekulárních biologických struktur.

Některé biologické struktury jsou extrémně složité. Jsou to například membrány s * enzymatickými komplexy. Sestavování těchto struktur se provádí, jak ukazují údaje jiných studií, velkým systémem mnoha proteinových složek.Účast mnoha proteinů v této práci je zjevně pouze nepřímá - podílejí se pouze na procesu vytváření struktury, ale nejsou zahrnuty v jejím složení. Předpokládá se, že mezi těmito doplňkovými proteiny jsou specifické enzymy.

Na druhou stranu existují biologické struktury, které mají relativně jednoduchou strukturu. Například další vláknité struktury jsou vytvořeny z proteinových molekul pouze jednoho typu.

V řadě případů je možné v laboratořích rozložit jednoduché biologické struktury na jejich jednotlivé prvky - bílkoviny a další molekuly. Za vhodných podmínek prostředí se tyto prvky opět spojí ve správném pořadí a znovu vytvoří původní strukturu. Tento proces opětovného vytvoření se běžně označuje jako vlastní sestavení. Řada výzkumných týmů v zahraničí i v naší zemi studuje jeho mechanismy. Jednou z takových skupin je Laboratoř proteinových struktur a funkcí Biochemického ústavu, kde se studuje samo-sestavování fibrinových vláken.
Fibrin je vláknitý protein, který se objevuje v krvi při srážení. Tvorba souvislé sítě jejích vláken mění kapalnou krev na ztuhlou želatinovou hmotu. Díky tomuto jevu se krvácení po poranění zastaví - krev na poškozeném povrchu těla koaguluje.

Za příznivých podmínek pro tělo v krvi cirkulující neporušenými cévami existuje rozpustný prekurzor fibrinu - protein fibrinogen. Při poškození krevních cév začne speciální komplexní systém bílkovin produkovat enzym trombin, který štěpí čtyři malé částice zvané fibrinové peptidy z velké molekuly fibrinogenu. Po jejich ztrátě se fibrinogen přemění na fibrin-protein, jehož polymerace (vzájemné spojení) molekul tvoří vlákna.

Monomerní molekuly fibrinu polymerují s přísnou charakteristikou řazení pro všechny procesy vlastní montáže.

Experimentální studie procesů vlastní montáže vyžadují řešení
odpovídající monomerní proteinové molekuly. Jejich zdrojem jsou téměř vždy přírodní supramolekulární struktury, ve kterých jsou monomery víceméně pevně „zabudovány“. Složitost a obtížnost získání počátečních monomerních roztoků z těchto struktur spočívá v tom, že nepřesná „demontáž“ může poškodit křehké molekuly proteinu.

Prvním problémem, který vyvstane před vědci, kteří se pustí do studia procesů vlastní montáže, je tedy právě „demontáž“ biologických struktur. V každém jednotlivém případě je třeba hledat způsoby působení, které jsou specifické pro každou strukturu, které by účinně narušily vazby mezi monomery, které ho tvoří, a nezpůsobily by újmu samotným monomerům. U fibrinu nebylo dlouho možné najít zcela uspokojivý způsob rozkladu jeho polymerních vláken. Roztoky močoviny původně navržené pro tento účel a poté bromidu sodného byly neúčinné. Teprve v roce 1965 vyvinul zaměstnanec naší laboratoře T.V. Zkušenosti. Předchozí metody rozkladu fibrinu v roztocích močoviny nebo bromidu sodného neposkytly takovou stálost vlastností: různé vzorky monomerního proteinu získané s jejich pomocí se lišily, například v různých rychlostech polymerace.

Je zajímavé, že když je další protein, strukturní protein mitochondrií, získán v rozpuštěném stavu, nejlepší výsledky (jak dospěli američtí vědci studující vlastní sestavení těchto struktur) také k ochlazení zředěného roztoku kyseliny octové.

Procesy spojené s vlastní montáží konstrukcí jsou studovány různými způsoby.Jedním z těchto způsobů je systematické studium výsledků ovlivňování procesu určitých látek.

Například zpoždění polymerace fibrinu může být způsobeno, pokud je počáteční roztok monomeru vystaven vodnému roztoku anorganických solí, zejména chloridu sodného. V mezích nízkých koncentrací solí - až 2–3% - je zpoždění polymerace silnější, čím je roztok „silnější“.

Jaké informace tato skutečnost poskytuje?

Je známo, že soli ve vodném roztoku existují ve formě iontů nesoucích kladné a záporné elektrické náboje. Elektrostatická účinnost solných iontů se obvykle odhaduje pomocí speciální hodnoty - iontové síly, která bere v úvahu koncentraci roztoku a velikost náboje jeho iontů. Chemická podstata jednotlivých iontů solí je zde irelevantní. Zpoždění polymerace je určováno hlavně iontovou silou solného roztoku přidaného k roztoku monomerního proteinu. To ukazuje, že účinek je převážně elektrostatický. Je zřejmé, že ionty soli skrínují („zhášejí“) elektrické náboje monomerních molekul fibrinu - okolnost, která jen naznačuje, že jejich elektrické náboje jsou zapojeny do mechanismu selektivního spojení molekul bílkovin. Za normálních podmínek - při absenci interference elektrostaticky nabitých iontů solí - by kladně a záporně nabité iontové skupiny, doplňkově umístěné ve specifických centrech, měly přitahovat molekuly k sobě navzájem.

Podrobnější studie provedené v naší laboratoři E.V.Lugovskii ukázaly, že spolu s obecným skríninkovým účinkem iontové síly existuje další účinek solí, který silně závisí na chemické povaze, individualitě iontů a je určen jejich schopností se připojit k proteinu. Přidání iontu do konkrétního centra zřejmě přináší další narušení jeho práce.

E. V. Lugovskii zkoumal účinek vyšších koncentrací solí na polymeraci. Ukázalo se, že některé soli prudce zpomalují, zatímco jiné naopak polymeraci urychlují. Například dvě příbuzné soli, chlorid sodný a bromid, působí opačně: první urychluje a druhá zpomaluje proces. Stejně jako bromid, ale ještě silnější, působí jodid sodný, jako chlorid, s různými silami - někdy silnější, pak slabší - působí sírany, fosfáty a některé další soli.

Ukázalo se, že díky síle urychlujícího účinku na polymeraci fibrinu jsou soli uspořádány v řadě, která se shoduje s dlouho zavedenou a dobře známou řadou pro „vysolení“ (srážení) proteinů v roztocích s vysokou koncentrací solí. V experimentech s polymerací fibrinu však ke skutečnému solení dosud nedochází, protože proces je studován při koncentracích solí, které stále nedosahují solení. Během solení se navíc vysráží proteiny ve formě beztvaré hmoty a v popsaném případě se vytvoří normální fibrinová vlákna - lze je vidět pomocí mikroskopu s fázovým kontrastem.

Mnoho studií zjistilo, že sklon k vysolení proteinu je zvýšen přítomností nepolárních skupin v jeho molekulách, které jsou blízko jeho povrchu a jsou v kontaktu s prostředím. Čím více takových skupin, tím nižší je koncentrace solného roztoku, dostatečná pro vysolení proteinu.

Tyto známé polohy lze použít k vysvětlení výsledků našeho experimentu, ve kterém se nepochybně projevuje účinek solení, což naznačuje, že monomerní molekula fibrinu by měla na svém povrchu obsahovat velké množství nepolárních skupin. Skutečné solení ale nemáme. Účinek solení se projevuje pouze zrychlením specifické polymerace. To lze vysvětlit pouze skutečností, že nepolární skupiny jsou doplňkovými složkami specifického středu molekuly proteinu.

Studie účinku solných roztoků na polymeraci fibrinu tedy ukazují, že do procesu vlastní montáže fibrinu jsou zapojeny jak elektrostatické interakce, tak „hydrofobní“ interakce mezi nepolárními skupinami. Údaje dalších studií naznačují, že se jedná také o třetí typ interakcí mezi molekulami proteinů - vodíkové vazby.

Podívejme se nyní na fibrinogen, předchůdce fibrinu. Jeho molekuly jsou také schopné polymerace za vzniku vláken podobných fibrinu. Fibrinogenové monomery proto mají také specifická centra. Jejich polymerace však vyžaduje zvláštní podmínky a zejména vysokou iontovou sílu roztoku. Pokud stínění elektrických nábojů zpomaluje polymeraci fibrinu, pak je to naopak předpoklad pro kombinování fibrinogenových monomerů v řetězci. Z toho však vyplývá, že umístění elektrických nábojů ve specifickém středu molekuly fibrinogenu je pro polymeraci nepříznivé a mělo by být prováděno pouze prostřednictvím interakce těch chemických skupin, které nemají elektrický náboj.

Fibrinové peptidy, jejichž štěpením se molekula fibrinogenu stává monomerní molekulou fibrinu, nesou negativní elektrické náboje. Je zřejmé, že jejich odstranění je faktorem, který mění systém poplatků v konkrétním centru a vytváří komplementaritu.

Je zajímavé, že jeden z typů krvácení, závažné dědičné onemocnění, je způsoben mutační změnou fibrinogenu, při které tento protein ztrácí své pozitivní náboje poblíž bodů štěpení fibrinových peptidů. Ty, jako v normálním případě, se štěpí, ale trombin již nezpůsobuje aktivaci fibrinogenu (Jak ukazuje diagram, aktivace spočívá ve skutečnosti, že se z neutralizačního účinku fibrinového peptidu uvolní blízký pozitivní náboj konkrétního centra. Pokud takový náboj není, pak se štěpení fibrinového peptidu stane bezvýznamným: k aktivaci nedojde.)

Některé fragmenty fibrinogenu nebo fibrinu jsou charakterizovány defektními specifickými centry, které jsou však schopné selektivně interagovat s monomerním fibrinem. Takové fragmenty lze získat destrukcí těchto proteinů enzymy. Při experimentech s nimi lze snadno pozorovat, jak aktivní fragmenty interagují s fibrinem a narušují shromáždění vláken. Právě v takových experimentech - výrobě a studiu aktivních fragmentů - se naše laboratoř aktuálně zabývá. Doufáme, že studiem struktury a selektivních reakcí těchto fragmentů lépe pochopíme, jak jsou samotné proteiny vytvářeny a jak působí.

Komplementarita iontových skupin, která hraje tak zásadní roli při samo-sestavování fibrinu, je zjevně také důležitá při samo-sestavování dalších biologických struktur. Podíl energie elektrostatických vazeb na celkovém množství energie interakce spojovacích molekul je pravděpodobně malý. Pro spojení molekul jsou podstatnější „hydrofobní“ vazby. Iontové skupiny však mohou urychlit vlastní montáž. Elektrostatické náboje mohou interagovat na relativně velkou vzdálenost. A právě jejich dalekonosná akce pravděpodobně umožňuje „zkoumat“ prostředí, rozpoznat požadovaného partnera a orientovaně se s ním spojit.
Kompletní schéma tvorby fibrinu, počínaje fibrinogenem, zahrnuje enzym trombin, který se vyznačuje úžasně jemnou selektivitou. Za podmínek charakteristických pro jeho působení vůbec neovlivňuje mnoho „cizích“ proteinů. Působí pouze na fibrinogen a vykonává pouze jednu čistě specifickou funkci: štěpí z ní fibrinové peptidy. Tato práce trombinu je nezbytná a dostatečná pro tvorbu monomerního fibrinu.

To naznačuje, že při sestavování velmi složitých struktur, které probíhá v několika fázích, by také měly působit specifické enzymy, jako je trombin.Je snadné si představit následující sled reakcí: prekurzorový protein určený například k účasti na dvou montážních reakcích, je aktivován prvním enzymem a kombinuje se s konkrétním partnerem; díky tomu je k dispozici pro druhý enzym a následné specifické připojení druhého partnera. Je možné, že se jedná právě o mechanismus organizace těchto biologických struktur, jejichž složitost vylučuje možnost přímého sebevztahování.

V mezistupních fázích sestavování složitých struktur mohou být enzymy nejen aktivačními nástroji. Jejich působení může změnit obecné vlastnosti proteinů. Například určitý protein, který je již „zabudovaný“ do struktury, se může stát jeho nerozpustnou součástí, protože díky enzymům ztratil významnou část svých hydrofilních složek. Takové schéma samozřejmě nevylučuje ostatní, z čehož vyplývá možnost existence nosných proteinů, které dodávají nerozpustné proteiny do místa montáže.

Na závěr je třeba poznamenat, že studium montážních procesů supramolekulárních biologických struktur je pole plné nejasných a složitých otázek. V této fázi vývoje jsou proto informace o procesech probíhajících v tak relativně jednoduchých systémech, jako je systém tvorby fibrinových vláken, obzvláště zajímavé a užitečné.

V. Belitser

Podobné publikace

Nervové impulsy a RNA

Zrození molekulární biologie

Jak „postavit“ molekulu?