Hogyan épülnek fel a fehérjeszerkezetek |
|
A biológiai struktúrák, összetételük és molekulaszervezetük, specifikus aktivitásuk vizsgálata a molekuláris biológia tárgyává vált. Ez utóbbi sikere elsősorban a nukleinsavak szerkezetének és az örökletes információk természetének megfejtésével függ össze. A nukleinsavmolekula négyféle nukleotid lineáris szekvenciája, amelyek összetett, de szigorúan meghatározott sorrendben vannak elrendezve, és összehasonlíthatók az értelmes szöveg betűinek szabályos elrendezésével. Ahogy a szöveg valamilyen üzenetet, információt hordoz, a nukleinsavmolekula nukleotidjainak sorrendje információt tartalmaz a fehérjék egyes szerkezeteiről, amelyeket egy organizmus felépítése során kell létrehozni. A fehérjemolekula a szerkezeti elemek lineáris szekvenciája is, de nem nukleotidok, hanem húszféle aminosav. Három nukleotid kombinációja egy nukleinsavmolekulában (genetikai kód) meghatározza a húsz aminosav egyikének vagy másikának beépülését. A nukleotid tripletek szekvenciája meghatározza a szintetizált fehérjemolekula aminosavainak pontos szekvenciáját. Folytatva a genetikai információk már általánosan elfogadott összehasonlítását az írott szöveggel, azt mondhatjuk, hogy a fehérjeszintézis során a nukleotid nyelven írt szöveget lefordítják az aminosavak nyelvére. Egy adott fehérjetípus aminosavszövegében található információ - vagyis a csak a benne rejlő aminosavak összetétele és szekvenciája - meghatározza alakját és finom belső szerveződését - a szerkezeti elemek térbeli rendeződését, amelytől bizonyos biológiai funkciói függenek. Ha ez a sorrend zavart, az enzimfehérjék például elveszítik képességüket a testben zajló reakciók katalizálására. Tanulmányok kimutatták, hogy egy fehérje bizonyos funkcióit közvetlenül a rendezett fehérjemolekula-specifikus funkcionális központok bizonyos részein elhelyezkedő kémiai csoportok asszociációi végzik. Ha a rend megszakad - például megolvad egy fehérjemolekula -, akkor a kémiai csoportok kombinációi lehetőséget kapnak a kölcsönös elrendezés megváltoztatására, a szóródás és a funkcionális központok megszűnnek. Így a nukleotidnyelv fordítása az aminosavak nyelvére nem csak fordítás. Az aminosav betűk fizikai és kémiai tartalmukban sokkal gazdagabbak, mint a nukleotidok. És általában egy fehérjemolekula által hordozott információ alapvetően különbözik a nukleotidtól, mivel ez határozza meg a fehérjemolekulák szerkezetének és legfinomabb biológiai funkcióinak specifikumát. Van még egy összehasonlítás a műszaki területről. A nukleinsavakban található információk olyanok, mint a tervrajzok, amelyekből az alkatrészeket meghatározott sorrendben gyártják és állítják össze. A fehérjemolekula egy összeillesztett mechanizmus, és az aminosav-szekvenciában található információ maga a mechanizmus programja. Egy élő sejtben a legtöbb fehérje nem szabad állapotban, hanem összetett struktúrák - jól kiegyensúlyozott és kontrollált rendszerek - komponenseiként működik, ahol mindegyik fehérjének egy bizonyos helye és bizonyos része van a teljes, már fiziológiai funkcióban. A sejt komplex struktúráinak felépítése dialektikus átmenet a kémia területéről (amelynek tartalmaznia kell az egyes fehérjemolekulák működését) a biológia területére. A komplex biológiai struktúrák a fehérjék mellett lipideket, szénhidrátokat és egyéb anyagokat is tartalmaznak.Az összetett intracelluláris struktúrák felépítésében azonban nem ezen anyagok szerepe a vezető. Kémiai szerkezetük természeténél fogva a szénhidrátok és a lipidek egyszerűen nem tartalmazhatják azt a nagyon nagy mennyiségű információt, amely egy ilyen konstrukcióhoz szükséges. A legfontosabb szerep benne a specifikus fehérjéké. Így a mai molekuláris biológia megerősíti és részletezi F. Engels jól ismert álláspontját a fehérjékről, mint az élet alapjáról. A fehérjékben, ahol végtelenül sokféle molekula épül fel nagyon eltérő tulajdonságú szerkezeti elemekből, ahol az egyedi szervezet pontossága kombinálódik a rugalmassággal és a plaszticitással, a természet olyan kivételes anyagot talált, amely lehetővé tette az anyag magasabb, biológiai formájának létrehozását mozgalom. Specifikus központok jelenléte a speciális biológiai funkciókat ellátó fehérjék közös tulajdonsága. Ezek a fehérjemolekulák "működő szervei". A speciális specifikus központoknak köszönhetően az enzimfehérjék szelektíven kötik meg azokat az anyagokat, amelyek kémiai átalakulásának katalizátorai antitoxin fehérjék, megkötik a toxinokat stb. A kölcsönhatás rendszere szerveződik egy adott központ kémiai csoportjai és egy partner molekula között érintkezéskor. Először magában foglalja az ellentétes elektromos töltésű csoportok közötti elektrosztatikus vonzást; másodszor az úgynevezett hidrogénkötések az elektromosan poláros csoportok között; és végül, harmadik, "hidrofób" kötések - kölcsönhatások a nem poláros csoportok (a víz által taszított csoportok) között. Általános szabály, hogy itt nem jönnek létre stabil kémiai kötések, mivel a felsorolt kölcsönhatások mindegyike külön-külön meglehetősen gyenge. De általában egy adott központ rendszere elegendő erőt biztosít a molekulák összekapcsolásához. A specifikus centrumok működésének fent említett szelektivitása a kémiai csoportok összetételének és elrendezésének a középpontban és a partnermolekulában való megfelelés - az úgynevezett komplementaritás - révén valósul meg. A csoportok bármilyen cseréje vagy mozgatása a kiegészítő ™ megsértését jelenti. Az is világos, hogy egy adott központ nemcsak működő mechanizmus, hanem egy rejtjel is, amely lehetővé teszi egy fehérjemolekula számára, hogy „felismerje” partnerét számos más molekula között, még azok is, amelyek nagy hasonlóságot mutatnak ezzel a partnerrel. A specifikus központok fogalma csak a fehérjékben rejlő funkcionális mechanizmusok általános jellegét tükrözi. A fehérjék specifikus funkciói, sajátos központjainak felépítése és reakciói a tudomány azon területei maradnak, ahol szinte minden elvégzendő feladat. Ez vonatkozik a szupramolekuláris biológiai struktúrák kialakulási folyamataira is. Néhány biológiai szerkezet rendkívül összetett. Ilyenek például a * enzimatikus komplexekkel rendelkező membránok. Az ilyen szerkezetek összeszerelését - amint azt más vizsgálatok adatai is mutatják - számos fehérjekomponens nagy rendszere végzi.Számos fehérje részvétele ebben a munkában láthatóan csak közvetett - csak részt vesznek egy szerkezet létrehozásának folyamatában, de nem szerepelnek annak összetételében. Feltételezzük, hogy ezen kiegészítő fehérjék között vannak specifikus enzimek. Másrészt vannak olyan biológiai struktúrák, amelyek viszonylag egyszerű felépítésűek. Például más rostos szerkezetek csak egyetlen típusú fehérjemolekulákból épülnek fel. A laboratóriumokban számos esetben lehetséges az egyszerű biológiai struktúrák lebontása az egyes elemeikre - fehérjékre és más molekulákra. Megfelelő környezeti feltételek mellett ezeket az elemeket önmagukban ismét a megfelelő sorrendben kombinálják, és újraalkotják az eredeti struktúrát. Ezt az újjáteremtési folyamatot általában ön-összeszerelésnek nevezik. Külföldön és hazánkban is számos kutatócsoport tanulmányozza annak mechanizmusait. Ezen csoportok egyike a Biokémiai Intézet Fehérjeszerkezeteinek és Funkcióinak Laboratóriuma, ahol a fibrinszálak önfelépülését vizsgálják. A test számára kedvező körülmények között az ép ereken keresztül keringő vérben van egy oldható fibrin prekurzor - a fibrinogén fehérje. Ha az erek megsérülnek, egy speciális komplex fehérjerendszer elkezdi termelni a trombin enzimet, amely egy nagy fibrinogén molekulából négy apró részecskét, fibrin peptidet hasít. Elvesztésük után a fibrinogén fibrin-fehérjévé alakul, amelynek molekuláinak polimerizációja (összekapcsolódása) rostokat képez. A monomer fibrinmolekulák szigorú sorrendben polimerizálódnak, ami minden önfelszállási folyamatra jellemző. Az önszerelési folyamatok kísérleti vizsgálata megoldásokat igényel Ezért az első probléma, amely felmerül azok előtt a tudósok előtt, akik belekezdenek az önegyesülési folyamatok tanulmányozásába, éppen a biológiai struktúrák "lebontása". Minden egyes esetben meg kell keresni az egyes struktúrákra jellemző cselekvési módszereket, amelyek hatékonyan megszakíthatnák az alkotó monomerek közötti kötéseket, és nem okoznak kárt maguknak a monomereknek. A fibrin esetében hosszú ideig nem lehetett teljesen kielégítő módon megtalálni polimer szálainak lebontását. Az eredetileg erre a célra javasolt karbamid, majd nátrium-bromid oldatai hatástalanok voltak. Csak 1965-ben laboratóriumunk munkatársa, a TV Varetskaya kifejlesztett egy olyan módszert, amely teljes mértékben kielégíti az összes követelményt, az alapja az ecetsav híg oldatainak felhasználása 0 ° C közeli hőmérsékleten. Az így kapott monomer fibrinmolekulák mindig azonos tulajdonságokkal rendelkeznek, kísérletről tapasztalatra reprodukálva. A fibrin korábbi karbamid- vagy nátrium-bromid-oldatokban való lebontásának módszerei nem adtak ilyen tulajdonság-állandóságot: a segítségükkel kapott monomer fehérje különböző mintái például eltérő polimerizációs sebességben különböztek meg. Érdekes módon, ha egy másik fehérjét, a mitokondriumok szerkezeti fehérjét oldott állapotban kapjuk meg, a legjobb eredmények (amint arra a következtetésre jutottak az e szerkezetek önfelépítését tanulmányozó amerikai tudósok) hűtött híg ecetsavoldatot is adnak. A szerkezetek önszerelésében szerepet játszó folyamatokat különféle módokon tanulmányozzák.E módszerek egyike az egyes anyagok folyamatának befolyásolásának eredményeinek szisztematikus vizsgálata. Például a fibrinpolimerizáció késleltetését okozhatja az, ha a kiindulási monomeroldatot szervetlen sók, különösen nátrium-klorid vizes oldatának teszik ki. Az alacsony sókoncentrációk határain belül - legfeljebb 2-3% - a polimerizáció késleltetése annál erősebb, annál "erősebb" az oldat. Milyen információkat szolgáltat ez a tény? Ismeretes, hogy a vizes oldatban lévő sók pozitív és negatív elektromos töltést hordozó ionok formájában léteznek. A sóionok elektrosztatikus hatásfokát általában egy speciális értékkel - az ionerősséggel - becsülik meg, amely figyelembe veszi az oldat koncentrációját és ionjainak töltésének nagyságát. Az egyes sóionok kémiai jellege itt lényegtelen. A polimerizáció késleltetését elsősorban a monomer fehérje-oldathoz adott sóoldat ionerőssége határozza meg. Ez azt mutatja, hogy a hatás túlnyomórészt elektrosztatikus jellegű. Nyilvánvaló, hogy a sóionok megvizsgálják ("kioltják") a monomer fibrinmolekulák elektromos töltéseit - ez a körülmény csak azt jelzi, hogy elektromos töltéseik részt vesznek a fehérjemolekulák szelektív kapcsolatának mechanizmusában. Normál körülmények között - az elektrosztatikusan töltött sóionok interferenciájának hiányában - a pozitív és negatív töltésű ionos csoportoknak, amelyek egymást kiegészítő, meghatározott központokban helyezkednek el, vonzaniuk kell a molekulákat egymáshoz. Laboratóriumunkban az EV Lugovskii által végzett részletesebb vizsgálatok azt mutatták, hogy az ionerősség általános szűrővizsgálata mellett a sóknak van egy másik hatása is, amely erősen függ az ionok kémiai természetétől, egyediségétől és kötődési képességüktől függ. fehérjéhez. Az ionnak egy adott centrumhoz való kapcsolódása nyilvánvalóan további zavart okoz a munkájában. E. V. Lugovskii a magasabb sókoncentrációk polimerizációra gyakorolt hatását vizsgálta. Kiderült, hogy egyes sók élesen késleltetik, míg mások éppen ellenkezőleg, felgyorsítják a polimerizációt. Tehát például két rokon só, a nátrium-klorid és a bromid, ellentétesen hat: az első felgyorsul, a másik pedig lassítja a folyamatot. A bromidhoz hasonlóan, de még erősebben a nátrium-jodid, hasonlóan a kloridhoz, különböző erősségű - néha erősebb, majd gyengébb - szulfátok, foszfátok és néhány más só hat. Kiderült, hogy a fibrin polimerizációra gyakorolt gyorsító ereje miatt a sók sorba rendeződnek, ami egybeesik a régóta bevált és jól ismert sorozattal a fehérjék "sózására" (kicsapására) magas sótartalmú oldatokban. koncentrációk. A fibrin polimerizációval végzett kísérletek során azonban valódi sózás még nem történik meg, mivel a folyamatot olyan sókoncentrációkban vizsgálják, amelyek még mindig nem érik el a sózást. Ezenkívül a kisózáskor a fehérjék alaktalan tömeg formájában kicsapódnak, és a leírt esetben normál fibrinszálak keletkeztek - fáziskontrasztos mikroszkóppal láthatók. Számos tanulmány azt találta, hogy egy fehérje hajlamát a kisózásra fokozza, ha molekuláiban a felületéhez közel és a környezettel érintkezve nem poláros csoportok vannak jelen. Minél több ilyen csoport van, annál alacsonyabb a sóoldat koncentrációja, amely elegendő a fehérje sózásához. Ezekkel a jól ismert pozíciókkal magyarázhatjuk kísérletünk eredményét, amelyben kétségtelenül kisózási hatás mutatkozik, jelezve, hogy egy monomer fibrin molekula felületén nagyszámú nem poláros csoportot kell tartalmaznia. De nincs igazi sózásunk. A kisózási hatás csak a specifikus polimerizáció felgyorsulásában nyilvánul meg. Ez csak azzal magyarázható, hogy a nem poláros csoportok a fehérjemolekula egy adott központjának komplementer komponensei. Így a sóoldatok fibrinpolimerizációra gyakorolt hatásának vizsgálata azt mutatja, hogy mind a nem poláros csoportok elektrosztatikus, mind a „hidrofób” kölcsönhatások részt vesznek a fibrin önfelépülésének folyamatában. Más vizsgálatok adatai azt mutatják, hogy a fehérjemolekulák közötti harmadik típusú kölcsönhatások is érintettek - a hidrogénkötések. Most térjünk rá a fibrinogénre, a fibrin prekurzorára. Molekulái képesek polimerizálódni, fibrinszerű szálakká. Ezért a fibrinogén monomereknek is vannak specifikus centrumaik. Polimerizációjuk azonban különleges körülményeket és különösen az oldat nagy ionerősségét igényli. Ha az elektromos töltések árnyékolása késlelteti a fibrin polimerizációját, akkor éppen ellenkezőleg, ez előfeltétele a fibrinogén monomerek kombinációjának a láncban. De ebből az következik, hogy az elektromos töltések elhelyezkedése a fibrinogén molekula meghatározott központjában kedvezőtlen a polimerizációhoz, és csak azoknak a kémiai csoportoknak a kölcsönhatásával szabad végrehajtani, amelyek nem rendelkeznek elektromos töltéssel. A fibrin peptidek, amelyek hasításával a fibrinogén molekula monomer fibrin molekulává válik, negatív elektromos töltéseket hordoznak. Nyilvánvalóan ezek eltávolítása az a tényező, amely megváltoztatja a töltésrendszert egy adott központban, és komplementaritást hoz létre. Érdekes módon a vérzés egyik típusát, a súlyos örökletes betegséget a fibrinogén mutációs változása okozza, amelyben ez a fehérje veszíti el pozitív töltéseit a fibrin peptidek hasadási pontjai közelében. Ez utóbbiak, csakúgy, mint a normál esetben, hasadnak, de a trombin már nem okozza a fibrinogén aktiválódását ((Amint a diagram mutatja, az aktiválás abban áll, hogy egy adott központ közeli pozitív töltése felszabadul a fibrin-neutralizáló hatásától). Ha nincs ilyen töltés, akkor a fibrin peptid hasítása értelmét veszti: az aktiváció nem következik be.) A fibrinogén vagy a fibrin bizonyos fragmentumait hibás specifikus centrumok jellemzik, amelyek azonban képesek szelektíven kölcsönhatásba lépni a monomer fibrinnel. Ilyen fragmenseket úgy nyerhetünk, hogy ezeket a fehérjéket enzimek elpusztítják. A velük végzett kísérletek során könnyen megfigyelhető, hogy az aktív fragmensek kölcsönhatásba lépnek-e a fibrinnel és megzavarják-e a szálak összeillesztését. Laboratóriumunk éppen ilyen kísérletekkel - aktív fragmensek előállítása és vizsgálata - foglalkozik. Remélhetőleg ezen fragmensek szerkezetének és szelektív reakcióinak tanulmányozásával jobban megértjük, hogy maguk a fehérjék hogyan épülnek fel és működnek. Az ionos csoportok komplementaritása, amely ilyen lényeges szerepet játszik a fibrin önfelépülésében, nyilvánvalóan fontos más biológiai struktúrák önfelépülésében is. Az elektrosztatikus kötések energiájának részaránya az összekötő molekulák kölcsönhatásenergiájának teljes mennyiségében valószínűleg nem nagy. A molekulák kapcsolódásához elengedhetetlenebbek a "hidrofób" kötések. De az ionos csoportok felgyorsíthatják az önfelépülést. Az elektrosztatikus töltések viszonylag nagy távolságon kölcsönhatásba léphetnek. És hosszú távú akcióik teszik lehetővé a környezet „felderítését”, a kívánt partner felismerését és orientált kapcsolatfelvételét. Ez arra utal, hogy nagyon összetett struktúrák összeállításakor, amely több szakaszban zajlik, specifikus enzimeknek, például a trombinnak is működniük kell.Könnyű elképzelni a következő reakciósorozatot: egy olyan prekurzor fehérjét, amelyet például két szerelési reakcióban kívánnak részt venni, az első enzim aktivál, és egy meghatározott partnerrel kombinálódik; ez elérhetővé teszi a második enzim és a második partner későbbi specifikus kötődése számára. Lehetséges, hogy éppen ez a biológiai struktúrák szerveződésének mechanizmusa, amelyek összetettsége kizárja a közvetlen önegyülekezés lehetőségét. A komplex struktúrák összeállításának közbenső szakaszában az enzimek nemcsak aktivációs eszközök lehetnek. Hatásuk megváltoztathatja a fehérjék általános tulajdonságait. Például egy bizonyos fehérje, amely már „beágyazódik” egy szerkezetbe, oldhatatlan részévé válhat, az enzimek következtében elvesztette hidrofil komponenseinek jelentős részét. Természetesen egy ilyen séma nem zár ki másokat, ami azt jelenti, hogy létezhetnek olyan hordozófehérjék, amelyek oldhatatlan fehérjéket juttatnak a gyülekezési helyre. Összegzésként meg kell jegyezni, hogy a szupramolekuláris biológiai struktúrák összeállítási folyamatainak vizsgálata tisztázatlan és összetett kérdésekkel teli mező. Ezért a fejlesztésnek ebben a szakaszában különösen érdekes és hasznos az olyan viszonylag egyszerű rendszerekben, mint a fibrinrostok képződésének rendszere, előforduló folyamatokról szóló információ. V. Belitser Hasonló publikációk
|
A modern biológia mélyen behatolt a sejt mélyébe - az élőlények „téglájába”. Az élő sejt az egyszerűbb szerkezetek - membránok, tubulusok, granulátumok, rostos formációk - harmonikus kombinációjaként jelent meg a tudósok előtt, amelyek egymáshoz kapcsolt rendezett molekulákból állnak.
| Az információk fiziológiai kétdimenzióssága: mechanizmusok és következmények | Teszt L-dopával |
|---|
Új receptek
