Bagaimana struktur protein dibina

Biologi moden telah menembusi jauh ke dalam sel - "bata" hidup. Sel hidup muncul bagi para saintis sebagai gabungan harmoni struktur yang lebih sederhana - membran, tiub, butiran, formasi berserat, yang terdiri daripada molekul tertib yang saling terhubung.

Kajian mengenai struktur biologi, komposisi dan organisasi molekulnya, aktiviti spesifik mereka telah menjadi subjek biologi molekul.

Kejayaan yang terakhir dikaitkan terutamanya dengan penyahkodan struktur asid nukleik dan sifat maklumat keturunan. Molekul asid nukleik adalah urutan linier dari empat jenis nukleotida yang disusun dalam susunan kompleks tetapi ditentukan dengan ketat, yang dapat dibandingkan dengan susunan huruf biasa dalam teks yang bermakna. Sama seperti teks yang membawa beberapa pesan, beberapa maklumat, susunan nukleotida dalam molekul asid nukleik mengandungi maklumat mengenai struktur protein individu yang akan dibuat dalam proses pembinaan organisma.

Molekul protein juga merupakan urutan linear unsur struktur, tetapi bukan nukleotida, tetapi dua puluh jenis asid amino. Setiap gabungan tiga nukleotida dalam molekul asid nukleik (kod genetik) menentukan kemasukan satu atau yang lain dari dua puluh asid amino. Urutan triplet nukleotida menentukan urutan asid amino yang tepat dalam molekul protein yang disintesis.

Melanjutkan perbandingan maklumat genetik yang sudah diterima umum dengan teks bertulis, kita dapat mengatakan bahawa semasa sintesis protein, teks yang ditulis dalam bahasa nukleotida diterjemahkan ke dalam bahasa asid amino. Maklumat yang terdapat dalam teks asid amino dari jenis protein tertentu - iaitu, komposisi dan urutan asid amino yang melekat padanya sendiri - menentukan bentuknya dan organisasi dalaman yang halus - susunan ruang elemen struktur, yang mana sebahagiannya fungsi biologi bergantung. Sekiranya urutan ini terganggu, protein enzim, misalnya, kehilangan keupayaan untuk memangkinkan reaksi dalam tubuh.

Kajian menunjukkan bahawa fungsi protein tertentu secara langsung dilakukan oleh persatuan kumpulan kimia yang terletak di bahagian tertentu molekul protein yang diperintahkan - pusat fungsional khusus. Apabila pesanan terganggu - misalnya, molekul protein mencair - maka gabungan kumpulan kimia mendapat peluang untuk mengubah susunan bersama mereka, pusat penyebaran dan fungsi tidak lagi wujud.

Oleh itu, terjemahan bahasa nukleotida ke dalam bahasa asid amino bukan sekadar terjemahan. Huruf asid amino jauh lebih kaya kandungan fizikal dan kimia daripada huruf nukleotida. Dan secara umum, maklumat yang dibawa oleh molekul protein pada asasnya berbeza dari maklumat nukleotida, kerana ia juga menentukan kekhususan struktur molekul protein dan fungsi biologi yang paling halus.

Satu lagi perbandingan boleh dibuat dari bidang teknikal. Maklumat yang terdapat dalam asid nukleik adalah seperti cetak biru dari mana bahagian dibuat dan dipasang dalam susunan tertentu. Molekul protein adalah mekanisme pemasangan, dan maklumat yang terdapat dalam urutan asid amino adalah program mekanisme itu sendiri.

Dalam sel hidup, kebanyakan protein tidak berfungsi dalam keadaan bebas, tetapi sebagai komponen struktur kompleks - sistem yang seimbang dan terkawal, di mana setiap protein mempunyai tempat tertentu dan bahagian tertentu dalam fungsi fisiologi keseluruhan. Pembinaan struktur sel yang kompleks adalah peralihan dialektik dari bidang kimia (yang harus merangkumi fungsi molekul protein individu) ke bidang biologi.

Struktur biologi yang kompleks, selain protein, juga mengandungi lipid, karbohidrat dan bahan lain.Walau bagaimanapun, dalam pembinaan struktur intraselular yang kompleks, peranan bahan ini bukanlah yang utama.

Oleh karenanya struktur kimianya, karbohidrat dan lipid tidak dapat mengandungi sebilangan besar maklumat yang diperlukan untuk pembinaan tersebut. Peranan yang paling penting di dalamnya adalah milik protein tertentu.

Oleh itu, biologi molekul hari ini mengesahkan dan memperincikan kedudukan terkenal F. Engels mengenai protein sebagai asas kehidupan. Dalam protein, di mana molekul yang sangat berbeza dibina dari unsur struktur dengan sifat yang sangat berbeza, di mana ketepatan organisasi yang unik digabungkan dengan fleksibiliti dan keplastikan, alam semula jadi telah menemukan bahan yang luar biasa yang memungkinkan untuk membuat bentuk bahan biologi yang lebih tinggi pergerakan.
Organisasi molekul struktur biologi yang ketat ditentukan terutamanya oleh keanehan interaksi protein. Molekul mereka dihubungkan secara terpilih: masing-masing mempunyai jiran yang jelas. Ini boleh menjadi molekul yang serupa dengan molekul ini atau berbeza dengannya. Tetapi dalam keadaan apa sekalipun, tetangga "diprogramkan", diatur dan tidak boleh dilakukan sebaliknya. Ketepatan organisasi semakin bertambah dengan fakta bahawa protein yang tidak sama dalam konfigurasi spasial, dengan kumpulan kimia yang berlainan, saling terhubung antara satu sama lain dengan cara yang berorientasikan: tidak secara rawak, tetapi hanya oleh kawasan tertentu di permukaan mereka. Kawasan hubungan ini disusun secara kimia untuk memberikan kepekaan ikatan yang boleh dipercayai dan bebas dari kesilapan. Mereka disebut kawasan hubungan khusus, atau pusat khusus.

Kehadiran pusat-pusat tertentu adalah sifat bersama protein yang menjalankan fungsi biologi khusus. Ini adalah "organ kerja" molekul protein. Terima kasih kepada pusat khusus yang khusus, protein enzim mengikat bahan secara selektif, pemangkin transformasi kimia yang merupakan protein antitoksin, toksin pengikat, dll.

Sistem interaksi diatur antara kumpulan kimia pusat tertentu dan molekul rakan kongsi semasa bersentuhan. Ini merangkumi, pertama, tarikan elektrostatik antara kumpulan dengan cas elektrik yang berlawanan; kedua, ikatan hidrogen yang disebut antara kumpulan kutub elektrik; dan, akhirnya, ikatan "hidrofobik" ketiga - interaksi antara kumpulan bukan polar (kumpulan yang ditolak oleh air). Sebagai peraturan, ikatan kimia yang stabil tidak timbul di sini, kerana setiap interaksi yang disenaraikan agak lemah. Tetapi secara umum, sistem pusat tertentu memberikan kekuatan yang cukup untuk menghubungkan molekul.

Selektiviti tindakan pusat tertentu yang disebutkan di atas dicapai kerana korespondensi dalam komposisi dan susunan kumpulan kimia di pusat dan molekul rakan kongsi - yang disebut pelengkap. Sebarang penggantian atau pergerakan kumpulan bermaksud pelanggaran pelengkap ™. Juga jelas bahawa pusat khusus bukan hanya mekanisme kerja, tetapi juga cipher yang memungkinkan molekul protein untuk "mengenali" pasangannya di antara banyak molekul lain, bahkan yang mempunyai persamaan besar dengan pasangan ini.

Konsep pusat khusus hanya menggambarkan watak umum mekanisme fungsional yang terdapat pada protein. Fungsi spesifik protein, struktur dan reaksi pusat spesifik mereka tetap menjadi bidang sains di mana hampir semua perkara masih perlu dilakukan. Ini juga berlaku untuk proses pembentukan struktur biologi supramolekul.

Beberapa struktur biologi sangat kompleks. Contohnya, membran dengan * kompleks enzimatik. Pemasangan struktur tersebut dilakukan, seperti yang ditunjukkan oleh data kajian lain, oleh sistem banyak komponen protein.Penyertaan banyak protein dalam karya ini, nampaknya, tidak langsung - mereka hanya mengambil bahagian dalam proses membuat struktur, tetapi tidak termasuk dalam komposisinya. Diandaikan bahawa terdapat enzim spesifik di antara protein aksesori ini.

Sebaliknya, terdapat struktur biologi yang mempunyai struktur yang agak sederhana. Contohnya, struktur berserat lain dibina dari molekul protein yang hanya mempunyai satu jenis.

Dalam sebilangan kes di makmal adalah mungkin untuk menguraikan struktur biologi sederhana ke dalam elemen individu mereka - protein dan molekul lain. Dalam keadaan persekitaran yang sesuai, unsur-unsur ini digabungkan semula dengan susunan yang betul dan mencipta semula struktur asalnya. Proses penciptaan semula ini biasanya disebut sebagai pemasangan diri. Sejumlah pasukan penyelidik di luar negara dan di negara kita sedang mengkaji mekanismenya. Salah satu kumpulan tersebut ialah Makmal Struktur dan Fungsi Protein Institut Biokimia, di mana pemasangan serat fibrin dikaji sendiri.
Fibrin adalah protein berserat yang muncul dalam darah ketika membeku. Pembentukan rangkaian seratnya yang berterusan menjadikan darah cair menjadi jisim gelatin yang padat. Berkat fenomena ini, pendarahan berhenti setelah luka - darah di permukaan badan yang rosak membeku.

Dalam keadaan yang baik untuk tubuh dalam darah yang beredar melalui saluran yang utuh, terdapat prekursor fibrin yang larut - fibrinogen protein. Apabila saluran darah rosak, sistem protein kompleks khas mula menghasilkan enzim trombin, yang membelah empat zarah kecil yang disebut fibrin peptida dari molekul fibrinogen yang besar. Setelah kehilangannya, fibrinogen berubah menjadi protein fibrin, polimerisasi (hubungan antara satu sama lain) molekul yang membentuk serat.

Molekul fibrin mononomik berpolimerisasi dengan susunan yang ketat, yang merupakan ciri semua proses pemasangan sendiri.

Kajian eksperimental proses pemasangan sendiri memerlukan penyelesaian
molekul protein monomer yang sepadan. Sumbernya hampir selalu struktur supramolekul semula jadi, di mana monomernya "dipasang" lebih kurang. Kerumitan dan kesukaran mendapatkan penyelesaian monomer awal dari struktur ini adalah bahawa "pembongkaran" yang tidak tepat dapat merosakkan molekul protein rapuh.

Oleh itu, masalah pertama yang timbul sebelum para saintis yang memulai kajian proses pemasangan sendiri adalah tepatnya "pembongkaran" struktur biologi. Dalam setiap kes individu, seseorang harus mencari kaedah tindakan yang khusus untuk setiap struktur yang secara efektif akan memutuskan ikatan antara monomer penyusunnya dan tidak akan menyebabkan kerosakan pada monomer itu sendiri. Untuk fibrin, tidak mungkin untuk masa yang lama dapat mencari cara penguraian gentian polimernya yang sepenuhnya memuaskan. Penyelesaian urea pada mulanya dicadangkan untuk tujuan ini dan kemudian natrium bromida tidak berkesan. Hanya pada tahun 1965, seorang pekerja TV makmal kami Varetskaya mengembangkan kaedah yang sepenuhnya memenuhi semua keperluan berdasarkan penggunaan larutan cair asid asetik pada suhu mendekati 0 ° C. Molekul fibrin monomer yang diperoleh dengan cara ini selalu sama sifat, dihasilkan dari eksperimen ke pengalaman. Kaedah penguraian fibrin sebelumnya dalam larutan urea atau natrium bromida tidak memberikan sifat keteguhan seperti itu: sampel protein monomer yang berbeza yang diperoleh dengan pertolongannya berbeza, misalnya, dalam kadar polimerisasi yang berbeza.

Menariknya, apabila protein lain, protein struktural mitokondria, diperoleh dalam keadaan terlarut, hasil terbaik (kerana para saintis Amerika yang mengkaji pemasangan diri struktur ini menyimpulkan) juga memberikan larutan asid asetik cair yang disejukkan.

Proses yang terlibat dalam pemasangan struktur struktur dikaji dengan pelbagai cara.Salah satu cara ini adalah kajian sistematik hasil mempengaruhi proses proses bahan tertentu.

Sebagai contoh, kelewatan dalam pempolimeran fibrin boleh disebabkan oleh pendedahan larutan monomer permulaan kepada larutan berair garam anorganik, khususnya natrium klorida. Dalam had kepekatan garam rendah - sehingga 2-3% - kelewatan dalam pempolimeran semakin kuat, penyelesaiannya "lebih kuat".

Apakah maklumat yang diberikan oleh fakta ini?

Telah diketahui bahawa garam dalam larutan berair ada dalam bentuk ion yang membawa muatan elektrik positif dan negatif. Kecekapan elektrostatik ion garam biasanya dianggarkan dengan nilai khas - kekuatan ionik, yang mengambil kira kepekatan larutan dan besarnya muatan ionnya. Sifat kimia ion garam individu tidak relevan di sini. Kelewatan dalam pempolimeran ditentukan terutamanya oleh kekuatan ion larutan garam yang ditambahkan pada larutan protein monomer. Ini menunjukkan bahawa kesannya bersifat elektrostatik. Jelas, ion garam menyaring ("pelindapkejutan") cas elektrik molekul fibrin monomer - keadaan yang hanya menunjukkan bahawa cas elektrik mereka terlibat dalam mekanisme sambungan selektif molekul protein. Dalam keadaan normal - sekiranya tiada gangguan daripada ion garam yang dicas secara elektrostatik - kumpulan ion bermuatan positif dan negatif, yang saling melengkapi di pusat-pusat tertentu, harus menarik molekul satu sama lain.

Kajian yang lebih terperinci yang dijalankan di makmal kami oleh EV Lugovskii telah menunjukkan bahawa, bersama dengan kesan pemeriksaan kekuatan ion secara umum, terdapat kesan garam yang lain, yang sangat bergantung pada sifat kimia dan keperibadian ion dan ditentukan oleh kemampuan mereka untuk melekat pada protein. Pengikatan ion ke pusat tertentu nampaknya menimbulkan gangguan tambahan dalam kerjanya.

E. V. Lugovskii menyiasat kesan kepekatan garam yang lebih tinggi terhadap pempolimeran. Ternyata sebilangan garam melambatkan tajam, sementara yang lain, sebaliknya, mempercepat pempolimeran. Jadi, sebagai contoh, dua garam yang berkaitan, natrium klorida dan bromida, bertindak sebaliknya: yang pertama mempercepat, dan yang kedua melambatkan proses. Seperti bromida, tetapi lebih kuat, natrium iodida bertindak, seperti klorida, dengan kekuatan yang berbeza - kadang-kadang lebih kuat, kemudian lebih lemah - sulfat, fosfat dan beberapa garam lain bertindak.

Ternyata dengan kekuatan kesan mempercepat pada pempolimeran fibrin, garam disusun berturut-turut yang bertepatan dengan barisan lama dan terkenal untuk "pengasinan keluar" (pemendakan) protein dalam larutan dengan kepekatan garam yang tinggi. Walau bagaimanapun, dalam eksperimen dengan pempolimeran fibrin, pelarutan sebenar belum berlaku, kerana proses ini dikaji pada kepekatan garam yang masih belum mencapai pengasinan. Di samping itu, ketika mengunyah, protein diendapkan dalam bentuk jisim tanpa bentuk, dan dalam kes yang dijelaskan, serat fibrin normal terbentuk - mereka dapat dilihat menggunakan mikroskop kontras fasa.

Banyak kajian mendapati bahawa kecenderungan protein untuk mengeluarkan garam ditingkatkan dengan adanya molekul-molekul kumpulan bukan polar yang dekat dengan permukaannya dan bersentuhan dengan alam sekitar. Semakin banyak kumpulan tersebut, semakin rendah kepekatan larutan garam, mencukupi untuk mengasin protein.

Kedudukan yang terkenal ini dapat digunakan untuk menjelaskan hasil eksperimen kami, di mana, tidak diragukan lagi, kesan pengunyahan ditunjukkan, yang menunjukkan bahawa molekul fibrin monomer harus mengandungi sebilangan besar kumpulan bukan polar di permukaannya. Tetapi kita tidak mempunyai asin. Kesan pengasihan ditunjukkan hanya dalam percepatan polimerisasi tertentu. Ini hanya dapat dijelaskan oleh fakta bahawa kumpulan bukan polar adalah komponen pelengkap dari pusat molekul protein tertentu.

Oleh itu, kajian mengenai kesan larutan garam pada polimerisasi fibrin menunjukkan bahawa interaksi elektrostatik dan interaksi "hidrofobik" antara kumpulan bukan polar terlibat dalam proses pemasangan sendiri fibrin. Data kajian lain menunjukkan bahawa jenis interaksi ketiga antara molekul protein juga terlibat - ikatan hidrogen.

Sekarang mari kita beralih kepada fibrinogen, pendahulu fibrin. Molekulnya juga mampu berpolimerisasi untuk membentuk gentian seperti fibrin. Oleh itu, monomer fibrinogen juga mempunyai pusat khusus. Walau bagaimanapun, pempolimeran mereka memerlukan syarat khas dan, khususnya, kekuatan ionik larutan yang tinggi. Sekiranya pelindung cas elektrik melambatkan pempolimeran fibrin, maka, sebaliknya, ini adalah prasyarat untuk menggabungkan monomer fibrinogen dalam rantai. Tetapi dari ini menunjukkan bahawa lokasi cas elektrik di pusat tertentu molekul fibrinogen tidak sesuai untuk polimerisasi dan ia harus dilakukan hanya melalui interaksi kumpulan kimia yang tidak mempunyai muatan elektrik.

Fibrin peptida, dengan pemecahan yang molekul fibrinogen menjadi molekul fibrin monomer, membawa muatan elektrik negatif. Nampaknya, penghapusan mereka adalah faktor yang mengubah sistem caj di pusat tertentu dan mewujudkan pelengkap.

Menariknya, salah satu jenis pendarahan, penyakit keturunan yang teruk, disebabkan oleh perubahan mutasi fibrinogen, di mana protein ini kehilangan cas positifnya di dekat titik-titik pembelahan peptida fibrin. Yang terakhir, seperti dalam kes biasa, dibelah, tetapi trombin tidak lagi menyebabkan pengaktifan fibrinogen, (Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, pengaktifan terdiri daripada kenyataan bahawa cas positif berdekatan pusat tertentu dilepaskan dari kesan peneutralan fibrin peptida Sekiranya tidak ada cas seperti itu, maka pemecahan peptida fibrin menjadi tidak bermakna: pengaktifan tidak berlaku.)

Serpihan fibrinogen atau fibrin tertentu dicirikan oleh pusat-pusat spesifik yang cacat, yang, bagaimanapun, mampu berinteraksi secara selektif dengan fibrin monomer. Serpihan seperti itu dapat diperoleh dengan pemusnahan protein ini oleh enzim. Dalam eksperimen dengan mereka, mudah untuk memerhatikan bagaimana serpihan aktif berinteraksi dengan fibrin dan mengganggu pemasangan serat. Justru percubaan seperti ini - penghasilan dan kajian serpihan aktif - yang sedang dilakukan oleh makmal kami. Diharapkan dengan mengkaji struktur dan reaksi selektif serpihan ini, kita akan lebih memahami bagaimana protein itu sendiri dibina dan bertindak.

Kelengkapan kumpulan ion, yang memainkan peranan penting dalam pemasangan fibrin sendiri, nampaknya juga penting dalam pemasangan struktur biologi yang lain. Bahagian tenaga ikatan elektrostatik dalam jumlah tenaga interaksi molekul penyambung mungkin kecil. Yang lebih penting untuk penyambungan molekul adalah ikatan "hidrofobik". Tetapi kumpulan ion dapat mempercepat pemasangan diri. Cas elektrostatik dapat berinteraksi dalam jarak yang agak jauh. Dan tindakan jarak jauh mereka memungkinkan, mungkin, "menyelidiki" lingkungan, mengenali pasangan yang diinginkan dan menghubungi dia secara berorientasi.
Skema lengkap pembentukan fibrin, bermula dengan fibrinogen, merangkumi enzim trombin, yang dicirikan oleh selektivitas halus yang luar biasa. Di bawah keadaan ciri tindakannya, ia sama sekali tidak mempengaruhi banyak protein "asing". Ia hanya berfungsi pada fibrinogen, dan hanya menjalankan satu fungsi khusus: ia membersihkan peptida fibrin daripadanya. Kerja trombin ini diperlukan dan mencukupi untuk pembentukan fibrin monomer.

Ini menunjukkan bahawa ketika memasang struktur yang sangat kompleks, yang berlaku dalam beberapa tahap, enzim tertentu seperti trombin juga mesti bertindak.Sangat mudah untuk membayangkan urutan tindak balas berikut: protein pendahuluan yang bertujuan, misalnya, untuk mengambil bahagian dalam dua reaksi pemasangan, diaktifkan oleh enzim pertama dan bergabung dengan pasangan tertentu; ini menjadikannya tersedia untuk enzim kedua dan lampiran khusus pasangan kedua. Ada kemungkinan bahawa ini adalah mekanisme penyusunan struktur biologi tersebut, yang kerumitannya tidak termasuk kemungkinan pemasangan diri secara langsung.

Pada peringkat pertengahan pemasangan struktur kompleks, enzim bukan sahaja menjadi alat pengaktifan. Tindakan mereka dapat mengubah sifat umum protein. Sebagai contoh, protein tertentu, yang sudah "tertanam" dalam struktur, dapat menjadi bahagian yang tidak larut, kehilangan sebahagian besar komponen hidrofiliknya kerana enzim. Sudah tentu, skema seperti itu tidak mengecualikan yang lain, yang menyiratkan kemungkinan adanya protein pembawa yang menyampaikan protein tidak larut ke lokasi pemasangan.

Sebagai kesimpulan, perlu diperhatikan bahawa kajian mengenai proses pemasangan struktur biologi supramolekul adalah bidang yang penuh dengan pertanyaan yang tidak jelas dan kompleks. Oleh itu, pada peringkat perkembangannya, maklumat mengenai proses yang berlaku dalam sistem yang agak sederhana seperti sistem pembentukan gentian fibrin sangat menarik dan bermanfaat.

V. Belitser

Penerbitan serupa

Impuls saraf dan RNA

Kelahiran biologi molekul

Bagaimana "membina" molekul?