Protein yapıları nasıl inşa edilir?

Modern biyoloji, hücrenin - canlıların "tuğlası" nın derinliklerine nüfuz etti. Canlı bir hücre, bilim adamlarına, birbirine bağlı düzenli moleküllerden oluşan daha basit yapıların - zarlar, tüpler, granüller, lifli oluşumların uyumlu bir kombinasyonu olarak göründü.

Biyolojik yapıların incelenmesi, bileşimleri ve moleküler organizasyonları, spesifik aktiviteleri moleküler biyolojinin konusu haline gelmiştir.

İkincisinin başarısı, öncelikle nükleik asitlerin yapısının deşifre edilmesi ve kalıtsal bilgilerin doğası ile ilişkilidir. Bir nükleik asit molekülü, karmaşık ancak kesin olarak tanımlanmış bir sırada düzenlenmiş dört tür nükleotidin doğrusal bir dizisidir ve bu, anlamlı bir metindeki harflerin düzenli dizilişiyle karşılaştırılabilir. Bir metnin bir mesaj, bir miktar bilgi taşıdığı gibi, bir nükleik asit molekülündeki nükleotidlerin sırası, bir organizma oluşturma sürecinde yaratılacak proteinlerin ayrı ayrı yapıları hakkında bilgi içerir.

Bir protein molekülü aynı zamanda yapısal elementlerin doğrusal bir dizisidir, ancak nükleotidler değil, yirmi tip amino asittir. Bir nükleik asit molekülündeki (genetik kod) üç nükleotidin her kombinasyonu, yirmi amino asitten birinin veya diğerinin dahil edilmesini önceden belirler. Nükleotid üçlülerinin dizisi, sentezlenmiş protein molekülündeki amino asitlerin tam dizisini belirler.

Genetik bilginin zaten genel kabul görmüş yazılı metinle karşılaştırılmasına devam edersek, protein sentezi sırasında nükleotid dilinde yazılan metnin amino asit diline çevrildiğini söyleyebiliriz. Belirli bir protein türünün amino asit metninde yer alan bilgiler - yani, yalnızca ona özgü amino asitlerin bileşimi ve dizisi - şeklini ve ince iç organizasyonunu belirler - biyolojik özelliklerinden bazılarının üzerinde bulunduğu yapısal elemanların fonksiyonlar bağlıdır. Bu sıralama bozulursa, örneğin enzim proteinleri vücuttaki reaksiyonları katalize etme yeteneklerini kaybeder.

Çalışmalar, bir proteinin belirli işlevlerinin, sıralı bir protein molekülüne özgü işlevsel merkezlerin belirli bölgelerinde yer alan kimyasal grupların birlikleri tarafından doğrudan gerçekleştirildiğini göstermiştir. Düzen bozulduğunda - örneğin, bir protein molekülü erir - o zaman kimyasal grupların kombinasyonları karşılıklı düzenlerini değiştirme fırsatı elde eder, dağılma ve işlevsel merkezler ortadan kalkar.

Dolayısıyla nükleotid dilinin amino asit diline çevrilmesi sadece bir çeviri değildir. Amino asit harfleri fizikokimyasal içerik bakımından nükleotid harflerden çok daha zengindir. Ve genel olarak, bir protein molekülü tarafından taşınan bilgi temelde nükleotid bilgisinden farklıdır, çünkü aynı zamanda protein moleküllerinin yapısının özgüllüğünü ve en küçük biyolojik fonksiyonlarını da belirler.

Teknik alandan yapılacak bir karşılaştırma daha var. Nükleik asitlerde bulunan bilgiler, parçaların belirli bir sırayla üretildiği ve bir araya getirildiği planlar gibidir. Bir protein molekülü, birleştirilmiş bir mekanizmadır ve amino asitlerinin dizisinde bulunan bilgi, mekanizmanın kendisinin programıdır.

Canlı bir hücrede, çoğu protein serbest halde değil, karmaşık yapıların bileşenleri olarak işlev görür - her proteinin belirli bir yere ve genel fizyolojik işlevde belirli bir paya sahip olduğu iyi dengelenmiş ve kontrollü sistemler. Karmaşık hücre yapılarının inşası, kimya alanından (bireysel protein moleküllerinin işleyişini içermesi gereken) biyoloji alanına diyalektik bir geçiştir.

Kompleks biyolojik yapılar, proteinlere ek olarak ayrıca lipitler, karbonhidratlar ve diğer maddeleri içerir.Bununla birlikte, karmaşık hücre içi yapıların inşasında, bu maddelerin rolü öncü değildir.

Kimyasal yapılarının doğası gereği, karbonhidratlar ve lipitler, böyle bir yapı için gerekli olan çok büyük miktarda bilgiyi içeremezler. İçindeki en önemli rol belirli proteinlere aittir.

Böylece, günümüz moleküler biyolojisi, F. Engels'in yaşamın temeli olarak proteinler hakkındaki iyi bilinen konumunu doğrular ve detaylandırır. Son derece farklı moleküllerin çok farklı özelliklere sahip yapısal elemanlardan yapıldığı, benzersiz bir organizasyonun hassasiyetinin esneklik ve esneklikle birleştirildiği proteinlerde doğa, daha yüksek, biyolojik bir hareket biçimi yaratmayı mümkün kılan olağanüstü bir malzeme buldu. maddenin.
Biyolojik yapıların katı moleküler organizasyonu, öncelikle proteinlerin etkileşiminin özelliklerine göre belirlenir. Molekülleri seçici olarak birbirine bağlıdır: her birinin iyi tanımlanmış komşuları vardır. Bunlar, bununla aynı veya ondan farklı moleküller olabilir. Ancak her durumda, komşular "programlanır", ayarlanır ve başka türlü olamaz. Organizasyonun doğruluğu, uzamsal konfigürasyonda aynı olmayan, farklı konumlandırılmış kimyasal gruplara sahip proteinlerin birbirine yönelimli bir şekilde bağlanması gerçeğiyle daha da kötüleşiyor: rastgele değil, yalnızca yüzeylerinin belirli alanlarında. Bu temas alanları, güvenilir ve hatasız bağlanma seçiciliği sağlamak için kimyasal olarak yapılandırılmıştır. Belirli temas alanları veya belirli merkezler olarak adlandırılırlar.

Spesifik merkezlerin varlığı, özel biyolojik işlevleri yerine getiren proteinlerin ortak bir özelliğidir. Bunlar protein moleküllerinin "çalışma organları" dır. Özel spesifik merkezler nedeniyle enzim proteinleri, kimyasal dönüşümlerin katalizörleri antitoksin proteinleri olan maddeleri seçici olarak bağlar, toksinleri bağlar vb.

Belirli bir merkezin kimyasal grupları ile bir ortak molekül arasında temas ettiklerinde bir etkileşim sistemi düzenlenir. İlk olarak, zıt elektrik yüklerine sahip gruplar arasındaki elektrostatik çekimi içerir; ikinci olarak, elektriksel olarak polar gruplar arasındaki hidrojen bağları; ve son olarak, üçüncü, "hidrofobik" bağlar - polar olmayan gruplar arasındaki etkileşimler (suyla itilen gruplar). Kural olarak, burada listelenen etkileşimlerin her biri oldukça zayıf olduğu için kararlı kimyasal bağlar ortaya çıkmaz. Ancak genel olarak, belirli bir merkezin sistemi, moleküllerin bağlanması için yeterli gücü sağlar.

Spesifik merkezlerin eyleminin yukarıda bahsedilen seçiciliği, kimyasal grupların tam merkezdeki ve ortak moleküldeki bileşimindeki ve yerleşimindeki uygunluk nedeniyle elde edilir - sözde tamamlayıcılık. Grupların herhangi bir şekilde değiştirilmesi veya hareketi, tamamlayıcı ™ 'nın ihlali anlamına gelir. Belli bir merkezin sadece bir çalışma mekanizması olmadığı, aynı zamanda bir protein molekülünün partnerini diğer birçok molekül arasında, hatta bu partnerle büyük benzerlik gösterenleri "tanımasına" izin veren bir şifre olduğu da açıktır.

Spesifik merkezler kavramı, yalnızca proteinlerde bulunan fonksiyonel mekanizmaların genel karakterini yansıtır. Proteinlerin belirli işlevleri, belirli merkezlerinin yapısı ve tepkileri, neredeyse yapılması gereken her şeyin kaldığı bir bilim alanı olmaya devam ediyor. Bu aynı zamanda supramoleküler biyolojik yapıların oluşum süreçleri için de geçerlidir.

Bazı biyolojik yapılar son derece karmaşıktır. Örneğin enzimatik komplekslere sahip zarlar bunlardır. Bu tür yapıların montajı, diğer çalışmaların verilerinin gösterdiği gibi, çok sayıda protein bileşeninden oluşan büyük bir sistem tarafından gerçekleştirilir.Pek çok proteinin bu çalışmaya katılımı, görünüşe göre, sadece dolaylıdır - sadece bir yapı oluşturma sürecine katılırlar, ancak kompozisyonuna dahil edilmezler. Bu yardımcı proteinler arasında spesifik enzimlerin olduğu varsayılmaktadır.

Öte yandan, nispeten basit bir yapıya sahip biyolojik yapılar da vardır. Örneğin, diğer lifli yapılar, yalnızca bir türdeki protein moleküllerinden oluşturulur.

Laboratuvarlardaki bazı durumlarda, basit biyolojik yapıları tek tek elementlerine - protein ve diğer moleküller - ayrıştırmak mümkündür. Uygun çevre koşulları altında, bu unsurlar yine kendi başlarına doğru sırayla birleştirilir ve orijinal yapıyı yeniden oluşturur. Bu yeniden yaratma sürecine genellikle kendi kendine montaj denir. Hem yurt dışında hem de ülkemizde çok sayıda araştırma ekibi onun mekanizmalarını inceliyor. Böyle bir grup, fibrin liflerinin kendiliğinden birleşmesinin araştırıldığı Biyokimya Enstitüsünün Protein Yapıları ve İşlevleri Laboratuvarıdır.
Fibrin, pıhtılaştığı zaman kanda ortaya çıkan lifli bir proteindir. Sürekli bir lif ağının oluşumu, sıvı kanı katılaşmış jelatinimsi bir kütleye dönüştürür. Yaralardan sonra kanamanın durduğu bu fenomen sayesinde - vücudun hasarlı yüzeyindeki kan pıhtılaşır.

Sağlam damarlarda dolaşan kandaki vücut için uygun koşullarda, fibrinin çözünür bir öncüsü vardır - protein fibrinojen. Kan damarları hasar gördüğünde, özel bir kompleks protein sistemi, büyük bir fibrinojen molekülünden fibrin peptidleri adı verilen dört küçük parçacığı ayıran enzim trombini üretmeye başlar. Onları kaybettikten sonra, fibrinojen, moleküllerin polimerizasyonu (birbirleriyle bağlantılı) lifleri oluşturan fibrin-proteine ​​dönüşür.

Monomerik fibrin molekülleri, tüm kendiliğinden birleşme işlemlerinin katı bir düzen özelliği ile polimerize olur.

Kendi kendine montaj süreçlerinin deneysel çalışmaları çözüm gerektirir
karşılık gelen monomerik protein molekülleri. Kaynakları hemen hemen her zaman, monomerlerin aşağı yukarı sıkı bir şekilde "monte edildiği" doğal süper moleküler yapılardır. Bu yapılardan ilk monomerik çözümleri elde etmenin karmaşıklığı ve zorluğu, hatalı "sökme" işleminin kırılgan protein moleküllerine zarar verebilmesidir.

Bu nedenle, kendi kendine birleştirme süreçlerini incelemeye başlayan bilim adamlarından önce ortaya çıkan ilk sorun, tam olarak biyolojik yapıların "sökülmesi" dir. Her bir durumda, her bir yapıya özgü olan, kurucu monomerleri arasındaki bağları etkili bir şekilde kıracak ve monomerlerin kendilerine herhangi bir zarar vermeyecek eylem yöntemleri aranmalıdır. Fibrin için, polimer liflerinin tamamen tatmin edici bir ayrışma yolunu bulmak uzun bir süre mümkün değildi. Başlangıçta bu amaç için önerilen üre ve ardından sodyum bromür çözeltileri etkisizdi. Sadece 1965'te, laboratuvarımız TV Varetskaya'nın bir çalışanı, 0 ° C'ye yakın sıcaklıklarda seyreltik asetik asit çözeltilerinin kullanımına dayalı tüm gereksinimleri karşılayan bir yöntem geliştirdi.Bu şekilde elde edilen monomerik fibrin molekülleri her zaman aynıdır. deneyden deneyime yeniden üretilen özellikler. Üre veya sodyum bromür çözeltilerinde fibrinin ayrıştırılmasına ilişkin önceki yöntemler, bu tür özelliklerin sabitliğini vermedi: yardımlarıyla elde edilen monomerik proteinin farklı örnekleri, örneğin, farklı polimerizasyon oranları ile farklılık gösterdi.

İlginç bir şekilde, mitokondrinin yapısal proteini olan başka bir protein çözünmüş durumda elde edildiğinde, en iyi sonuçlar (bu yapıların kendi kendine birleşmesini inceleyen Amerikalı bilim adamlarının sonucuna göre) ayrıca soğutulmuş seyreltik bir asetik asit çözeltisi verir.

Yapıların kendi kendine bir araya getirilmesiyle ilgili süreçler çeşitli şekillerde incelenir.Bu yollardan biri, belirli maddelerin işlem sürecini etkilemenin sonuçlarının sistematik bir şekilde incelenmesidir.

Örneğin, ilk monomer çözeltisinin sulu bir inorganik tuz çözeltisine, özellikle sodyum klorüre maruz bırakılması durumunda fibrin polimerizasyonunda bir gecikmeye neden olunabilir. Düşük tuz konsantrasyonlarının sınırları dahilinde -% 2-3'e kadar - polimerizasyondaki gecikme, çözelti ne kadar güçlü, "daha güçlü" ise.

Bu gerçek hangi bilgileri sağlıyor?

Sulu çözelti içindeki tuzların, pozitif ve negatif elektrik yükleri taşıyan iyonlar şeklinde mevcut olduğu bilinmektedir. Tuz iyonlarının elektrostatik verimliliği genellikle özel bir miktarla tahmin edilir - çözeltinin konsantrasyonunu ve iyonlarının yükünün büyüklüğünü hesaba katan iyonik kuvvet. Bireysel tuz iyonlarının kimyasal yapısı bu durumda önemsizdir. Polimerizasyon gecikmesi esas olarak monomerik protein solüsyonuna eklenen salin solüsyonunun iyonik kuvveti ile belirlenir. Bu, etkinin ağırlıklı olarak doğası gereği elektrostatik olduğunu gösterir. Tuz iyonlarının monomerik fibrin moleküllerinin elektrik yüklerini taradığı ("söndürdüğü") açıktır - bu, protein moleküllerinin seçici bağlantı mekanizmasında elektrik yüklerinin yer aldığını gösteren bir durumdur. Normal koşullar altında - elektrostatik olarak yüklü tuz iyonlarından kaynaklanan parazit yokluğunda - belirli merkezlerde bulunan tamamlayıcı olan pozitif ve negatif yüklü iyonik gruplar, molekülleri birbirine çekmelidir.

EV Lugovskii tarafından laboratuvarımızda yürütülen daha detaylı çalışmalar, iyonik gücün genel tarama etkisinin yanı sıra, tuzların kimyasal doğasına, iyonların bireyselliğine büyük ölçüde bağlı olan ve yetenekleriyle belirlenen başka bir etkisinin olduğunu göstermiştir. bir proteine ​​bağlanır. Bir iyonun belirli bir merkeze bağlanması, görünüşe göre, işinde ek bir rahatsızlık yaratıyor.

E.V. Lugovsky, daha yüksek tuz konsantrasyonlarının polimerizasyon üzerindeki etkisini araştırdı. Bazı tuzların keskin bir şekilde geciktirdiği, diğerlerinin ise aksine polimerizasyonu hızlandırdığı ortaya çıktı. Bu nedenle, örneğin, iki ilgili tuz, sodyum klorür ve bromür ters yönde hareket eder: birincisi hızlanır ve ikincisi işlemi geciktirir. Bromür gibi, ancak daha da güçlü olan sodyum iyodür, klorür gibi farklı kuvvetlerde - bazen daha güçlü, sonra daha zayıf - sülfatlar, fosfatlar ve diğer bazı tuzlar etki eder.

Fibrinin polimerizasyonu üzerindeki hızlandırıcı etkinin gücüyle, tuzların, yüksek çözeltilerdeki proteinlerin "tuzla çökeltilmesi" (çökeltilmesi) için uzun süredir yerleşik ve iyi bilinen sırayla çakışan bir sıra halinde düzenlendiği ortaya çıktı. tuz konsantrasyonları. Bununla birlikte, fibrin polimerizasyonu ile yapılan deneylerde, işlem hala tuzla çökeltme konsantrasyonlarına ulaşamayan tuz konsantrasyonlarında çalışıldığından, gerçek tuzlanma henüz gerçekleşmez. Ek olarak, tuzlama sırasında proteinler şekilsiz bir kütle şeklinde çökeltilir ve açıklanan durumda normal fibrin lifleri oluşur - bunlar bir faz kontrast mikroskobu kullanılarak görülebilir.

Pek çok çalışma, bir proteinin tuzlanma eğiliminin, yüzeyine yakın ve çevre ile temas halindeki polar olmayan grupların moleküllerindeki varlığıyla arttığını bulmuştur. Bu tür gruplar ne kadar fazla olursa, proteini tuzlamak için yeterli olan salin çözeltisinin konsantrasyonu o kadar düşük olur.

Bu iyi bilinen pozisyonlar, şüphesiz bir tuzlama etkisinin ortaya çıktığı deneyimizin sonuçlarını açıklamak için kullanılabilir, bu da monomerik bir fibrin molekülünün yüzeyinde çok sayıda polar olmayan grup içermesi gerektiğini gösterir. Ama gerçek tuzlamamız yok. Tuzsuzlaştırma etkisi, yalnızca spesifik polimerizasyonun hızlanmasında kendini gösterir. Bu, ancak polar olmayan grupların, protein molekülünün belirli bir merkezinin tamamlayıcı bileşenleri olduğu gerçeğiyle açıklanabilir.

Bu nedenle, salin çözeltilerinin fibrin polimerizasyonu üzerindeki etkisine ilişkin araştırmalar, polar olmayan gruplar arasındaki hem elektrostatik etkileşimlerin hem de "hidrofobik" etkileşimlerin, fibrin kendi kendine birleşme sürecinde yer aldığını göstermektedir. Diğer çalışmaların verileri, protein molekülleri arasındaki üçüncü tür etkileşimlerin de dahil olduğunu göstermektedir - hidrojen bağları.

Şimdi fibrinin öncüsü olan fibrinojene dönelim. Molekülleri ayrıca fibrin benzeri lifler oluşturmak için polimerize olabilir. Bu nedenle, fibrinojen monomerlerin de belirli merkezleri vardır. Bununla birlikte, polimerizasyonları özel koşullar ve özellikle çözeltinin yüksek iyonik kuvveti gerektirir. Elektrik yüklerinin korunması fibrin polimerizasyonunu geciktiriyorsa, zincirdeki fibrinojen monomerlerin birleştirilmesi için tam tersine bir ön koşuldur. Ancak, elektrik yüklerinin fibrinojen molekülünün belirli bir merkezindeki konumunun polimerizasyon için elverişsiz olduğu ve yalnızca elektrik yükü olmayan kimyasal grupların etkileşimi yoluyla gerçekleştirilmesi gerektiği sonucu çıkar.

Fibrinojen molekülünün bölünmesi ile monomerik bir fibrin molekülü haline gelen fibrin peptidleri, negatif elektrik yükleri taşır. Görünüşe göre, bunların kaldırılması, belirli bir merkezdeki ücret sistemini değiştiren ve tamamlayıcılık yaratan faktördür.

İlginç bir şekilde, ciddi bir kalıtsal hastalık olan kanama türlerinden biri, bu proteinin fibrin peptitlerinin bölünme noktalarına yakın pozitif yüklerini kaybettiği fibrinojendeki mutasyonel bir değişiklikten kaynaklanır. İkincisi, normal durumda olduğu gibi bölünür, ancak trombin artık fibrinojenin aktivasyonuna neden olmaz (Diyagramın gösterdiği gibi, aktivasyon, belirli bir merkezin yakındaki bir pozitif yükünün, fibrin peptidin nötrleştirici etkisinden salınması gerçeğinden oluşur . Böyle bir yük yoksa, fibrin peptidinin bölünmesi anlamsız hale gelir: aktivasyon meydana gelmez.)

Belirli fibrinojen veya fibrin fragmanları, monomerik fibrin ile seçici olarak etkileşime girebilen kusurlu spesifik merkezlerle karakterize edilir. Bu tür fragmanlar, bu proteinlerin enzimler tarafından parçalanmasıyla elde edilebilir. Onlarla yapılan deneylerde, fibrin ile etkileşime giren aktif parçaların liflerin birleşimini nasıl bozduğunu gözlemlemek kolaydır. Laboratuvarımızın şu anda uğraştığı, tam da bu tür deneylerdir - aktif parçaların üretimi ve çalışması -. Bu parçaların yapısını ve seçici reaksiyonlarını inceleyerek, proteinlerin nasıl inşa edildiğini ve işlediğini daha iyi anlayacağımızı umuyoruz.

Fibrinin kendiliğinden birleşmesinde böylesine önemli bir rol oynayan iyonik grupların tamamlayıcılığı, görünüşe göre, diğer biyolojik yapıların kendiliğinden birleşmesinde de önemlidir. Elektrostatik bağların enerjisinin, bağlanan moleküllerin toplam etkileşim enerjisi miktarı içindeki payı muhtemelen büyük değildir. Moleküllerin bağlanması için daha önemli olan "hidrofobik" bağlardır. Ancak iyonik gruplar kendi kendine montajı hızlandırabilir. Elektrostatik yükler, nispeten uzun bir mesafede etkileşime girebilir. Ve muhtemelen çevreyi “araştırmayı”, istenen partneri tanımayı ve onunla odaklı bir şekilde iletişim kurmayı mümkün kılan uzun vadeli eylemleridir.
Fibrinojen ile başlayan fibrin oluşumunun tam şeması, şaşırtıcı derecede ince seçicilik ile karakterize edilen trombin enzimini içerir. Eylemine özgü koşullar altında, pek çok "yabancı" proteini hiç etkilemez. Yalnızca fibrinojene etki eder ve yalnızca oldukça spesifik bir işlevi yerine getirir: fibrin peptitlerini ondan ayırır. Bu trombin çalışması, monomerik fibrin oluşumu için gerekli ve yeterlidir.

Bu, birkaç aşamada gerçekleşen çok karmaşık yapıları bir araya getirirken, trombin gibi belirli enzimlerin de hareket etmesi gerektiğini göstermektedir.Aşağıdaki reaksiyon dizisini hayal etmek kolaydır: örneğin, iki birleştirme reaksiyonuna katılması amaçlanan bir öncü protein, birinci enzim tarafından aktive edilir ve belirli bir partnerle birleşir; bu, onu ikinci enzim için ve daha sonra ikinci ortağın spesifik bağlanması için kullanılabilir hale getirir. Bunun, karmaşıklığı doğrudan kendi kendine bir araya gelme olasılığını dışlayan bu biyolojik yapıların organizasyon mekanizması olması mümkündür.

Karmaşık yapıların birleştirilmesinin ara aşamalarında, enzimler sadece aktivasyon araçları olamazlar. Eylemleri, proteinlerin genel özelliklerini değiştirebilir. Örneğin, bir yapıya zaten "gömülü" olan belirli bir protein, enzimler nedeniyle hidrofilik bileşenlerinin önemli bir kısmını kaybetmiş ve çözünmez bir parçası haline gelebilir. Kuşkusuz, böyle bir şema diğerlerini dışlamaz, bu da çözünmez proteinleri montaj yerine ileten taşıyıcı proteinlerin varlığı olasılığını ima eder.

Sonuç olarak, supramoleküler biyolojik yapıların montaj süreçlerinin incelenmesinin belirsiz ve karmaşık sorularla dolu bir alan olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle, gelişiminin bu aşamasında, fibrin liflerinin oluşum sistemi gibi nispeten basit sistemlerde meydana gelen süreçler hakkında bilgi özellikle ilginç ve kullanışlıdır.

V. Belitser

Benzer yayınlar

Sinirsel dürtüler ve RNA

Moleküler biyolojinin doğuşu

Bir molekül nasıl "oluşturulur"?