Hoe eiwitstructuren worden gebouwd

De moderne biologie is diep doorgedrongen in de diepten van de cel - de "baksteen" van de levenden. Een levende cel verscheen voor wetenschappers als een harmonieuze combinatie van eenvoudigere structuren - membranen, buizen, korrels, vezelachtige formaties, bestaande uit geordende moleculen die met elkaar zijn verbonden.

De studie van biologische structuren, hun samenstelling en moleculaire organisatie, hun specifieke activiteit is het onderwerp geworden van moleculaire biologie.

Het succes van de laatste hangt voornamelijk samen met het decoderen van de structuur van nucleïnezuren en de aard van erfelijke informatie. Een nucleïnezuurmolecuul is een lineaire reeks van vier typen nucleotiden die in een complexe maar strikt gedefinieerde volgorde zijn gerangschikt, die vergelijkbaar is met de reguliere rangschikking van letters in een zinvolle tekst. Net zoals een tekst een boodschap bevat, bevat sommige informatie, de volgorde van nucleotiden in een nucleïnezuurmolecuul informatie over de individuele structuren van eiwitten die moeten worden gecreëerd tijdens het opbouwen van een organisme.

Een eiwitmolecuul is ook een lineaire opeenvolging van structurele elementen, maar geen nucleotiden, maar twintig soorten aminozuren. Elke combinatie van drie nucleotiden in een nucleïnezuurmolecuul (genetische code) bepaalt de opname van een van de twintig aminozuren. De volgorde van nucleotide-tripletten bepaalt de exacte volgorde van aminozuren in het gesynthetiseerde eiwitmolecuul.

Voortbordurend op de reeds algemeen aanvaarde vergelijking van genetische informatie met geschreven tekst, kunnen we zeggen dat tijdens eiwitsynthese de tekst geschreven in de nucleotidetaal wordt vertaald in de taal van aminozuren. De informatie in de aminozuurtekst van een bepaald type eiwit - dat wil zeggen, de samenstelling en volgorde van aminozuren die er alleen aan inherent zijn - bepaalt de vorm en subtiele interne organisatie - de ruimtelijke ordening van structurele elementen, waarop bepaalde van zijn biologische functies zijn afhankelijk. Als deze ordening wordt verstoord, verliezen enzymeiwitten bijvoorbeeld het vermogen om reacties in het lichaam te katalyseren.

Studies hebben aangetoond dat bepaalde functies van een eiwit direct worden uitgeoefend door associaties van chemische groepen die zich in bepaalde delen van een geordend eiwitmolecuul bevinden - specifieke functionele centra. Wanneer de orde wordt verstoord - bijvoorbeeld een eiwitmolecuul smelt - dan krijgen de combinaties van chemische groepen de kans om hun onderlinge rangschikking te veranderen, verstrooiing en functionele centra komen te vervallen.

De vertaling van de nucleotide-taal in de taal van aminozuren is dus niet alleen een vertaling. Aminozuurletters zijn veel rijker aan fysische en chemische inhoud dan nucleotide-letters. En in het algemeen is de informatie die door een eiwitmolecuul wordt gedragen fundamenteel anders dan nucleotide-informatie, omdat het de specificiteit van de structuur van eiwitmoleculen en hun subtielste biologische functies bepaalt.

Op technisch gebied kan nog een vergelijking worden gemaakt. De informatie in nucleïnezuren is als blauwdrukken waaruit onderdelen in een specifieke volgorde worden vervaardigd en samengesteld. Een eiwitmolecuul is een samengesteld mechanisme en de informatie in de volgorde van zijn aminozuren is het programma van het mechanisme zelf.

In een levende cel functioneren de meeste eiwitten niet in een vrije toestand, maar als componenten van complexe structuren - goed uitgebalanceerde en controleerbare systemen, waarbij elk eiwit een bepaalde plaats en een bepaald aandeel heeft in de algehele fysiologische functie. De constructie van complexe structuren van de cel is een dialectische overgang van het vakgebied chemie (waartoe ook de werking van individuele eiwitmoleculen behoort) naar het vakgebied biologie.

Complexe biologische structuren bevatten naast eiwitten ook lipiden, koolhydraten en andere stoffen.Bij de constructie van complexe intracellulaire structuren is de rol van deze stoffen echter niet de leidende.

Door de aard van hun chemische structuur kunnen koolhydraten en lipiden eenvoudigweg niet die grote hoeveelheid informatie bevatten die nodig is voor een dergelijke constructie. De belangrijkste rol daarin is weggelegd voor specifieke eiwitten.

De huidige moleculaire biologie bevestigt en beschrijft dus de bekende positie van F. Engels over eiwitten als de basis van het leven. In eiwitten, waar oneindig verschillende moleculen zijn opgebouwd uit structurele elementen met zeer verschillende eigenschappen, waar de precisie van een unieke organisatie wordt gecombineerd met flexibiliteit en plasticiteit, heeft de natuur een uitzonderlijk materiaal gevonden dat het mogelijk maakte om een ​​hogere, biologische vorm van beweging te creëren. van materie.
De strikte moleculaire organisatie van biologische structuren wordt voornamelijk bepaald door de eigenaardigheden van de interactie van eiwitten. Hun moleculen zijn selectief met elkaar verbonden: elk heeft goed gedefinieerde buren. Dit kunnen moleculen zijn die identiek zijn aan deze of ervan verschillen. Maar de buren zijn in ieder geval "geprogrammeerd", ingesteld en kunnen niet anders. De nauwkeurigheid van de organisatie wordt verder verergerd door het feit dat eiwitten die qua ruimtelijke configuratie niet hetzelfde zijn, met verschillend geplaatste chemische groepen, op een georiënteerde manier met elkaar zijn verbonden: niet willekeurig, maar alleen door bepaalde delen van hun oppervlak. Deze contactgebieden zijn chemisch gestructureerd om een ​​betrouwbare en foutloze bindingsselectiviteit te bieden. Ze worden specifieke contactgebieden of specifieke centra genoemd.

De aanwezigheid van specifieke centra is een gemeenschappelijke eigenschap van eiwitten die gespecialiseerde biologische functies vervullen. Dit zijn de "werkende organen" van eiwitmoleculen. Dankzij speciale specifieke centra binden enzymeiwitten selectief stoffen, waarvan de katalysatoren van chemische transformaties antitoxine-eiwitten zijn, toxinen binden, enz.

Een systeem van interacties wordt georganiseerd tussen de chemische groepen van een specifiek centrum en een partnermolecuul bij contact. Het omvat ten eerste elektrostatische aantrekking tussen groepen met tegengestelde elektrische ladingen; ten tweede de zogenaamde waterstofbruggen tussen elektrisch polaire groepen; en, tenslotte, derde, "hydrofobe" bindingen - interacties tussen niet-polaire groepen (groepen die worden afgestoten door water). In de regel ontstaan ​​hier geen stabiele chemische bindingen, omdat elk van de vermelde interacties vrij zwak is. Maar over het algemeen zorgt het systeem van een specifiek centrum voor voldoende sterkte van de verbinding van moleculen.

De bovengenoemde selectiviteit van de werking van specifieke centra wordt bereikt door de overeenkomst in de samenstelling en rangschikking van chemische groepen in het centrum en in het partnermolecuul - de zogenaamde complementariteit. Elke vervanging of verplaatsing van groepen betekent een schending van de complementaire ™. Het is ook duidelijk dat een specifiek centrum niet alleen een werkingsmechanisme is, maar ook een cijfer dat een eiwitmolecuul in staat stelt zijn partner te “herkennen” tussen vele andere moleculen, zelfs die welke grote gelijkenis hebben met deze partner.

Het concept van specifieke centra weerspiegelt alleen het algemene karakter van de functionele mechanismen die inherent zijn aan eiwitten. De specifieke functies van eiwitten, de structuur en reacties van hun specifieke centra blijven een wetenschapsgebied waar bijna alles nog moet gebeuren. Dit geldt ook voor de processen van vorming van supramoleculaire biologische structuren.

Sommige biologische structuren zijn buitengewoon complex. Dat zijn bijvoorbeeld membranen met * enzymatische complexen. De assemblage van dergelijke structuren wordt, zoals de gegevens van andere studies laten zien, uitgevoerd door een groot systeem van talrijke eiwitcomponenten.De deelname van veel eiwitten aan dit werk is blijkbaar slechts indirect - ze nemen alleen deel aan het proces van het creëren van een structuur, maar zijn niet opgenomen in de samenstelling ervan. Aangenomen wordt dat er onder deze bijkomende eiwitten specifieke enzymen zijn.

Aan de andere kant zijn er biologische structuren die een relatief eenvoudige structuur hebben. Andere vezelachtige structuren zijn bijvoorbeeld opgebouwd uit eiwitmoleculen van slechts één type.

In een aantal gevallen is het in laboratoria mogelijk om eenvoudige biologische structuren af ​​te breken in hun individuele elementen - eiwitten en andere moleculen. Onder de juiste omgevingsomstandigheden worden deze elementen weer op zichzelf in de juiste volgorde gecombineerd en creëren ze de oorspronkelijke structuur. Dit proces van opnieuw creëren wordt gewoonlijk zelfassemblage genoemd. Een aantal onderzoeksteams in binnen- en buitenland bestuderen de mechanismen ervan. Een van die groepen is het Laboratorium voor eiwitstructuren en -functies van het Instituut voor Biochemie, waar de zelfassemblage van fibrinevezels wordt bestudeerd.
Fibrine is een vezelachtig eiwit dat in het bloed verschijnt wanneer het stolt. De vorming van een continu netwerk van zijn vezels verandert vloeibaar bloed in een gestolde gelatineuze massa. Het is dankzij dit fenomeen dat het bloeden stopt na wonden - het bloed op het beschadigde oppervlak van het lichaam stolt.

Onder gunstige omstandigheden voor het lichaam in het bloed dat door intacte bloedvaten circuleert, is er een oplosbare precursor van fibrine - het eiwit fibrinogeen. Wanneer bloedvaten beschadigd zijn, begint een speciaal complex systeem van eiwitten het enzym trombine te produceren, dat vier kleine deeltjes, fibrinepeptiden genaamd, splitst van een groot fibrinogeen molecuul. Nadat ze ze zijn kwijtgeraakt, verandert fibrinogeen in fibrine-eiwit, de polymerisatie (verbinding met elkaar) van de moleculen waarvan vezels worden gevormd.

Monomere fibrinemoleculen polymeriseren met een strikte ordening, wat kenmerkend is voor alle zelfassemblageprocessen.

Experimentele studies van zelfassemblageprocessen vereisen oplossingen
overeenkomstige monomere eiwitmoleculen. Hun bron zijn bijna altijd natuurlijke supramoleculaire structuren, waarin de monomeren min of meer stevig "gemonteerd" zijn. De complexiteit en moeilijkheid van het verkrijgen van initiële monomere oplossingen uit deze structuren is dat onnauwkeurige "ontmanteling" kwetsbare eiwitmoleculen kan beschadigen.

Daarom is het eerste probleem dat zich voordoet voor wetenschappers die aan de studie van zelfassemblageprocessen beginnen, precies het "ontmantelen" van biologische structuren. In elk afzonderlijk geval moet men zoeken naar werkingsmethoden die specifiek zijn voor elke structuur, die de bindingen tussen de samenstellende monomeren effectief zouden verbreken en die geen schade zouden toebrengen aan de monomeren zelf. Voor fibrine was het lange tijd niet mogelijk om een ​​volledig bevredigende manier te vinden om de polymeervezels te ontleden. De oplossingen van ureum die aanvankelijk voor dit doel werden voorgesteld en vervolgens van natriumbromide, waren niet effectief. Pas in 1965 ontwikkelde een medewerker van ons laboratorium TV Varetskaya een methode die volledig voldoet aan alle vereisten op basis van het gebruik van verdunde oplossingen van azijnzuur bij temperaturen dichtbij 0 ° C.De op deze manier verkregen monomere fibrinemoleculen hebben altijd dezelfde eigenschappen, gereproduceerd van experiment tot ervaring. De eerdere ontledingsmethoden van fibrine in oplossingen van ureum of natriumbromide gaven niet zo'n constantheid van eigenschappen: verschillende monsters van het monomere eiwit die met hun hulp werden verkregen, verschilden bijvoorbeeld in verschillende polymerisatiesnelheden.

Interessant is dat wanneer een ander eiwit, het structurele eiwit van mitochondriën, in opgeloste toestand wordt verkregen, de beste resultaten (zoals de Amerikaanse wetenschappers die de zelfassemblage van deze structuren bestudeerden) ook een gekoelde verdunde oplossing van azijnzuur opleveren.

De processen die betrokken zijn bij de zelfassemblage van constructies worden op verschillende manieren bestudeerd.Een van deze manieren is een systematische studie van de resultaten van beïnvloeding van het procesverloop van bepaalde stoffen.

Een vertraging in de fibrinepolymerisatie kan bijvoorbeeld worden veroorzaakt als de aanvankelijke monomeeroplossing wordt blootgesteld aan een waterige oplossing van anorganische zouten, in het bijzonder natriumchloride. Binnen de limieten van lage zoutconcentraties - tot 2-3% - is de vertraging in polymerisatie hoe sterker, hoe "sterker" de oplossing.

Welke informatie geeft dit feit?

Het is bekend dat zouten in een waterige oplossing voorkomen in de vorm van ionen die positieve en negatieve elektrische ladingen dragen. De elektrostatische efficiëntie van zoutionen wordt meestal geschat door een speciale waarde - ionsterkte, die rekening houdt met de concentratie van de oplossing en de grootte van de lading van zijn ionen. De chemische aard van de afzonderlijke zoutionen is hier niet relevant. De vertraging in polymerisatie wordt voornamelijk bepaald door de ionsterkte van de zoutoplossing die aan de monomere eiwitoplossing wordt toegevoegd. Dit toont aan dat het effect overwegend elektrostatisch van aard is. Het is duidelijk dat zoutionen de elektrische ladingen van monomere fibrinemoleculen screenen ("doven") - een omstandigheid die alleen aangeeft dat hun elektrische ladingen betrokken zijn bij het mechanisme van selectieve verbinding van eiwitmoleculen. Onder normale omstandigheden - bij afwezigheid van interferentie van elektrostatisch geladen zoutionen - zouden positief en negatief geladen ionische groepen, die complementair zijn gelokaliseerd in specifieke centra, moleculen naar elkaar moeten aantrekken.

Meer gedetailleerde studies uitgevoerd in ons laboratorium door EV Lugovskii toonden aan dat, naast het algemene screeningseffect van ionsterkte, er nog een ander effect is van zouten, dat sterk afhangt van de chemische aard, de individualiteit van ionen en wordt bepaald door hun hechtingsvermogen. aan een eiwit. De bevestiging van een ion aan een specifiek centrum brengt blijkbaar een extra verstoring in zijn werk met zich mee.

E. V. Lugovskii onderzocht het effect van hogere zoutconcentraties op polymerisatie. Het bleek dat sommige zouten de polymerisatie sterk vertragen, terwijl andere juist de polymerisatie versnellen. Twee verwante zouten, natriumchloride en bromide, werken bijvoorbeeld tegengesteld: de eerste versnelt en de tweede vertraagt ​​het proces. Net als bromide, maar zelfs sterker, werkt natriumjodide, net als chloride, met verschillende sterktes - soms sterker, dan zwakker - sulfaten, fosfaten en sommige andere zouten.

Het bleek dat door de kracht van het versnellende effect op de fibrinepolymerisatie, de zouten in een rij zijn gerangschikt die samenvalt met de al lang bestaande en bekende rij voor het "uitzouten" (neerslaan) van eiwitten in oplossingen met hoge zoutconcentraties. Bij experimenten met fibrinepolymerisatie komt echt uitzouten echter nog niet voor, aangezien het proces wordt bestudeerd bij zoutconcentraties die nog niet tot uitzouten komen. Bovendien worden eiwitten bij het uitzouten neergeslagen in de vorm van een vormloze massa, en in het beschreven geval werden normale fibrinevezels gevormd - ze konden worden gezien met behulp van een fasecontrastmicroscoop.

Veel studies hebben aangetoond dat de neiging van een eiwit om uit te zouten wordt versterkt door de aanwezigheid in zijn moleculen van niet-polaire groepen dicht bij het oppervlak en in contact met de omgeving. Hoe meer van dergelijke groepen, hoe lager de concentratie van de zoutoplossing, voldoende om het eiwit uit te zouten.

Deze bekende posities kunnen worden gebruikt om de resultaten van ons experiment te verklaren, waarin ongetwijfeld een uitzouteffect tot uiting komt, wat aangeeft dat een monomeer fibrinemolecuul een groot aantal niet-polaire groepen op zijn oppervlak zou moeten bevatten. Maar echt uitzouten hebben we niet. Het uitzouteffect komt alleen tot uiting in de versnelling van de specifieke polymerisatie. Dit kan alleen worden verklaard door het feit dat niet-polaire groepen complementaire componenten zijn van een specifiek centrum van het eiwitmolecuul.

Studies naar het effect van zoutoplossingen op fibrinepolymerisatie tonen dus aan dat zowel elektrostatische interacties als "hydrofobe" interacties tussen niet-polaire groepen betrokken zijn bij het proces van zelfassemblage van fibrine. De gegevens van andere onderzoeken geven aan dat het derde type interacties tussen eiwitmoleculen ook een rol speelt: waterstofbruggen.

Laten we nu kijken naar fibrinogeen, de voorloper van fibrine. De moleculen kunnen ook polymeriseren om fibrineachtige vezels te vormen. Daarom hebben fibrinogeenmonomeren ook specifieke centra. Hun polymerisatie vereist echter speciale omstandigheden en in het bijzonder een hoge ionsterkte van de oplossing. Als het afschermen van elektrische ladingen de polymerisatie van fibrine vertraagt, is het daarentegen een voorwaarde voor het combineren van fibrinogeenmonomeren in de keten. Maar hieruit volgt dat de locatie van elektrische ladingen in een specifiek centrum van het fibrinogeenmolecuul ongunstig is voor polymerisatie en dat dit alleen mag worden uitgevoerd door de interactie van die chemische groepen die geen elektrische lading hebben.

Fibrinepeptiden, met de splitsing waarvan het fibrinogeenmolecuul een monomeer fibrinemolecuul wordt, dragen negatieve elektrische ladingen. Blijkbaar is hun verwijdering de factor die het ladingsysteem in een specifiek centrum verandert en complementariteit creëert.

Interessant is dat een van de soorten bloedingen, een ernstige erfelijke ziekte, wordt veroorzaakt door een mutatieverandering in fibrinogeen, waarbij dit eiwit zijn positieve lading verliest nabij de splitsingspunten van fibrinepeptiden. De laatste worden, zoals in het normale geval, gesplitst, maar trombine veroorzaakt niet langer activering van fibrinogeen (zoals het diagram laat zien, bestaat activering in het feit dat een nabijgelegen positieve lading van een specifiek centrum vrijkomt door het neutraliserende effect van fibrinepeptide Als er geen dergelijke lading is, wordt de splitsing van fibrinepeptide zinloos: activering vindt niet plaats.)

Bepaalde fragmenten van fibrinogeen of fibrine worden gekenmerkt door defecte specifieke centra, die echter in staat zijn selectief een interactie aan te gaan met monomeer fibrine. Dergelijke fragmenten kunnen worden verkregen door de vernietiging van deze eiwitten door enzymen. In experimenten met hen is het gemakkelijk te observeren hoe actieve fragmenten interageren met fibrine en de vezelassemblage verstoren. Het zijn precies zulke experimenten - de productie en studie van actieve fragmenten - waar ons laboratorium momenteel mee bezig is. Door de structuur en selectieve reacties van deze fragmenten te bestuderen, hopen we beter te begrijpen hoe eiwitten zelf worden gebouwd en werken.

De complementariteit van ionengroepen, die zo'n essentiële rol speelt bij de zelfassemblage van fibrine, is blijkbaar ook belangrijk bij de zelfassemblage van andere biologische structuren. Het aandeel van de energie van elektrostatische bindingen in de totale hoeveelheid interactie-energie van de verbindende moleculen is waarschijnlijk klein. Essentieel voor de verbinding van moleculen zijn "hydrofobe" bindingen. Maar ionische groepen kunnen zelfassemblage versnellen. Elektrostatische ladingen kunnen over een relatief lange afstand interageren. En het is hun actie op lange termijn die het waarschijnlijk mogelijk maakt om de omgeving te 'onderzoeken', de gewenste partner te herkennen en gericht contact met hem op te nemen.
Het complete schema van fibrinevorming, te beginnen met fibrinogeen, omvat het enzym trombine, dat wordt gekenmerkt door een verbazingwekkend fijne selectiviteit. Onder de omstandigheden die kenmerkend zijn voor zijn werking, raakt het in het geheel niet veel "vreemde" eiwitten aan. Het werkt alleen op fibrinogeen en vervult slechts één puur specifieke functie: het splitst er fibrinepeptiden uit. Dit werk van trombine is noodzakelijk en voldoende voor de vorming van monomeer fibrine.

Dit suggereert dat bij het samenstellen van zeer complexe structuren, die in verschillende stadia plaatsvinden, specifieke enzymen zoals trombine ook zouden moeten werken.De volgende opeenvolging van reacties is gemakkelijk voor te stellen: een precursoreiwit dat bijvoorbeeld bedoeld is om deel te nemen aan twee assemblagereacties, wordt geactiveerd door het eerste enzym en combineert met een specifieke partner; dit maakt het beschikbaar voor het tweede enzym en de daaropvolgende specifieke aanhechting van de tweede partner. Het is mogelijk dat dit precies het organisatiemechanisme is van die biologische structuren, waarvan de complexiteit de mogelijkheid van directe zelfassemblage uitsluit.

In de tussenstadia van de assemblage van complexe structuren kunnen enzymen niet alleen activeringshulpmiddelen zijn. Hun werking kan de algemene eigenschappen van eiwitten veranderen. Een bepaald eiwit dat al in een structuur is "ingebed", kan er bijvoorbeeld een onoplosbaar onderdeel van worden, omdat het een aanzienlijk deel van zijn hydrofiele componenten heeft verloren als gevolg van enzymen. Natuurlijk sluit een dergelijk schema andere niet uit, wat de mogelijkheid impliceert van het bestaan ​​van dragereiwitten die onoplosbare eiwitten afleveren op de assemblageplaats.

Concluderend moet worden opgemerkt dat de studie van de assemblageprocessen van supramoleculaire biologische structuren een veld vol onduidelijke en complexe vragen is. Daarom is in dit stadium van zijn ontwikkeling informatie over de processen die plaatsvinden in relatief eenvoudige systemen zoals het systeem voor de vorming van fibrinevezels bijzonder interessant en nuttig.

V. Belitser

Vergelijkbare publicaties

Neurale impulsen en RNA

De geboorte van moleculaire biologie

Hoe een molecuul "bouwen"?