Πώς χτίζονται οι δομές πρωτεϊνών

Η σύγχρονη βιολογία έχει διεισδύσει βαθιά στα βάθη του κελιού - το «τούβλο» των ζωντανών. Ένα ζωντανό κύτταρο εμφανίστηκε στους επιστήμονες ως ένας αρμονικός συνδυασμός απλούστερων δομών - μεμβρανών, σωλήνων, κόκκων, ινωδών σχηματισμών, που αποτελούνται από διατεταγμένα μόρια που συνδέονται μεταξύ τους.

Η μελέτη των βιολογικών δομών, της σύνθεσής τους και της μοριακής οργάνωσής τους, η ειδική τους δραστηριότητα έχει γίνει το αντικείμενο της μοριακής βιολογίας.

Η επιτυχία του τελευταίου σχετίζεται κυρίως με την αποκωδικοποίηση της δομής των νουκλεϊκών οξέων και τη φύση των κληρονομικών πληροφοριών. Ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος είναι μια γραμμική αλληλουχία τεσσάρων τύπων νουκλεοτιδίων διατεταγμένων σε μια πολύπλοκη αλλά αυστηρά καθορισμένη σειρά, η οποία μπορεί να συγκριθεί με την κανονική διάταξη των γραμμάτων σε ένα νόημα κείμενο. Ακριβώς όπως ένα κείμενο μεταφέρει κάποιο μήνυμα, κάποιες πληροφορίες, η σειρά των νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις μεμονωμένες δομές των πρωτεϊνών που πρόκειται να δημιουργηθούν κατά τη διαδικασία οικοδόμησης ενός οργανισμού.

Ένα πρωτεϊνικό μόριο είναι επίσης μια γραμμική αλληλουχία δομικών στοιχείων, αλλά όχι νουκλεοτιδίων, αλλά είκοσι τύπων αμινοξέων. Κάθε συνδυασμός τριών νουκλεοτιδίων σε ένα μόριο νουκλεϊκού οξέος (γενετικός κώδικας) προκαθορίζει την συμπερίληψη ενός ή άλλου από τα είκοσι αμινοξέα. Η αλληλουχία των νουκλεοτιδικών τριπλών προσδιορίζει την ακριβή αλληλουχία των αμινοξέων στο μόριο της συντεθειμένης πρωτεΐνης.

Συνεχίζοντας την ήδη γενικώς αποδεκτή σύγκριση γενετικών πληροφοριών με γραπτό κείμενο, μπορούμε να πούμε ότι κατά τη διάρκεια της πρωτεϊνικής σύνθεσης, το κείμενο που γράφεται στη νουκλεοτιδική γλώσσα μεταφράζεται στη γλώσσα των αμινοξέων. Οι πληροφορίες που περιέχονται στο κείμενο αμινοξέων ενός συγκεκριμένου τύπου πρωτεΐνης - δηλαδή, η σύνθεση και η αλληλουχία των αμινοξέων που είναι εγγενείς σε αυτό - καθορίζει το σχήμα και τη λεπτή εσωτερική του οργάνωση - τη χωρική σειρά δομικών στοιχείων, από τα οποία εξαρτώνται ορισμένες από τις βιολογικές λειτουργίες της. Εάν διαταραχθεί αυτή η σειρά, οι ενζυμικές πρωτεΐνες, για παράδειγμα, χάνουν την ικανότητα να καταλύουν τις αντιδράσεις στο σώμα.

Μελέτες έχουν δείξει ότι ορισμένες λειτουργίες μιας πρωτεΐνης εκτελούνται άμεσα από ενώσεις χημικών ομάδων που βρίσκονται σε ορισμένα μέρη ενός διατεταγμένου μορίου πρωτεΐνης - ειδικά λειτουργικά κέντρα. Όταν η σειρά διαταράσσεται - για παράδειγμα, ένα μόριο πρωτεΐνης λιώνει - τότε οι συνδυασμοί χημικών ομάδων έχουν την ευκαιρία να αλλάξουν την αμοιβαία διάταξή τους, τα κέντρα διασποράς και λειτουργίας παύουν να υπάρχουν.

Έτσι, η μετάφραση της νουκλεοτιδικής γλώσσας στη γλώσσα των αμινοξέων δεν είναι απλώς μια μετάφραση. Τα γράμματα αμινοξέων είναι πολύ πιο πλούσια σε φυσική και χημική περιεκτικότητα από τα νουκλεοτιδικά. Και σε γενικές γραμμές, οι πληροφορίες που μεταφέρονται από ένα μόριο πρωτεΐνης είναι θεμελιωδώς διαφορετικές από τις πληροφορίες νουκλεοτιδίων, καθώς καθορίζει επίσης την εξειδίκευση της δομής των μορίων πρωτεΐνης και των λεπτότερων βιολογικών λειτουργιών τους.

Μια ακόμη σύγκριση μπορεί να γίνει από τον τεχνικό τομέα. Οι πληροφορίες που περιέχονται στα νουκλεϊκά οξέα είναι σαν σχεδιαγράμματα από τα οποία τα μέρη κατασκευάζονται και συναρμολογούνται με συγκεκριμένη σειρά. Ένα μόριο πρωτεΐνης είναι ένας συναρμολογημένος μηχανισμός, και οι πληροφορίες που περιέχονται στην αλληλουχία των αμινοξέων του είναι το πρόγραμμα του ίδιου του μηχανισμού.

Σε ένα ζωντανό κύτταρο, οι περισσότερες πρωτεΐνες δεν λειτουργούν σε ελεύθερη κατάσταση, αλλά ως συστατικά σύνθετων δομών - καλά ισορροπημένα και ελεγχόμενα συστήματα, όπου κάθε πρωτεΐνη έχει μια συγκεκριμένη θέση και ένα ορισμένο μερίδιο στη συνολική φυσιολογική λειτουργία. Η κατασκευή σύνθετων δομών του κυττάρου είναι μια διαλεκτική μετάβαση από το πεδίο της χημείας (η οποία θα πρέπει να περιλαμβάνει τη λειτουργία μεμονωμένων πρωτεϊνικών μορίων) στο πεδίο της βιολογίας.

Οι σύνθετες βιολογικές δομές, εκτός από τις πρωτεΐνες, περιέχουν επίσης λιπίδια, υδατάνθρακες και άλλες ουσίες.Ωστόσο, στην κατασκευή σύνθετων ενδοκυτταρικών δομών, ο ρόλος αυτών των ουσιών δεν είναι ο κύριος.

Από τη φύση της χημικής τους δομής, οι υδατάνθρακες και τα λιπίδια απλά δεν μπορούν να περιέχουν τόσο μεγάλη ποσότητα πληροφοριών που είναι απαραίτητες για μια τέτοια κατασκευή. Ο πιο σημαντικός ρόλος σε αυτό ανήκει σε συγκεκριμένες πρωτεΐνες.

Έτσι, η σημερινή μοριακή βιολογία επιβεβαιώνει και περιγράφει τη γνωστή θέση του F. Engels για τις πρωτεΐνες ως βάση της ζωής. Στις πρωτεΐνες, όπου κατασκευάζονται άπειρα διαφορετικά μόρια από δομικά στοιχεία με πολύ διαφορετικές ιδιότητες, όπου η ακρίβεια ενός μοναδικού οργανισμού συνδυάζεται με ευκαμψία και πλαστικότητα, η φύση έχει βρει ένα εξαιρετικό υλικό που επέτρεψε τη δημιουργία μιας υψηλότερης, βιολογικής μορφής κίνησης της ύλης.
Η αυστηρή μοριακή οργάνωση των βιολογικών δομών καθορίζεται κυρίως από τις ιδιαιτερότητες της αλληλεπίδρασης των πρωτεϊνών. Τα μόριά τους συνδέονται επιλεκτικά: το καθένα έχει καλά καθορισμένους γείτονες. Αυτά μπορεί να είναι είτε μόρια όμοια με αυτό είτε διαφορετικά από αυτό. Ωστόσο, σε κάθε περίπτωση, οι γείτονες είναι "προγραμματισμένοι", ρυθμισμένοι και δεν μπορούν να είναι διαφορετικά. Η ακρίβεια της οργάνωσης επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι οι πρωτεΐνες που δεν είναι ίδιες στη χωρική διαμόρφωση, με διαφορετικές τοποθεσίες χημικών ομάδων, συνδέονται μεταξύ τους με προσανατολισμένο τρόπο: όχι τυχαία, αλλά μόνο από ορισμένες περιοχές των επιφανειών τους. Αυτές οι περιοχές επαφής είναι χημικά δομημένες για να παρέχουν αξιόπιστη και χωρίς σφάλματα επιλεκτικότητα σύνδεσης. Ονομάζονται συγκεκριμένες περιοχές επαφής ή συγκεκριμένα κέντρα.

Η παρουσία συγκεκριμένων κέντρων είναι μια κοινή ιδιότητα πρωτεϊνών που εκτελούν εξειδικευμένες βιολογικές λειτουργίες. Αυτά είναι τα «λειτουργικά όργανα» των πρωτεϊνικών μορίων. Χάρη σε ειδικά ειδικά κέντρα, οι ενζυμικές πρωτεΐνες δεσμεύουν επιλεκτικά ουσίες, οι καταλύτες των χημικών μετασχηματισμών των οποίων είναι πρωτεΐνες αντιτοξίνης, δεσμεύουν τοξίνες κ.λπ.

Ένα σύστημα αλληλεπιδράσεων οργανώνεται μεταξύ των χημικών ομάδων ενός συγκεκριμένου κέντρου και ενός συνεργαζόμενου μορίου κατά την επαφή. Περιλαμβάνει, πρώτον, ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ ομάδων με αντίθετα ηλεκτρικά φορτία. Δεύτερον, οι λεγόμενοι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ ηλεκτρικά πολικών ομάδων. και, τέλος, τρίτος, "υδρόφοβοι" δεσμοί - αλληλεπιδράσεις μεταξύ μη πολικών ομάδων (ομάδες που απωθούνται από το νερό). Κατά κανόνα, δεν εμφανίζονται εδώ σταθεροί χημικοί δεσμοί, καθώς κάθε μία από τις αναφερόμενες αλληλεπιδράσεις είναι μάλλον αδύναμη. Ωστόσο, σε γενικές γραμμές, το σύστημα ενός συγκεκριμένου κέντρου παρέχει επαρκή ισχύ για τη σύνδεση των μορίων.

Η προαναφερθείσα επιλεκτικότητα της δράσης συγκεκριμένων κέντρων επιτυγχάνεται λόγω της αντιστοιχίας στη σύνθεση και τη διάταξη των χημικών ομάδων στο ίδιο το κέντρο και στο μόριο εταίρος - τη λεγόμενη συμπληρωματικότητα. Οποιαδήποτε αντικατάσταση ή μετακίνηση ομάδων σημαίνει παραβίαση του συμπληρωματικού ™. Είναι επίσης σαφές ότι ένα συγκεκριμένο κέντρο δεν είναι μόνο ένας μηχανισμός εργασίας, αλλά και ένας κρυπτογράφος που επιτρέπει σε ένα μόριο πρωτεΐνης να «αναγνωρίσει» τον σύντροφό του μεταξύ πολλών άλλων μορίων, ακόμη και εκείνων που έχουν μεγάλη ομοιότητα με αυτόν τον συνεργάτη.

Η έννοια των ειδικών κέντρων αντικατοπτρίζει μόνο τον γενικό χαρακτήρα των λειτουργικών μηχανισμών που είναι εγγενείς στις πρωτεΐνες. Οι συγκεκριμένες λειτουργίες των πρωτεϊνών, η δομή και οι αντιδράσεις των συγκεκριμένων κέντρων τους παραμένουν ένας τομέας της επιστήμης όπου σχεδόν όλα πρέπει να γίνουν. Αυτό ισχύει επίσης για τις διαδικασίες σχηματισμού υπερμοριακών βιολογικών δομών.

Ορισμένες βιολογικές δομές είναι εξαιρετικά περίπλοκες. Αυτές είναι, για παράδειγμα, μεμβράνες με * ενζυματικά σύμπλοκα. Η συναρμολόγηση τέτοιων δομών πραγματοποιείται, όπως δείχνουν τα δεδομένα άλλων μελετών, από ένα μεγάλο σύστημα πολυάριθμων πρωτεϊνικών συστατικών.Η συμμετοχή πολλών πρωτεϊνών σε αυτό το έργο είναι, προφανώς, μόνο έμμεση - συμμετέχουν μόνο στη διαδικασία δημιουργίας μιας δομής, αλλά δεν περιλαμβάνονται στη σύνθεσή της. Υποτίθεται ότι υπάρχουν συγκεκριμένα ένζυμα μεταξύ αυτών των βοηθητικών πρωτεϊνών.

Από την άλλη πλευρά, υπάρχουν βιολογικές δομές που έχουν μια σχετικά απλή δομή. Για παράδειγμα, άλλες ινώδεις δομές κατασκευάζονται από μόρια πρωτεΐνης ενός μόνο τύπου.

Σε ορισμένες περιπτώσεις στα εργαστήρια είναι δυνατόν να αποσυντεθούν απλές βιολογικές δομές στα επιμέρους στοιχεία τους - πρωτεΐνες και άλλα μόρια. Υπό κατάλληλες περιβαλλοντικές συνθήκες, αυτά τα στοιχεία συνδυάζονται ξανά από μόνα τους με τη σωστή σειρά και αναδημιουργούν την αρχική δομή. Αυτή η διαδικασία επαναδημιουργίας αναφέρεται συνήθως ως αυτοσυναρμολόγηση. Ορισμένες ερευνητικές ομάδες τόσο στο εξωτερικό όσο και στη χώρα μας μελετούν τους μηχανισμούς της. Μία τέτοια ομάδα είναι το Εργαστήριο Δομών και Λειτουργιών Πρωτεϊνών του Ινστιτούτου Βιοχημείας, όπου μελετάται η αυτοσυναρμολόγηση ινών ινώδους.
Το Fibrin είναι μια ινώδης πρωτεΐνη που εμφανίζεται στο αίμα όταν πήζει. Ο σχηματισμός ενός συνεχούς δικτύου των ινών του μετατρέπει το υγρό αίμα σε μια στερεοποιημένη ζελατινώδη μάζα. Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, η αιμορραγία σταματά μετά από πληγές - το αίμα στην κατεστραμμένη επιφάνεια του σώματος πήζει.

Σε ευνοϊκές συνθήκες για το σώμα στο αίμα που κυκλοφορεί μέσω ανέπαφων αγγείων, υπάρχει ένας διαλυτός πρόδρομος του ινώδους - το πρωτεϊνικό ινωδογόνο. Όταν τα αιμοφόρα αγγεία καταστρέφονται, ένα ειδικό σύνθετο σύστημα πρωτεϊνών αρχίζει να παράγει το ένζυμο θρομβίνη, το οποίο διασπά τέσσερα μικρά σωματίδια που ονομάζονται ινώδη πεπτίδια από ένα μεγάλο μόριο ινωδογόνου. Έχοντας τα χάσει, το ινωδογόνο μετατρέπεται σε πρωτεΐνη ινώδους, ο πολυμερισμός (σύνδεση μεταξύ τους) των μορίων των οποίων σχηματίζει ίνες.

Τα μονομερή μόρια ινώδους πολυμερίζονται με αυστηρή σειρά, που είναι χαρακτηριστικό όλων των διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης.

Πειραματικές μελέτες διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης απαιτούν λύσεις
αντίστοιχα μόρια μονομερούς πρωτεΐνης. Η πηγή τους είναι σχεδόν πάντα φυσικές υπερμοριακές δομές, στις οποίες τα μονομερή "στερεώνονται" λίγο πολύ. Η πολυπλοκότητα και η δυσκολία απόκτησης αρχικών μονομερών διαλυμάτων από αυτές τις δομές είναι ότι η ανακριβής «αποσυναρμολόγηση» μπορεί να βλάψει τα εύθραυστα πρωτεϊνικά μόρια.

Επομένως, το πρώτο πρόβλημα που προκύπτει ενώπιον των επιστημόνων που ξεκινούν τη μελέτη των διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης είναι ακριβώς η «αποσυναρμολόγηση» των βιολογικών δομών. Σε κάθε μεμονωμένη περίπτωση, πρέπει να αναζητήσουμε μεθόδους δράσης συγκεκριμένες για κάθε δομή που θα έσπαζε αποτελεσματικά τους δεσμούς μεταξύ των συστατικών μονομερών της και δεν θα προκαλούσαν ζημιά στα ίδια τα μονομερή. Για το ινώδες, δεν ήταν δυνατό για πολύ καιρό να βρεθεί ένας πλήρως ικανοποιητικός τρόπος αποσύνθεσης των πολυμερών ινών του. Τα διαλύματα ουρίας που προτάθηκαν αρχικά για το σκοπό αυτό και στη συνέχεια του βρωμιούχου νατρίου ήταν αναποτελεσματικά. Μόνο το 1965, ένας υπάλληλος του εργαστηρίου μας T.V. Varetskaya ανέπτυξε μια μέθοδο που ικανοποιεί πλήρως όλες τις απαιτήσεις με βάση τη χρήση αραιών διαλυμάτων οξικού οξέος σε θερμοκρασίες κοντά στους 0 ° C. Τα μόρια μονομερούς ινώδους που λαμβάνονται με αυτόν τον τρόπο έχουν πάντα τις ίδιες ιδιότητες, που αναπαράγονται από το πείραμα σε εμπειρία. Οι προηγούμενες μέθοδοι αποσύνθεσης ινώδους σε διαλύματα ουρίας ή βρωμιούχου νατρίου δεν έδωσαν τέτοια σταθερότητα ιδιοτήτων: διαφορετικά δείγματα της μονομερούς πρωτεΐνης που ελήφθησαν με τη βοήθεια τους διέφεραν, για παράδειγμα, σε διαφορετικούς ρυθμούς πολυμερισμού.

Είναι ενδιαφέρον ότι, όταν μια άλλη πρωτεΐνη, η δομική πρωτεΐνη των μιτοχονδρίων, λαμβάνεται σε διαλυμένη κατάσταση, τα καλύτερα αποτελέσματα (καθώς οι Αμερικανοί επιστήμονες που μελετούν την αυτοσυναρμολόγηση αυτών των δομών) έδωσαν επίσης ένα ψυχρό αραιό διάλυμα οξικού οξέος.

Οι διαδικασίες που εμπλέκονται στην αυτοσυναρμολόγηση των δομών μελετώνται με διάφορους τρόπους.Ένας από αυτούς τους τρόπους είναι μια συστηματική μελέτη των αποτελεσμάτων του επηρεασμού της διαδικασίας ορισμένων ουσιών.

Για παράδειγμα, μια καθυστέρηση στον πολυμερισμό ινώδους μπορεί να προκληθεί από την έκθεση του αρχικού μονομερούς διαλύματος σε ένα υδατικό διάλυμα ανόργανων αλάτων, συγκεκριμένα χλωριούχου νατρίου. Μέσα στα όρια των χαμηλών συγκεντρώσεων άλατος - έως και 2-3% - η καθυστέρηση στον πολυμερισμό είναι όσο ισχυρότερη, τόσο «ισχυρότερη» είναι η λύση.

Τι πληροφορίες παρέχει αυτό το γεγονός;

Είναι γνωστό ότι τα άλατα σε ένα υδατικό διάλυμα υπάρχουν με τη μορφή ιόντων που φέρουν θετικά και αρνητικά ηλεκτρικά φορτία. Η ηλεκτροστατική απόδοση των ιόντων άλατος εκτιμάται συνήθως από μια ειδική τιμή - ιοντική ισχύ, η οποία λαμβάνει υπόψη τη συγκέντρωση του διαλύματος και το μέγεθος του φορτίου των ιόντων του. Η χημική φύση των μεμονωμένων ιόντων άλατος δεν έχει σημασία εδώ. Η καθυστέρηση στον πολυμερισμό καθορίζεται κυρίως από την ιοντική ισχύ του διαλύματος άλατος που προστίθεται στο διάλυμα μονομερούς πρωτεΐνης. Αυτό δείχνει ότι το φαινόμενο είναι κυρίως ηλεκτροστατικό στη φύση. Προφανώς, τα ιόντα άλατος ελέγχουν ("σβήνουν") τα ηλεκτρικά φορτία των μορίων μονομερούς ινώδους - μια περίσταση που δείχνει απλώς ότι τα ηλεκτρικά τους φορτία εμπλέκονται στον μηχανισμό επιλεκτικής σύνδεσης μορίων πρωτεΐνης. Υπό κανονικές συνθήκες - ελλείψει παρεμβολών από ηλεκτροστατικά φορτισμένα ιόντα άλατος - θετικά και αρνητικά φορτισμένες ιοντικές ομάδες, οι οποίες είναι συμπληρωματικές τοποθετημένες σε συγκεκριμένα κέντρα, θα πρέπει να προσελκύουν μόρια μεταξύ τους.

Πιο αναλυτικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριό μας από τον E.V. Lugovskii έδειξαν ότι, μαζί με τη γενική επίδραση διαλογής της ιοντικής ισχύος, υπάρχει μια άλλη επίδραση των αλάτων, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη χημική φύση, την ατομικότητα των ιόντων και καθορίζεται από την ικανότητά τους να προσκολλώνται σε μια πρωτεΐνη. Η προσκόλληση ενός ιόντος σε ένα συγκεκριμένο κέντρο προφανώς εισάγει μια επιπλέον διαταραχή στο έργο του.

Ο Ε. V. Lugovskii διερεύνησε την επίδραση των υψηλότερων συγκεντρώσεων άλατος στον πολυμερισμό. Αποδείχθηκε ότι ορισμένα άλατα καθυστερούν έντονα, ενώ άλλα, αντίθετα, επιταχύνουν τον πολυμερισμό. Έτσι, για παράδειγμα, δύο σχετικά άλατα, το χλωριούχο νάτριο και το βρωμίδιο, δρουν αντίθετα: το πρώτο επιταχύνει και το δεύτερο καθυστερεί τη διαδικασία. Όπως το βρωμιούχο, αλλά ακόμη ισχυρότερο, το ιωδιούχο νάτριο δρα, όπως το χλωρίδιο, με διαφορετικές αντοχές - μερικές φορές ισχυρότερο, τότε ασθενέστερο - τα θειικά, φωσφορικά και μερικά άλλα άλατα δρουν.

Αποδείχθηκε ότι με την ισχύ της επιταχυνόμενης επίδρασης στον πολυμερισμό ινώδους, τα άλατα διατάσσονται σε σειρά που συμπίπτει με τη μακρά καθιερωμένη και πολύ γνωστή σειρά για "αλάτιση" (καταβύθιση) πρωτεϊνών σε διαλύματα με υψηλές συγκεντρώσεις άλατος. Ωστόσο, σε πειράματα με πολυμερισμό ινώδους, δεν υπάρχει ακόμη πραγματικό αλάτισμα, καθώς η διαδικασία μελετάται σε συγκεντρώσεις άλατος που δεν φθάνουν ακόμη σε αλάτι. Επιπλέον, όταν αλατίζονται, οι πρωτεΐνες καθιζάνουν με τη μορφή μίας μάζας χωρίς σχήμα, και στην περιγραφόμενη περίπτωση, σχηματίστηκαν φυσιολογικές ίνες ινώδους - θα μπορούσαν να παρατηρηθούν χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο αντίθεσης φάσης.

Πολλές μελέτες έχουν διαπιστώσει ότι η τάση μιας πρωτεΐνης να αλατίζεται αυξάνεται από την παρουσία στα μόρια μη πολικών ομάδων κοντά στην επιφάνειά της και σε επαφή με το περιβάλλον. Όσο περισσότερες τέτοιες ομάδες, τόσο χαμηλότερη είναι η συγκέντρωση του αλατούχου διαλύματος, επαρκής για αλάτι της πρωτεΐνης.

Αυτές οι πολύ γνωστές θέσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εξηγήσουν τα αποτελέσματα του πειράματός μας, στο οποίο, αναμφίβολα, εκδηλώνεται ένα φαινόμενο αλάτωσης, υποδεικνύοντας ότι ένα μόριο μονομερούς ινώδους θα πρέπει να περιέχει μεγάλο αριθμό μη πολικών ομάδων στην επιφάνειά του. Αλλά δεν έχουμε πραγματικά αλάτισμα. Το φαινόμενο αλάτων εκδηλώνεται μόνο στην επιτάχυνση συγκεκριμένου πολυμερισμού. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί μόνο από το γεγονός ότι οι μη πολικές ομάδες είναι συμπληρωματικά συστατικά ενός ειδικού κέντρου του μορίου πρωτεΐνης.

Έτσι, μελέτες για την επίδραση των αλατούχων διαλυμάτων στον πολυμερισμό ινώδους δείχνουν ότι τόσο οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις όσο και οι «υδρόφοβες» αλληλεπιδράσεις μεταξύ μη πολικών ομάδων εμπλέκονται στη διαδικασία της αυτοσυναρμολόγησης της ινώδους. Τα δεδομένα άλλων μελετών δείχνουν ότι εμπλέκεται επίσης ο τρίτος τύπος αλληλεπιδράσεων μεταξύ πρωτεϊνών μορίων - δεσμών υδρογόνου.

Ας στραφούμε τώρα στο ινωδογόνο, τον πρόδρομο του ινώδους. Τα μόρια του είναι επίσης ικανά πολυμερισμού για σχηματισμό ινών που μοιάζουν με ινώδες. Ως εκ τούτου, τα μονομερή ινωδογόνου έχουν επίσης συγκεκριμένα κέντρα. Ωστόσο, ο πολυμερισμός τους απαιτεί ειδικές συνθήκες και, ιδιαίτερα, υψηλή ιοντική ισχύ του διαλύματος. Εάν η θωράκιση των ηλεκτρικών φορτίων επιβραδύνει τον πολυμερισμό ινώδους, τότε, αντίθετα, αποτελεί προϋπόθεση για το συνδυασμό μονομερών ινωδογόνου στην αλυσίδα. Ωστόσο, προκύπτει ότι η θέση των ηλεκτρικών φορτίων σε ένα συγκεκριμένο κέντρο του μορίου ινωδογόνου είναι δυσμενής για πολυμερισμό και θα πρέπει να πραγματοποιείται μόνο μέσω της αλληλεπίδρασης των χημικών ομάδων που δεν έχουν ηλεκτρικό φορτίο.

Τα πεπτίδια ινώδους, με τη διάσπαση του οποίου το μόριο ινωδογόνου γίνεται μονομερές μόριο ινώδους, φέρουν αρνητικά ηλεκτρικά φορτία. Προφανώς, η κατάργησή τους είναι ο παράγοντας που αλλάζει το σύστημα χρεώσεων σε ένα συγκεκριμένο κέντρο και δημιουργεί συμπληρωματικότητα.

Είναι ενδιαφέρον ότι ένας από τους τύπους αιμορραγίας, μια σοβαρή κληρονομική ασθένεια, προκαλείται από μια μεταλλακτική αλλαγή στο ινωδογόνο, στην οποία αυτή η πρωτεΐνη χάνει τα θετικά της φορτία κοντά στα σημεία διάσπασης των πεπτιδίων ινώδους. Το τελευταίο, όπως στην κανονική περίπτωση, διασπάται, αλλά η θρομβίνη δεν προκαλεί πια ενεργοποίηση ινωδογόνου. (Όπως δείχνει το διάγραμμα, η ενεργοποίηση συνίσταται στο γεγονός ότι ένα κοντινό θετικό φορτίο ενός συγκεκριμένου κέντρου απελευθερώνεται από την εξουδετερωτική δράση του πεπτιδίου ινώδους. Εάν δεν υπάρχει τέτοιο φορτίο, τότε η διάσπαση του πεπτιδίου ινώδους καθίσταται άσκοπη: δεν ενεργοποιείται ενεργοποίηση.)

Ορισμένα θραύσματα ινωδογόνου ή ινώδους χαρακτηρίζονται από ελαττωματικά ειδικά κέντρα, τα οποία, ωστόσο, είναι ικανά να αλληλεπιδρούν επιλεκτικά με μονομερή ινώδη. Τέτοια θραύσματα μπορούν να ληφθούν με την καταστροφή αυτών των πρωτεϊνών από ένζυμα. Σε πειράματα μαζί τους, είναι εύκολο να παρατηρήσουμε πώς τα ενεργά θραύσματα αλληλεπιδρούν με το ινώδες και διαταράσσουν τη συναρμολόγηση ινών. Είναι ακριβώς τέτοια πειράματα - η παραγωγή και η μελέτη ενεργών θραυσμάτων - στο οποίο ασχολείται σήμερα το εργαστήριό μας. Ελπίζουμε ότι μελετώντας τη δομή και τις επιλεκτικές αντιδράσεις αυτών των θραυσμάτων, θα κατανοήσουμε καλύτερα πώς κατασκευάζονται και λειτουργούν οι ίδιες οι πρωτεΐνες.

Η συμπληρωματικότητα των ιοντικών ομάδων, που παίζει τόσο σημαντικό ρόλο στην αυτοσυναρμολόγηση του ινώδους, είναι, προφανώς, επίσης σημαντική για την αυτοσυναρμολόγηση άλλων βιολογικών δομών. Το μερίδιο της ενέργειας των ηλεκτροστατικών δεσμών στο συνολικό ποσό της ενέργειας αλληλεπίδρασης των συνδετικών μορίων είναι πιθανώς μικρό. Πιο απαραίτητο για τη σύνδεση των μορίων είναι οι "υδρόφοβοι" δεσμοί. Αλλά οι ιονικές ομάδες μπορούν να επιταχύνουν την αυτοσυναρμολόγηση. Τα ηλεκτροστατικά φορτία μπορούν να αλληλεπιδράσουν σε σχετικά μεγάλη απόσταση. Και είναι η μακροχρόνια δράση τους που καθιστά δυνατή, πιθανώς, να «διερευνήσει» το περιβάλλον, να αναγνωρίσει τον επιθυμητό συνεργάτη και να επικοινωνήσει μαζί του με προσανατολισμένο τρόπο.
Το πλήρες σχήμα σχηματισμού ινώδους, ξεκινώντας από ινωδογόνο, περιλαμβάνει το ένζυμο θρομβίνη, το οποίο χαρακτηρίζεται από εκπληκτικά λεπτή επιλεκτικότητα. Υπό τις συνθήκες που χαρακτηρίζουν τη δράση της, δεν επηρεάζει καθόλου πολλές «ξένες» πρωτεΐνες. Δρα μόνο στο ινωδογόνο και εκτελεί μόνο μία ιδιαίτερα ειδική λειτουργία: αποσπά τα πεπτίδια ινώδους από αυτό. Αυτή η εργασία της θρομβίνης είναι απαραίτητη και επαρκής για τον σχηματισμό μονομερούς ινώδους.

Αυτό υποδηλώνει ότι κατά τη συναρμολόγηση πολύπλοκων δομών, που λαμβάνουν χώρα σε διάφορα στάδια, πρέπει επίσης να δρουν συγκεκριμένα ένζυμα, όπως η θρομβίνη.Είναι εύκολο να φανταστεί κανείς την ακόλουθη αλληλουχία αντιδράσεων: μια πρόδρομη πρωτεΐνη, που προορίζεται, για παράδειγμα, να συμμετάσχει σε δύο αντιδράσεις συναρμολόγησης, ενεργοποιείται από το πρώτο ένζυμο και συνδυάζεται με έναν συγκεκριμένο συνεργάτη. Αυτό το καθιστά διαθέσιμο για το δεύτερο ένζυμο και την επακόλουθη ειδική προσκόλληση του δεύτερου συνεργάτη. Είναι πιθανό ότι αυτός ακριβώς είναι ο μηχανισμός οργάνωσης αυτών των βιολογικών δομών, η πολυπλοκότητα των οποίων αποκλείει τη δυνατότητα άμεσης αυτοσυναρμολόγησης.

Στα ενδιάμεσα στάδια της συναρμολόγησης σύνθετων δομών, τα ένζυμα μπορούν να είναι όχι μόνο εργαλεία ενεργοποίησης. Η δράση τους μπορεί να αλλάξει τις γενικές ιδιότητες των πρωτεϊνών. Για παράδειγμα, μια συγκεκριμένη πρωτεΐνη, ήδη «ενσωματωμένη» σε μια δομή, μπορεί να γίνει ένα αδιάλυτο μέρος αυτής, έχοντας χάσει, χάρη στα ένζυμα, ένα σημαντικό μέρος των υδρόφιλων συστατικών της. Φυσικά, ένα τέτοιο σχήμα δεν αποκλείει άλλα, που συνεπάγονται την πιθανότητα ύπαρξης πρωτεϊνών φορέων που παρέχουν αδιάλυτες πρωτεΐνες στη θέση συναρμολόγησης.

Συμπερασματικά, πρέπει να σημειωθεί ότι η μελέτη των διαδικασιών συναρμολόγησης των υπερμοριακών βιολογικών δομών είναι μια περιοχή γεμάτη με ασαφείς και περίπλοκες ερωτήσεις. Επομένως, σε αυτό το στάδιο της ανάπτυξής του, οι πληροφορίες σχετικά με τις διεργασίες που συμβαίνουν σε σχετικά απλά συστήματα όπως το σύστημα σχηματισμού ινών ινώδους είναι ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα και χρήσιμη.

V. Belitser

Παρόμοιες δημοσιεύσεις

Νευρικές παρορμήσεις και RNA

Η γέννηση της μοριακής βιολογίας

Πώς να "χτίσετε" ένα μόριο;