Как строятся белковые структуры

Хлебопечка.ру О науке

Как строятся белковые структурыСовременная биология глубоко проникла в недра клетки—«кирпичика» живого. Живая клетка предстала перед учеными как стройное сочетание более простых структур — мембран, трубочек, гранул, волокнистых образований, состоящих из упорядоченно соединенных между собой молекул.

Изучение биологических структур, их состава и молекулярной организации, их специфической деятельности стало предметом молекулярной биологии.

Успехи последней связывают в первую очередь с расшифровкой строения нуклеиновых кислот и природы наследственной информации. Молекула нуклеиновой кислоты представляет собой линейную последовательность четырех видов нуклеотидов, располагающихся в сложном, но строго определенном порядке, который можно сравнить с закономерным расположением букв в осмысленном тексте. Так же, как текст несет в себе какое-то сообщение, какую-то информацию, порядок нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты содержит информацию об индивидуальных структурах белков, которым предстоит быть созданными в процессе построения организма.

Молекула белка — это тоже линейная последовательность структурных элементов, но уже не нуклеотидов, а двадцати видов аминокислот. Каждая комбинация из трех нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты (генетический код) предопределяет включение той или иной из двадцати аминокислот. Последовательность нуклеотидных троек определяет точную последовательность аминокислот в синтезируемой белковой молекуле.

Продолжая общепринятое уже сравнение генетической информации с письменным текстом, можно сказать, что при синтезе белка текст, написанный на нуклеотидном языке, переводится на язык аминокислот. Информация же, содержащаяся в аминокислотном тексте конкретного вида белка — то есть свойственные ему одному состав и последовательность аминокислот,— определяет его форму и тонкую внутреннюю организацию — пространственную упорядоченность структурных элементов, от которой зависят те или иные его биологические функции. При нарушении этой упорядоченности белки-ферменты, например, теряют способность быть катализаторами протекающих в ’организме реакций.

Как показали исследования, те или иные функции белка непосредственно выполняются объединениями химических групп, расположенными в определенных участках упорядоченной белковой молекулы — специфических функциональных центрах. Когда упорядоченность нарушается — например, молекула белка плавится,— то объединения химических групп получают возможность менять свое взаимное расположение, рассеиваются и функциональные центры перестают существовать.

Таким образом, перевод нуклеотидного языка на язык аминокислот не просто перевод. Аминокислотные буквы значительно богаче по физико-химическому содержанию, чем нуклеотидные. И в целом информация, которую несет белковая молекула, коренным образом отличается от нуклеотидной информации, так как определяет и специфичность строения белковых молекул и тончайшие биологические функции их.

Можно прибегнуть еще к одному сравнению, почерпнутому из области техники. Информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, подобна чертежам, по которым в определенном порядке изготавливаются и собираются детали. Молекула же белка — это собранный механизм, и информация, которая содержится в последовательности ее аминокислот, — это программа работы самого механизма.Как строятся белковые структуры

В живой клетке большинство белков функционирует не в свободном состоянии, а в качестве компонентов сложных структур— хорошо сбалансированных и управляемых систем, где каждому белку принадлежит определенное место и определенная доля в общей, уже физиологической функции. Построение же сложных структур клетки представляет собой диалектический переход из области химии (куда следует отнести функционирование отдельных молекул белков) в область биологии.

Сложные биологические структуры, помимо белков, содержат еще липиды, углеводы и другие вещества. Однако при построении сложных внутриклеточных структур роль этих веществ не является ведущей.

В углеводах н липидах по самому характеру их химического строения просто-напросто не может быть заключено то очень большое количество информации, которое необходимо для такого строительства. Важнейшая роль в нем принадлежит именно специфическим белкам.

Тем самым сегодняшняя молекулярная биология подтверждает и детализирует известное положение Ф. Энгельса о белках как основе жизни. В белках, где бесконечно разнообразные молекулы построены из структурных элементов с очень различными свойствами, где точность уникальной организации сочетается с гибкостью и пластичностью, природа нашла исключительный материал, позволивший создать высшую, биологическую форму движения материи.
Строгая молекулярная организация биологических структур определяется в первую очередь особенностями взаимодействия белков. Их молекулы соединены избирательно: каждая имеет вполне определенных соседей. Таковыми могут быть как молекулы, идентичные данной, так и отличные от нее. Но в любом случае соседи «запрограммированы», заданы и не могут быть иными. Точность организации усугубляется еще и тем, что белки, неодинаковые по пространственной конфигурации, с различным образом расположенными химическими группами, соединяются друг с другом ориентированно: не как попало, а только определенными участками своих поверхностей. Эти контактирующие участки имеют химическое строение, которое обеспечивает надежность и безошибочную избирательность соединения. Их называют специфическими контактными зонами, или специфическими центрами.

Наличие специфических центров — это общее свойство белков, выполняющих специализированные биологические функции. Это «рабочие органы» белковых молекул. Благодаря особым специфическим центрам белки-ферменты избирательно присоединяют вещества, катализаторами химических превращений которых являются белки-антитоксины, связывают токсины и т. д.

Между химическими группами специфического центра и молекулы-партнера при контакте их организуется система взаимодействий. В нее входят, во-первых, электростатические притяжения между группами, имеющими противоположные электрические заряды; во-вторых, так называемые водородные связи между электрически полярными группами; и, наконец, в-третьих, «гидрофобные» связи — взаимодействия между неполярными группами (группами, отталкиваемыми водой). Устойчивых химических связей здесь, как правило, не возникает, так как каждое в отдельности из перечисленных взаимодействий достаточно слабое. Но в целом система специфического центра обеспечивает достаточную прочность соединения молекул.

Упомянутая выше избирательность действия специфических центров достигается за счет соответствия в составе и размещении химических групп в самом центре и в молекуле-партнере — так называемой комплементарности. Любая замена или перемещение групп означает нарушение комплементарное™. Так же ясно и то, что специфический центр — не только рабочий механизм, но и шифр, позволяющий белковой молекуле «узнавать» своего партнера среди множества других, даже имеющих с этим партнером большое сходство, молекул.

Представление о специфических центрах отражает лишь общий характер функциональных механизмов, присущих белкам. Конкретные же функции белков, строение и реакции их специфических центров остаются областью науки, где почти все еще предстоит сделать. Это относится и к процессам формирования надмолекулярных биологических структур.

Некоторые биологические структуры исключительно сложны. Таковы, например, мембраны с* ферментативными комплексами. Сборка подобных структур осуществляется, как показывают данные иных исследований, большой системой из многочисленных белковых компонентов. Участие многих белков в этой работе является, по-видимому, лишь косвенным — они только участвуют в процессе создания структуры, но не входят в ее состав. Предполагается, что среди этих вспомогательных белков есть специфические ферменты.

С другой стороны, существуют биологические структуры, имеющие сравнительно простое строение. Например, иные волокнистые структуры построены из белковых молекул только одного вида.

В ряде случаев в лабораториях удается разложить несложные биологические структуры на отдельные элементы их — белковые и иные молекулы. При соответствующих условиях среды эти элементы вновь сами по себе соединяются в нужном порядке и воссоздают исходную структуру. Этот процесс воссоздания обычно называют самосборкой. Изучением его механизмов занимается ряд научных коллективов как за рубежом, так и в нашей стране. Один из таких коллективов—лаборатория структур и функций белка Института биохимии, где исследуется самосборка волокон фибрина.
Фибрин — волокнистый белок, появляющийся в крови при ее свертывании. Формирование непрерывной сети его волокон превращает жидкую кровь в застывшую желатинозную массу. Именно благодаря этому явлению происходит остановка кровотечения после ранений — кровь на поврежденной поверхности тела свертывается.

В благополучных для организма условиях в крови, циркулирующей по неповрежденным сосудам, имеется растворимый предшественник фибрина — белок фибриноген. При повреждении кровеносных сосудов специальная сложная система белков начинает продуцировать фермент тромбин, который отщепляет от крупной молекулы фибриногена четыре небольшие частицы, называемые фибрин-пептидами. Потеряв их, фибриноген превращается в фибрин-белок, полимеризация (соединение друг с другом) молекул которого образует волокна.

Молекулы мономерного фибрина полимеризуются со строгой упорядоченностью, характерной для всех процессов самосборки.

Для экспериментального изучения процессов самосборки необходимы растворы
соответствующих мономерных белковых молекул. Их источником почти всегда служат природные надмолекулярные структуры, в которых мономеры более или менее прочно «смонтированы». Сложность и трудность получения из этих структур исходных мономерных растворов состоит в том, что неаккуратный «демонтаж» может повредить хрупкие молекулы белка.

Поэтому первой проблемой, которая встает перед учеными, приступающими к исследованию процессов самосборки, является именно «демонтаж» биологических структур. В каждом отдельном случае приходится подыскивать особые для каждой структуры способы воздействий, которые эффективно разрывали бы связи между составляющими ее мономерами и не причиняли бы никакого вреда самим мономерам. Для фибрина долгое время не удавалось найти вполне удовлетворительного способа разложения его полимерных волокон. Первоначально предложенные для этой цели растворы мочевины, а затем бромистого натрия были малоэффективными. Лишь в 1965 году сотрудница нашей лаборатории Т. В. Варецкая разработала вполне удовлетворяющий всем требованиям метод, основанный на применении разбавленных растворов уксусной кислоты при температурах, близких к 0° С. Получаемые таким путем мономерные молекулы фибрина имеют всегда одинаковые свойства, воспроизводящиеся от опыта к опыту. Прежние же способы разложения фибрина в растворах мочевины или бромистого натрия не давали такого постоянства свойств: разные образцы полученного с их помощью мономерного белка отличались, например, различной скоростью полимеризации.

Интересно, что при получении в растворенном состоянии другого белка—структурного белка митохондрий — наилучшие результаты (как заключили американские ученые, изучающие самосборку этих структур) также дает охлажденный разбавленный раствор уксусной кислоты.

Процессы, идущие при самосборке структур, изучаются различными путями. Один из этих путей — систематическое исследование результатов воздействия на ход процесса определенных веществ.

Например, задержку в полимеризации фибрина можно вызвать, если воздействовать на исходный мономерный раствор водным раствором неорганических солей, в частности хлористого натрия. В пределах низких концентраций солей — до 2—3% — задержка в полимеризации тем сильнее, чем «крепче» раствор.

Какую информацию дает этот факт?

Известно, что соли в водном растворе существуют в виде ионов, несущих положительные и отрицательные электрические заряды. Электростатическая эффективность ионов солей оценивается обычно особой величиной—ионной силой, которая учитывает концентрацию раствора и величину заряда ее ионов. Химическая природа отдельных ионов соли при этом не имеет значения. Задержка полимеризации определяется в основном ионной силой солевого раствора, добавляемого к раствору мономерных белков. Это показывает, что эффект имеет преимущественно электростатическую природу. Очевидно, что ионы солей экранируют («гасят») электрические заряды молекул мономерного фибрина — обстоятельство, как раз свидетельствующее о том, что в механизме избирательного соединения белковых молекул участвуют их электрические заряды. В нормальных условиях — при отсутствии помех со стороны электростатически заряженных ионов солей — положительно и отрицательно заряженные ионные группы, комплементарно расположенные в специфических центрах, должны притягивать молекулы друг к другу.

Более обстоятельные исследования, проведенные в нашей лаборатории Э. В. Луговским, показали, что наряду с общим экранирующим эффектом ионной силы существует и иное действие солей, сильно зависящее как раз от химической природы, индивидуальности ионов и определяемое их способностью присоединяться к белку. Присоединение иона к специфическому центру вносит, по-видимому, дополнительное нарушение в его работу.

Э. В. Луговский исследовал действие на полимеризацию более высоких концентраций солей. При этом оказалось, что одни соли резко задерживают, а другие, напротив, ускоряют полимеризацию. Так, противоположно действуют, например, две родственные соли—хлорид и бромид натрия: первая ускоряет, а вторая задерживает процесс. Подобно бромиду, но еще сильнее, действует иодид натрия, подобно хлориду, с разной силой — то сильнее, то слабее — действуют сульфаты, фосфаты и некоторые другие соли.

Оказалось, что по силе ускоряющего действия на полимеризацию фибрина соли располагаются в ряд, совпадающий с давно установленным и хорошо известным рядом для «высаливания» (осаждения) белков в растворах с высокими концентрациями солей. Однако в опытах с полимеризацией фибрина еще не происходит настоящего высаливания, так как процесс изучается при концентрациях солей, которые еще далеко не достигают высаливающих. Кроме того, при высаливании белки осаждаются в виде бесформенной массы, а в описанном случае формировались нормальные волокна фибрина — их можно было увидеть при помощи фазово-контрастного микроскопа.

Многими исследованиями было установлено, что склонность белка к высаливанию усиливается наличием в его молекулах неполярных групп, близких к ее поверхности и контактирующих со средой. Чем больше таких групп, тем ниже концентрация солевого раствора, достаточная для высаливания белка.

Эти известные положения можно привлечь для объяснения результатов нашего опыта, в котором, несомненно, проявляется высаливающий эффект, говорящий о том, что молекула мономерного фибрина должна содержать на своей поверхности большое количество неполярных групп. Но настоящего высаливания у нас не происходит. Высаливающий эффект проявляется лишь в ускорении специфической полимеризации. Это может быть объяснено только тем, что неполярные группы являются комплементарными компонентами специфического центра молекулы белка.Как строятся белковые структуры

Таким образом, исследования действия солевых растворов на полимеризацию фибрина показывают, что в процессе его самосборки участвуют как электростатические взаимодействия, так и «гидрофобные» взаимодействия между неполярными группами. Данные же других исследований говорят о том, что здесь участвует и третий тип взаимодействий между молекулами белка — водородные связи.

Обратимся теперь к фибриногену — предшественнику фибрина. Его молекулы также способны полимеризоваться с образованием волокон, подобных волокнам фибрина. Следовательно, мономеры фибриногена также имеют специфические центры. Однако полимеризация их требует особых условий и, в частности, высокой ионной силы раствора. Если экранирование электрических зарядов задерживает полимеризацию фибрина, то для объединения в цепи мономеров фибриногена оно, напротив, является обязательным условием. Но отсюда следует, что расположение электрических зарядов в специфическом центре молекулы фибриногена неблагоприятно для полимеризации и она должна осуществляться только за счет взаимодействия тех химических групп, которые не имеют электрического заряда.

Фибрин-пептиды, с отщеплением которых молекула фибриногена становится молекулой мономерного фибрина, несут отрицательные электрические заряды. По-видимому, их удаление является тем фактором, который изменяет систему зарядов в специфическом центре и создает комплемен-тарность.

Интересно, что один из видов кровоточивости— тяжелой наследственной болезни — вызывается мутационным изменением фибриногена, при котором этот белок утрачивает положительные заряды вблизи пунктов отщепления фибрин-пептидов. Последние, как и в нормальном случае, отщепляются, но тромбин при этом уже не вызывает активации фибриногена, (Как показывает схема, активация состоит в том, что от нейтрализующего влияния фибрин-пептида освобождается близлежащий положительный заряд специфического центра. Если же такого заряда нет, то отщепление фибрин-пептида становится бессмысленным: активации не происходит.)

Определенным фрагментам фибриногена или фибрина свойственны неполноценные специфические центры, способные, однако, избирательно взаимодействовать с мономерным фибрином. Такие фрагменты можнй получить при разрушении названных белков ферментами. При опытах с ними легко наблюдать, как активные фрагменты, взаимодействуя с фибрином, нарушают сборку волокон. Именно такими опытами — получением и исследованием активных фрагментов — занимается в настоящее время наша лаборатория. Можно надеяться, что, изучая строение и избирательные реакции этих фрагментов, мы лучше поймем, как построены и действуют сами белки.

Комплементарность ионных групп, которая играет столь существенную роль в процессе самосборки фибрина, важна, по-видимому, и в самосборке других биологических структур. Доля энергии электростатических связей в общей сумме энергии взаимодействия соединяющихся молекул, наверное, невелика. Более существенными для соединения молекул являются «гидрофобные» связи. Но ионные группы могут ускорять самосборку. Электростатические заряды могут взаимодействовать на относительно далеком расстоянии. И это их дальнодействие позволяет, вероятно, «зондировать» окружающую среду, распознавать нужного партнера и ориентированно контактировать с ним.
В полную схему образования фибрина, начинающуюся с фибриногена, входит фермент тромбин, отличающийся поразительно тонкой избирательностью. В условиях, характерных для его действия, он совершенно не затрагивает множество «посторонних» белков. Он действует лишь на фибриноген, причем выполняет только одну сугубо специфическую функцию: отщепляет от него фибрин-пептиды. Эта работа тромбина необходима и достаточна для образования мономерного фибрина.

Напрашивается предположение, что при сборке очень сложных структур, которая проходит в несколько этапов, должны также действовать специфические ферменты, подобные тромбину. Легко представить себе следующую последовательность реакций: белок-предшественник, предназначенный, например, для участия в двух сборочных реакциях, активируется первым ферментом и соединяется с определенным партнером; это делает его доступным для второго фермента и последующего специфического присоединения второго партнера. Возможно, что именно таков механизм организации тех биологических структур, сложность которых исключает возможность прямой самосборки.

На промежуточных этапах сборки сложных структур ферменты могут быть не только инструментами активации. Их действие может изменять общие свойства белков. Например, определенный белок, уже «вмонтированный» в структуру, может стать нерастворимой ее частью, потеряв благодаря ферментам значительную часть своих гидрофильных компонентов. Конечно, такая схема не исключает и других, подразумевающих возможность существования белков-переносчиков, которые доставляют нерастворимые белки к месту сборки.

В заключение нужно отметить, что изучение процессов сборки надмолекулярных биологических структур—это область, изобилующая неясными и сложными вопросами. Поэтому на данном этапе ее развития сведения о процессах, протекающих в таких сравнительно простых системах, как система образования волокон фибрина, особенно интересны и полезны.

В. Белицер

 


Физиологическая двухмерность информации: механизмы и следствия   Проба с L-Дофа

Все рецепты

Случайные рецепты

Еще случайные рецепты
* *




Поиск по сайту