Com es construeixen les estructures proteiques

La biologia moderna ha penetrat profundament a les profunditats de la cèl·lula, el "maó" dels vius. Una cèl·lula viva va aparèixer als científics com una combinació harmoniosa d’estructures més senzilles: membranes, tubs, grànuls, formacions fibroses, constituïdes per molècules ordenades connectades entre si.

L'estudi de les estructures biològiques, la seva composició i organització molecular, la seva activitat específica s'ha convertit en objecte de biologia molecular.

L’èxit d’aquest últim s’associa principalment a la descodificació de l’estructura dels àcids nucleics i la naturalesa de la informació hereditària. Una molècula d'àcid nucleic és una seqüència lineal de quatre tipus de nucleòtids disposats en un ordre complex però estrictament definit, que es pot comparar amb la disposició regular de lletres en un text significatiu. De la mateixa manera que un text porta algun missatge, alguna informació, l'ordre dels nucleòtids en una molècula d'àcid nucleic conté informació sobre les estructures individuals de les proteïnes que s'han de crear en el procés de construcció d'un organisme.

Una molècula de proteïna també és una seqüència lineal d’elements estructurals, però no nucleòtids, sinó vint tipus d’aminoàcids. Cada combinació de tres nucleòtids en una molècula d’àcid nucleic (codi genètic) predetermina la inclusió d’un o altre dels vint aminoàcids. La seqüència de triplets de nucleòtids determina la seqüència exacta d’aminoàcids a la molècula de proteïna sintetitzada.

Continuant amb la comparació generalment acceptada d’informació genètica amb text escrit, podem dir que durant la síntesi de proteïnes, el text escrit en el llenguatge nucleòtid es tradueix al llenguatge dels aminoàcids. La informació continguda en el text dels aminoàcids d’un determinat tipus de proteïna, és a dir, la composició i la seqüència d’aminoàcids inherents a ella mateixa, determina la seva forma i subtil organització interna, l’ordenació espacial dels elements estructurals, dels quals depenen algunes de les seves funcions biològiques. Quan es pertorba aquesta ordenació, les proteïnes enzimàtiques, per exemple, perden la seva capacitat de catalitzar les reaccions al cos.

Els estudis han demostrat que certes funcions d'una proteïna es realitzen directament per associacions de grups químics situats en determinades parts d'una molècula de proteïna ordenada, centres funcionals específics. Quan l’ordre s’interromp (per exemple, es fon una molècula de proteïna), les combinacions de grups químics tenen l’oportunitat de canviar la seva disposició mútua, la dispersió i els centres funcionals deixen d’existir.

Per tant, la traducció del llenguatge nucleòtid al llenguatge dels aminoàcids no és només una traducció. Les lletres d’aminoàcids són molt més riques en contingut físic i químic que les de nucleòtids. I, en general, la informació que porta una molècula de proteïna és fonamentalment diferent de la informació de nucleòtids, ja que també determina l’especificitat de l’estructura de les molècules de proteïna i les seves funcions biològiques més subtils.

Hi ha una comparació més des del camp tècnic. La informació continguda en els àcids nucleics és com els plànols a partir dels quals es fabriquen i es munten les peces en un ordre específic. Una molècula de proteïna és un mecanisme reunit i la informació continguda en la seqüència dels seus aminoàcids és el programa del propi mecanisme.

En una cèl·lula viva, la majoria de les proteïnes no funcionen en estat lliure, sinó com a components d’estructures complexes: sistemes ben equilibrats i controlats, on cada proteïna té un lloc determinat i una certa participació en la funció general, ja fisiològica. La construcció d’estructures cel·lulars complexes és una transició dialèctica del camp de la química (que hauria d’incloure el funcionament de molècules de proteïnes individuals) al camp de la biologia.

Les estructures biològiques complexes, a més de proteïnes, també contenen lípids, hidrats de carboni i altres substàncies.No obstant això, en la construcció d’estructures intracel·lulars complexes, el paper d’aquestes substàncies no és el principal.

Per la mateixa naturalesa de la seva estructura química, els hidrats de carboni i els lípids simplement no poden contenir la gran quantitat d'informació necessària per a aquesta construcció. El paper més important pertany a proteïnes específiques.

Per tant, la biologia molecular actual confirma i detalla la coneguda posició de F. Engels sobre les proteïnes com a base de la vida. A les proteïnes, on es construeixen molècules infinitament diverses a partir d’elements estructurals amb propietats molt diferents, on la precisió d’una organització única es combina amb la flexibilitat i la plasticitat, la natura ha trobat un material excepcional que permetia crear una forma biològica de moviment de la matèria superior.
L’estricta organització molecular de les estructures biològiques es determina principalment per les peculiaritats de la interacció de les proteïnes. Les seves molècules es connecten selectivament: cadascuna té veïns ben definits. Aquestes poden ser molècules idèntiques i diferents d’ella. Però, en qualsevol cas, els veïns estan "programats", configurats i no poden ser d'una altra manera. La precisió de l’organització s’agreuja encara més pel fet que les proteïnes que no són les mateixes en la configuració espacial, amb grups químics situats de manera diferent, estan connectades entre si d’una manera orientada: no a l’atzar, sinó només en determinades zones de les seves superfícies. Aquestes àrees de contacte s’estructuren químicament per proporcionar una selectivitat d’unió fiable i lliure d’errors. Es diuen zones de contacte específiques o centres específics.

La presència de centres específics és una propietat comuna de les proteïnes que realitzen funcions biològiques especialitzades. Aquests són els "òrgans de treball" de les molècules de proteïnes. Gràcies a centres específics específics, les proteïnes enzimàtiques s’uneixen selectivament a substàncies, els catalitzadors de les transformacions químiques de les quals són proteïnes antitoxina, s’uneixen a toxines, etc.

Un sistema d’interaccions s’organitza entre els grups químics d’un centre específic i una molècula parella en contacte. Inclou, en primer lloc, l'atracció electrostàtica entre grups amb càrregues elèctriques oposades; en segon lloc, els anomenats enllaços d’hidrogen entre grups elèctricament polars; i, finalment, tercer, enllaços "hidròfobs": interaccions entre grups no polars (grups repel·lits per l'aigua). Com a regla general, aquí no sorgeixen enllaços químics estables, ja que cadascuna de les interaccions enumerades és força feble. Però, en general, el sistema d’un centre específic proporciona una força suficient per a la connexió de les molècules.

L'esmentada selectivitat de l'acció de centres específics s'aconsegueix a causa de la correspondència en la composició i la disposició de grups químics al centre mateix i a la molècula parella, l'anomenada complementarietat. Qualsevol reemplaçament o moviment de grups significa una violació del complementari ™. També és clar que un centre específic no només és un mecanisme de treball, sinó també un xifratge que permet a una molècula de proteïna "reconèixer" el seu soci entre moltes altres molècules, fins i tot aquelles que tenen una gran similitud amb aquest soci.

El concepte de centres específics reflecteix només el caràcter general dels mecanismes funcionals inherents a les proteïnes. Les funcions específiques de les proteïnes, l'estructura i les reaccions dels seus centres específics segueixen sent una àrea de la ciència on queda gairebé tot per fer. Això també s'aplica als processos de formació d'estructures biològiques supramoleculars.

Algunes estructures biològiques són extremadament complexes. Aquestes són, per exemple, membranes amb * complexos enzimàtics. El muntatge d’aquestes estructures es duu a terme, com demostren les dades d’altres estudis, mitjançant un ampli sistema de nombrosos components proteics.La participació de moltes proteïnes en aquest treball és, aparentment, només indirecta: només participen en el procés de creació d’una estructura, però no s’inclouen en la seva composició. Se suposa que hi ha enzims específics entre aquestes proteïnes accessòries.

D’altra banda, hi ha estructures biològiques que tenen una estructura relativament senzilla. Per exemple, altres estructures fibroses es construeixen a partir de molècules de proteïnes d’un sol tipus.

En diversos casos als laboratoris és possible descompondre estructures biològiques simples en els seus elements individuals: proteïna i altres molècules. En condicions ambientals adequades, aquests elements es combinen de nou per si mateixos en l'ordre correcte i recreen l'estructura original. Aquest procés de recreació es denomina habitualment auto-muntatge. Diversos equips de recerca, tant a l’estranger com al nostre país, estudien els seus mecanismes. Un d’aquests grups és el Laboratori d’estructures i funcions de proteïnes de l’Institut de Bioquímica, on s’estudia l’autoassemblatge de fibres de fibrina.
La fibrina és una proteïna fibrosa que apareix a la sang quan es coagula. La formació d’una xarxa contínua de les seves fibres converteix la sang líquida en una massa gelatinosa solidificada. És gràcies a aquest fenomen que l’hemorràgia s’atura després de les lesions: la sang de la superfície danyada del cos coagula.

En condicions favorables per al cos a la sang que circula pels vasos intactes, hi ha un precursor soluble de fibrina: la proteïna fibrinògena. Quan es danyen els vasos sanguinis, un sistema complex especial de proteïnes comença a produir l’enzim trombina, que divideix quatre petites partícules anomenades pèptids de fibrina d’una gran molècula de fibrinogen. En haver-los perdut, el fibrinogen es converteix en proteïna de fibrina, la polimerització (connexió entre si) de les molècules de la qual es formen fibres.

Les molècules de fibrina monomèrica es polimeritzen amb una característica d’ordenació estricta de tots els processos d’autoassemblatge.

Els estudis experimentals dels processos d’auto-muntatge requereixen solucions
molècules de proteïnes monomèriques corresponents. La seva font són gairebé sempre estructures supramoleculars naturals, en què els monòmers estan més o menys "muntats" fermament. La complexitat i dificultat d'obtenir solucions monomèriques inicials a partir d'aquestes estructures és que un "desmuntatge" imprecís pot danyar molècules de proteïnes fràgils.

Per tant, el primer problema que sorgeix abans que els científics que s’inicien en l’estudi dels processos d’autoensamblatge és precisament el “desmantellament” d’estructures biològiques. En cada cas individual, s’ha de buscar mètodes d’acció específics de cada estructura que trenquin efectivament els enllaços entre els seus monòmers constitutius i no causin cap dany als mateixos monòmers. Per a la fibrina, no va ser possible durant molt de temps trobar una forma completament satisfactòria de descomposició de les seves fibres de polímer. Les solucions d’urea proposades inicialment amb aquest propòsit i després de bromur de sodi eren ineficaços. Només el 1965, un empleat del nostre laboratori T.V. Varetskaya va desenvolupar un mètode que compleix completament tots els requisits basats en l’ús de solucions diluïdes d’àcid acètic a temperatures properes a 0 ° C. Les molècules de fibrina monomèriques obtingudes d’aquesta manera sempre tenen les mateixes propietats, reproduïdes de l’experiment a experiència. Els mètodes anteriors de descomposició de fibrina en solucions d’urea o bromur de sodi no donaven tal constància de propietats: diferents mostres de la proteïna monomèrica obtinguda amb la seva ajuda diferien, per exemple, en diferents taxes de polimerització.

Curiosament, quan s’obté una altra proteïna, la proteïna estructural dels mitocondris, en estat dissolt, els millors resultats (com van concloure els científics nord-americans que estudien l’autoassemblatge d’aquestes estructures) també donen una solució diluïda refredada d’àcid acètic.

Els processos implicats en l’autoensamblatge d’estructures s’estudien de diverses maneres.Una d’aquestes formes és un estudi sistemàtic dels resultats d’influir en el curs del procés de determinades substàncies.

Per exemple, es pot produir un retard en la polimerització de la fibrina si la solució inicial de monòmer està exposada a una solució aquosa de sals inorgàniques, en particular el clorur de sodi. Dins dels límits de baixes concentracions de sal (fins al 2-3%), el retard en la polimerització és més fort, més "forta" serà la solució.

Quina informació proporciona aquest fet?

Se sap que existeixen sals en una solució aquosa en forma d’ions que porten càrregues elèctriques positives i negatives. L'eficiència electrostàtica dels ions sal generalment s'estima per un valor especial: la força iònica, que té en compte la concentració de la solució i la magnitud de la càrrega dels seus ions. Aquí la naturalesa química dels ions salats és irrellevant. El retard en la polimerització es determina principalment per la força iònica de la solució salina afegida a la solució de proteïna monomèrica. Això demostra que l’efecte té una naturalesa predominantment electrostàtica. Bviament, els ions de sal filtren ("apaguen") les càrregues elèctriques de les molècules de fibrina monomèrica, circumstància que només indica que les seves càrregues elèctriques estan implicades en el mecanisme de connexió selectiva de les molècules de proteïna. En condicions normals, en absència d’interferències d’ions de sal carregats electrostàticament, els grups iònics amb càrrega positiva i negativa, que es troben complementaris en centres específics, haurien d’atraure molècules entre si.

Estudis més detallats realitzats al nostre laboratori per E.V. Lugovskii han demostrat que, juntament amb l’efecte general de detecció de la força iònica, hi ha un altre efecte de les sals, que depèn en gran mesura de la naturalesa química i la individualitat dels ions i que es determina per la seva capacitat d’adherència a una proteïna. Aparentment, la fixació d’un ió a un centre específic introdueix una alteració addicional en el seu treball.

E. V. Lugovskii va investigar l’efecte de les concentracions de sal més altes sobre la polimerització. Va resultar que algunes sals retarden dràsticament, mentre que altres, al contrari, acceleren la polimerització. Així, per exemple, dues sals relacionades, el clorur de sodi i el bromur, actuen de manera oposada: la primera accelera i la segona retarda el procés. Com el bromur, però encara més fort, el iodur de sodi actua, com el clorur, amb diferents concentracions (de vegades més fortes, després més febles) que actuen els sulfats, fosfats i algunes altres sals.

Va resultar que per la força de l’efecte accelerador sobre la polimerització de la fibrina, les sals es disposen seguides, cosa que coincideix amb la sèrie ja coneguda per a la “sal” (precipitació) de proteïnes en solucions amb altes concentracions de sal. No obstant això, en experiments amb polimerització de fibrina, encara no es produeix una salazón real, ja que el procés s’estudia a concentracions de sal que encara no arriben a les de sal. A més, quan es salen, les proteïnes es precipiten en forma de massa sense forma i, en el cas descrit, es van formar fibres de fibrina normals, que es podien veure mitjançant un microscopi de contrast de fase.

Molts estudis han trobat que la propensió d'una proteïna a la sal es potencia mitjançant la presència en les seves molècules de grups no polars propers a la seva superfície i en contacte amb el medi ambient. Com més grups d’aquest tipus, menor serà la concentració de la solució salina, suficient per salar la proteïna.

Aquestes posicions tan conegudes es poden utilitzar per explicar els resultats del nostre experiment, en què, sens dubte, es manifesta un efecte de sal, que indica que una molècula de fibrina monomèrica hauria de contenir un gran nombre de grups no polars a la seva superfície. Però no tenim una saladura real. L’efecte salat només es manifesta en l’acceleració de la polimerització específica. Això només s’explica pel fet que els grups no polars són components complementaris d’un centre específic de la molècula de proteïna.

Per tant, els estudis sobre l’efecte de les solucions salines sobre la polimerització de la fibrina mostren que tant les interaccions electrostàtiques com les interaccions “hidrofòbiques” entre grups no polars participen en el procés d’autoassemblatge de la fibrina. Les dades d'altres estudis indiquen que també hi participa el tercer tipus d'interaccions entre molècules de proteïna: els enllaços d'hidrogen.

Passem ara al fibrinogen, el precursor de la fibrina. Les seves molècules també són capaces de polimeritzar-se per formar fibres semblants a la fibrina. Per tant, els monòmers fibrinògens també tenen centres específics. No obstant això, la seva polimerització requereix condicions especials i, en particular, una elevada força iònica de la solució. Si el blindatge de les càrregues elèctriques retarda la polimerització de la fibrina, al contrari, és un requisit previ per combinar monòmers de fibrinògens a la cadena. Però d'això es desprèn que la disposició de les càrregues elèctriques en un centre específic de la molècula de fibrinogen és desfavorable per a la polimerització i només s'ha de dur a terme mitjançant la interacció d'aquests grups químics que no tenen càrrega elèctrica.

Els pèptids de fibrina, amb la divisió de la qual la molècula de fibrinogen es converteix en molècula de fibrina monomèrica, porten càrregues elèctriques negatives. Pel que sembla, la seva eliminació és el factor que canvia el sistema de càrregues en un centre específic i crea complementarietat.

Curiosament, un dels tipus de sagnat, una malaltia hereditària greu, és causat per un canvi mutacional del fibrinogen, en què aquesta proteïna perd les seves càrregues positives a prop dels punts de clivatge dels pèptids de fibrina. Aquests últims, com en el cas normal, estan trencats, però la trombina ja no causa l’activació del fibrinogen (tal com mostra el diagrama, l’activació consisteix en el fet que s’allibera una càrrega positiva propera d’un centre específic de l’efecte neutralitzant del pèptid de fibrina. Si no hi ha cap càrrega, llavors l’escissió del pèptid de fibrina no té sentit: l’activació no es produeix.)

Alguns fragments de fibrinogen o fibrina es caracteritzen per centres específics defectuosos, que, però, són capaços d’interactuar selectivament amb la fibrina monomèrica. Aquests fragments es poden obtenir mitjançant la destrucció d’aquestes proteïnes per part dels enzims. En experiments amb ells, és fàcil observar com els fragments actius interactuen amb la fibrina i interrompen el muntatge de les fibres. Precisament són aquests experiments, la producció i l’estudi de fragments actius, en què es dedica actualment el nostre laboratori. S'espera que estudiant l'estructura i les reaccions selectives d'aquests fragments, entenguem millor com es construeixen i actuen les proteïnes.

La complementarietat dels grups iònics, que juga un paper tan essencial en l’autoassemblatge de la fibrina, és, aparentment, també important en l’autoassemblatge d’altres estructures biològiques. La proporció de l'energia dels enllaços electrostàtics en la quantitat total d'energia d'interacció de les molècules de connexió és probablement petita. Més importants per a la connexió de les molècules són els enllaços "hidrofòbics". Però els grups iònics poden accelerar l’automuntatge. Les càrregues electrostàtiques poden interactuar a una distància relativament llarga. I és que la seva acció a llarg abast permet, probablement, “sondar” l’entorn, reconèixer el soci desitjat i posar-se en contacte amb ell d’una manera orientada.
L’esquema complet de formació de fibrina, començant pel fibrinogen, inclou l’enzim trombina, que es caracteritza per una selectivitat increïblement fina. En les condicions característiques de la seva acció, no toca en absolut moltes proteïnes "estranyes". Només actua sobre el fibrinogen i només realitza una funció purament específica: en separa els pèptids de fibrina. Aquest treball de trombina és necessari i suficient per a la formació de fibrina monomèrica.

Això suggereix que a l’hora d’assemblar estructures molt complexes, que té lloc en diverses etapes, també haurien d’actuar enzims específics com la trombina.És fàcil imaginar la següent seqüència de reaccions: una proteïna precursora, destinada, per exemple, a participar en dues reaccions de muntatge, és activada pel primer enzim i es combina amb un soci específic; això el fa disponible per al segon enzim i la posterior connexió específica del segon soci. És possible que aquest sigui precisament el mecanisme d’organització d’aquestes estructures biològiques, la complexitat de les quals exclou la possibilitat d’un auto-muntatge directe.

En les etapes intermèdies del muntatge d’estructures complexes, els enzims no només poden ser eines d’activació. La seva acció pot alterar les propietats generals de les proteïnes. Per exemple, una determinada proteïna, ja "incrustada" a l'estructura, pot convertir-se en la seva part insoluble, ja que ha perdut una part important dels seus components hidròfils a causa d'enzims. Per descomptat, aquest esquema no exclou d’altres, la qual cosa implica la possibilitat de l’existència de proteïnes portadores que lliuren proteïnes insolubles al lloc de muntatge.

En conclusió, cal assenyalar que l’estudi dels processos d’assemblatge d’estructures biològiques supramoleculars és una àrea plena de qüestions poc clares i complexes. Per tant, en aquesta fase del seu desenvolupament, la informació sobre els processos que es produeixen en sistemes tan senzills com el sistema de formació de fibra de fibrina és especialment interessant i útil.

V. Belitser

Publicacions similars

Impulsos neuronals i ARN

El naixement de la biologia molecular

Com "construir" una molècula?