כיצד בנויים מבני חלבון

מקוקר: המתכונים הטובים ביותר על מדע

כיצד בנויים מבני חלבון הביולוגיה המודרנית חדרה עמוק למעמקי התא - "הלבנה" של החיים. תא חי נראה למדענים כשילוב הרמוני של מבנים פשוטים יותר - קרומים, צינורות, גרגירים, תצורות סיביות, המורכבים ממולקולות מסודרות המחוברות זו לזו.

חקר המבנים הביולוגיים, הרכבם וארגונם המולקולרי, פעילותם הספציפית הפכו לנושא הביולוגיה המולקולרית.

ההצלחה של האחרונה קשורה בעיקר לפענוח של מבנה חומצות הגרעין ולאופי המידע התורשתי. מולקולת חומצות גרעין היא רצף לינארי של ארבעה סוגים של נוקלאוטידים המסודרים בסדר מורכב אך מוגדר בקפידה, שניתן להשוות אותם לסידור האותיות הרגיל בטקסט משמעותי. כשם שטקסט נושא מסר כלשהו, מידע כלשהו, סדר הנוקלאוטידים במולקולת חומצת גרעין מכיל מידע על המבנים האינדיבידואליים של חלבונים שאמורים להיווצר בתהליך בניית אורגניזם.

מולקולת חלבון היא גם רצף ליניארי של יסודות מבניים, אך לא נוקלאוטידים, אלא עשרים סוגים של חומצות אמינו. כל שילוב של שלושה נוקלאוטידים במולקולת חומצת גרעין (קוד גנטי) קובע מראש הכללה של אחת או עשרים מחומצות האמינו. רצף שלישיות הנוקליאוטידים קובע את הרצף המדויק של חומצות אמינו במולקולת החלבון המסונתז.

בהמשך להשוואה המקובלת כבר בעבר של מידע גנטי עם טקסט כתוב, אנו יכולים לומר כי במהלך סינתזת החלבון, הטקסט הכתוב בשפת הנוקליאוטידים מתורגם לשפת חומצות האמינו. המידע הכלול בטקסט של חומצות אמינו של סוג מסוים של חלבון - כלומר, הרכב ורצף של חומצות אמינו הטמונות בו בלבד - קובע את צורתו ואת הארגון הפנימי העדין - הסדר המרחבי של אלמנטים מבניים, שעליהם מסוימים תפקודים ביולוגיים תלויים. כאשר סדר זה מופרע, חלבוני האנזים, למשל, מאבדים את יכולתם לזרז תגובות בגוף.

מחקרים הראו כי פונקציות מסוימות של חלבון מבוצעות ישירות על ידי אסוציאציות של קבוצות כימיות הממוקמות בחלקים מסוימים של מרכזי פונקציה ספציפיים למולקולת חלבון. כאשר הסדר מופרע - למשל מולקולת חלבון נמס - אז צירופי הקבוצות הכימיות מקבלים את ההזדמנות לשנות את הסידור ההדדי שלהם, מרכזי פיזור ומרכז פונקציונלי מפסיקים להתקיים.

לפיכך, התרגום של שפת הנוקלאוטידים לשפה של חומצות אמינו אינו רק תרגום. אותיות חומצות אמינו עשירות הרבה יותר בתוכן פיזיקלי וכימי מאשר נוקלאוטידים. ובאופן כללי, המידע המועבר על ידי מולקולת חלבון שונה במהותו ממידע הנוקליאוטידים, מכיוון שהוא קובע את הספציפיות של מבנה מולקולות החלבון ואת התפקודים הביולוגיים הדקים ביותר שלהם.

יש לבצע השוואה נוספת מהתחום הטכני. המידע הכלול בחומצות גרעין הוא כמו שרטוטים שמהם מייצרים חלקים ומורכבים בסדר מסוים. מולקולת חלבון היא מנגנון מורכב, והמידע הכלול ברצף חומצות האמינו שלה הוא התוכנית של המנגנון עצמו. כיצד בנויים מבני חלבון

בתא חי, רוב החלבונים מתפקדים לא במצב חופשי, אלא כרכיבים של מבנים מורכבים - מערכות מאוזנות ומבוקרות, כאשר לכל חלבון יש מקום מסוים וחלק מסוים בתפקוד הכללי, שכבר פיזיולוגי. בניית מבני תאים מורכבים היא מעבר דיאלקטי מתחום הכימיה (שאמור לכלול תפקוד של מולקולות חלבון בודדות) לתחום הביולוגיה.

מבנים ביולוגיים מורכבים, בנוסף לחלבונים, מכילים גם ליפידים, פחמימות וחומרים אחרים.עם זאת, בבניית מבנים מורכבים תאיים, תפקידם של חומרים אלה אינו המוביל.

מעצם טיב המבנה הכימי שלהם, פחמימות ושומנים פשוט אינם יכולים להכיל את כמות המידע הגדולה ביותר הדרושה לבנייה כזו. התפקיד החשוב ביותר בו שייך לחלבונים ספציפיים.

לפיכך, הביולוגיה המולקולרית של ימינו מאשרת ומפרטת את עמדתו הידועה של F. Engels לגבי חלבונים כבסיס החיים. בחלבונים, בהם מולקולות מגוונות לאין ערוך בנויים מאלמנטים מבניים בעלי תכונות שונות מאוד, כאשר הדיוק של ארגון ייחודי משולב עם גמישות ופלסטיות, הטבע מצא חומר יוצא דופן שאפשר ליצור צורה גבוהה יותר של תנועה של חומר.
הארגון המולקולרי הקפדני של מבנים ביולוגיים נקבע בעיקר על ידי המוזרויות של אינטראקציה בין חלבונים. המולקולות שלהם מחוברות באופן סלקטיבי: לכל אחת מהן יש שכנים מוגדרים היטב. אלה יכולות להיות מולקולות זהות לזו או שונות ממנה. אך בכל מקרה, השכנים "מתוכנתים", מסודרים ולא יכולים להיות אחרת. דיוק הארגון מחמיר עוד יותר מכך שחלבונים שאינם זהים בתצורה מרחבית, עם קבוצות כימיות הממוקמות אחרת, מחוברים זה לזה בצורה מכוונת: לא באופן אקראי, אלא רק על ידי אזורים מסוימים במשטחים שלהם. אזורי מגע אלה בנויים כימית כדי לספק סלקטיביות מליטה אמינה וללא טעויות. הם נקראים אזורי מגע ספציפיים, או מרכזים ספציפיים.

נוכחותם של מרכזים ספציפיים היא רכוש משותף של חלבונים המבצעים פונקציות ביולוגיות מיוחדות. אלה הם "האיברים העובדים" של מולקולות חלבון. הודות למרכזים ספציפיים מיוחדים, חלבוני אנזים קושרים באופן סלקטיבי חומרים שזרזיהם של טרנספורמציות כימיות הם חלבונים נגד רעלים, קשורים לרעלים וכו '

מערכת אינטראקציות מאורגנת בין הקבוצות הכימיות של מרכז ספציפי למולקולת שותף במגע. הוא כולל, ראשית, משיכה אלקטרוסטטית בין קבוצות עם מטענים חשמליים מנוגדים; שנית, מה שנקרא קשרי מימן בין קבוצות קוטביות חשמלית; ולבסוף, שלישית, קשרים "הידרופוביים" - יחסי גומלין בין קבוצות לא קוטביות (קבוצות שנדחקות על ידי מים). ככלל, קשרים כימיים יציבים אינם נוצרים כאן מכיוון שכל אחת מהאינטראקציות הרשומות בנפרד היא חלשה למדי. אך באופן כללי, המערכת של מרכז ספציפי מספקת חוזק מספק של חיבור המולקולות.

הסלקטיביות הנ"ל של פעולת מרכזים ספציפיים מושגת עקב ההתאמה בהרכב ובסידור של קבוצות כימיות במרכז ובמולקולת השותף - מה שמכונה השלמה. כל החלפה או תנועה של קבוצות פירושה הפרה של ™ המשלים. ברור גם שמרכז ספציפי הוא לא רק מנגנון עבודה, אלא גם צופן המאפשר למולקולת חלבון "לזהות" את בן זוגה בין מולקולות רבות אחרות, גם כאלו עם דמיון רב לבן זוג זה.

הרעיון של מרכזים ספציפיים משקף רק את האופי הכללי של המנגנונים הפונקציונליים הטמונים בחלבונים. הפונקציות הספציפיות של חלבונים, המבנה והתגובות של המרכזים הספציפיים שלהם נותרו תחום מדעי שבו כמעט הכל נותר לעשות. זה חל גם על תהליכי היווצרות של מבנים ביולוגיים על-מולקולריים.

יש מבנים ביולוגיים מורכבים ביותר. כאלה הם, למשל, ממברנות עם * קומפלקסים אנזימטיים. הרכבת מבנים כאלה מתבצעת, כפי שמראים נתונים ממחקרים אחרים, על ידי מערכת גדולה של רכיבי חלבון רבים.השתתפותם של חלבונים רבים בעבודה זו היא, ככל הנראה, רק עקיפה - הם משתתפים רק בתהליך יצירת מבנה, אך אינם נכללים בהרכבו. ההנחה היא כי ישנם אנזימים ספציפיים בין חלבונים אביזרים אלה.

מצד שני, ישנם מבנים ביולוגיים בעלי מבנה פשוט יחסית. לדוגמא, מבנים סיביים אחרים בנויים ממולקולות חלבון מסוג אחד בלבד.

במקרים מסוימים במעבדות ניתן לפרק מבנים ביולוגיים פשוטים לאלמנטים הנפרדים שלהם - חלבון ומולקולות אחרות. בתנאים סביבתיים מתאימים, אלמנטים אלה שוב משולבים מעצמם בסדר הנכון ומשחזרים את המבנה המקורי. תהליך יצירה מחדש זה מכונה בדרך כלל הרכבה עצמית. מספר צוותי מחקר בחו"ל ובארצנו חוקרים את המנגנונים שלה. אחת הקבוצות הללו היא המעבדה למבני חלבונים ותפקודים של המכון לביוכימיה, שם נלמד הרכבה עצמית של סיבי פיברין.
פיברין הוא חלבון סיבי המופיע בדם כאשר הוא נקרש. היווצרות רשת סיבים מתמשכת הופכת דם נוזלי למסה ג'לטינית שהתמצקה. בזכות תופעה זו הדימום נעצר לאחר פציעות - הדם על פני הגוף הפגוע נקרש.

בתנאים נוחים לגוף בדם המסתובב דרך כלי שלמים, ישנו מבשר מסיס לפיברין - החלבון פיברינוגן. כשנפגעים בכלי הדם, מערכת מורכבת מיוחדת של חלבונים מתחילה לייצר את האנזים טרומבין, שמפלס ארבעה חלקיקים קטנים הנקראים פפטידים פיברינים ממולקולת פיברינוגן גדולה. לאחר שאיבד אותם, הפיברינוגן הופך לחלבון פיברין, שהפילמור (קשר זה עם זה) של המולקולות שלהן יוצר סיבים.

מולקולות פיברין מונומריות מתפלמלות עם מאפיין סדרי קפדני של כל תהליכי ההרכבה העצמית.

מחקרים ניסיוניים על תהליכי הרכבה עצמית דורשים פתרונות
מולקולות חלבון מונומריות תואמות. מקורם כמעט תמיד במבנים על-מולקולריים טבעיים, בהם המונומרים "מותקנים" פחות או יותר. המורכבות והקושי להשיג פתרונות מונומריים ראשוניים ממבנים אלה נעוצים בעובדה ש"פירוק "רשלני עלול לפגוע במולקולות חלבון שבירות.

לכן, הבעיה הראשונה שמתעוררת בפני מדענים היוצאים לחקר תהליכי הרכבה עצמית היא דווקא "פירוק" המבנים הביולוגיים. בכל מקרה בודד יש לחפש שיטות פעולה ספציפיות לכל מבנה אשר ישברו למעשה את הקשרים בין המונומרים המרכיבים אותו ולא יגרמו נזק למונומרים עצמם. לפיברין לא ניתן היה למצוא זמן רב פירוק מספק לחלוטין של פירוק סיבי הפולימר שלו. הפתרונות של אוריאה שהוצעו בתחילה למטרה זו ואחר כך של נתרן ברומיד לא היו יעילים. רק בשנת 1965, עובד במעבדתנו, TV Varetskaya, פיתח שיטה העונה לחלוטין על כל הדרישות המבוססות על השימוש בתמיסות מדוללות של חומצה אצטית בטמפרטורות הקרובות ל- 0 מעלות צלזיוס. מולקולות הפיברין המונומריות שהושגו בדרך זו תמיד היו אותם מאפיינים, שהועתקו מניסוי לחוויה. השיטות הקודמות לפירוק של פיברין בתמיסות אוריאה או נתרן ברומיד לא נתנו קביעות כזו של תכונות: דגימות שונות של החלבון המונומרי שהושג בעזרתן נבדלו, למשל, בשיעורי פילמור שונים.

מעניין שכאשר חלבון אחר, החלבון המבני של המיטוכונדריה, מתקבל במצב מומס, התוצאות הטובות ביותר (כפי שהגיעו החוקרים המדענים האמריקאים שבדקו את ההרכבה העצמית של מבנים אלה) נותנות גם תמיסה מדוללת מקוררת של חומצה אצטית.

התהליכים הכרוכים בהרכבה עצמית של מבנים נלמדים בדרכים שונות.אחת הדרכים הללו היא מחקר שיטתי של תוצאות ההשפעה על התהליך של חומרים מסוימים.

לדוגמא, עיכוב בפילמור הפיברין יכול להיגרם אם תמיסת המונומר הראשונית נחשפת לתמיסה מימית של מלחים אנאורגניים, ובמיוחד נתרן כלורי. בגבולות ריכוזי המלח הנמוכים - עד 2-3% - העיכוב בפולימריזציה הוא חזק יותר, הפיתרון "חזק יותר".

איזה מידע עובדה זו מספקת?

ידוע כי מלחים בתמיסה מימית קיימים בצורה של יונים הנושאים מטענים חשמליים חיוביים ושליליים. היעילות האלקטרו-סטטית של יוני המלח נאמדת בדרך כלל על ידי ערך מיוחד - חוזק יוני, הלוקח בחשבון את ריכוז התמיסה ואת גודל המטען של היונים שלה. האופי הכימי של יוני המלח הבודדים אינו רלוונטי כאן. עיכוב הפילמור נקבע בעיקר על ידי חוזק היונים של תמיסת המלח שנוספה לתמיסת החלבון המונומרי. זה מראה כי ההשפעה היא בעיקר אלקטרוסטטית באופיה. ברור, שיוני המלח מקרינים ("מרווים") את המטענים החשמליים של מולקולות הפיברין המונומריות - נסיבה שרק מעידה על כך שהמטענים החשמליים שלהם מעורבים במנגנון של חיבור סלקטיבי של מולקולות חלבון. בתנאים רגילים - בהיעדר הפרעה מיוני מלח טעונים אלקטרוסטטית - קבוצות יוניות טעונות חיוביות ושליליות, המשלימות הממוקמות במרכזים ספציפיים, צריכות למשוך מולקולות זו לזו.

מחקרים מפורטים יותר שבוצעו במעבדתנו על ידי EV Lugovskii הראו כי לצד השפעת הסינון הכללית של חוזק היונים, קיימת השפעה נוספת של מלחים, שתלויה מאוד באופי הכימי, האינדיבידואליות של היונים ונקבעת על פי יכולתם להיצמד לחלבון. תוספת יון למרכז ספציפי מביאה ככל הנראה הפרעה נוספת בעבודתה.

E. V. Lugovskii חקר את ההשפעה של ריכוזי מלח גבוהים יותר על פילמור. התברר כי חלק מהמלחים מתעכבים בצורה חדה, בעוד שאחרים, להיפך, מאיצים פילמור. כך, למשל, שני מלחים קשורים, נתרן כלורי וברומיד, פועלים בניגוד: הראשון מאיץ והשני מעכב את התהליך. כמו ברומיד, אך חזק עוד יותר, נתרן יודיד פועל, כמו כלוריד, עם חוזקות שונים - לפעמים חזקים יותר, ואז חלשים יותר - פועלים סולפטים, פוספטים ומלחים אחרים.

התברר שבכוח ההשפעה המאיצה על פילמור הפיברין, המלחים מסודרים בשורה העולה בקנה אחד עם השורה הוותיקה והידועה ל"מלחת "(משקעים) של חלבונים בתמיסות עם ריכוזי מלח גבוהים. עם זאת, בניסויים עם פילמור פיברין, המלחה אמיתית עדיין לא מתרחשת, מכיוון שהתהליך נחקר בריכוזי מלח שעדיין לא מגיעים למליחה. בנוסף, במהלך ההמלחה, מזרזים חלבונים בצורה של מסה חסרת צורה, ובמקרה המתואר נוצרו סיבי פיברין תקינים - ניתן היה לראותם באמצעות מיקרוסקופ ניגודיות פאזה.

מחקרים רבים מצאו כי הנטייה של חלבון להמלחה מוגברת על ידי נוכחותן של קבוצות לא קוטביות במולקולותיו הנמצאות קרוב לפני השטח ובמגע עם הסביבה. ככל שקבוצות כאלה רבות יותר, כך ריכוז תמיסת המלח נמוך יותר, ומספיק להמלחת החלבון.

ניתן להשתמש במיקומים ידועים אלה כדי להסביר את תוצאות הניסוי שלנו, שבהן, ללא ספק, השפעת המלחה מתבטאת, מה שמעיד כי מולקולת פיברין מונומרית צריכה להכיל מספר רב של קבוצות לא קוטביות על פני השטח שלה. אבל אין לנו המלחה אמיתית. אפקט ההמלחה בא לידי ביטוי רק בתאוצה של פילמור ספציפי. ניתן להסביר זאת רק על ידי העובדה שקבוצות לא קוטביות הן מרכיבים משלימים של מרכז ספציפי של מולקולת החלבון. כיצד בנויים מבני חלבון

לפיכך, מחקרים על ההשפעה של תמיסות מלוחים על פילמור פיברין מראים כי גם אינטראקציות אלקטרוסטטיות וגם אינטראקציות "הידרופוביות" בין קבוצות שאינן קוטביות מעורבות בתהליך ההרכבה העצמית של הפיברין. מנתוני מחקרים אחרים עולה כי מעורב גם הסוג השלישי של אינטראקציות בין מולקולות חלבון - קשרי מימן.

בואו נפנה כעת לפיברינוגן, מבשרו של הפיברין. המולקולות שלה מסוגלות גם להתפלמר ליצירת סיבים דמויי פיברין. לפיכך, למונומרים של פיברינוגן יש מרכזים ספציפיים. עם זאת, הפילמור שלהם דורש תנאים מיוחדים ובמיוחד חוזק יוני גבוה של התמיסה. אם מיגון מטענים חשמליים מעכב פילמור פיברין, נהפוך הוא, זהו תנאי מוקדם לשילוב מונומרים של פיברינוגן בשרשרת. אך מכאן נובע שמיקומם של מטענים חשמליים במרכז ספציפי של מולקולת הפיברינוגן אינו שלילי לפולימריזציה ויש לבצעו רק באמצעות אינטראקציה של אותן קבוצות כימיות שאין להן מטען חשמלי.

פפטידי פיברין, עם המחשוף שמולקולת הפיברינוגן הופכת למולקולת פיברין מונומרית, נושאים מטענים חשמליים שליליים. ככל הנראה, הסרתם היא הגורם המשנה את מערכת הטענות במרכז ספציפי ויוצר השלמה.

מעניין שאחד מסוגי הדימום, מחלה תורשתית קשה, נגרם על ידי שינוי מוטציה בפיברינוגן, בו חלבון זה מאבד מהמטענים החיוביים שלו בסמוך לנקודות המחשוף של פפטידי פיברין. האחרונים, כמו במקרה הרגיל, מנותקים, אך טרומבין אינו גורם עוד להפעלה של פיברינוגן, (כפי שמופיע בתרשים, ההפעלה מורכבת מכך שמשתחרר מטען חיובי קרוב של מרכז ספציפי מהאפקט המנטרל של פיברין- פפטיד. אם אין מטען כזה, מחשוף של פפטיד פיברין הופך לחסר משמעות: הפעלה אינה מתרחשת).

שברים מסוימים של פיברינוגן או פיברין מאופיינים במרכזים ספציפיים פגומים, אשר, עם זאת, מסוגלים לתקשר באופן סלקטיבי עם פיברין מונומר. שברים כאלה ניתן להשיג על ידי השמדת חלבונים אלה על ידי אנזימים. בניסויים איתם קל לראות כיצד שברים פעילים מתקשרים עם פיברין ומשבשים את הרכבת הסיבים. בדיוק בניסויים כאלה - ייצור וחקר שברים פעילים - עוסקת כיום המעבדה שלנו. יש לקוות כי על ידי בחינת המבנה והתגובות הסלקטיביות של שברים אלה, נבין טוב יותר כיצד החלבונים עצמם בנויים ומתפקדים.

ההשלמה של קבוצות יוניות, הממלאת תפקיד כה חיוני בהרכבה העצמית של הפיברין, חשובה, ככל הנראה, גם בהרכבה עצמית של מבנים ביולוגיים אחרים. חלקם של האנרגיה של קשרים אלקטרוסטטיים בכמות הכוללת של אנרגיית האינטראקציה של המולקולות המחברות הוא כנראה לא גדול. חיוניים יותר לחיבור מולקולות הם קשרים "הידרופוביים". אך קבוצות יוניות יכולות להאיץ את ההרכבה העצמית. מטענים אלקטרוסטטיים יכולים לתקשר על פני מרחק רב יחסית. ופעולתם ארוכת הטווח היא שמאפשרת, ככל הנראה, "לחקור" את הסביבה, לזהות את הפרטנר הרצוי ולפנות אליו בצורה מכוונת.
התוכנית השלמה של היווצרות פיברין, החל מפיברינוגן, כוללת את האנזים טרומבין, המאופיין בסלקטיביות עדינה להפליא. בתנאים האופייניים לפעולתו, הוא כלל אינו נוגע בהרבה חלבונים "זרים". הוא פועל רק על פיברינוגן והוא ממלא תפקיד פונקציונלי אחד בלבד: הוא מפלס ממנו פפטידי פיברין. עבודה זו של תרומבין הכרחית ומספיקה ליצירת פיברין מונומרי.

זה מצביע על כך שכאשר מרכיבים מבנים מורכבים מאוד, המתרחשים בכמה שלבים, חייבים לפעול גם אנזימים ספציפיים, כמו טרומבין.קל לדמיין את רצף התגובות הבא: חלבון מבשר, שנועד, למשל, להשתתף בשתי תגובות הרכבה, מופעל על ידי האנזים הראשון ומשלב עם בן זוג ספציפי; זה הופך אותו לזמין לאנזים השני ולהתקשרות ספציפית של בן הזוג השני. יתכן שזהו בדיוק מנגנון הארגון של אותם מבנים ביולוגיים, שמורכבותם אינה כוללת אפשרות להרכבה עצמית ישירה.

בשלבי הביניים של הרכבת מבנים מורכבים, אנזימים יכולים להיות לא רק כלים להפעלה. פעולתם יכולה לשנות את התכונות הכלליות של חלבונים. לדוגמא, חלבון מסוים, שכבר "מוטבע" במבנה, יכול להפוך לחלק בלתי מסיס ממנו, לאחר שאיבד, הודות לאנזימים, חלק משמעותי ממרכיביו ההידרופיליים. כמובן, תוכנית כזו אינה שוללת אחרים, המרמזים על האפשרות לקיומם של חלבונים נושאים המספקים חלבונים שאינם מסיסים לאתר ההרכבה.

לסיכום, יש לציין כי חקר תהליכי ההרכבה של מבנים ביולוגיים על-מולקולריים הוא אזור שופע שאלות לא ברורות ומורכבות. לכן, בשלב זה של התפתחותו, מידע אודות התהליכים המתרחשים במערכות פשוטות יחסית כמו מערכת היווצרות סיבי הפיברין הוא מעניין ושימושי במיוחד.

V. Belitser