كيف يتم بناء هياكل البروتين |
|
أصبحت دراسة الهياكل البيولوجية وتكوينها وتنظيمها الجزيئي ونشاطها المحدد موضوع علم الأحياء الجزيئي. يرتبط نجاح هذا الأخير في المقام الأول بفك تشفير بنية الأحماض النووية وطبيعة المعلومات الوراثية. جزيء الحمض النووي هو تسلسل خطي من أربعة أنواع من النيوكليوتيدات مرتبة بترتيب معقد ولكن محدد بدقة ، والتي يمكن مقارنتها بالترتيب المعتاد للحروف في نص ذي معنى. مثلما يحمل النص بعض الرسائل ، وبعض المعلومات ، فإن ترتيب النيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي يحتوي على معلومات حول الهياكل الفردية للبروتينات التي سيتم إنشاؤها في عملية بناء كائن حي. جزيء البروتين هو أيضًا تسلسل خطي للعناصر الهيكلية ، ولكن ليس النيوكليوتيدات ، ولكن عشرين نوعًا من الأحماض الأمينية. كل توليفة من ثلاثة نيوكليوتيدات في جزيء الحمض النووي (الشفرة الوراثية) تحدد مسبقًا إدراج واحد أو آخر من الأحماض الأمينية العشرين. يحدد تسلسل النوكليوتيدات الثلاثية التسلسل الدقيق للأحماض الأمينية في جزيء البروتين المركب. استمرارًا للمقارنة المقبولة عمومًا للمعلومات الجينية بالنص المكتوب ، يمكننا القول أنه أثناء تخليق البروتين ، تتم ترجمة النص المكتوب بلغة النيوكليوتيدات إلى لغة الأحماض الأمينية. تحدد المعلومات الواردة في نص الأحماض الأمينية لنوع معين من البروتين - أي تكوين وتسلسل الأحماض الأمينية المتأصلة فيه وحدها - شكله وتنظيمه الداخلي الدقيق - الترتيب المكاني للعناصر الهيكلية التي تعتمد عليها بعض عناصره البيولوجية. وظائف تعتمد. في حالة اضطراب هذا الترتيب ، تفقد بروتينات الإنزيم ، على سبيل المثال ، قدرتها على تحفيز التفاعلات في الجسم. أظهرت الدراسات أن وظائف معينة للبروتين يتم إجراؤها مباشرة عن طريق روابط مجموعات كيميائية تقع في مناطق معينة من جزيء بروتين مرتب - مراكز وظيفية محددة. عندما يتعطل الترتيب - على سبيل المثال ، يذوب جزيء البروتين - تحصل مجموعات المجموعات الكيميائية على فرصة لتغيير ترتيبها المتبادل ، فتتوقف مراكز الانتثار والوظيفية عن الوجود. وبالتالي ، فإن ترجمة لغة النوكليوتيدات إلى لغة الأحماض الأمينية ليست مجرد ترجمة. تعد أحرف الأحماض الأمينية أكثر ثراءً في المحتوى الكيميائي الفيزيائي من تلك النوكليوتيدات. وبشكل عام ، فإن المعلومات التي يحملها جزيء البروتين تختلف اختلافًا جوهريًا عن معلومات النوكليوتيدات ، لأنها تحدد أيضًا خصوصية بنية جزيئات البروتين ووظائفها البيولوجية الدقيقة. يمكن إجراء مقارنة أخرى من المجال التقني. المعلومات الواردة في الأحماض النووية مثل المخططات التي يتم منها تصنيع الأجزاء وتجميعها بترتيب معين. جزيء البروتين عبارة عن آلية مجمعة ، والمعلومات الواردة في تسلسل الأحماض الأمينية هي برنامج الآلية نفسها. في الخلية الحية ، لا تعمل معظم البروتينات في حالة حرة ، ولكن كمكونات لهياكل معقدة - أنظمة متوازنة ومسيطر عليها جيدًا ، حيث يكون لكل بروتين مكان معين ونصيب معين في الوظيفة الفسيولوجية الشاملة. يعد بناء الهياكل الخلوية المعقدة بمثابة انتقال ديالكتيكي من مجال الكيمياء (والذي يجب أن يشمل عمل جزيئات البروتين الفردية) إلى مجال علم الأحياء. تحتوي الهياكل البيولوجية المعقدة ، بالإضافة إلى البروتينات ، أيضًا على الدهون والكربوهيدرات ومواد أخرى.ومع ذلك ، في بناء الهياكل المعقدة داخل الخلايا ، فإن دور هذه المواد ليس هو الدور الرئيسي. بحكم طبيعة تركيبها الكيميائي ، لا يمكن للكربوهيدرات والدهون ببساطة أن تحتوي على تلك الكمية الكبيرة جدًا من المعلومات الضرورية لمثل هذا البناء. الدور الأكثر أهمية فيه ينتمي إلى بروتينات معينة. وهكذا ، تؤكد البيولوجيا الجزيئية اليوم وتفصل الموقف المعروف لـ F. Engels بشأن البروتينات كأساس للحياة. في البروتينات ، حيث يتم بناء جزيئات متنوعة بلا حدود من عناصر هيكلية ذات خصائص مختلفة تمامًا ، حيث يتم الجمع بين دقة التنظيم الفريد والمرونة واللدونة ، وجدت الطبيعة مادة استثنائية جعلت من الممكن إنشاء شكل بيولوجي أعلى للحركة من المادة. يعد وجود مراكز محددة خاصية مشتركة للبروتينات التي تؤدي وظائف بيولوجية متخصصة. هذه هي "الأعضاء العاملة" لجزيئات البروتين. بسبب المراكز المحددة الخاصة ، تقوم بروتينات الإنزيم بربط المواد بشكل انتقائي ، ومحفزات التحولات الكيميائية منها البروتينات المضادة للسموم ، والسموم الرابطة ، إلخ. يتم تنظيم نظام من التفاعلات بين المجموعات الكيميائية لمركز معين وجزيء شريك عندما تتلامس. وهي تتضمن ، أولاً ، التجاذب الكهروستاتيكي بين المجموعات ذات الشحنات الكهربائية المعاكسة ؛ ثانيًا ، ما يسمى بالروابط الهيدروجينية بين المجموعات القطبية كهربائيًا ؛ وأخيرًا ، ثالثًا ، الروابط "الكارهة للماء" - التفاعلات بين المجموعات غير القطبية (المجموعات التي تنفرها المياه). كقاعدة عامة ، لا تنشأ هنا روابط كيميائية مستقرة ، لأن كل تفاعل على حدة من التفاعلات المدرجة ضعيف نوعًا ما. ولكن بشكل عام ، يوفر نظام مركز معين قوة كافية لربط الجزيئات. يتم تحقيق الانتقائية المذكورة أعلاه لعمل مراكز محددة بسبب التطابق في تكوين ووضع المجموعات الكيميائية في المركز ذاته وفي الجزيء الشريك - ما يسمى بالتكامل. أي استبدال أو تحرك مجموعات يعني انتهاك ™ التكميلية. من الواضح أيضًا أن مركزًا معينًا ليس فقط آلية عمل ، ولكنه أيضًا تشفير يسمح لجزيء البروتين "بالتعرف" على شريكه من بين العديد من الجزيئات الأخرى ، حتى تلك التي لها تشابه كبير مع هذا الشريك. يعكس مفهوم المراكز المحددة فقط الطابع العام للآليات الوظيفية الكامنة في البروتينات. تظل الوظائف المحددة للبروتينات ، وهيكل وتفاعلات مراكزها المحددة مجالًا من العلوم حيث لا يزال يتعين القيام بكل شيء تقريبًا. ينطبق هذا أيضًا على عمليات تكوين الهياكل البيولوجية فوق الجزيئية. بعض الهياكل البيولوجية معقدة للغاية. هذه ، على سبيل المثال ، أغشية ذات مجمعات إنزيمية. يتم تنفيذ تجميع هذه الهياكل ، كما تظهر بيانات الدراسات الأخرى ، من خلال نظام كبير من العديد من مكونات البروتين.يبدو أن مشاركة العديد من البروتينات في هذا العمل غير مباشرة فقط - فهي تشارك فقط في عملية إنشاء بنية ، ولكنها غير مدرجة في تكوينها. من المفترض أن هناك إنزيمات معينة بين هذه البروتينات الملحقة. من ناحية أخرى ، هناك هياكل بيولوجية ذات بنية بسيطة نسبيًا. على سبيل المثال ، بُنيت الهياكل الليفية الأخرى من نوع واحد فقط من جزيئات البروتين. في عدد من الحالات في المختبرات ، من الممكن تحلل الهياكل البيولوجية البسيطة إلى عناصرها الفردية - البروتين والجزيئات الأخرى. في ظل الظروف البيئية المناسبة ، يتم دمج هذه العناصر مرة أخرى من تلقاء نفسها بالترتيب الصحيح وإعادة إنشاء الهيكل الأصلي. يشار إلى عملية إعادة الإنشاء هذه عمومًا باسم التجميع الذاتي. يقوم عدد من فرق البحث في الخارج وفي بلدنا بدراسة آلياتها. إحدى هذه المجموعات هي مختبر تراكيب البروتين ووظائفه في معهد الكيمياء الحيوية ، حيث يتم التحقيق في التجميع الذاتي لألياف الفيبرين. في الظروف المواتية للجسم في الدم الذي يدور عبر الأوعية السليمة ، هناك سلائف قابلة للذوبان من الفيبرين - بروتين الفيبرينوجين. عندما تتلف الأوعية الدموية ، يبدأ نظام معقد خاص من البروتينات في إنتاج إنزيم الثرومبين ، الذي يشق أربعة جزيئات صغيرة تسمى ببتيدات الفيبرين من جزيء كبير من الفيبرينوجين. بعد فقدها ، يتحول الفيبرينوجين إلى بروتين ليفي ، بلمرة (اتصال مع بعضها البعض) للجزيئات التي تشكل الألياف. تتبلمر جزيئات الفيبرين الأحادية مع خاصية الترتيب الصارمة لجميع عمليات التجميع الذاتي. تتطلب الدراسات التجريبية لعمليات التجميع الذاتي حلولاً لذلك ، فإن المشكلة الأولى التي تظهر قبل العلماء الذين يشرعون في دراسة عمليات التجميع الذاتي هي على وجه التحديد "تفكيك" الهياكل البيولوجية. في كل حالة فردية ، يتعين على المرء أن يبحث عن طرق عمل محددة لكل هيكل ، والتي من شأنها أن تكسر الروابط بين المونومرات المكونة لها ولن تسبب أي ضرر للمونومرات نفسها. بالنسبة للفيبرين ، لم يكن من الممكن لفترة طويلة العثور على طريقة مرضية تمامًا لتحلل ألياف البوليمر الخاصة به. كانت محاليل اليوريا المقترحة في البداية لهذا الغرض ، ثم بروميد الصوديوم ، غير فعالة. فقط في عام 1965 ، طور موظف في مختبرنا TV Varetskaya طريقة تلبي تمامًا جميع المتطلبات بناءً على استخدام المحاليل المخففة لحمض الأسيتيك عند درجات حرارة قريبة من 0 درجة مئوية. خصائص ، مستنسخة من تجربة إلى تجربة. لم تقدم الطرق السابقة لتحلل الفيبرين في محاليل اليوريا أو بروميد الصوديوم مثل هذا الثبات في الخصائص: اختلفت العينات المختلفة من البروتين الأحادي التي تم الحصول عليها بمساعدتها ، على سبيل المثال ، بمعدلات البلمرة المختلفة. ومن المثير للاهتمام ، أنه عندما يتم الحصول على بروتين آخر ، وهو البروتين البنيوي للميتوكوندريا ، في حالة مذابة ، فإن أفضل النتائج (كما خلص العلماء الأمريكيون الذين يدرسون التجميع الذاتي لهذه الهياكل) تعطي أيضًا محلولًا مخففًا مبردًا من حمض الأسيتيك. تتم دراسة العمليات المتضمنة في التجميع الذاتي للهياكل بطرق مختلفة.إحدى هذه الطرق هي دراسة منهجية لنتائج التأثير على مسار عملية بعض المواد. على سبيل المثال ، يمكن أن يحدث تأخير في بلمرة الفبرين إذا تعرض محلول المونومر الأولي لمحلول مائي من الأملاح غير العضوية ، خاصة كلوريد الصوديوم. في حدود تركيزات الملح المنخفضة - تصل إلى 2-3٪ - يكون التأخير في البلمرة أقوى ، المحلول "أقوى". ما هي المعلومات التي توفرها هذه الحقيقة؟ من المعروف أن الأملاح في المحلول المائي توجد على شكل أيونات تحمل شحنات كهربائية موجبة وسالبة. عادة ما تقدر الكفاءة الكهروستاتيكية لأيونات الملح بكمية خاصة - القوة الأيونية ، والتي تأخذ في الاعتبار تركيز المحلول وحجم شحنة أيوناته. الطبيعة الكيميائية لأيونات الملح الفردية غير ذات صلة في هذه الحالة. يتم تحديد تأخير البلمرة بشكل أساسي من خلال القوة الأيونية للمحلول الملحي المضاف إلى محلول البروتين الأحادي. هذا يدل على أن التأثير هو في الغالب كهرباء في الطبيعة. من الواضح أن أيونات الملح تحجب ("إخماد") الشحنات الكهربائية لجزيئات الفيبرين الأحادية - وهو ظرف يشير فقط إلى أن شحناتها الكهربائية متورطة في آلية التوصيل الانتقائي لجزيئات البروتين. في ظل الظروف العادية - في حالة عدم وجود تداخل من أيونات الملح المشحونة كهربائياً - يجب أن تجذب المجموعات الأيونية الموجبة والسالبة الشحنة ، والمتممة الموجودة في مراكز معينة ، الجزيئات لبعضها البعض. أظهرت دراسات أكثر تفصيلاً أجريت في مختبرنا بواسطة EV Lugovskii أنه إلى جانب تأثير الفرز العام للقوة الأيونية ، هناك تأثير آخر للأملاح ، والذي يعتمد بشدة على الطبيعة الكيميائية وخصوصية الأيونات ويتم تحديده من خلال قدرتها على نعلق على البروتين. يبدو أن ارتباط أيون بمركز معين يؤدي إلى اضطراب إضافي في عمله. بحثت E.V. Lugovsky في تأثير تركيزات الملح الأعلى على البلمرة. اتضح أن بعض الأملاح تتأخر بشكل حاد ، بينما البعض الآخر ، على العكس من ذلك ، يسرع من البلمرة. لذلك ، على سبيل المثال ، يعمل ملحان مرتبطان ، كلوريد الصوديوم والبروميد ، بشكل معاكس: الأول يسرع ، والثاني يؤخر العملية. مثل البروميد ، ولكن أقوى ، يعمل يوديد الصوديوم ، مثل الكلوريد ، بقوى مختلفة - أحيانًا أقوى ، ثم أضعف - تعمل الكبريتات والفوسفات وبعض الأملاح الأخرى. اتضح أنه من خلال قوة التأثير المتسارع على بلمرة الفيبرين ، يتم ترتيب الأملاح في صف يتزامن مع الصف الراسخ والمعروف جيدًا "للتمليح" (ترسيب) البروتينات في المحاليل ذات الملح العالي تركيزات. ومع ذلك ، في تجارب بلمرة الفيبرين ، لم يحدث التمليح الحقيقي بعد ، حيث تمت دراسة العملية بتركيزات الملح التي لا تزال لا تصل إلى تركيزات التمليح. بالإضافة إلى ذلك ، أثناء التمليح ، تترسب البروتينات على شكل كتلة عديمة الشكل ، وفي الحالة الموصوفة ، تكونت ألياف الفيبرين الطبيعية - يمكن رؤيتها باستخدام مجهر تباين الطور. لقد وجدت العديد من الدراسات أن ميل البروتين إلى التمليح يتعزز من خلال وجود مجموعات غير قطبية قريبة من سطحه وفي اتصال مع البيئة في جزيئاته. وكلما زاد عدد هذه المجموعات ، قل تركيز المحلول الملحي الكافي لإخراج البروتين. يمكن استخدام هذه المواقف المعروفة لشرح نتائج تجربتنا ، والتي يظهر فيها بلا شك تأثير التمليح ، مما يشير إلى أن جزيء الفيبرين الأحادي يجب أن يحتوي على عدد كبير من المجموعات غير القطبية على سطحه. لكن ليس لدينا تمليح حقيقي. يتجلى تأثير التمليح فقط في تسريع البلمرة المحددة. لا يمكن تفسير ذلك إلا من خلال حقيقة أن المجموعات غير القطبية هي مكونات مكملة لمركز معين من جزيء البروتين. وهكذا ، تُظهر دراسات تأثير المحاليل الملحية على بلمرة الفيبرين أن كلاً من التفاعلات الكهروستاتيكية والتفاعلات "الكارهة للماء" بين المجموعات غير القطبية تشارك في عملية التجميع الذاتي للفيبرين. تشير بيانات الدراسات الأخرى إلى أن النوع الثالث من التفاعلات بين جزيئات البروتين متورط أيضًا - الروابط الهيدروجينية. دعونا ننتقل الآن إلى الفيبرينوجين ، سلائف الفيبرين. جزيئاتها قادرة أيضًا على البلمرة لتشكيل ألياف شبيهة بالفيبرين. لذلك ، تحتوي مونومرات الفيبرينوجين أيضًا على مراكز محددة. ومع ذلك ، فإن بلمرتها تتطلب ظروفًا خاصة ، وعلى وجه الخصوص ، قوة أيونية عالية للمحلول. إذا أدى حجب الشحنات الكهربائية إلى تأخير بلمرة الفيبرين ، فإنه على العكس من ذلك ، يعد شرطًا أساسيًا لدمج مونومرات الفيبرينوجين في السلسلة. ولكن يترتب على ذلك أن موقع الشحنات الكهربائية في مركز معين من جزيء الفيبرينوجين غير مناسب للبلمرة ويجب أن يتم ذلك فقط من خلال تفاعل تلك المجموعات الكيميائية التي لا تحتوي على شحنة كهربائية. تحمل ببتيدات الفيبرين ، مع الانقسام الذي يصبح جزيء الفيبرينوجين منه جزيء ليفي أحادي ، شحنة كهربائية سالبة. على ما يبدو ، فإن إزالتها هي العامل الذي يغير نظام الشحنات في مركز معين ويخلق التكامل. ومن المثير للاهتمام أن أحد أنواع النزيف ، وهو مرض وراثي حاد ، ينتج عن تغير طفري في الفيبرينوجين ، حيث يفقد هذا البروتين شحناته الإيجابية بالقرب من نقاط انقسام ببتيدات الفيبرين. الأخير ، كما هو الحال في الحالة العادية ، مشقوق ، لكن الثرومبين لم يعد يتسبب في تنشيط الفيبرينوجين ، (كما يوضح الرسم التخطيطي ، يتكون التنشيط من حقيقة أن شحنة موجبة قريبة لمركز معين تنطلق من التأثير المعادل لببتيد الفيبرين . في حالة عدم وجود مثل هذه الشحنة ، يصبح انقسام ببتيد الفيبرين بلا معنى: لا يحدث التنشيط.) تتميز أجزاء معينة من الفيبرينوجين أو الفبرين بمراكز معينة معيبة ، والتي ، مع ذلك ، قادرة على التفاعل بشكل انتقائي مع الفيبرين الأحادي. يمكن الحصول على هذه الأجزاء من خلال تحلل هذه البروتينات بواسطة الإنزيمات. في التجارب التي أجريت معهم ، من السهل ملاحظة كيف أن الأجزاء النشطة ، التي تتفاعل مع الفيبرين ، تعطل تجميع الألياف. هذه التجارب بالتحديد - إنتاج ودراسة الأجزاء النشطة - هي التي يشارك فيها مختبرنا حاليًا. من المأمول أنه من خلال دراسة التركيب والتفاعلات الانتقائية لهذه الأجزاء ، سوف نفهم بشكل أفضل كيفية بناء البروتينات نفسها وعملها. يبدو أن تكامل المجموعات الأيونية ، التي تلعب دورًا أساسيًا في التجميع الذاتي للفيبرين ، مهم أيضًا في التجميع الذاتي للبنى البيولوجية الأخرى. من المحتمل ألا تكون حصة طاقة الروابط الكهروستاتيكية في الكمية الإجمالية لطاقة التفاعل للجزيئات المتصلة كبيرة. تعتبر الروابط "الكارهة للماء" أكثر أهمية لربط الجزيئات. لكن المجموعات الأيونية يمكنها تسريع التجميع الذاتي. يمكن أن تتفاعل الشحنات الكهروستاتيكية على مسافة طويلة نسبيًا. وعملهم بعيد المدى هو الذي يجعل من الممكن ، على الأرجح ، "استكشاف" البيئة ، والتعرف على الشريك المطلوب والاتصال به بطريقة موجهة. يشير هذا إلى أنه عند تجميع هياكل معقدة للغاية ، والتي تحدث على عدة مراحل ، يجب أيضًا أن تعمل إنزيمات معينة ، مثل الثرومبين.من السهل تخيل التسلسل التالي للتفاعلات: بروتين طليعي مخصص ، على سبيل المثال ، للمشاركة في تفاعلين تجميعيين ، يتم تنشيطه بواسطة الإنزيم الأول ويتحد مع شريك محدد ؛ هذا يجعله متاحًا للإنزيم الثاني والمرفق المحدد اللاحق للشريك الثاني. من الممكن أن تكون هذه هي بالضبط آلية تنظيم تلك الهياكل البيولوجية ، والتي يستبعد تعقيدها إمكانية التجميع الذاتي المباشر. في المراحل الوسيطة لتجميع الهياكل المعقدة ، لا يمكن أن تكون الإنزيمات مجرد أدوات للتنشيط. يمكن لعملهم تغيير الخصائص العامة للبروتينات. على سبيل المثال ، يمكن لبروتين معين ، "مضمن" بالفعل في بنية ، أن يصبح جزءًا غير قابل للذوبان منه ، بعد أن فقد جزءًا كبيرًا من مكوناته المحبة للماء بسبب الإنزيمات. بالطبع ، مثل هذا المخطط لا يستبعد الآخرين ، مما يعني إمكانية وجود بروتينات حاملة تنقل البروتينات غير القابلة للذوبان إلى موقع التجميع. في الختام ، تجدر الإشارة إلى أن دراسة عمليات تجميع الهياكل البيولوجية فوق الجزيئية هي مجال مليء بالأسئلة غير الواضحة والمعقدة. لذلك ، في هذه المرحلة من تطورها ، تكون المعلومات حول العمليات التي تحدث في أنظمة بسيطة نسبيًا مثل نظام تكوين ألياف الفيبرين مثيرة للاهتمام ومفيدة بشكل خاص. خامسا بيليتسر
|
تغلغلت البيولوجيا الحديثة بعمق في أعماق الخلية - "لبنة" الأحياء. ظهرت الخلية الحية للعلماء كمزيج متناغم من الهياكل الأبسط - أغشية وأنابيب وحبيبات وتشكيلات ليفية تتكون من جزيئات مرتبة متصلة ببعضها البعض.
| ثنائية الأبعاد الفسيولوجية للمعلومات: الآليات والنتائج | اختبار مع L-Dopa |
|---|
وصفات جديدة
