Como as estruturas das proteínas são construídas

A biologia moderna penetrou profundamente nas profundezas da célula - o “tijolo” da vida. Uma célula viva parecia aos cientistas uma combinação harmoniosa de estruturas mais simples - membranas, tubos, grânulos, formações fibrosas, consistindo em moléculas ordenadas conectadas umas às outras.

O estudo das estruturas biológicas, sua composição e organização molecular, sua atividade específica tornou-se o assunto da biologia molecular.

O sucesso deste último está associado principalmente à decodificação da estrutura dos ácidos nucléicos e à natureza da informação hereditária. Uma molécula de ácido nucleico é uma sequência linear de quatro tipos de nucleotídeos dispostos em uma ordem complexa, mas estritamente definida, que pode ser comparada com o arranjo regular das letras em um texto significativo. Assim como um texto carrega alguma mensagem, alguma informação, a ordem dos nucleotídeos em uma molécula de ácido nucléico contém informações sobre as estruturas individuais das proteínas que serão criadas no processo de construção de um organismo.

Uma molécula de proteína também é uma sequência linear de elementos estruturais, mas não de nucleotídeos, mas de vinte tipos de aminoácidos. Cada combinação de três nucleotídeos em uma molécula de ácido nucleico (código genético) predetermina a inclusão de um ou outro dos vinte aminoácidos. A sequência de tripletos de nucleotídeos determina a sequência exata de aminoácidos na molécula de proteína sintetizada.

Continuando a comparação já geralmente aceita da informação genética com o texto escrito, podemos dizer que durante a síntese de proteínas, o texto escrito na linguagem dos nucleotídeos é traduzido para a linguagem dos aminoácidos. A informação contida no texto de aminoácidos de um tipo particular de proteína - isto é, a composição e sequência de aminoácidos inerentes a ela sozinha - determina sua forma e organização interna sutil - a ordenação espacial dos elementos estruturais, nos quais alguns de seus as funções biológicas dependem. Se essa ordem for alterada, proteínas enzimáticas, por exemplo, perdem a capacidade de catalisar reações no corpo.

Estudos têm mostrado que certas funções de uma proteína são desempenhadas diretamente por associações de grupos químicos localizados em certas partes de uma molécula de proteína ordenada - centros funcionais específicos. Quando a ordem é interrompida - por exemplo, uma molécula de proteína derrete - então as combinações de grupos químicos têm a oportunidade de mudar seu arranjo mútuo, a dispersão e os centros funcionais deixam de existir.

Assim, a tradução da linguagem dos nucleotídeos para a linguagem dos aminoácidos não é apenas uma tradução. As letras de aminoácidos são muito mais ricas em conteúdo físico e químico do que as de nucleotídeos. E, em geral, a informação transportada por uma molécula de proteína é fundamentalmente diferente da informação de nucleotídeo, uma vez que determina a especificidade da estrutura das moléculas de proteína e suas funções biológicas mais sutis.

Mais uma comparação pode ser feita no campo técnico. As informações contidas nos ácidos nucléicos são como projetos a partir dos quais as peças são fabricadas e montadas em uma ordem específica. Uma molécula de proteína é um mecanismo montado, e a informação contida na seqüência de seus aminoácidos é o programa do próprio mecanismo.

Em uma célula viva, a maioria das proteínas funciona não em um estado livre, mas como componentes de estruturas complexas - sistemas bem balanceados e controláveis, onde cada proteína tem um certo lugar e uma certa participação na função fisiológica geral. A construção de estruturas celulares complexas é uma transição dialética do campo da química (que deve incluir o funcionamento de moléculas de proteínas individuais) para o campo da biologia.

Estruturas biológicas complexas, além de proteínas, também contêm lipídios, carboidratos e outras substâncias.No entanto, na construção de estruturas intracelulares complexas, o papel dessas substâncias não é o principal.

Pela própria natureza de sua estrutura química, carboidratos e lipídios simplesmente não podem conter aquela grande quantidade de informação necessária para tal construção. O papel mais importante nele pertence a proteínas específicas.

Assim, a biologia molecular de hoje confirma e detalha a posição bem conhecida de F. Engels sobre as proteínas como a base da vida. Nas proteínas, onde moléculas infinitamente diversas são construídas a partir de elementos estruturais com propriedades muito diferentes, onde a precisão de uma organização única se combina com flexibilidade e plasticidade, a natureza encontrou um material excepcional que tornou possível criar uma forma de movimento biológica superior de matéria.
A estrita organização molecular das estruturas biológicas é determinada principalmente pelas peculiaridades da interação das proteínas. Suas moléculas são conectadas seletivamente: cada uma tem vizinhos bem definidos. Estas podem ser moléculas idênticas a esta ou diferentes dela. Mas em qualquer caso, os vizinhos estão “programados”, configurados e não podem ser de outra forma. A precisão da organização é ainda agravada pelo fato de que proteínas que não são as mesmas na configuração espacial, com grupos químicos localizados de forma diferente, estão conectadas umas às outras de uma forma orientada: não aleatoriamente, mas apenas por certas áreas de suas superfícies. Essas áreas de contato são quimicamente estruturadas para fornecer seletividade de ligação confiável e livre de erros. Eles são chamados de áreas de contato específicas ou centros específicos.

A presença de centros específicos é uma propriedade comum de proteínas que desempenham funções biológicas especializadas. Esses são os "órgãos de trabalho" das moléculas de proteína. Graças a centros específicos especiais, as proteínas enzimáticas ligam-se seletivamente a substâncias, cujos catalisadores de transformações químicas são proteínas antitoxinas, ligam toxinas, etc.

Um sistema de interações é organizado entre os grupos químicos de um centro específico e uma molécula parceira no contato. Inclui, em primeiro lugar, atração eletrostática entre grupos com cargas elétricas opostas; em segundo lugar, as chamadas ligações de hidrogênio entre grupos eletricamente polares; e, finalmente, terceiro, ligações "hidrofóbicas" - interações entre grupos não polares (grupos repelidos pela água). Como regra, ligações químicas estáveis ​​não surgem aqui, uma vez que cada uma das interações listadas individualmente é bastante fraca. Mas, em geral, o sistema de um centro específico fornece força suficiente de conexão de moléculas.

A já mencionada seletividade da ação de centros específicos é alcançada devido à correspondência na composição e arranjo dos grupos químicos no próprio centro e na molécula parceira - a chamada complementaridade. Qualquer substituição ou movimentação de grupos significa violação do complementar ™. É claro também que um centro específico não é apenas um mecanismo de funcionamento, mas também uma cifra que permite a uma molécula de proteína “reconhecer” seu parceiro entre muitas outras moléculas, mesmo aquelas que têm grande semelhança com este parceiro.

O conceito de centros específicos reflete apenas o caráter geral dos mecanismos funcionais inerentes às proteínas. As funções específicas das proteínas, a estrutura e as reações de seus centros específicos continuam sendo uma área da ciência em que quase tudo está por fazer. Isso também se aplica aos processos de formação de estruturas biológicas supramoleculares.

Algumas estruturas biológicas são extremamente complexas. Tais são, por exemplo, membranas com * complexos enzimáticos. A montagem de tais estruturas é realizada, como mostram os dados de outros estudos, por um grande sistema de numerosos componentes protéicos.A participação de muitas proteínas neste trabalho é, aparentemente, apenas indireta - elas apenas participam do processo de criação de uma estrutura, mas não estão incluídas em sua composição. Supõe-se que existam enzimas específicas entre essas proteínas acessórias.

Por outro lado, existem estruturas biológicas que possuem uma estrutura relativamente simples. Por exemplo, outras estruturas fibrosas são construídas a partir de moléculas de proteína de apenas um tipo.

Em vários casos, em laboratórios, é possível decompor estruturas biológicas simples em seus elementos individuais - proteínas e outras moléculas. Em condições ambientais adequadas, esses elementos são novamente combinados por si próprios na ordem certa e recriam a estrutura original. Esse processo de recriação é comumente conhecido como automontagem. Diversas equipes de pesquisa no exterior e em nosso país estão estudando seus mecanismos. Um desses grupos é o Laboratório de Estruturas e Funções de Proteínas do Instituto de Bioquímica, onde se estuda a automontagem de fibras de fibrina.
A fibrina é uma proteína fibrosa que aparece no sangue quando se coagula. A formação de uma rede contínua de suas fibras transforma o sangue líquido em uma massa gelatinosa solidificada. É graças a esse fenômeno que o sangramento cessa após as feridas - o sangue coagula na superfície danificada do corpo.

Em condições favoráveis ​​para o corpo, no sangue que circula pelos vasos intactos, existe um precursor solúvel da fibrina - a proteína fibrinogênio. Quando os vasos sanguíneos são danificados, um sistema complexo especial de proteínas começa a produzir a enzima trombina, que cliva quatro pequenas partículas chamadas peptídeos de fibrina de uma grande molécula de fibrinogênio. Tendo-os perdido, o fibrinogênio se transforma em fibrina-proteína, a polimerização (conexão entre si) das moléculas que formam as fibras.

As moléculas de fibrina monomérica polimerizam com ordem estrita, que é característica de todos os processos de automontagem.

Estudos experimentais de processos de automontagem requerem soluções
moléculas de proteína monomérica correspondentes. Sua fonte é quase sempre estruturas supramoleculares naturais, nas quais os monômeros estão mais ou menos firmemente "montados". A complexidade e dificuldade de obter soluções monoméricas iniciais dessas estruturas é que o "desmantelamento" impreciso pode danificar as moléculas de proteínas frágeis.

Portanto, o primeiro problema que se coloca aos cientistas que embarcam no estudo dos processos de automontagem é precisamente o "desmantelamento" das estruturas biológicas. Em cada caso individual, deve-se buscar métodos de ação específicos para cada estrutura que efetivamente quebrem as ligações entre seus monômeros constituintes e não causem nenhum dano aos próprios monômeros. Para a fibrina, não foi possível por muito tempo encontrar uma forma completamente satisfatória de decomposição de suas fibras poliméricas. As soluções de ureia inicialmente propostas para este fim e depois de brometo de sódio foram ineficazes. Somente em 1965, um funcionário do nosso laboratório TV Varetskaya desenvolveu um método que satisfaz completamente todos os requisitos baseados na utilização de soluções diluídas de ácido acético em temperaturas próximas a 0 ° C. propriedades, reproduzidas de experimento em experiência. Os métodos anteriores de decomposição da fibrina em soluções de ureia ou brometo de sódio não davam tal constância de propriedades: diferentes amostras da proteína monomérica obtidas com seu auxílio diferiam, por exemplo, em diferentes taxas de polimerização.

Curiosamente, quando outra proteína, a proteína estrutural das mitocôndrias, é obtida em estado dissolvido, os melhores resultados (como concluíram os cientistas americanos que estudam a automontagem dessas estruturas) também fornecem uma solução diluída de ácido acético resfriada.

Os processos envolvidos na automontagem de estruturas são estudados de várias maneiras.Uma dessas maneiras é um estudo sistemático dos resultados de influenciar o curso do processo de certas substâncias.

Por exemplo, um atraso na polimerização da fibrina pode ser causado pela exposição da solução de monômero de partida a uma solução aquosa de sais inorgânicos, em particular cloreto de sódio. Dentro dos limites de baixas concentrações de sal - até 2-3% - o atraso na polimerização é quanto mais forte, mais "forte" é a solução.

Que informações esse fato fornece?

É conhecido que os sais em uma solução aquosa existem na forma de íons carregando cargas elétricas positivas e negativas. A eficiência eletrostática dos íons de sal é geralmente estimada por um valor especial - a força iônica, que leva em consideração a concentração da solução e a magnitude da carga de seus íons. A natureza química dos íons de sal individuais é irrelevante aqui. O atraso na polimerização é determinado principalmente pela força iônica da solução de sal adicionada à solução de proteína monomérica. Isso mostra que o efeito é predominantemente eletrostático por natureza. É óbvio que os íons de sal filtram ("extinguem") as cargas elétricas das moléculas de fibrina monomérica - circunstância que apenas indica que suas cargas elétricas estão envolvidas no mecanismo de conexão seletiva das moléculas de proteínas. Em condições normais - na ausência de interferência de íons de sal com carga eletrostática - grupos iônicos carregados positiva e negativamente, que são complementares localizados em centros específicos, devem atrair moléculas entre si.

Estudos mais detalhados realizados em nosso laboratório por EV Lugovskii mostraram que, junto com o efeito de triagem geral da força iônica, há outro efeito dos sais, que depende fortemente da natureza química e individualidade dos íons e é determinado por sua capacidade de anexar a uma proteína. A ligação de um íon a um centro específico aparentemente introduz uma perturbação adicional em seu trabalho.

E. V. Lugovskii investigou o efeito de maiores concentrações de sal na polimerização. Descobriu-se que alguns sais atrasam fortemente, enquanto outros, ao contrário, aceleram a polimerização. Assim, por exemplo, dois sais relacionados, cloreto de sódio e brometo, agem de forma oposta: o primeiro acelera e o segundo retarda o processo. Como o brometo, mas ainda mais forte, o iodeto de sódio atua, como o cloreto, com diferentes intensidades - às vezes mais forte, depois mais fraco - sulfatos, fosfatos e alguns outros sais atuam.

Descobriu-se que, pela força do efeito acelerador na polimerização da fibrina, os sais são dispostos em uma linha que coincide com a linha há muito estabelecida e bem conhecida para "salting" (precipitação) de proteínas em soluções com altas concentrações de sal. Porém, em experimentos de polimerização de fibrina, a salting out real ainda não ocorre, pois o processo é estudado em concentrações de sal que ainda não atingem as de salting out. Além disso, ao salgar, as proteínas são precipitadas na forma de uma massa informe e, no caso descrito, formaram-se fibras de fibrina normais - podiam ser vistas em um microscópio de contraste de fase.

Muitos estudos descobriram que a propensão de uma proteína a salgar é aumentada pela presença em suas moléculas de grupos apolares próximos à sua superfície e em contato com o ambiente. Quanto mais grupos forem, menor será a concentração da solução salina, suficiente para eliminar a salinização da proteína.

Essas posições bem conhecidas podem ser utilizadas para explicar os resultados de nosso experimento, no qual, sem dúvida, um efeito de salting-out se manifesta, indicando que uma molécula de fibrina monomérica deve conter um grande número de grupos apolares em sua superfície. Mas não temos salgamento real. O efeito de salting-out se manifesta apenas na aceleração da polimerização específica. Isso só pode ser explicado pelo fato de os grupos apolares serem componentes complementares de um centro específico da molécula da proteína.

Assim, estudos do efeito de soluções salinas na polimerização da fibrina mostram que tanto as interações eletrostáticas quanto as interações "hidrofóbicas" entre grupos não polares estão envolvidas no processo de automontagem da fibrina. Os dados de outros estudos indicam que o terceiro tipo de interação entre as moléculas de proteínas também está envolvido - as ligações de hidrogênio.

Passemos agora ao fibrinogênio, o precursor da fibrina. Suas moléculas também são capazes de polimerizar para formar fibras semelhantes à fibrina. Portanto, os monômeros de fibrinogênio também têm centros específicos. No entanto, sua polimerização requer condições especiais e, em particular, uma alta força iônica da solução. Se a blindagem de cargas elétricas retarda a polimerização da fibrina, então, ao contrário, é um pré-requisito para combinar monômeros de fibrinogênio na cadeia. Mas daí decorre que o arranjo de cargas elétricas em um centro específico da molécula de fibrinogênio é desfavorável à polimerização e deve ser realizado apenas por meio da interação dos grupos químicos que não possuem carga elétrica.

Os peptídeos de fibrina, com a clivagem da qual a molécula de fibrinogênio se torna uma molécula de fibrina monomérica, carregam cargas elétricas negativas. Aparentemente, sua remoção é o fator que altera o sistema de cargas em um centro específico e cria complementaridade.

Curiosamente, um dos tipos de sangramento, uma doença hereditária grave, é causado por uma alteração mutacional no fibrinogênio, na qual essa proteína perde suas cargas positivas perto dos pontos de clivagem dos peptídeos de fibrina. Os últimos, como no caso normal, são clivados, mas a trombina não causa mais a ativação do fibrinogênio (como mostra o diagrama, a ativação consiste no fato de que uma carga positiva próxima de um centro específico é liberada do efeito neutralizante do peptídeo de fibrina . Se não houver tal carga, a clivagem do peptídeo de fibrina torna-se sem sentido: a ativação não ocorre.)

Certos fragmentos de fibrinogênio ou fibrina são caracterizados por centros específicos defeituosos, os quais, entretanto, são capazes de interagir seletivamente com a fibrina monomérica. Esses fragmentos podem ser obtidos pela destruição dessas proteínas por enzimas. Em experimentos com eles, é fácil observar como os fragmentos ativos interagem com a fibrina e interrompem a montagem da fibra. São precisamente esses experimentos - a produção e o estudo de fragmentos ativos - que nosso laboratório está atualmente realizando. Espera-se que, ao estudar a estrutura e as reações seletivas desses fragmentos, possamos entender melhor como as próprias proteínas são construídas e agem.

A complementaridade de grupos iônicos, que desempenham um papel tão essencial na automontagem da fibrina, é, aparentemente, também importante na automontagem de outras estruturas biológicas. A participação da energia das ligações eletrostáticas na quantidade total da energia de interação das moléculas de conexão é provavelmente pequena. Mais essenciais para a conexão de moléculas são as ligações "hidrofóbicas". Mas os grupos iônicos podem acelerar a automontagem. Cargas eletrostáticas podem interagir a uma distância relativamente longa. E é a sua ação de longo alcance que possibilita, provavelmente, “sondar” o ambiente, reconhecer o parceiro desejado e contatá-lo de forma orientada.
O esquema completo de formação de fibrina, começando com fibrinogênio, inclui a enzima trombina, que se caracteriza por uma seletividade surpreendentemente fina. Nas condições características de sua ação, não toca em nenhum monte de proteínas "estranhas". Ele atua apenas no fibrinogênio e desempenha apenas uma função puramente específica: cliva os peptídeos de fibrina dele. Este trabalho da trombina é necessário e suficiente para a formação da fibrina monomérica.

Isso sugere que, na montagem de estruturas muito complexas, que ocorre em vários estágios, enzimas específicas como a trombina também devem atuar.É fácil imaginar a seguinte seqüência de reações: uma proteína precursora destinada, por exemplo, a participar de duas reações de montagem, é ativada pela primeira enzima e se combina com um parceiro específico; isso o torna disponível para a segunda enzima e subsequente ligação específica do segundo parceiro. É possível que este seja precisamente o mecanismo de organização dessas estruturas biológicas, cuja complexidade exclui a possibilidade de automontagem direta.

Nos estágios intermediários da montagem de estruturas complexas, as enzimas podem ser não apenas ferramentas de ativação. Sua ação pode alterar as propriedades gerais das proteínas. Por exemplo, uma determinada proteína, já “embutida” em uma estrutura, pode se tornar uma parte insolúvel dela, tendo perdido parte significativa de seus componentes hidrofílicos devido às enzimas. Obviamente, tal esquema não exclui outros, implicando na possibilidade da existência de proteínas transportadoras que entregam proteínas insolúveis ao local de montagem.

Em conclusão, deve-se notar que o estudo dos processos de montagem de estruturas biológicas supramoleculares é um campo repleto de questões pouco claras e complexas. Portanto, neste estágio de seu desenvolvimento, as informações sobre os processos que ocorrem em sistemas relativamente simples como o sistema de formação de fibras de fibrina são especialmente interessantes e úteis.

V. Belitser

Publicações semelhantes

Impulsos neurais e RNA

O nascimento da biologia molecular

Como "construir" uma molécula?