După ce lanțul peptidic părăsește ribozomul, acesta trebuie să-și ia forma activă biologic, adică. ghemuiți într-un anumit fel, legați orice grupuri etc. Reacțiile care transformă o polipeptidă într-o proteină activă se numesc prelucrare sau modificarea post-translațională a proteinelor.
Modificarea post-translațională a proteinelor
Principalele reacții de procesare sunt:
1. Îndepărtarea de la capătul N-terminal al metioninei sau chiar câțiva aminoacizi prin aminopeptidaze specifice.
2. Educație punți disulfuriceîntre reziduurile de cisteină.
3. Proteoliză parțială- îndepărtarea unei părți a lanțului peptidic, așa cum este cazul insulinei sau enzimelor proteolitice ale tractului gastrointestinal.
4. Atașarea grup chimic la resturile de aminoacizi din lanțul proteic:
- fosforic acizi - de exemplu, fosforilarea aminoacizilor serină, treonină, tirozină este utilizată pentru a regla activitatea enzimatică sau pentru a lega ionii de calciu,
- carboxil grupuri - de exemplu, cu participarea vitaminei K, γ-carboxilarea glutamatului are loc în compoziția de protrombine, proconvertină, factor Stewart, Crăciun, care vă permite să legați ionii de calciu în timpul inițierii coagulării sângelui,
- metil grupuri - de exemplu, metilarea argininei și a lizinei în compoziția histonelor este utilizată pentru a regla activitatea genomului,
- hidroxil grupuri - de exemplu, adăugarea unei grupe OH la lizină și prolină cu formarea hidroxiprolinei și hidroxilizinei este necesară pentru maturarea moleculelor de colagen cu participarea vitaminei C,
- iod- de exemplu, în tiroglobulină, adăugarea de iod este necesară pentru formarea precursorilor hormonilor tiroidieni iodotironine,
5. Porniți protetice grupuri:
- carbohidrati reziduuri - de exemplu, glicarea este necesară în sinteza glicoproteinelor.
- gema- de exemplu, în sinteza hemoglobinei, mioglobinei, citocromilor, catalazei,
- vitamina coenzime - biotina, FAD, fosfat de piridoxal etc.
6. Asociația de protomeriîntr-o singură proteină oligomerică, de exemplu, hemoglobină, colagen, lactat dehidrogenază, creatin kinază.
Plierea proteinelor
Plierea este procesul de pliere a unui lanț polipeptidic alungit într-o structură spațială tridimensională obișnuită. Un grup de proteine accesorii numite chaperone ( însoţitor, Limba franceza - însoțitoare, dădacă). Acestea împiedică interacțiunea proteinelor nou sintetizate între ele, izolează regiunile hidrofobe ale proteinelor din citoplasmă și le „elimină” în interiorul moleculei și poziționează în mod corespunzător domeniile proteice.
pliere etc. „pliere a proteinelor- Procesul de pliere a lanțului polipeptidic în structura spațială corectă. Proteinele individuale, produse ale unei gene, au o secvență de aminoacizi identică și dobândesc aceeași conformație și funcție în aceleași condiții celulare. pentru multe proteine cu o structură spațială complexă, plierea are loc cu participarea "capitani"
Regenerarea ribonucleazei. procesul de denaturare a proteinelor poate fi reversibil. Această descoperire a fost făcută în timp ce se studia denaturarea ribonucleazei, care scindează legăturile dintre nucleotide din ARN. Ribonucleaza este o proteină globulară care conține un singur lanț polipeptidic format din 124 de resturi de aminoacizi. Conformația sa este stabilizată de 4 disulfuri și multe legături slabe.
Tratamentul ribonucleazei cu mercaptoetanol duce la ruperea legăturilor disulfurice și la refacerea grupurilor SH ale reziduurilor de cisteină, ceea ce perturbă structura compactă a proteinei. Adăugarea de uree sau clorură de guanidină duce la formarea de lanțuri polipeptidice ribonucleaze pliate aleatoriu lipsă. denaturarea enzimelor. dacă ribonucleaza este purificată din agenți de denaturare și mercaptoetanol prin dializă, activitatea enzimatică a proteinei este restabilită treptat. Acest proces se numește renaturare
Posibilitatea renativării a fost dovedită și pentru alte proteine. o condiție necesară pentru refacerea conformației sale este integritatea structurii primare a proteinei.
proteinele capabile să se lege de proteinele aflate într-o stare instabilă, predispusă la agregare, capabile să-și stabilizeze conformația, furnizând plierea proteinelor, sunt numite „chaperones”.
Rolul chaperonelor în plierea proteinelor
în perioada sintezei proteinelor pe ribozom, protecția radicalilor reactivi este realizată de Sh-70. Plierea multor proteine moleculare înalte cu o conformație complexă se realizează în spațiul format de Sh-60. Sh-60 funcționează ca un complex oligomeric format din 14 subunități. Complexul de chaperonă are o mare afinitate pentru proteine, pe suprafața cărora se află zone îmbogățite cu radicali hidrofobi). Odată ajunsă în cavitatea complexului de chaperonă, proteina se leagă de radicalii hidrofobi ai regiunilor apicale ale III-60.
Rolul chaperonelor în protejarea proteinelor celulare de stresul denaturant
Chaperonele implicate în protecția proteinelor celulare împotriva efectelor denaturante sunt denumite proteine de șoc termic, sub acțiune (temperatură ridicată, hipoxie, infecție, radiații UV, modificări ale pH-ului mediului, modificări ale molarității mediului, acțiunea substanțelor chimice toxice, a metalelor grele), sinteza HSP este îmbunătățită în celule. pot preveni denaturarea lor completă și pot restabili conformația nativă a proteinelor.
Boli asociate cu tulburarea
plierea proteinelor Boala Alzheimer- amiloidoza sistemului nervos, care afecteaza persoanele in varsta si caracterizata printr-o tulburare progresiva de memorie si degradare completa a personalitatii. Amiloidul este depus în țesutul cerebral - o proteină care formează fibrile insolubile care perturbă structura și funcția celulelor nervoase.
Proteine prionice o clasă specială de proteine cu proprietăți infecțioase. Odată ajunse în corpul uman, pot provoca boli grave incurabile ale sistemului nervos central, numite boli prionice. Proteina prion este codificată de aceeași genă ca omologul său normal; au o structură primară identică. Cu toate acestea, cele două proteine au conformații diferite: proteina prionică se caracterizează printr-un conținut ridicat de straturi α, în timp ce proteina normală are multe regiuni elicoidale. proteina prionică este rezistentă la proteaze.
Un joc uimitor a fost dezvoltat de oamenii de știință de la Universitatea din Washington (SUA). Programul, numit Fold.it, este un model pentru plierea proteinelor în structuri 3D. Jucătorul ar trebui să încerce să o facă în cel mai de succes mod. Programul va fi încărcat cu date reale despre proteine reale, nou inventate, care nu sunt clare cum se pliază. Rezultatele vor fi trimise prin internet la centrul de procesare, unde vor fi verificate pe un supercomputer (asta va fi din toamnă, dar deocamdată programul a rezolvat deja ghicitori, așa că acum acționează ca un simulator).
De fapt, toți jucătorii din lumea noastră cheltuiesc miliarde de ore-om pe jocuri precum WoW, Counter-Strike sau Klondike Solitaire care sunt inutile pentru omenire. În același timp, își puteau folosi intelectul mai eficient, de exemplu, pliând veverițele pe ecranul monitorului lor. Și acest lucru este interesant în felul său.
Unul dintre dezvoltatorii jocului, profesorul de biochimie David Baker, crede sincer că undeva în lume există talente care au o capacitate înnăscută de a calcula modele 3D de proteine în mintea lor. Un băiat de 12 ani din Indonezia va vedea jocul și va putea rezolva probleme pe care nici măcar un supercomputer nu le poate face. Cine știe, poate că astfel de oameni chiar există?
Fiecare proteină (există mai mult de 100.000 de tipuri în corpul uman) este o moleculă lungă. Prezicerea în ce formă complicată se va plia această moleculă în anumite condiții (și dacă se poate plia într-o formă stabilă) este o sarcină de cel mai înalt grad de complexitate. Modelarea computerizată este un proces intensiv în resurse, dar în același timp unul critic în industria farmaceutică. La urma urmei, fără a cunoaște forma unei proteine, este imposibil să-i modelezi proprietățile. Dacă aceste proprietăți sunt utile, atunci proteinele pot fi sintetizate și pe baza acestora se pot produce noi medicamente eficiente, de exemplu, pentru tratamentul cancerului sau al SIDA (Premiul Nobel este garantat în ambele cazuri).
În prezent, sute de mii de computere lucrează la calcularea modelului fiecărei noi molecule de proteine într-o rețea de calcul distribuită, totuși, oamenii de știință de la Universitatea din Washington oferă o modalitate diferită: nu o enumerare stupidă a tuturor opțiunilor, ci un brainstorming intelectual printr-un joc pe calculator. Numărul de opțiuni este redus cu un ordin de mărime, iar supercomputerul va găsi parametrii de pliere corecti mult mai repede.
Oricine poate juca jocul de divertisment 3D Fold.it, chiar și copiii și secretarele care habar nu au despre biologia moleculară. Dezvoltatorii au încercat să facă un astfel de joc încât să fie interesant pentru toată lumea. Iar rezultatul jocului poate deveni baza pentru Premiul Nobel și poate salva viețile a mii de oameni.
Programul este lansat în versiuni pentru Win și Mac. Un kit de distribuție de 53 MB poate fi
Fiecare celulă din corpul nostru este o fabrică de proteine. Unele dintre ele sunt produse pentru uz intern, pentru a menține durata de viață a celulei, iar cealaltă parte este „pentru export”. Toate proprietățile moleculelor de proteine (inclusiv capacitatea de a cataliza uimitor de precis transformarea altor molecule din celulă) depind de structura spațială a proteinei, iar structura fiecărei proteine este unică.
Structura spațială este formată din plierea unică a lanțului proteic, care constă din diferite reziduuri de aminoacizi (mărgele de diferite culori - Fig. 1). Secvența de aminoacizi din lanțul proteic este determinată de genomul acestuia și sintetizată de ribozom, după care structura spațială a lanțului se formează „de la sine” în timpul plierii lanțului proteic, ceea ce lasă ribozomul încă practic dezordonat.
Formarea unui globul proteic unic dintr-un lanț dezordonat (precum și desfășurarea acestuia) necesită depășirea unei „bariere” care arată ca un glob instabil „înjumătățit” (Fig. 1)
Alexey FinkelsteinAcest lanț de interacțiuni al aminoacizilor săi este pliat, în plus, în aceeași structură - atât în organism, cât și în eprubetă. Varietatea posibilelor așezări ale aceluiași lanț este inimaginabil de mare. Dar o anumită secvență de aminoacizi, de regulă, are o singură structură stabilă („corectă”), care conferă proteinei proprietățile sale unice. Este stabil pentru ca are energia minima.
Același principiu funcționează în timpul formării cristalelor: substanța capătă structura în care energia de legătură este minimă.
Ce au în comun proteinele și universul?
Aici, întrebarea a apărut în fața oamenilor de știință: cum poate un lanț de proteine să „găsească” în mod spontan singura sa structură stabilă, dacă enumerarea unui număr colosal de toate opțiunile (aproximativ 10.100 pentru un lanț de 100 de reziduuri de aminoacizi) ar dura mai mult timp decât durata de viață a Universului. Acest „paradox al lui Levintal”, formulat acum o jumătate de secol, a fost rezolvat abia acum. Pentru a o rezolva, a fost necesar să se implice metodele fizicii teoretice.
Cristale din diferite proteine crescute pe stația spațială Mir și în timpul zborurilor navetei NASA
NASA Marshall Space Flight CenterOamenii de știință de la Institutul de Proteine al Academiei Ruse de Științe (IB) au creat o teorie a ratelor de formare a structurilor spațiale ale moleculelor de proteine. Rezultatele lucrării au fost publicate recent în reviste Atlas al Științei , Chimie Fizica ChimȘi "Biofizică". Muncă sprijinit grant de la Fundația Rusă pentru Știință (RSF).
„Abilitatea proteinelor de a-și forma în mod spontan structurile spațiale în câteva secunde sau minute este un mister de lungă durată al biologiei moleculare.
Lucrarea noastră prezintă o teorie fizică care face posibilă estimarea vitezei acestui proces în funcție de dimensiunea proteinelor și de complexitatea structurii acestora”, membru corespondent al Academiei Ruse de Științe, doctor în științe fizice și matematice, cercetător șef la Institutul de Cercetare a Proteinelor din cadrul Academiei Ruse de Științe, șeful grantului RSF Alexey Finkelstein.
„Se știe de mult că lanțul proteic își dobândește structura sa unică în anumite condiții de mediu, în timp ce în altele (de exemplu, atunci când soluția este acidulată sau încălzită), această structură se desfășoară. La joncțiunea acestor condiții, structura unică a proteinei este în echilibru dinamic cu forma desfășurată a lanțului său, continuă el. - Procesele de pliere și desfășurare coexistă acolo, fizica lor este cea mai transparentă. Prin urmare, ne-am concentrat tocmai asupra unor astfel de condiții de echilibru și cvasi-echilibru - spre deosebire de alți cercetători care păreau să creadă în mod rezonabil (dar eronat, după cum s-a dovedit) că calea către secretul plierii proteinelor ar trebui căutată acolo unde are loc cel mai rapid. .
Desfacerea unei proteine este un început bun, dar nu o opțiune.
„Prima abordare a problemei Levinthal a fost dezvoltată de noi cu mult timp în urmă”, spune Alexei Finkelstein, „și a constat în următoarele: deoarece este foarte dificil de urmărit teoretic calea plierii proteinelor, este necesar să se studieze procesul. de desfasurare a acestuia. Sună paradoxal, dar în fizică există un principiu de „echilibru detaliat”, care spune: orice proces dintr-un sistem de echilibru se desfășoară pe aceeași cale și cu aceeași viteză ca și procesul invers. Și deoarece ratele de pliere și de desfășurare sunt aceleași în echilibrul dinamic, am considerat un proces mai simplu de desfășurare a proteinelor (la urma urmei, spargerea este mai ușoară decât de făcut) și am caracterizat acea „barieră” (vezi imaginea 1), a cărei instabilitate determină viteza procesului.”
Urmând principiul echilibrului detaliat, oamenii de știință de la Institutul de Cercetare a Proteinelor, Academia Rusă de Științe, au estimat atât „de sus” cât și „de jos” viteza de pliere a proteinelor – atât mari cât și mici, ambele cu pliere în lanț simplu și complex. Proteinele mici și simple se pliază mai repede (estimare superioară), în timp ce proteinele mari și/sau complexe se pliază mai lent (estimare inferioară). Valorile tuturor celorlalte rate posibile de pliere sunt incluse între ele.
Cu toate acestea, nu toți biologii au fost mulțumiți de soluția obținută, deoarece, în primul rând, erau interesați de modul de pliere (mai degrabă decât de desfășurare) a proteinei și, în al doilea rând, „principiul echilibrului detaliat” fizic a fost, aparent, prost înțeles. de ei.
Și munca a continuat: de data aceasta, oamenii de știință de la IB RAS au calculat complexitatea plierii proteinelor. Se știe de mult timp că interacțiunile din proteine sunt asociate în principal cu așa-numitele structuri secundare. Structurile secundare sunt „blocuri” locale standard, destul de mari ale unei structuri de proteine, determinate în principal de secvențele locale de aminoacizi din ele. Numărul de opțiuni posibile pentru stivuirea unor astfel de blocuri în structura unei proteine pliate poate fi calculat, ceea ce a fost făcut de oamenii de știință de la Institutul de Biologie al Academiei Ruse de Științe. Numărul de astfel de variante este uriaș - de ordinul a 1010 (dar departe de 10100!) pentru un lanț de aproximativ 100 de aminoacizi, iar lanțul proteic le poate „scana”, conform estimărilor teoretice, în câteva minute sau, pentru mai mult timp. lanțuri, în ore. Astfel, a fost obținută cea mai mare estimare a timpului de pliere a proteinei.
Structura secundară obișnuită - helix alfa
SalcieWRezultatele obţinute prin cele două metode (adică prin analizarea atât a desfăşurării, cât şi a plierii proteinei) converg şi se confirmă reciproc.
„Munca noastră este de o importanță fundamentală pentru proiectarea de noi proteine în viitor, pentru nevoile de farmacologie, bioinginerie și nanotehnologie”, conchide Alexey Finkelstein.
„Întrebările despre rata de pliere a proteinei sunt relevante atunci când vine vorba de prezicerea structurii unei proteine din secvența sa de aminoacizi și mai ales când vine vorba de proiectarea de noi proteine care nu apar în natură.”
„Ce s-a schimbat după primirea grantului RSF? A devenit posibilă achiziționarea de noi echipamente moderne și reactivi pentru lucru (la urma urmei, laboratorul nostru este în principal experimental, deși aici am vorbit doar despre munca noastră teoretică). Principalul lucru este însă că grantul RSF a permis specialiștilor să se angajeze în știință și să nu caute locuri de muncă cu fracțiune de normă pe margine sau pe tărâmuri îndepărtate”, spune Alexei Finkelstein.
