Efter att peptidkedjan lämnat ribosomen måste den ta sin biologiskt aktiva form, d.v.s. krypa ihop på ett visst sätt, länka ihop grupper osv. De reaktioner som omvandlar en polypeptid till ett aktivt protein kallas bearbetning eller post-translationell modifiering av proteiner.
Posttranslationell modifiering av proteiner
De viktigaste bearbetningsreaktionerna är:
1. Borttagning från N-terminalen av metionin eller till och med några aminosyror genom specifika aminopeptidaser.
2. Utbildning disulfidbroar mellan cysteinrester.
3. Partiell proteolys- avlägsnande av en del av peptidkedjan, vilket är fallet med insulin eller proteolytiska enzymer i mag-tarmkanalen.
4. Bilaga kemisk grupp till aminosyraresterna i proteinkedjan:
- fosforsyra syror - till exempel fosforylering på aminosyrorna Serin, Treonin, Tyrosin används för att reglera enzymaktivitet eller för att binda kalciumjoner,
- karboxyl grupper - till exempel, med deltagande av vitamin K, sker y-karboxylering av glutamat i sammansättningen av protrombin, prokonvertin, Stewart-faktor, jul, vilket gör att du kan binda kalciumjoner under initieringen av blodkoagulation,
- metyl grupper - till exempel används metylering av arginin och lysin i sammansättningen av histoner för att reglera genomets aktivitet,
- hydroxyl grupper - till exempel är tillägget av en OH-grupp till lysin och prolin med bildning av hydroxiprolin och hydroxilysin nödvändigt för mognad av kollagenmolekyler med deltagande av vitamin C,
- jod- till exempel i tyroglobulin är tillsats av jod nödvändigt för bildandet av prekursorer av sköldkörtelhormon jodtyroniner,
5. Slå på protes- grupper:
- kolhydrat rester - till exempel krävs glykering i syntesen av glykoproteiner.
- gema- till exempel vid syntesen av hemoglobin, myoglobin, cytokromer, katalas,
- vitamin koenzymer - biotin, FAD, pyridoxal fosfat, etc.
6. Föreningen av protomers till ett enda oligomert protein, till exempel hemoglobin, kollagen, laktatdehydrogenas, kreatinkinas.
Proteinvikning
Vikning är processen att vika en långsträckt polypeptidkedja till en vanlig tredimensionell rumslig struktur. En grupp av tillbehörsproteiner som kallas chaperones ( förkläde, franska - följeslagare, barnflicka). De förhindrar interaktionen av nysyntetiserade proteiner med varandra, isolerar de hydrofoba regionerna av proteiner från cytoplasman och "tar bort" dem inuti molekylen och placerar proteindomänerna korrekt.
vikning, etc. "veckning av proteiner- Processen att vika polypeptidkedjan till den korrekta rumsliga strukturen. Enskilda proteiner, produkter av en gen, har en identisk aminosyrasekvens och får samma konformation och fungerar under samma cellförhållanden. för många proteiner med en komplex rumslig struktur fortsätter veckningen med deltagande av "chaperons"
Renativering av ribonukleas. processen för proteindenaturering kan vara reversibel. Denna upptäckt gjordes när man studerade denatureringen av ribonukleas, som klyver bindningar mellan nukleotider i RNA. Ribonukleas är ett globulärt protein som innehåller en enda polypeptidkedja bestående av 124 aminosyrarester. Dess konformation stabiliseras av 4 disulfid och många svaga bindningar.
Behandling av ribonukleas med merkaptoetanol leder till brytning av disulfidbindningar och återställande av SH-grupperna av cysteinrester, vilket stör den kompakta strukturen av proteinet. Tillsatsen av urea eller guanidinklorid leder till bildandet av slumpmässigt veckade ribonukleaspolypeptidkedjor som saknas. enzymdenaturering. om ribonukleas renas från denatureringsmedel och merkaptoetanol genom dialys, återställs den enzymatiska aktiviteten hos proteinet gradvis. Denna process kallas renaturering
Möjligheten till renativering har också bevisats för andra proteiner. ett nödvändigt villkor för att återställa dess konformation är integriteten hos proteinets primära struktur.
proteiner som kan binda till proteiner som är i ett instabilt, aggregationsbenäget tillstånd, som kan stabilisera sin konformation, ge proteinveckning, kallas "företrädare".
Roll av chaperones i proteinveckning
under perioden för proteinsyntes på ribosomen utförs skyddet av reaktiva radikaler av Sh-70. Vikningen av många högmolekylära proteiner med en komplex konformation utförs i utrymmet som bildas av Sh-60. Sh-60 fungerar som ett oligomert komplex bestående av 14 subenheter. Chaperonkomplexet har en hög affinitet för proteiner, på vars yta det finns områden berikade med hydrofoba radikaler). Väl i chaperonkomplexets hålighet binder proteinet till de hydrofoba radikalerna i de apikala regionerna i III-60.
Rollen av chaperones för att skydda cellproteiner från denaturerande stress
Chaperones involverade i skyddet av cellulära proteiner från denaturerande effekter kallas värmechockproteiner. Under verkan (hög temperatur, hypoxi, infektion, UV-strålning, förändringar i mediets pH, förändringar i mediets molaritet, verkan av giftiga kemikalier, tungmetaller), förstärks syntesen av HSP i celler. de kan förhindra deras fullständiga denaturering och återställa den naturliga konformationen av proteiner.
Sjukdomar associerade med sjukdomen
proteinveckning Alzheimers sjukdom- amyloidos i nervsystemet, som påverkar äldre och kännetecknas av en progressiv minnesstörning och fullständig nedbrytning av personligheten. Amyloid deponeras i hjärnvävnaden - ett protein som bildar olösliga fibriller som stör nervcellernas struktur och funktion.
Prionproteiner en speciell klass av proteiner med smittsamma egenskaper. Väl i människokroppen kan de orsaka allvarliga obotliga sjukdomar i centrala nervsystemet, så kallade prionsjukdomar. Prionproteinet kodas av samma gen som dess normala motsvarighet; de har en identisk primär struktur. De två proteinerna har dock olika konformationer: prionproteinet kännetecknas av ett högt innehåll av α-lager, medan det normala proteinet har många spiralformade regioner. prionprotein är resistent mot proteaser.
Ett fantastiskt spel utvecklades av forskare från University of Washington (USA). Programmet, kallat Fold.it, är en modell för att vika proteiner till 3D-strukturer. Spelaren bör försöka göra det på det mest framgångsrika sättet. Programmet kommer att laddas med riktiga data om riktiga, nyuppfunna proteiner, som inte är klart hur de vikas. Resultaten kommer att skickas via Internet till bearbetningscentret, där de kommer att kontrolleras på en superdator (detta kommer att vara från hösten, men för närvarande har programmet redan löst gåtor, så nu fungerar det som en simulator).
Faktum är att alla spelare i vår värld spenderar miljarder mantimmar på spel som WoW, Counter-Strike eller Klondike solitaire som är värdelösa för mänskligheten. Samtidigt kunde de använda sitt intellekt mer effektivt, till exempel genom att vika ekorrar på skärmen på sin bildskärm. Även detta är intressant på sitt sätt.
En av spelets utvecklare, professor i biokemi David Baker, tror uppriktigt att det någonstans i världen finns talanger som har en medfödd förmåga att beräkna 3D-modeller av proteiner i sina sinnen. Någon 12-årig pojke från Indonesien kommer att se spelet och kunna lösa problem som inte ens en superdator klarar av. Vem vet, sådana människor kanske verkligen finns?
Varje protein (det finns mer än 100 000 typer i människokroppen) är en lång molekyl. Att förutsäga till vilken intrikat form denna molekyl kommer att vikas under vissa förhållanden (och om den överhuvudtaget kan vikas till någon stabil form) är en uppgift av högsta grad av komplexitet. Datormodellering är en resurskrävande process, men samtidigt en kritisk process inom läkemedelsindustrin. När allt kommer omkring, utan att veta formen på ett protein, är det omöjligt att modellera dess egenskaper. Om dessa egenskaper är användbara kan proteiner syntetiseras och nya effektiva läkemedel kan tillverkas på grundval av dem, till exempel för behandling av cancer eller AIDS (Nobelpriset garanteras i båda fallen).
För närvarande arbetar hundratusentals datorer på att beräkna modellen för varje ny proteinmolekyl i ett distribuerat datanätverk, men forskare från University of Washington erbjuder ett annat sätt: inte en dum uppräkning av alla alternativ, utan intellektuell brainstorming genom en datorspel. Antalet alternativ minskas med en storleksordning, och superdatorn kommer att hitta rätt vikningsparametrar mycket snabbare.
Vem som helst kan spela 3D-underhållningsspelet Fold.it, även barn och sekreterare som inte har någon aning om molekylärbiologi. Utvecklarna har försökt göra ett sådant spel att det skulle vara intressant för alla. Och resultatet av spelet kan mycket väl bli grunden för Nobelpriset och rädda livet på tusentals människor.
Programmet släpps i versioner för Win och Mac. Ett distributionspaket på 53 MB kan vara
Varje cell i vår kropp är en proteinfabrik. En del av dem produceras för internt bruk, för att upprätthålla cellens livslängd, och den andra delen är "för export". Alla egenskaper hos proteinmolekyler (inklusive förmågan att otroligt noggrant katalysera transformationerna av andra molekyler i cellen) beror på proteinets rumsliga struktur, och strukturen för varje protein är unik.
Den rumsliga strukturen bildas av den unika veckningen av proteinkedjan, som består av olika aminosyrarester (pärlor av olika färg - Fig. 1). Sekvensen av aminosyror i proteinkedjan bestäms av dess genom och syntetiseras av ribosomen, varefter kedjans rumsliga struktur bildas "av sig själv" under proteinkedjans veckning, vilket gör att ribosomen fortfarande är praktiskt taget oordnad.
Bildandet av en unik proteinkula från en oordnad kedja (liksom dess utveckling) kräver att man övervinner en "barriär" som ser ut som en instabil "halvvikt" kula (Fig. 1).
Alexey FinkelsteinDenna kedja av interaktioner mellan dess aminosyror viks dessutom in i samma struktur - både i kroppen och i provröret. Mångfalden av möjliga läggning av samma kedja är ofattbart stor. Men en given sekvens av aminosyror har som regel bara en stabil ("korrekt") struktur, vilket ger proteinet dess unika egenskaper. Den är stabil eftersom den har minsta möjliga energi.
Samma princip fungerar under bildandet av kristaller: ämnet får den struktur där bindningsenergin är minimal.
Vad har proteiner och universum gemensamt?
Här dök frågan upp inför forskarna: hur kan en proteinkedja spontant "hitta" sin enda stabila struktur, om uppräkningen av ett kolossalt antal av alla alternativ (cirka 10 100 för en kedja med 100 aminosyrarester) skulle ta längre tid än universums livstid. Denna "Levintals paradox", formulerad för ett halvt sekel sedan, har först nu lösts. För att lösa det var det nödvändigt att involvera den teoretiska fysikens metoder.
Kristaller av olika proteiner odlade på rymdstationen Mir och under NASA-flygningar
NASA Marshall Space Flight CenterForskare från Protein Institute of the Russian Academy of Sciences (IB) har skapat en teori om hastigheten för bildandet av rumsliga strukturer av proteinmolekyler. Resultaten av arbetet publicerades nyligen i tidskrifterna Vetenskapens Atlas , Chem Phys Chem och "Biofysik". Arbete stöds anslag från Russian Science Foundation (RSF).
"Förmågan hos proteiner att spontant bilda sina rumsliga strukturer inom några sekunder eller minuter är ett mångårigt mysterium inom molekylärbiologin.
Vårt arbete presenterar en fysikalisk teori som gör det möjligt att uppskatta hastigheten för denna process beroende på storleken på proteiner och komplexiteten i deras struktur,” motsvarande medlem av Ryska vetenskapsakademin, doktor i fysikaliska och matematiska vetenskaper, chefsforskare för Institutet för proteinforskning vid den ryska vetenskapsakademin, chef för RSF-bidraget Alexey Finkelstein.
”Det har länge varit känt att proteinkedjan får sin unika struktur under vissa miljöförhållanden, medan under andra (till exempel när lösningen surgörs eller värms upp) utvecklas denna struktur. Vid föreningspunkten mellan dessa förhållanden är proteinets unika struktur i dynamisk jämvikt med den utvikta formen på dess kedja, fortsätter han. – Processerna att vika och veckla ut samsas där, deras fysik är den mest transparenta. Därför fokuserade vi just på sådana jämvikts- och kvasi-jämviktsförhållanden - i motsats till andra forskare som verkade rimligen (men felaktigt, som det visade sig) tro att vägen till hemligheten med proteinveckning borde sökas där den sker snabbast .
Att rulla ut ett protein är en bra början, men inte ett alternativ.
"Den första strategin för Levinthal-problemet utvecklades av oss för länge sedan", säger Alexey Finkelstein, "och bestod av följande: eftersom det är mycket svårt att teoretiskt spåra proteinveckningens väg, är det nödvändigt att studera processen av dess utspelning. Det låter paradoxalt, men inom fysiken finns en princip om "detaljerad jämvikt", som säger: vilken process som helst i ett jämviktssystem fortskrider längs samma väg och med samma hastighet som den omvända processen. Och eftersom viknings- och utvecklingshastigheterna är desamma i dynamisk jämvikt, betraktade vi en enklare process för proteinutveckling (det är trots allt lättare att bryta än att göra) och karakteriserade den "barriären" (se bild 1), vars instabilitet avgör hastigheten i processen."
Efter principen om detaljerad balans uppskattade forskare från Institutet för proteinforskning vid den ryska vetenskapsakademin både "uppifrån" och "underifrån" veckningshastigheten för proteiner - både stora och små, både med enkel och komplex kedjevikning. Små och enkla proteiner viker sig snabbare (övre uppskattning), medan stora och/eller komplexa proteiner viker sig långsammare (lägre uppskattning). Värdena för alla andra möjliga veckningshastigheter är inneslutna mellan dem.
Men inte alla biologer var nöjda med den erhållna lösningen, eftersom de för det första var intresserade av sättet att vika (snarare än att veckla ut) av proteinet, och för det andra var den fysiska "principen om detaljerad balans" uppenbarligen dåligt förstått enligt dem.
Och arbetet fortsatte: den här gången beräknade forskare från IB RAS komplexiteten av proteinveckning. Det har länge varit känt att interaktioner i proteiner huvudsakligen är förknippade med de så kallade sekundära strukturerna. Sekundära strukturer är vanliga, ganska stora lokala "byggstenar" av en proteinstruktur, huvudsakligen bestämt av de lokala aminosyrasekvenserna i dem. Antalet möjliga alternativ för att stapla sådana block i strukturen av ett veckat protein kan beräknas, vilket gjordes av forskare från Institute of Biology of the Russian Academy of Sciences. Antalet sådana varianter är enormt - i storleksordningen 1010 (men långt ifrån 10100!) för en kedja på cirka 100 aminosyror, och proteinkedjan kan, enligt teoretiska uppskattningar, "skanna" dem på minuter eller längre kedjor, i timmar. Således erhölls den högsta uppskattningen av proteinveckningstiden.
Regelbunden sekundär struktur - alfahelix
WillowWResultaten som erhålls med de två metoderna (dvs genom att analysera både utveckningen och veckningen av proteinet) konvergerar och bekräftar varandra.
"Vårt arbete är av grundläggande betydelse för designen av nya proteiner i framtiden för behoven inom farmakologi, bioteknik och nanoteknik", avslutar Alexei Finkelstein.
"Frågor om proteinveckningshastigheten är relevanta när det gäller att förutsäga strukturen av ett protein utifrån dess aminosyrasekvens, och speciellt när det gäller att designa nya proteiner som inte förekommer i naturen."
”Vad har förändrats efter att ha fått RSF-bidraget? Det blev möjligt att köpa ny modern utrustning och reagens för arbete (trots allt är vårt laboratorium huvudsakligen experimentellt, även om jag bara har pratat om vårt teoretiska arbete här). Men huvudsaken är att RSF-bidraget gjorde det möjligt för specialister att engagera sig i vetenskap och inte leta efter deltidsjobb vid sidan av eller i avlägsna länder”, säger Alexei Finkelstein.
