Comment les structures protéiques sont construites

La biologie moderne a pénétré profondément dans les profondeurs de la cellule - la «brique» des êtres vivants. Une cellule vivante est apparue aux scientifiques comme une combinaison harmonieuse de structures plus simples - membranes, tubules, granules, formations fibreuses, constituées de molécules ordonnées reliées les unes aux autres.

L'étude des structures biologiques, de leur composition et de leur organisation moléculaire, leur activité spécifique est devenue le sujet de la biologie moléculaire.

Le succès de ce dernier est principalement lié au déchiffrement de la structure des acides nucléiques et de la nature des informations héréditaires. Une molécule d'acide nucléique est une séquence linéaire de quatre types de nucléotides disposés dans un ordre complexe mais strictement défini, qui peut être comparé à la disposition régulière des lettres dans un texte significatif. Tout comme un texte porte un message, des informations, l'ordre des nucléotides dans une molécule d'acide nucléique contient des informations sur les structures individuelles des protéines qui doivent être créées au cours du processus de construction d'un organisme.

Une molécule de protéine est également une séquence linéaire d'éléments structurels, mais pas de nucléotides, mais de vingt types d'acides aminés. Chaque combinaison de trois nucléotides dans une molécule d'acide nucléique (code génétique) détermine l'inclusion de l'un ou l'autre des vingt acides aminés. La séquence des triplets nucléotidiques détermine la séquence exacte des acides aminés dans la molécule de protéine synthétisée.

Poursuivant la comparaison déjà généralement acceptée de l'information génétique avec un texte écrit, nous pouvons dire que lors de la synthèse des protéines, le texte écrit dans la langue nucléotidique est traduit dans la langue des acides aminés. Les informations contenues dans le texte des acides aminés d'un type particulier de protéine - c'est-à-dire la composition et la séquence des acides aminés qui lui sont inhérents seuls - déterminent sa forme et sa fine organisation interne - l'ordre spatial des éléments structurels, dont dépendent certaines de ses fonctions biologiques. Lorsque cet ordre est perturbé, les protéines enzymatiques, par exemple, perdent leur capacité à catalyser des réactions dans le corps.

Des études ont montré que certaines fonctions d'une protéine sont directement réalisées par des associations de groupes chimiques situés dans certaines parties d'une molécule de protéine ordonnée - centres fonctionnels spécifiques. Lorsque l'ordre est perturbé - par exemple, une molécule de protéine fond - alors les combinaisons de groupes chimiques ont l'opportunité de changer leur disposition mutuelle, la dispersion et les centres fonctionnels cessent d'exister.

Ainsi, la traduction du langage nucléotidique dans le langage des acides aminés n'est pas qu'une traduction. Les lettres d'acides aminés sont beaucoup plus riches en contenu physique et chimique que les lettres nucléotidiques. Et en général, les informations portées par une molécule protéique sont fondamentalement différentes des informations nucléotidiques, car elles déterminent la spécificité de la structure des molécules protéiques et leurs fonctions biologiques les plus subtiles.

Il y a une autre comparaison à faire du domaine technique. Les informations contenues dans les acides nucléiques sont comme des plans à partir desquels les pièces sont fabriquées et assemblées dans un ordre spécifique. Une molécule de protéine est un mécanisme assemblé et les informations contenues dans la séquence de ses acides aminés sont le programme du mécanisme lui-même.

Dans une cellule vivante, la plupart des protéines ne fonctionnent pas à l'état libre, mais en tant que composants de structures complexes - des systèmes bien équilibrés et contrôlés, où chaque protéine a une certaine place et une certaine part dans la fonction globale déjà physiologique. La construction de structures complexes de la cellule est une transition dialectique du domaine de la chimie (qui devrait inclure le fonctionnement de molécules de protéines individuelles) au domaine de la biologie.

Les structures biologiques complexes, en plus des protéines, contiennent également des lipides, des glucides et d'autres substances.Cependant, dans la construction de structures intracellulaires complexes, le rôle de ces substances n'est pas le premier.

De par la nature même de leur structure chimique, les glucides et les lipides ne peuvent tout simplement pas contenir cette très grande quantité d'informations nécessaires à une telle construction. Le rôle le plus important appartient à des protéines spécifiques.

Ainsi, la biologie moléculaire d'aujourd'hui confirme et détaille la position bien connue de F. Engels sur les protéines comme base de la vie. Dans les protéines, où des molécules infiniment diverses sont construites à partir d'éléments structurels aux propriétés très différentes, où la précision d'une organisation unique se conjugue avec flexibilité et plasticité, la nature a trouvé un matériau exceptionnel qui a permis de créer une forme biologique supérieure de mouvement de la matière.
L'organisation moléculaire stricte des structures biologiques est principalement déterminée par les particularités de l'interaction des protéines. Leurs molécules sont connectées de manière sélective: chacune a des voisins bien définis. Il peut s'agir de molécules identiques à celle-ci ou différentes de celle-ci. Mais dans tous les cas, les voisins sont "programmés", réglés et ne peuvent en être autrement. La précision de l'organisation est encore aggravée par le fait que des protéines qui ne sont pas les mêmes en configuration spatiale, avec des groupes chimiques situés différemment, sont reliées les unes aux autres de manière orientée: pas au hasard, mais seulement par certaines zones de leurs surfaces. Ces zones de contact sont chimiquement structurées pour fournir une sélectivité de liaison fiable et sans erreur. Ils sont appelés zones de contact spécifiques ou centres spécifiques.

La présence de centres spécifiques est une propriété commune des protéines qui remplissent des fonctions biologiques spécialisées. Ce sont les "organes de travail" des molécules de protéines. Grâce à des centres spécifiques spéciaux, les protéines enzymatiques lient sélectivement des substances dont les catalyseurs de transformations chimiques sont des protéines antitoxines, se lient aux toxines, etc.

Un système d'interactions est organisé entre les groupes chimiques d'un centre spécifique et une molécule partenaire au contact. Il comprend, d'une part, l'attraction électrostatique entre groupes à charges électriques opposées; deuxièmement, les soi-disant liaisons hydrogène entre les groupes électriquement polaires; et enfin, troisièmement, les liaisons «hydrophobes» - interactions entre groupes non polaires (groupes repoussés par l'eau). En règle générale, des liaisons chimiques stables ne se produisent pas ici, car chacune des interactions énumérées individuellement est plutôt faible. Mais en général, le système d'un centre spécifique fournit une force suffisante de la connexion des molécules.

La sélectivité susmentionnée de l'action de centres spécifiques est obtenue en raison de la correspondance dans la composition et la disposition des groupes chimiques au centre même et dans la molécule partenaire - la soi-disant complémentarité. Tout remplacement ou mouvement de groupe signifie une violation du complémentaire ™. Il est également clair qu'un centre spécifique n'est pas seulement un mécanisme de travail, mais aussi un chiffre qui permet à une molécule protéique de «reconnaître» son partenaire parmi de nombreuses autres molécules, même celles qui présentent une grande similitude avec ce partenaire.

Le concept de centres spécifiques ne reflète que le caractère général des mécanismes fonctionnels inhérents aux protéines. Les fonctions spécifiques des protéines, la structure et les réactions de leurs centres spécifiques restent un domaine de la science où presque tout reste à faire. Cela s'applique également aux processus de formation de structures biologiques supramoléculaires.

Certaines structures biologiques sont extrêmement complexes. Telles sont, par exemple, des membranes à * complexes enzymatiques. L'assemblage de telles structures est réalisé, comme le montrent les données d'autres études, par un grand système de nombreux composants protéiques.La participation de nombreuses protéines à ce travail n'est, apparemment, qu'indirecte - elles ne participent qu'au processus de création d'une structure, mais ne sont pas incluses dans sa composition. On suppose qu'il existe des enzymes spécifiques parmi ces protéines accessoires.

D'autre part, il existe des structures biologiques qui ont une structure relativement simple. Par exemple, d'autres structures fibreuses sont construites à partir de molécules de protéines d'un seul type.

Dans un certain nombre de cas, dans les laboratoires, il est possible de décomposer des structures biologiques simples en leurs éléments individuels - protéines et autres molécules. Dans des conditions environnementales appropriées, ces éléments sont à nouveau combinés par eux-mêmes dans le bon ordre et recréent la structure d'origine. Ce processus de recréation est communément appelé auto-assemblage. Un certain nombre d'équipes de recherche à l'étranger et dans notre pays étudient ses mécanismes. L'un de ces groupes est le Laboratoire des structures et fonctions des protéines de l'Institut de biochimie, où l'auto-assemblage des fibres de fibrine est étudié.
La fibrine est une protéine fibreuse qui apparaît dans le sang lorsqu'elle coagule. La formation d'un réseau continu de ses fibres transforme le sang liquide en une masse gélatineuse solidifiée. C'est grâce à ce phénomène que le saignement s'arrête après les blessures - le sang sur la surface endommagée du corps se coagule.

Dans des conditions favorables pour le corps dans le sang circulant à travers des vaisseaux intacts, il existe un précurseur soluble de la fibrine - la protéine fibrinogène. Lorsque les vaisseaux sanguins sont endommagés, un système complexe spécial de protéines commence à produire l'enzyme thrombine, qui clive quatre petites particules appelées peptides de fibrine à partir d'une grosse molécule de fibrinogène. Les ayant perdus, le fibrinogène se transforme en fibrine-protéine, dont la polymérisation (connexion entre elles) des molécules forme des fibres.

Les molécules de fibrine monomères polymérisent avec un ordre strict, caractéristique de tous les processus d'auto-assemblage.

Les études expérimentales des processus d'auto-assemblage nécessitent des solutions
molécules de protéines monomères correspondantes. Leur source est presque toujours des structures supramoléculaires naturelles, dans lesquelles les monomères sont plus ou moins fermement «montés». La complexité et la difficulté d'obtenir des solutions monomères initiales à partir de ces structures sont qu'un «démantèlement» imprécis peut endommager des molécules protéiques fragiles.

Par conséquent, le premier problème qui se pose aux scientifiques qui se lancent dans l'étude des processus d'auto-assemblage est précisément le «démantèlement» des structures biologiques. Dans chaque cas individuel, il faut rechercher des modes d'action spécifiques à chaque structure qui briseraient effectivement les liaisons entre ses monomères constitutifs et ne causeraient aucun dommage aux monomères eux-mêmes. Pour la fibrine, il n'a pas été possible pendant longtemps de trouver un moyen totalement satisfaisant de décomposition de ses fibres polymères. Les solutions d'urée initialement proposées à cet effet puis de bromure de sodium se sont révélées inefficaces. Ce n'est qu'en 1965 qu'un employé de notre laboratoire, T.V. Varetskaya, a développé une méthode qui satisfait complètement toutes les exigences, basée sur l'utilisation de solutions diluées d'acide acétique à des températures proches de 0 ° C.Les molécules de fibrine monomères ainsi obtenues ont toujours les mêmes propriétés, reproduites d'expérimentation en expérience. Les méthodes précédentes de décomposition de la fibrine dans des solutions d'urée ou de bromure de sodium ne donnaient pas une telle constance de propriétés: différents échantillons de la protéine monomère obtenus avec leur aide différaient, par exemple, par des vitesses de polymérisation différentes.

Fait intéressant, lorsqu'une autre protéine, la protéine structurale des mitochondries, est obtenue à l'état dissous, les meilleurs résultats (comme l'ont conclu des scientifiques américains étudiant l'auto-assemblage de ces structures) sont également obtenus par une solution diluée refroidie d'acide acétique.

Les processus impliqués dans l'auto-assemblage des structures sont étudiés de différentes manières.Une de ces manières est une étude systématique des résultats de l'influence du processus de certaines substances.

Par exemple, un retard dans la polymérisation de la fibrine peut être provoqué en exposant la solution de monomère de départ à une solution aqueuse de sels inorganiques, en particulier de chlorure de sodium. Dans les limites de faibles concentrations de sel - jusqu'à 2-3% - le retard de polymérisation est plus fort, plus la solution est "forte".

Quelles informations ce fait fournit-il?

On sait que les sels en solution aqueuse existent sous forme d'ions porteurs de charges électriques positives et négatives. L'efficacité électrostatique des ions sel est généralement estimée par une valeur spéciale - la force ionique, qui prend en compte la concentration de la solution et l'amplitude de la charge de ses ions. La nature chimique des ions sel individuels n'est pas pertinente ici. Le retard de polymérisation est principalement déterminé par la force ionique de la solution saline ajoutée à la solution protéique monomère. Cela montre que l'effet est principalement de nature électrostatique. De toute évidence, les ions sel criblent («éteignent») les charges électriques des molécules de fibrine monomères - une circonstance qui indique simplement que leurs charges électriques sont impliquées dans le mécanisme de connexion sélective des molécules de protéines. Dans des conditions normales - en l'absence d'interférences d'ions de sel chargés électrostatiquement - des groupes ioniques chargés positivement et négativement, qui sont complémentaires situés dans des centres spécifiques, devraient attirer les molécules les unes vers les autres.

Des études plus détaillées menées dans notre laboratoire par E.V. Lugovskii ont montré que, parallèlement à l'effet de criblage général de la force ionique, il existe un autre effet des sels, qui dépend fortement de la nature chimique et de l'individualité des ions et est déterminé par leur capacité à se fixer à une protéine. L'attachement d'un ion à un centre spécifique introduit apparemment une perturbation supplémentaire dans son travail.

E. V. Lugovskii a étudié l'effet de concentrations de sel plus élevées sur la polymérisation. Il s'est avéré que certains sels retardent fortement, tandis que d'autres, au contraire, accélèrent la polymérisation. Ainsi, par exemple, deux sels apparentés, le chlorure de sodium et le bromure, agissent de manière opposée: le premier accélère et le second retarde le processus. Comme le bromure, mais encore plus fort, l'iodure de sodium agit, comme le chlorure, avec des forces différentes - parfois plus fortes, puis plus faibles - les sulfates, les phosphates et certains autres sels agissent.

Il s'est avéré que par la force de l'effet accélérateur sur la polymérisation de la fibrine, les sels sont disposés dans une rangée qui coïncide avec la rangée établie de longue date et bien connue pour "relarguer" (précipiter) les protéines dans des solutions à fortes concentrations de sel. Cependant, dans les expériences de polymérisation de la fibrine, un véritable relargage ne se produit pas encore, puisque le procédé est étudié à des concentrations de sel qui n'atteignent toujours pas celles de relargage. De plus, lors du relargage, les protéines sont précipitées sous la forme d'une masse informe et, dans le cas décrit, des fibres de fibrine normales se sont formées - elles pouvaient être vues à l'aide d'un microscope à contraste de phase.

De nombreuses études ont montré que la propension d'une protéine à se relarguer est renforcée par la présence dans ses molécules de groupes non polaires proches de sa surface et en contact avec l'environnement. Plus ces groupes sont nombreux, plus la concentration de la solution saline est faible, suffisante pour relarguer la protéine.

Ces positions bien connues peuvent être utilisées pour expliquer les résultats de notre expérience, dans laquelle, sans aucun doute, un effet de relargage se manifeste, indiquant qu'une molécule de fibrine monomère doit contenir un grand nombre de groupes non polaires à sa surface. Mais nous n'avons pas de véritable relargage. L'effet de relargage ne se manifeste que par l'accélération de la polymérisation spécifique. Cela ne peut s'expliquer que par le fait que les groupes non polaires sont des composants complémentaires d'un centre spécifique de la molécule protéique.

Ainsi, les études de l'effet des solutions salines sur la polymérisation de la fibrine montrent que tant les interactions électrostatiques que les interactions «hydrophobes» entre groupes non polaires sont impliquées dans le processus d'auto-assemblage de la fibrine. Les données d'autres études indiquent que le troisième type d'interactions entre les molécules de protéines est également impliqué - les liaisons hydrogène.

Passons maintenant au fibrinogène, le précurseur de la fibrine. Ses molécules sont également capables de polymériser pour former des fibres ressemblant à de la fibrine. Par conséquent, les monomères de fibrinogène ont également des centres spécifiques. Cependant, leur polymérisation nécessite des conditions particulières et, en particulier, une force ionique élevée de la solution. Si le blindage des charges électriques retarde la polymérisation de la fibrine, alors, au contraire, c'est une condition préalable pour combiner les monomères de fibrinogène dans la chaîne. Mais de cela, il s'ensuit que la localisation des charges électriques dans un centre spécifique de la molécule de fibrinogène est défavorable à la polymérisation et qu'elle ne doit être effectuée que par l'interaction de ces groupes chimiques qui n'ont pas de charge électrique.

Les peptides de fibrine, avec le clivage dont la molécule de fibrinogène devient une molécule de fibrine monomère, portent des charges électriques négatives. Apparemment, leur suppression est le facteur qui modifie le système de charges dans un centre spécifique et crée une complémentarité.

Il est intéressant de noter que l'un des types de saignement, une maladie héréditaire grave, est causé par un changement mutationnel du fibrinogène, dans lequel cette protéine perd ses charges positives près des points de clivage des peptides de fibrine. Ces derniers, comme dans le cas normal, sont clivés, mais la thrombine ne provoque plus d'activation du fibrinogène (comme le montre le diagramme, l'activation consiste en ce qu'une charge positive proche d'un centre spécifique est libérée de l'effet neutralisant du peptide de fibrine. S'il n'y a pas une telle charge, alors le clivage du peptide de fibrine n'a plus de sens: l'activation ne se produit pas.)

Certains fragments de fibrinogène ou de fibrine sont caractérisés par des centres spécifiques défectueux, qui sont cependant capables d'interagir sélectivement avec la fibrine monomère. De tels fragments peuvent être obtenus par destruction de ces protéines par des enzymes. Dans des expériences avec eux, il est facile d'observer comment les fragments actifs interagissent avec la fibrine et perturbent l'assemblage des fibres. Ce sont précisément ces expériences - la production et l'étude de fragments actifs - que notre laboratoire est actuellement engagé. On espère qu'en étudiant la structure et les réactions sélectives de ces fragments, nous comprendrons mieux comment les protéines elles-mêmes se construisent et agissent.

La complémentarité des groupes ioniques, qui joue un rôle si essentiel dans l'auto-assemblage de la fibrine, est, apparemment, également importante dans l'auto-assemblage d'autres structures biologiques. La part de l'énergie des liaisons électrostatiques dans la quantité totale d'énergie d'interaction des molécules de connexion n'est probablement pas grande. Les liaisons «hydrophobes» sont plus essentielles pour la connexion des molécules. Mais les groupes ioniques peuvent accélérer l'auto-assemblage. Les charges électrostatiques peuvent interagir sur une distance relativement longue. Et c'est leur action à long terme qui permet, probablement, de «sonder» l'environnement, de reconnaître le partenaire souhaité et de le contacter de manière orientée.
Le schéma complet de formation de la fibrine, en commençant par le fibrinogène, comprend l'enzyme thrombine, qui se caractérise par une sélectivité étonnamment fine. Dans les conditions caractéristiques de son action, il ne touche pas du tout beaucoup de protéines «étrangères». Il n'agit que sur le fibrinogène et n'exerce qu'une fonction purement spécifique: il en clive les peptides de fibrine. Ce travail de thrombine est nécessaire et suffisant pour la formation de fibrine monomère.

Cela suggère que lors de l'assemblage de structures très complexes, qui se déroule en plusieurs étapes, des enzymes spécifiques comme la thrombine doivent également agir.Il est facile d'imaginer la séquence de réactions suivante: une protéine précurseur, destinée par exemple à participer à deux réactions d'assemblage, est activée par la première enzyme et s'associe à un partenaire spécifique; cela le rend disponible pour la deuxième enzyme et l'attachement spécifique ultérieur du deuxième partenaire. Il est possible que ce soit précisément le mécanisme d'organisation de ces structures biologiques, dont la complexité exclut la possibilité d'auto-assemblage direct.

Aux étapes intermédiaires de l'assemblage de structures complexes, les enzymes peuvent être non seulement des outils d'activation. Leur action peut altérer les propriétés générales des protéines. Par exemple, une certaine protéine, déjà «noyée» dans une structure, peut devenir une partie insoluble de celle-ci, ayant perdu, grâce aux enzymes, une partie importante de ses composants hydrophiles. Bien entendu, un tel schéma n'en exclut pas d'autres, ce qui implique la possibilité de l'existence de protéines porteuses qui délivrent des protéines insolubles au site d'assemblage.

En conclusion, il convient de noter que l'étude des processus d'assemblage des structures biologiques supramoléculaires est un domaine rempli de questions peu claires et complexes. Par conséquent, à ce stade de son développement, les informations sur les processus se produisant dans des systèmes relativement simples comme le système de formation de fibres de fibrine sont particulièrement intéressantes et utiles.

V. Belitser

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