Cómo se construyen las estructuras de proteínas |
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El estudio de las estructuras biológicas, su composición y organización molecular, su actividad específica se ha convertido en el tema de la biología molecular. El éxito de este último se asocia principalmente con el desciframiento de la estructura de los ácidos nucleicos y la naturaleza de la información hereditaria. Una molécula de ácido nucleico es una secuencia lineal de cuatro tipos de nucleótidos dispuestos en un orden complejo pero estrictamente definido, que se puede comparar con la disposición regular de letras en un texto significativo. Así como un texto lleva algún mensaje, alguna información, el orden de los nucleótidos en una molécula de ácido nucleico contiene información sobre las estructuras individuales de las proteínas que se crearán en el proceso de construcción de un organismo. Una molécula de proteína también es una secuencia lineal de elementos estructurales, pero no nucleótidos, sino veinte tipos de aminoácidos. Cada combinación de tres nucleótidos en una molécula de ácido nucleico (código genético) determina la inclusión de uno u otro de los veinte aminoácidos. La secuencia de tripletes de nucleótidos determina la secuencia exacta de aminoácidos en la molécula de proteína sintetizada. Continuando con la comparación ya generalmente aceptada de la información genética con el texto escrito, podemos decir que durante la síntesis de proteínas, el texto escrito en el lenguaje de los nucleótidos se traduce al lenguaje de los aminoácidos. La información contenida en el texto de aminoácidos de un tipo particular de proteína, es decir, la composición y secuencia de aminoácidos inherentes a ella sola, determina su forma y organización interna sutil, el orden espacial de los elementos estructurales, de los cuales dependen algunas de sus funciones biológicas. Si se altera este orden, las proteínas enzimáticas, por ejemplo, pierden la capacidad de catalizar reacciones en el cuerpo. Los estudios han demostrado que ciertas funciones de una proteína se realizan directamente mediante asociaciones de grupos químicos ubicados en ciertas partes de una molécula de proteína ordenada: centros funcionales específicos. Cuando se interrumpe el orden, por ejemplo, una molécula de proteína se derrite, las combinaciones de grupos químicos tienen la oportunidad de cambiar su disposición mutua, se dispersan y los centros funcionales dejan de existir. Por tanto, la traducción del lenguaje de los nucleótidos al lenguaje de los aminoácidos no es solo una traducción. Las letras de aminoácidos son mucho más ricas en contenido físico y químico que las de nucleótidos. Y en general, la información transportada por una molécula de proteína es fundamentalmente diferente de la información de nucleótidos, ya que determina la especificidad de la estructura de las moléculas de proteína y sus funciones biológicas más sutiles. Se puede hacer una comparación más desde el campo técnico. La información contenida en los ácidos nucleicos es como planos a partir de los cuales se fabrican y ensamblan las piezas en un orden específico. Una molécula de proteína es un mecanismo ensamblado y la información contenida en la secuencia de sus aminoácidos es el programa del mecanismo en sí. En una célula viva, la mayoría de las proteínas no funcionan en estado libre, sino como componentes de estructuras complejas: sistemas bien equilibrados y controlables, donde cada proteína tiene un lugar determinado y una parte determinada en la función fisiológica general. La construcción de estructuras complejas de la célula es una transición dialéctica del campo de la química (que debería incluir el funcionamiento de moléculas de proteínas individuales) al campo de la biología. Las estructuras biológicas complejas, además de las proteínas, también contienen lípidos, carbohidratos y otras sustancias.Sin embargo, en la construcción de estructuras intracelulares complejas, el papel de estas sustancias no es el principal. Por la propia naturaleza de su estructura química, los carbohidratos y los lípidos simplemente no pueden contener esa gran cantidad de información que es necesaria para tal construcción. El papel más importante en él pertenece a proteínas específicas. Así, la biología molecular actual confirma y detalla la conocida posición de F. Engels sobre las proteínas como base de la vida. En las proteínas, donde moléculas infinitamente diversas se construyen a partir de elementos estructurales con propiedades muy diferentes, donde la precisión de una organización única se combina con flexibilidad y plasticidad, la naturaleza ha encontrado un material excepcional que ha hecho posible crear una forma biológica superior de movimiento de la materia. La presencia de centros específicos es una propiedad común de las proteínas que realizan funciones biológicas especializadas. Estos son los "órganos de trabajo" de las moléculas de proteínas. Gracias a centros específicos especiales, las proteínas enzimáticas se unen selectivamente a sustancias cuyos catalizadores de transformaciones químicas son proteínas antitoxinas, se unen a toxinas, etc. Un sistema de interacciones se organiza entre los grupos químicos de un centro específico y una molécula asociada al contacto. Incluye, en primer lugar, la atracción electrostática entre grupos con cargas eléctricas opuestas; en segundo lugar, los llamados enlaces de hidrógeno entre grupos eléctricamente polares; y, finalmente, tercero, enlaces "hidrófobos": interacciones entre grupos no polares (grupos repelidos por el agua). Como regla, aquí no surgen enlaces químicos estables, ya que cada una de las interacciones enumeradas individualmente es bastante débil. Pero, en general, el sistema de un centro específico proporciona suficiente fuerza de conexión de moléculas. La selectividad mencionada anteriormente de la acción de centros específicos se logra debido a la correspondencia en la composición y ubicación de los grupos químicos en el centro mismo y en la molécula asociada, la llamada complementariedad. Cualquier reemplazo o movimiento de grupos significa una violación del complementario ™. También está claro que un centro específico no es solo un mecanismo de trabajo, sino también un cifrado que permite que una molécula de proteína “reconozca” a su socio entre muchas otras moléculas, incluso aquellas que tienen gran similitud con este socio. El concepto de centros específicos refleja solo el carácter general de los mecanismos funcionales inherentes a las proteínas. Las funciones específicas de las proteínas, la estructura y las reacciones de sus centros específicos, siguen siendo un área de la ciencia en la que casi todo queda por hacer. Esto también se aplica a los procesos de formación de estructuras biológicas supramoleculares. Algunas estructuras biológicas son extremadamente complejas. Tales son, por ejemplo, membranas con * complejos enzimáticos. El ensamblaje de tales estructuras se lleva a cabo, como muestran los datos de otros estudios, por un gran sistema de numerosos componentes proteicos.La participación de muchas proteínas en este trabajo es, aparentemente, solo indirecta: solo participan en el proceso de creación de una estructura, pero no están incluidas en su composición. Se supone que hay enzimas específicas entre estas proteínas accesorias. Por otro lado, existen estructuras biológicas que tienen una estructura relativamente simple. Por ejemplo, otras estructuras fibrosas se construyen a partir de moléculas de proteínas de un solo tipo. En varios casos, en los laboratorios es posible descomponer estructuras biológicas simples en sus elementos separados: proteínas y otras moléculas. En condiciones ambientales adecuadas, estos elementos se combinan nuevamente en el orden correcto y recrean la estructura original. Este proceso de recreación se conoce comúnmente como autoensamblaje. Varios equipos de investigación tanto en el exterior como en nuestro país están estudiando sus mecanismos. Uno de esos grupos es el Laboratorio de Estructuras y Funciones de las Proteínas del Instituto de Bioquímica, donde se estudia el autoensamblaje de fibras de fibrina. En condiciones favorables para el cuerpo en la sangre que circula a través de vasos intactos, existe un precursor soluble de la fibrina: la proteína fibrinógeno. Cuando los vasos sanguíneos se dañan, un sistema complejo especial de proteínas comienza a producir la enzima trombina, que escinde cuatro partículas pequeñas llamadas péptidos de fibrina de una molécula de fibrinógeno grande. Habiéndolos perdido, el fibrinógeno se convierte en fibrina-proteína, cuya polimerización (conexión entre sí) de las moléculas forma fibras. Las moléculas de fibrina monoméricas se polimerizan con una característica de ordenación estricta de todos los procesos de autoensamblaje. Los estudios experimentales de procesos de autoensamblaje requieren soluciones Por tanto, el primer problema que se plantea a los científicos que se embarcan en el estudio de los procesos de autoensamblaje es precisamente el "desmantelamiento" de las estructuras biológicas. En cada caso individual, uno tiene que buscar métodos de acción específicos para cada estructura que efectivamente rompan los enlaces entre sus monómeros constituyentes y no causen ningún daño a los propios monómeros. Para la fibrina, no fue posible durante mucho tiempo encontrar una forma completamente satisfactoria de descomposición de sus fibras poliméricas. Las soluciones de urea propuestas inicialmente para este fin y luego de bromuro de sodio resultaron ineficaces. Recién en 1965, un empleado de nuestro laboratorio, T.V. Varetskaya, desarrolló un método que satisface completamente todos los requisitos basado en el uso de soluciones diluidas de ácido acético a temperaturas cercanas a los 0 ° C.Las moléculas de fibrina monoméricas obtenidas de esta manera siempre tienen las mismas propiedades, reproducidas de experimento a experiencia. Los métodos anteriores de descomposición de fibrina en soluciones de urea o bromuro de sodio no dieron tal constancia de propiedades: diferentes muestras de la proteína monomérica obtenidas con su ayuda diferían, por ejemplo, en diferentes tasas de polimerización. Curiosamente, cuando se obtiene otra proteína, la proteína estructural de las mitocondrias, en estado disuelto, los mejores resultados (como concluyeron los científicos estadounidenses que estudian el autoensamblaje de estas estructuras) también dan una solución diluida enfriada de ácido acético. Los procesos implicados en el autoensamblaje de estructuras se estudian de diversas formas.Una de estas formas es un estudio sistemático de los resultados de influir en el curso del proceso de ciertas sustancias. Por ejemplo, puede producirse un retraso en la polimerización de fibrina al exponer la solución de monómero de partida a una solución acuosa de sales inorgánicas, en particular cloruro de sodio. Dentro de los límites de bajas concentraciones de sal - hasta 2-3% - el retraso en la polimerización es más fuerte, más "fuerte" es la solución. ¿Qué información aporta este hecho? Se sabe que las sales en una solución acuosa existen en forma de iones que llevan cargas eléctricas positivas y negativas. La eficiencia electrostática de los iones de sal generalmente se estima mediante una cantidad especial: la fuerza iónica, que tiene en cuenta la concentración de la solución y la magnitud de la carga de sus iones. La naturaleza química de los iones de sal individuales es irrelevante aquí. El retraso de la polimerización está determinado principalmente por la fuerza iónica de la solución salina añadida a la solución de proteína monomérica. Esto muestra que el efecto es de naturaleza predominantemente electrostática. Obviamente, los iones de sal filtran ("apagan") las cargas eléctricas de las moléculas de fibrina monoméricas, una circunstancia que simplemente indica que sus cargas eléctricas están involucradas en el mecanismo de conexión selectiva de las moléculas de proteína. En condiciones normales, en ausencia de interferencia de iones de sal cargados electrostáticamente, los grupos iónicos cargados positiva y negativamente, que son complementarios ubicados en centros específicos, deberían atraer moléculas entre sí. Estudios más detallados llevados a cabo en nuestro laboratorio por E.V. Lugovskii han demostrado que, junto con el efecto de cribado general de la fuerza iónica, existe otro efecto de las sales, que depende en gran medida de la naturaleza química y la individualidad de los iones y está determinado por su capacidad para unirse a una proteína. La unión de un ion a un centro específico aparentemente introduce una perturbación adicional en su trabajo. E. V. Lugovskii investigó el efecto de concentraciones de sal más altas sobre la polimerización. Resultó que algunas sales retrasan bruscamente, mientras que otras, por el contrario, aceleran la polimerización. Entonces, por ejemplo, dos sales relacionadas, el cloruro de sodio y el bromuro, actúan de manera opuesta: la primera acelera y la segunda retrasa el proceso. Al igual que el bromuro, pero aún más fuerte, el yoduro de sodio actúa, como el cloruro, con diferentes concentraciones - a veces más fuertes, luego más débiles - actúan sulfatos, fosfatos y algunas otras sales. Resultó que debido a la fuerza del efecto acelerador sobre la polimerización de fibrina, las sales se ordenan en una fila que coincide con la fila bien conocida y establecida desde hace mucho tiempo para "salar" (precipitar) proteínas en soluciones con altas concentraciones de sal. Sin embargo, en experimentos con polimerización de fibrina, aún no se produce una verdadera salazón, ya que el proceso se estudia a concentraciones de sal que aún no alcanzan las de salazón. Además, durante la salazón, las proteínas se precipitan en forma de una masa informe y, en el caso descrito, se formaron fibras de fibrina normales, que se podían ver con un microscopio de contraste de fase. Muchos estudios han encontrado que la propensión de una proteína a la formación de sal se ve reforzada por la presencia en sus moléculas de grupos no polares cerca de su superficie y en contacto con el medio ambiente. Cuantos más grupos de este tipo, menor será la concentración de la solución salina, suficiente para salar la proteína. Estas conocidas posiciones pueden servir para explicar los resultados de nuestro experimento, en el que, sin duda, se manifiesta un efecto de salificación, lo que indica que una molécula de fibrina monomérica debe contener un gran número de grupos apolares en su superficie. Pero no tenemos salazón real. El efecto de salazón se manifiesta solo en la aceleración de la polimerización específica. Esto solo puede explicarse por el hecho de que los grupos no polares son componentes complementarios de un centro específico de la molécula de proteína. Así, los estudios del efecto de las soluciones salinas sobre la polimerización de fibrina muestran que tanto las interacciones electrostáticas como las interacciones "hidrófobas" entre grupos no polares están involucradas en el proceso de autoensamblaje de fibrina. Los datos de otros estudios indican que el tercer tipo de interacciones entre moléculas de proteínas también está involucrado: los enlaces de hidrógeno. Pasemos ahora al fibrinógeno, el precursor de la fibrina. Sus moléculas también son capaces de polimerizar para formar fibras similares a la fibrina. Por tanto, los monómeros de fibrinógeno también tienen centros específicos. Sin embargo, su polimerización requiere condiciones especiales y, en particular, una alta fuerza iónica de la solución. Si el blindaje de las cargas eléctricas retrasa la polimerización de la fibrina, entonces, por el contrario, es un requisito previo para combinar monómeros de fibrinógeno en la cadena. Pero de ello se deduce que la disposición de las cargas eléctricas en un centro específico de la molécula de fibrinógeno es desfavorable para la polimerización y debe llevarse a cabo únicamente mediante la interacción de aquellos grupos químicos que no tienen carga eléctrica. Los péptidos de fibrina, cuya escisión la molécula de fibrinógeno se convierte en una molécula de fibrina monomérica, llevan cargas eléctricas negativas. Aparentemente, su remoción es el factor que cambia el sistema de cargas en un centro específico y crea complementariedad. Curiosamente, uno de los tipos de sangrado, una enfermedad hereditaria grave, es causado por un cambio mutacional en el fibrinógeno, en el que esta proteína pierde sus cargas positivas cerca de los puntos de escisión de los péptidos de fibrina. Estos últimos, como en el caso normal, se escinden, pero la trombina ya no provoca la activación del fibrinógeno (como muestra el diagrama, la activación consiste en el hecho de que una carga positiva cercana de un centro específico se libera del efecto neutralizante del péptido de fibrina. Si no existe tal carga, entonces la escisión del péptido de fibrina pierde sentido: la activación no se produce). Ciertos fragmentos de fibrinógeno o fibrina se caracterizan por centros específicos defectuosos que, sin embargo, son capaces de interactuar selectivamente con la fibrina monomérica. Estos fragmentos pueden obtenerse mediante la destrucción de estas proteínas por enzimas. En experimentos con ellos, es fácil observar cómo los fragmentos activos interactúan con la fibrina y alteran el ensamblaje de las fibras. Son precisamente estos experimentos, la producción y el estudio de fragmentos activos, en los que nuestro laboratorio se dedica actualmente. Se espera que al estudiar la estructura y las reacciones selectivas de estos fragmentos, comprendamos mejor cómo se construyen y funcionan las proteínas mismas. La complementariedad de los grupos iónicos, que juega un papel tan esencial en el autoensamblaje de la fibrina, es, aparentemente, también importante en el autoensamblaje de otras estructuras biológicas. La parte de la energía de los enlaces electrostáticos en la cantidad total de energía de interacción de las moléculas de conexión probablemente no sea grande. Más esenciales para la conexión de moléculas son los enlaces "hidrófobos". Pero los grupos iónicos pueden acelerar el autoensamblaje. Las cargas electrostáticas pueden interactuar a una distancia relativamente larga. Y es su acción de largo alcance la que permite, probablemente, “sondear” el entorno, reconocer al socio deseado y contactarlo de manera orientada. Esto sugiere que al ensamblar estructuras muy complejas, que tiene lugar en varias etapas, también deben actuar enzimas específicas, como la trombina.Es fácil imaginar la siguiente secuencia de reacciones: una proteína precursora destinada, por ejemplo, a participar en dos reacciones de ensamblaje, es activada por la primera enzima y se combina con un socio específico; esto lo hace disponible para la segunda enzima y la subsecuente unión específica del segundo socio. Es posible que este sea precisamente el mecanismo de organización de esas estructuras biológicas, cuya complejidad excluye la posibilidad de un autoensamblaje directo. En las etapas intermedias del ensamblaje de estructuras complejas, las enzimas pueden ser no solo herramientas para la activación. Su acción puede alterar las propiedades generales de las proteínas. Por ejemplo, una determinada proteína, ya "incrustada" en una estructura, puede convertirse en parte insoluble de la misma, habiendo perdido una parte importante de sus componentes hidrófilos debido a las enzimas. Por supuesto, tal esquema no excluye otros, que implican la posibilidad de la existencia de proteínas transportadoras que entregan proteínas insolubles al sitio de ensamblaje. En conclusión, cabe señalar que el estudio de los procesos de ensamblaje de estructuras biológicas supramoleculares es un área repleta de cuestiones poco claras y complejas. Por lo tanto, en esta etapa de su desarrollo, la información sobre los procesos que ocurren en sistemas relativamente simples como el sistema de formación de fibras de fibrina es especialmente interesante y útil. V. Belitser Publicaciones similares
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