طي البروتين. الانزيمات

هذه هي الجزيئات البيولوجية التي تؤدي آلاف الوظائف المحددة داخل كل خلية من خلايا الكائن الحي. يتم تصنيع البروتينات في الريبوسومات على شكل خيط طويل متعدد الببتيد، ولكنها تطوى بسرعة إلى بنيتها المكانية الطبيعية ("الأصيلة"). هذه العملية تسمى قابلة للطيالسنجاب. قد يبدو الأمر مفاجئًا، لكن هذه العملية الأساسية لا تزال غير مفهومة جيدًا على المستوى الجزيئي. ونتيجة لذلك، ليس من الممكن بعد التنبؤ بالبنية الأصلية للبروتين من خلال تسلسل الأحماض الأمينية. من أجل التعرف على بعض الجوانب غير التافهة لهذه المشكلة على الأقل، سنحاول حلها للنموذج البسيط للغاية التالي لجزيء البروتين.

دع البروتين يتكون من وحدات متطابقة تمامًا متصلة ببعضها البعض على التوالي (الشكل 1). يمكن أن تنحني هذه السلسلة، ومن أجل البساطة، سنفترض أنها لا تنحني في الفضاء، ولكن فقط في المستوى. تتمتع السلسلة بمرونة انحناء معينة: إذا شكلت اتجاهات الوصلتين المتجاورتين زاوية α (مقاسة بالراديان)، فإن هذا الاتصال يزيد من طاقة الجزيء بمقدار أα 2 /2، حيث أ- بعض ثابت بعد الطاقة. اسمح أيضًا أن يحتوي كل رابط على "قسمي اتصال" على جانبيه، حيث يمكن لصق الروابط معًا. كل هذا الإلتصاق لديه طاقة - ب(أي أنه يقلل من طاقة السلسلة بمقدار ب). وأخيرا، سوف نفترض ذلك بأقل أ(أي أن السلسلة مرنة تمامًا).

مهمة

ما التكوينجزيئات من نسوف تكون الوحدات الأكثر ملاءمة بقوة؟ يستكشفكيف يتغير هذا التكوين مع النمو؟ ن.

فكرة

التكوين الأكثر ملاءمة للطاقة هو الذي يحتوي على الحد الأدنى من الطاقة. لذلك، نحن بحاجة إلى معرفة كيفية ترتيب عدد كبير من "الغراء" من الروابط (كل منها يقلل من الطاقة)، ​​ولكن في الوقت نفسه لا تثني السلسلة بشكل حاد للغاية، حتى لا تزيد من طاقتها المرنة أكثر من اللازم .

في هذه المشكلة، ليس من الضروري البحث عن الشكل الدقيق تمامًا للسلسلة لكل عدد محدد من الروابط. من الضروري فقط وصف "الأنماط" المميزة التي ستنشأ أثناء الطي الأمثل لجزيء البروتين هذا، والعثور على أي مدى تقريبي نفمن الأفضل للجزيء أن يعيد ترتيب نفسه من تكوين إلى آخر.

حل

طاقة السلسلة المستقيمة تمامًا تساوي صفرًا. ومن أجل خفضه، يجب أن تلتصق بعض الروابط ببعضها البعض. ولكن للقيام بذلك، يجب على السلسلة تنظيم حلقة، ووجود حلقة يزيد من الطاقة. إذا كانت الحلقة طويلة جدًا، فسيتم ترك عدد كبير من الروابط التي يمكنها التواصل مع بعضها البعض بدون اتصال. يمكن ربط هذه الروابط كما لو كانت على سحاب، وبالتالي تقصير الحلقة، ولكن هذا سيزيد من طاقتها المرنة. لذلك، من الضروري إيجاد الطول الأمثل للحلقة، حيث يتم موازنة القوى المرنة التي توسع الحلقة وقوى الاقتران التي "تربطها".

طاقة الحلقة

يجب أن تكون هناك حلقة من مروابط غير لاصقة (الشكل 2). تبلغ الزاوية المميزة بين الوصلات المتجاورة فيه حوالي 2π/ م. (في الواقع، تختلف هذه الزاوية من رابط إلى آخر، نظرًا لأن الشكل الأكثر فائدة للحلقة ليس دائريًا على الإطلاق، ولكن بالنسبة لدراسة تقريبية فإن تقديرنا مناسب تمامًا). مالقطع، وبالتالي فإن الحلقة لديها طاقة 2π 2 أ/م. دعونا نربطه برابط آخر. بعد ذلك، ستصبح الحلقة أقصر بمقدار رابطين، وستتغير طاقة السلسلة بأكملها بمقدار ذلك

على العكس من ذلك، إذا تم كسر رابط واحد، فإن طاقة السلسلة ستتغير

حلقة من متعتبر الروابط مثالية عندما يكون كل من تغيرات الطاقة هذه إيجابيًا، أي أنه من وجهة نظر الطاقة، من غير المربح إطالة الحلقة أو تقصيرها. لأن بأقل من ذلك بكثير أفمن الواضح أن الكمية مسيكون أكبر بكثير من واحد. لذلك، للحصول على تقدير تقريبي الأمثل ميمكن استبدال هاتين المتباينتين بمساواة واحدة:

وبالتالي، فإن طول الحلقة الأمثل يساوي تقريبًا

في جميع الصيغ اللاحقة تحت الرسالة مسيتم تضمين طول الحلقة الأمثل. وأخيرًا، من المفيد إيجاد الطاقة المرنة لمثل هذه الحلقة المُحسّنة؛ اتضح أن تكون متساوية

هذا التعبير (حلقة الطاقة في م/2 أضعاف القيمة ب) مناسب جدًا لإجراء المزيد من العمليات الحسابية.

متى تظهر الحلقة؟

أصبح من السهل الآن معرفة طول السلسلة التي سيكون من المربح ألا تظل مستقيمة، بل أن تتجعد في حلقة ذات طول "ذيل مزدوج" ن. للقيام بذلك، يجب أن تكون الطاقة الإجمالية لهذا التكوين سلبية:

وهكذا، إذا كان طول السلسلة ن > م + 2(م/2) = 2مفمن المربح لها أن تشكل حلقة.

متى تظهر الحلقة الثانية؟

"الذيل المزدوج" ليس هو التكوين الأكثر ملاءمة، حيث أن قسمًا واحدًا فقط من أقسام الاتصال "يعمل" في كل رابط، ولكني أرغب في أن يعمل كلاهما، على الأقل لبعض الروابط. يمكن ترتيب ذلك من خلال تشكيل حلقة ثانية (الشكل 3).

شرط الانتقال إلى حلقتين، ه 1 > ه 2، ثم سوف يعطي ن > 8م.

سلسلة طويلة جداً

عندما تصبح السلسلة طويلة جدًا، فمن الملائم طيها بحيث يتم لصق أكبر عدد ممكن من الروابط معًا في منطقتي الاتصال الخاصتين بها. بهذه الطريقة نحصل على تكوين يشبه لوحة قماشية مؤطرة بحلقات. إذا أغمضت عينيك عن حقيقة أن الحلقات المجاورة تتداخل مع بعضها البعض، فيمكنك إجراء عملية حسابية مماثلة والعثور على العدد الأكثر فائدة من الحلقات لعنصر معين ن(ينمو بما يتناسب مع الجذر التربيعي لـ ن). إذا أخذنا في الاعتبار أن الحلقات تتداخل مع بعضها البعض، فستصبح الحسابات أكثر تعقيدا بشكل كبير. ومع ذلك، سيبقى الهيكل العام كما هو: الأكثر فائدة هو لوحة قماشية مسطحة ذات شكل ما، مؤطرة عند الحواف بحلقات. يمكن للمهتمين محاولة العثور على الشكل الأمثل للقماش باستخدام النمذجة الحاسوبية، وكذلك التفكير في مشكلة مماثلة في الفضاء ثلاثي الأبعاد.

خاتمة

هذه المهمة البسيطة، بالطبع، لا يمكن أن تعكس أنماط طي جزيئات البروتين الحقيقية، ولا طرق الفيزياء النظرية الحديثة المستخدمة لوصف البروتينات والبوليمرات (هذا المجال من النشاط، بالمناسبة، هو فرع خطير للغاية من فيزياء المادة المكثفة). كان الغرض من هذه المشكلة فقط توضيح كيف "تتحول الكمية إلى نوعية"، أي كيف يمكن لتغيير معلمة عددية واحدة فقط (وليست نوعية) لمشكلة ما أن يغير حلها بشكل جذري.

يمكن أن تصبح المشكلة أكثر "حية" ومثيرة للاهتمام إذا أدخلنا درجة حرارة غير الصفر. في هذه الحالة، سيتم تحديد التكوين الأمثل ليس فقط من خلال الطاقة، ولكن أيضًا من خلال الإنتروبيا؛ ومن ثم فإنه يتوافق مع الحد الأدنى لما يسمى بالطاقة الحرة للجزيء. عندما تتغير درجة الحرارة، سيحدث بعد ذلك مرحلة انتقالية حقيقية، حيث يستقيم الجزيء نفسه أو يطوي أو يعيد ترتيب نفسه من شكل إلى آخر. ولسوء الحظ، فإن مثل هذه المهمة سوف تتطلب أساليب تتجاوز المناهج المدرسية.

ومن المثير للاهتمام أيضًا ملاحظة أن الدراسة النظرية لطي البروتين لا تقتصر على الإطلاق على النمذجة العددية وحدها. تكشف هذه المشكلة التي تبدو "مباشرة" عن خفايا رياضية غير تافهة. علاوة على ذلك، هناك أعمال تستخدم فيها أساليب نظرية المجال الكمي ونظرية قياس التفاعلات لوصف هذه العملية.

يمكنك التدرب على العثور على تكوين البروتين الأمثل على موقع Fold.it.

كل خلية في جسمنا هي مصنع لإنتاج البروتين. بعضها يتم إنتاجه للاستخدام الداخلي، لدعم حياة الخلية، والجزء الآخر يتم “تصديره”. جميع خصائص جزيئات البروتين (بما في ذلك القدرة على تحفيز تحولات الجزيئات الأخرى في الخلية بدقة مذهلة) تعتمد على البنية المكانية للبروتين، وبنية كل بروتين فريدة من نوعها.

يتكون الهيكل المكاني من ترتيب فريد لسلسلة البروتين، التي تتكون من بقايا أحماض أمينية مختلفة (حبات ذات ألوان مختلفة - الشكل 1). يتم تحديد تسلسل الأحماض الأمينية في سلسلة البروتين من خلال الجينوم الخاص بها ويتم تصنيعه بواسطة الريبوسوم، وبعد ذلك يتم تشكيل البنية المكانية للسلسلة "بنفسها" أثناء طي سلسلة البروتين، مما يترك الريبوسوم لا يزال مضطربًا عمليًا.

يتطلب تكوين كرية بروتينية فريدة من سلسلة مضطربة (وكذلك انفتاحها) التغلب على "الحاجز" الذي يتخذ شكل كرية "نصف مطوية" غير مستقرة (الشكل 1).

أليكسي فينكلشتاين

يتم طي هذه السلسلة من خلال تفاعل أحماضها الأمينية، وتشكل نفس البنية - سواء في الجسم أو في أنبوب الاختبار. إن تنوع التخطيطات الممكنة لنفس السلسلة كبير بشكل لا يمكن تصوره. لكن تسلسل معين من الأحماض الأمينية عادة ما يكون له بنية واحدة مستقرة (“صحيحة”)، مما يعطي البروتين خصائصه الفريدة. إنه مستقر لأنه يحتوي على الحد الأدنى من الطاقة.

يعمل نفس المبدأ في تكوين البلورات: تكتسب المادة البنية التي تكون فيها طاقة الرابطة في حدها الأدنى.

ما هو الشيء المشترك بين البروتينات والكون؟

هنا واجه العلماء سؤالًا: كيف يمكن لسلسلة البروتين أن "تجد" تلقائيًا بنيتها المستقرة الوحيدة إذا كان البحث في العدد الهائل من جميع الخيارات (حوالي 10100 لسلسلة مكونة من 100 بقايا حمض أميني) سيستغرق وقتًا أطول من عمر السلسلة؟ الكون. إن "مفارقة ليفينثال" هذه، التي صيغت قبل نصف قرن من الزمان، لم يتم حلها إلا الآن. لحلها، كان من الضروري استخدام أساليب الفيزياء النظرية.

بلورات من البروتينات المختلفة التي تمت زراعتها في محطة مير الفضائية وأثناء الرحلات المكوكية لوكالة ناسا

مركز ناسا مارشال لرحلات الفضاء

ابتكر علماء من معهد البروتين التابع لأكاديمية العلوم الروسية (IB) نظرية حول معدلات تكوين الهياكل المكانية لجزيئات البروتين. وقد نشرت نتائج العمل مؤخرا في المجلات أطلس العلوم , كيم فيز كيمو "الفيزياء الحيوية". وظيفة مدعومةمنحة من مؤسسة العلوم الروسية (RSF).

"إن قدرة البروتينات على تشكيل بنيتها المكانية تلقائيًا في غضون ثوانٍ أو دقائق هي لغز طويل الأمد في علم الأحياء الجزيئي.

يقدم عملنا نظرية فيزيائية تسمح لنا بتقدير سرعة هذه العملية اعتمادًا على حجم البروتينات وتعقيد بنيتها. العلوم الرياضية، كبير الباحثين في معهد البروتين التابع للأكاديمية الروسية للعلوم، ورئيس منحة مراسلون بلا حدود أليكسي فينكلستين.

"من المعروف منذ زمن طويل أن سلسلة البروتين تكتسب بنيتها الفريدة في ظل ظروف بيئية معينة، ولكن في ظروف أخرى (على سبيل المثال، عندما يتم تحمض المحلول أو تسخينه)، تتكشف هذه البنية. عند تقاطع هذه الظروف، يكون الهيكل الفريد للبروتين في حالة توازن ديناميكي مع الشكل غير المطوي لسلسلته. "عمليات الطي والفتح تتعايش هناك، وفيزياءها هي الأكثر شفافية. لذلك، ركزنا على وجه التحديد على ظروف التوازن وشبه التوازن هذه - على عكس الباحثين الآخرين الذين بدا أنهم يعتقدون بشكل معقول (ولكن بشكل خاطئ، كما اتضح فيما بعد) أن الطريق إلى سر طي البروتين يجب البحث عنه حيث يحدث بسرعة أكبر ".

يعد فك تغليف البروتين بداية جيدة، لكنه ليس الحل.

يقول أليكسي فينكلشتين: "لقد قمنا بتطوير النهج الأول لمشكلة ليفينثال منذ زمن طويل، وكان على النحو التالي: نظرًا لأنه من الصعب جدًا تتبع مسار طي البروتين نظريًا، فإننا بحاجة إلى دراسة عملية تتكشفه". . قد يبدو الأمر متناقضا، لكن في الفيزياء هناك مبدأ "التوازن التفصيلي"، الذي ينص على أن أي عملية في نظام التوازن تسير على نفس المسار وبنفس سرعة عكسها. وبما أن معدلات الطي والفتح هي نفسها في حالة التوازن الديناميكي، فقد قمنا بفحص عملية أبسط لكشف البروتين (بعد كل شيء، كسره أسهل من صنعه) وميزنا ذلك "الحاجز" (انظر الصورة 1)، وعدم استقرار البروتين. الذي يحدد معدل العملية."

باتباع مبدأ التوازن التفصيلي، قام علماء من معهد البروتين التابع للأكاديمية الروسية للعلوم بتقييم معدل طي البروتينات "من الأعلى" و"من الأسفل" - سواء كان كبيرًا أو صغيرًا، مع تعبئة سلسلة بسيطة ومعقدة. تطوى البروتينات الصغيرة وذات البنية البسيطة بشكل أسرع (تصنيف السرعة "من الأعلى")، بينما تطوى البروتينات الكبيرة و/أو ذات البنية المعقدة بشكل أبطأ (تصنيف السرعة "من الأسفل"). وتوجد فيما بينها قيم جميع سرعات الطي الممكنة الأخرى.

ومع ذلك، لم يكن جميع علماء الأحياء راضين عن الحل الذي تم الحصول عليه، لأنهم أولاً كانوا مهتمين بمسار طي (وليس تتكشف) البروتين، وثانيًا، يبدو أن "مبدأ التوازن التفصيلي" الفيزيائي لم يكن مفهومًا بشكل جيد من قبلهم. .

واستمر العمل: هذه المرة، قام علماء من معهد علم الأحياء التابع للأكاديمية الروسية للعلوم بحساب مدى تعقيد طي البروتين. من المعروف منذ زمن طويل أن التفاعلات في البروتينات ترتبط بشكل أساسي بما يسمى بالهياكل الثانوية. الهياكل الثانوية هي "وحدات بناء" محلية كبيرة إلى حد ما من بنية البروتين، ويتم تحديدها بشكل أساسي من خلال تسلسل الأحماض الأمينية المحلية داخلها. ويمكن حساب عدد الخيارات الممكنة لترتيب هذه الكتل في بنية البروتين المطوي، وهو ما قام به علماء من معهد الكيمياء الحيوية التابع لأكاديمية العلوم الروسية. عدد هذه المتغيرات ضخم - حوالي 1010 (ولكن ليس 10100!) لسلسلة مكونة من حوالي 100 حمض أميني، ويمكن لسلسلة البروتين، وفقًا للتقديرات النظرية، "مسحها" في دقائق أو لسلاسل أطول ، خلال ساعات. وهذه هي الطريقة التي تم بها الحصول على أعلى تقدير لوقت طي البروتين.

الهيكل الثانوي المنتظم - حلزون ألفا

الصفصاف دبليو

النتائج التي تم الحصول عليها عن طريق طريقتين (أي، عن طريق تحليل كل من البروتين تتكشف والطي) تتلاقى وتؤكد بعضها البعض.

ويخلص أليكسي فينكلستين إلى أن "عملنا ذو أهمية أساسية لتصميم بروتينات جديدة في المستقبل لتلبية احتياجات علم الصيدلة والهندسة الحيوية وتكنولوجيا النانو".

"إن الأسئلة حول معدل طي البروتين تكون ذات صلة عندما يتعلق الأمر بالتنبؤ ببنية البروتين من خلال تسلسل الأحماض الأمينية، وخاصة عندما يتعلق الأمر بتصميم بروتينات جديدة لا تحدث في الطبيعة."

“ما الذي تغير بعد الحصول على منحة الدعم السريع؟ لقد سنحت الفرصة لشراء معدات وكواشف حديثة جديدة للعمل (بعد كل شيء، مختبرنا تجريبي بشكل أساسي، على الرغم من أنني تحدثت هنا فقط عن عملنا النظري). لكن الشيء الرئيسي هو أن منحة منظمة مراسلون بلا حدود سمحت للمتخصصين بالانخراط في العلوم، بدلاً من البحث عن عمل بدوام جزئي على الجانب أو في أراضٍ بعيدة"، كما يقول أليكسي فينكلشتين.

تسلسل الأحماض الأمينية ليس العامل الوحيد الذي يحدد شكل جزيء البروتين. هناك جزيئات خاصة في الخلية تشارك بنشاط في طي البروتين.

بشكل جماعي، تسمى الجزيئات المشاركة في طي البروتين منظمات الطي، والتي يوجد منها عدة أنواع. تسمى الجزيئات التي تسرع عملية الطي محفزات قابلة للطي. الجزيئات التي تعمل على تغيير شكل البروتين - مرافقين قابلة للطي. هناك أربعة أنواع من الجزيئات التي تلعب هذا الدور المرافقون.

1. الجزيئات التي تضمن طي البروتين بشكل صحيح ( مرافقين قابلة للطي- مرافقين قابلة للطي).

2. الجزيئات المصممة لتثبيت جزيء البروتين المطوي جزئيًا في موضع محدد. يعد ذلك ضروريًا حتى يتمكن النظام من إنهاء الطي ( الاحتفاظ بالمرافقين- عقد المرافقين).

3. المرافقون التي تتكشف عن بروتينات غير منتظمة الشكل ( مرافقين مفصلين- المرافقون المفرقون).

4. يتم نقل البروتينات المرافقة عبر غشاء الخلية ( المرافقون الإفرازيون- المرافقون الإفرازيون).

تساعد المرافق القابلة للطي البروتين على اتخاذ الشكل الصحيح. العديد منها عبارة عن سكريات صغيرة أو ببتيدات. تخيل خط التجميع في المصنع. أثناء تحرك المنتج على طول خط التجميع، يمكنك إدخال بعض التركيبات المؤقتة، مثل الدبابيس والمسامير، للحفاظ على شكل معين خلال عدة مراحل من التجميع. وبمجرد الانتهاء من هذه الخطوات، يمكن إزالة القيود. خلال المراحل اللاحقة من التجميع، قد تحتاج إلى أدوات تثبيت إضافية، والتي سيتم إزالتها عند الانتهاء من المنتج النهائي. تعمل الجزيئات الصغيرة من المرافقات القابلة للطي كدبابيس ومسامير في خط التجميع، مما يحافظ على المنتج في التكوين الصحيح لإكمال الخطوة التالية. إذا كانت البروتينات مشوهة الشكل، فإنها لن تؤدي وظيفتها المقصودة أو سوف تتراكم في شكل مجاميع غير قابلة للذوبان تعرف باسم الادراج.

يوجد داخل الخلية كمية كبيرة من الماء. عادة ما تكون الجزيئات الموجودة فيه مشحونة، أي أنها محبة للماء. الجزيئات غير المشحونة، كما نتذكر، كارهة للماء. يحتوي التسلسل الخطي الطويل للبروتين على مناطق محبة للماء بالإضافة إلى مناطق كارهة للماء. في البيئة المائية للخلية، تميل الأسطح الكارهة للماء للبروتين إلى أن تكون داخل جزيء البروتين، مما يعرض المناطق المحبة للماء إلى الخارج، حيث يمكنها التفاعل مع جزيئات الماء. تتمثل وظيفة الجزيئات الصغيرة من المرافقات القابلة للطي في التفاعل مع الأسطح الكارهة للماء للبروتين، أو شحنها، أو بدلاً من ذلك، تغطية المناطق المشحونة، مما يسمح للبروتين بأخذ الشكل الصحيح. ومن خلال إضافة هذه الجزيئات وإزالتها، تحدد الخلية متى وكيف ستنتهي المنطقة الكارهة للماء من البروتين داخل جزيء البروتين. وهذا يحدد شكل البروتين (الشكل 8.6).

أرز. 8.6. تأثير المرافقين

ترتبط المصاحبات المحتبسة بالبروتينات، وتلعب دور نوع من الخزان لهذه البروتينات حتى يتم إطلاق المصاحبات القابلة للطي وتبدأ في العمل مع هذه البروتينات. تحافظ مرافق الاستبقاء على البروتينات تحت الضغط الكيميائي والحراري حتى تصبح الظروف داخل الخلية أكثر ملاءمة لطي البروتين بشكل مناسب. هذه إحدى الآليات التي تستخدمها الخلية لمنع اختلال الطي. هناك آلية أخرى مرتبطة بعمل المرافقين المفصلين. تقوم المصاحبات المفصلة بإعادة طي البروتينات التي تم طيها بشكل غير صحيح. يقومون بوظيفة تحكم مهمة في الخلية لجمع المواد الخام الثانوية والتخلص منها. على الرغم من وجود هذه الآليات، فإن نسبة معينة من البروتينات الخلوية لا تزال تنتهي في سلة المهملات، أي أنها تشكل شوائب غير قابلة للذوبان. تظهر الادراج في الخلية على شكل مجموعات صغيرة كثيفة.

إحدى خصائص المرافقين التي قد تجدها ذات أهمية خاصة هي أنها غير محددة نسبيًا. وبعبارة أخرى، فإن جزيء المرافق سوف يطوي أكثر من بروتين واحد. اكتشف الباحثون الذين يدرسون أسباب اختلال البروتين عن طريق الخطأ جزيئات في الخلايا التالفة كانت مشابهة في بنيتها للمركبات. لقد وجدوا جزيئات تصحح عواقب اختلال البروتين. استنادًا إلى الطبيعة العالمية للمرافقين، يمكنك إدخال مرافق مختلفة في نظام هندسي بيولوجي والتأثير على طي البروتين المناسب في بيئة لا يحدث فيها ذلك بطريقة أخرى. يعد إنشاء مرافقين متخصصين مسؤولين عن طي البروتينات المؤتلفة (المهندسة بيولوجيًا) مجالًا نشطًا للغاية في أبحاث الهندسة الحيوية.

يمكن طي البروتين أكثر من مرة. لنتخيل بروتينا يراد له الدخول إلى غشاء الخلية، أي أنه بروتين غشائي متكامل. يتكون البروتين في سيتوبلازم الخلية ثم يتم نقله نحو غشاء البلازما. تمر هذه البروتينات عبر الغشاء وتلتصق به وتشكل بنية مستقبلية على سطحه. لنقل البروتين، قد يكون من الضروري وجود شكل واحد، بينما يخضع البروتين لعملية إعادة طي مباشرة قبل إدخاله في الغشاء.

في الفضاء المحيطي، أي في الفراغ بين الغشاء وغشاء الخلية البكتيرية، توجد مرافق تضمن طي وتكامل بروتينات الغشاء المتكامل في الغشاء. في الخلايا حقيقية النواة، تهدف معظم التغييرات بعد الترجمة في البروتينات إلى تصديرها وإدخالها في غشاء البلازما. تحدث مثل هذه التعديلات البروتينية في تجويف الشبكة الإندوبلازمية وجهاز جولجي. تم تصميم هذه العضيات لتخزين وتعديل البروتينات.

ويشارك نظام تحكم آخر في إفراز البروتينات من الخلية، والذي يتضمن المرافقون الإفرازيون. تتعرف المرافقات الإفرازية على تسلسل الإشارة من الأحماض الأمينية، والذي يُطلق عليه بشكل مناسب التسلسل الإفرازي. يرتبط هذا التسلسل بالمرافقة الإفرازية، حيث تدخل المرافقة إلى الغشاء، مما يضمن تصدير البروتين معه.

الطي هو عملية ترتيب سلسلة بولي ببتيد ممدودة في هيكل مكاني منتظم ثلاثي الأبعاد. لضمان الطي، يتم استخدام مجموعة من البروتينات المساعدة تسمى المرافقون (المرافقة، الفرنسية - الأقمار الصناعية، مربية). إنها تمنع تفاعل البروتينات المصنعة حديثًا مع بعضها البعض، وتعزل المناطق الكارهة للماء من البروتينات من السيتوبلازم و"تزيلها" داخل الجزيء، وتضع مجالات البروتين بشكل صحيح. يتم تمثيل المرافقين بواسطة عائلات تتكون من بروتينات متماثلة في البنية والوظيفة، والتي تختلف في أنماط التعبير الخاصة بها ووجودها في حجرات الخلايا المختلفة.

بشكل عام، تساهم المرافقات في انتقال بنية البروتين من المستوى الأولي إلى المستويين الثالث والرباعي، لكنها ليست جزءًا من بنية البروتين النهائية.

البروتينات المركبة حديثًا، بعد إطلاقها من الريبوسوم، لكي تعمل بشكل سليم، يجب أن تتناسب مع هياكل مستقرة ثلاثية الأبعاد وتظل كذلك طوال الحياة الوظيفية للخلية بأكملها. يتم الحفاظ على مراقبة جودة بنية البروتين بواسطة مرافقين يحفزون طي البوليبيبتيدات. يتم أيضًا تجميع البروتينات المتعددة وطي المجمعات المتعددة البروتينات بواسطة المرافقين. ترتبط المرافقات بالمناطق الكارهة للماء من البروتينات غير المطوية، وتساعدها على طيها وتحقيق بنية أصلية مستقرة، وبالتالي تمنع دمجها في مجاميع غير قابلة للذوبان وغير وظيفية. خلال حياته الوظيفية، يمكن أن يتعرض البروتين لمختلف الضغوط والتشوهات. يمكن أن تصبح هذه البروتينات المشوهة جزئيًا، أولاً، هدفًا للبروتياز، وثانيًا، مجمعة، وثالثًا، قابلة للطي في البنية الأصلية بمساعدة المرافقين. يتم تحديد التوازن والكفاءة التي تحدث بها هذه العمليات الثلاث من خلال نسبة المكونات المشاركة في هذه التفاعلات.

نقل العديد من البروتينات من حجرة إلى أخرى.

المشاركة في مسارات الإشارات. على سبيل المثال، يعد وجود Hsp70 ضروريًا لتنشيط الفوسفاتيز، والذي، عن طريق نزع الفسفور، يثبط بروتين كيناز JNK، وهو أحد مكونات إشارة موت الخلايا المبرمج الناجم عن الإجهاد، أي. يعد Hsp70 جزءًا من مسار الإشارات المضادة للخلايا.

تنظيم وظائف الجزيئات المختلفة. على سبيل المثال، يرتبط مستقبل الستيرويد الموجود في السيتوبلازم بـ Hsp90؛ ترتبط الربيطة التي تدخل السيتوبلازم بالمستقبل وتزيح المرافقة من المجمع. بعد ذلك، يكتسب مركب يجند المستقبل القدرة على ربط الحمض النووي، ويهاجر إلى النواة ويعمل كعامل نسخ.

عندما تتعطل وظيفة المرافقات ولا يكون هناك طي، تتشكل رواسب البروتين في الخلية - يتطور الداء النشواني. الأميلويد هو بروتين سكري، مكوناته الرئيسية هي البروتينات الليفية. أنها تشكل ألياف ذات بنية مجهرية مميزة. بروتينات الأميلويد الليفية غير متجانسة. هناك حوالي 15 نوعًا مختلفًا من الداء النشواني.

البريونات

يبدو أن الطي الذي يتضمن الطيات والمرافقات يؤدي إلى الطي الصحيح. الهيكل الأمثل من حيث الطاقة والأداء الوظيفي. ومع ذلك، هذا ليس صحيحا. هناك مجموعة من الأمراض العصبية الشديدة الناجمة عن الطي غير الصحيح لبروتين واحد محدد للغاية.

من المعروف أن PrP يمكن أن يتواجد في شكلين - "صحي" - PrPC، الموجود في الخلايا الطبيعية (C - من اللغة الإنجليزية الخلوية - "الخلوية")، حيث تهيمن حلزونات ألفا، و"المرضية" - PrPSc، في الواقع البريون (Sc- من سكرابي)، والذي يتميز بوجود عدد كبير من خيوط بيتا.

بروتين البريون، الذي له بنية غير طبيعية ثلاثية الأبعاد، قادر على تحفيز التحول الهيكلي لبروتين خلوي طبيعي متماثل إلى بروتين مماثل (بريون)، ويرتبط بالبروتين المستهدف ويغير شكله. كقاعدة عامة، تتميز حالة البريون للبروتين بانتقال حلزونات ألفا للبروتين إلى صفائح بيتا.

عند دخول خلية سليمة، يحفز PrPSc انتقال PrPC الخلوي إلى شكل البريون. ويرافق تراكم بروتين البريون تجميعه، وتكوين ألياف ليفية عالية الترتيب (الأميلويدات)، مما يؤدي في النهاية إلى موت الخلايا. ويبدو أن البريون المنطلق قادر على اختراق الخلايا المجاورة، مما يتسبب أيضًا في موتها.

تتمثل وظائف بروتين PrPC في الخلية السليمة في الحفاظ على جودة غلاف المايلين، والذي يصبح أرق تدريجيًا في غياب هذا البروتين. عادة، يرتبط بروتين PrPC بغشاء الخلية ويكون جليكوزيلاتيد مع بقايا حمض السياليك. يمكنه إجراء انتقالات دورية داخل الخلية والعودة إلى السطح أثناء عملية الاستئصال الداخلي والإخراج الخلوي.

آلية حدوث العدوى البريونية بشكل عفوي ليست واضحة تمامًا. من المعتقد (ولكن لم يثبت بشكل كامل بعد) أن البريونات تتشكل نتيجة لأخطاء في التخليق الحيوي للبروتين. تعتبر طفرات الجينات التي تشفر بروتين البريون (PrP)، وأخطاء الترجمة، وعمليات التحلل البروتيني هي المرشحين الرئيسيين لآلية تكوين البريون.

وبالتالي، فإن البريونات هي فئة خاصة من العوامل المعدية، وهي بروتينية بحتة، ولا تحتوي على أحماض نووية، وتسبب أمراضًا حادة في الجهاز العصبي المركزي لدى البشر وعدد من الحيوانات العليا (ما يسمى "العدوى البطيئة").

هناك أدلة تشير إلى أن البريونات ليست عوامل معدية فحسب، بل لها أيضًا وظائف في العمليات الحيوية الطبيعية. على سبيل المثال، هناك فرضية مفادها أن آلية الشيخوخة العشوائية المحددة وراثيا تحدث من خلال البريونات.

البريونات هي العوامل المعدية الوحيدة المعروفة التي يحدث تكاثرها دون مشاركة الأحماض النووية.

في النصف الثاني من القرن العشرين، واجه الأطباء مرضًا بشريًا غير عادي - وهو التدمير التدريجي التدريجي للدماغ الناتج عن موت الخلايا العصبية. ويسمى هذا المرض اعتلال الدماغ الاسفنجي. أعراض مماثلة معروفة منذ فترة طويلة، ولكن لم يتم ملاحظتها في البشر، ولكن في الحيوانات (الأغنام)، ولم يتم العثور على اتصال مثبت بما فيه الكفاية بينهما لفترة طويلة.

نشأ اهتمام جديد بدراستهم في عام 1996، عندما ظهر شكل جديد من المرض، يسمى "المتغير الجديد لمرض كروتزفيلد جاكوب"، في المملكة المتحدة.

ومن الأحداث المهمة انتشار “مرض جنون البقر” في بريطانيا العظمى، والذي ظهر وباءه لأول مرة في عامي 1992-1993، ثم في عام 2001، وانتشر في عدة دول أوروبية، لكن مع ذلك لم يتم تصدير اللحوم إلى العديد من الدول. توقف. ويرتبط المرض باستخدام مسحوق العظام "المؤين" في الأعلاف والخلطات الجاهزة، المصنوعة من جثث الحيوانات الميتة أو المريضة، والتي ربما لم تظهر عليها علامات واضحة للمرض.

لم يتم بعد دراسة طرق انتقال العامل المسبب للمرض، وآليات تغلغل البريونات في الجسم والتسبب في المرض.

بريونات الثدييات - العوامل المسببة لاعتلال الدماغ الإسفنجي

سكرابي الأغنام والماعز بريون سكرابي OvPrPSc

اعتلال الدماغ المنقول (TEN) بريون TEN وMkPrPSc

مرض الهزال المزمن (CWD) الغزلان والأيائل CWD بريون MDePrPSc

اعتلال الدماغ الإسفنجي البقري (BSE) الأبقار بريون BSE BovPrPSc

اعتلال الدماغ الإسفنجي القطط (FES) القطط بريون HES FePrPSc

اعتلال الدماغ الإسفنجي ذو الحوافر الغريب (EUE) الظباء وأكبر كودو EUE بريون NyaPrPSc

كورو بيبول بريون كورو HuPrPSc

مرض كروتزفيلد جاكوب (CJD) البشر بريون CJD HuPrPSc

(جديد) مرض كروتزفيلد جاكوب المتغير (vCJD، nvCJD) البشر vCJD بريون HuPrPSc

متلازمة غيرستمان-ستراوسلر-شينكر (GSS) البشر GSS بريون HuPrPSc

الأرق العائلي المميت (FII) البشر بريون FSI HuPrPS

يمكن أن يصاب الشخص بالبريونات الموجودة في الطعام، حيث لا يتم تدميرها بواسطة الإنزيمات الموجودة في الجهاز الهضمي. نظرًا لعدم امتصاصها بواسطة جدران الأمعاء، فإنها لا تستطيع اختراق الدم إلا من خلال الأنسجة التالفة. يدخلون في النهاية إلى الجهاز العصبي المركزي. هذه هي الطريقة التي ينتقل بها نوع جديد من مرض كروتزفيلد جاكوب (nvCJD)، والذي يصاب به الأشخاص بعد تناول لحم البقر الذي يحتوي على أنسجة عصبية من الماشية المصابة باعتلال الدماغ الإسفنجي البقري (مرض جنون البقر).

ومن الناحية العملية، تم إثبات قدرة البريونات على إصابة جسم الفئران من خلال القطرات المحمولة جوا.

يمكن للبريونات أيضًا أن تدخل الجسم عن طريق الحقن. تم وصف حالات العدوى عن طريق الحقن العضلي لأدوية مصنوعة من الغدد النخامية البشرية (هرمونات النمو بشكل رئيسي لعلاج التقزم)، وكذلك إصابة الدماغ بالأدوات أثناء عمليات جراحة الأعصاب، حيث أن البريونات مقاومة للحرارة والكيميائية المستخدمة حاليًا. طرق التعقيم. يُسمى هذا النوع من مرض كروتزفيلد جاكوب علاجي المنشأ (1CJD).

في ظل ظروف معينة وغير معروفة، يمكن أن يحدث التحول التلقائي لبروتين البريون إلى بريون في جسم الإنسان. هذه هي الطريقة التي ينشأ بها ما يسمى بمرض كروتزفيلد جاكوب المتقطع (sCJD)، والذي تم وصفه لأول مرة في عام 1920 بشكل مستقل من قبل هانز جيرهارد كروتزفيلدت وألفونس ماريا جاكوب. ويعتقد أن الحدوث التلقائي لهذا المرض يرجع إلى حقيقة أنه عادة ما يتم إنشاء عدد صغير من البريونات باستمرار في جسم الإنسان، والتي يتم التخلص منها بشكل فعال عن طريق جهاز جولجي الخلوي. يمكن أن يؤدي انتهاك قدرة "التنظيف الذاتي" للخلايا إلى زيادة مستوى البريونات فوق الحد الطبيعي المسموح به وإلى مزيد من انتشارها غير المنضبط. ووفقا لهذه النظرية، فإن سبب مرض كروتزفيلد جاكوب المتقطع هو خلل في جهاز جولجي في الخلايا.

مجموعة خاصة من أمراض البريون هي أمراض وراثية (خلقية) ناجمة عن طفرة في جين بروتين البريون، مما يجعل بروتين البريون الناتج أكثر عرضة للتغيرات التلقائية في التكوين المكاني وتحولها إلى بريونات. تشمل هذه المجموعة من الأمراض الوراثية أيضًا الشكل الوراثي لمرض كروتزفيلد جاكوب (fCJD)، والذي يتم ملاحظته في عدد من البلدان حول العالم. في أمراض البريون، يوجد أعلى تركيز للبريونات في الأنسجة العصبية للأشخاص المصابين. تم العثور على البريونات في الأنسجة اللمفاوية. ولم يتم حتى الآن تأكيد وجود البريونات في السوائل البيولوجية، بما في ذلك اللعاب، بشكل لا لبس فيه. إذا كانت فكرة التواجد المستمر لأعداد صغيرة من البريونات صحيحة، فيمكن الافتراض أن طرق التشخيص الجديدة الأكثر حساسية ستكتشف هذه الأعداد من البريونات المنتشرة في مختلف الأنسجة. لكن في هذه الحالة سنتحدث عن المستوى “الفسيولوجي” للبريونات التي لا تشكل أي تهديد للإنسان.

قابلة للطي، وما إلى ذلك "طي البروتين- عملية طي سلسلة عديد الببتيد في البنية المكانية الصحيحة. البروتينات الفردية، وهي منتجات من نفس الجين، لها تسلسل متطابق من الأحماض الأمينية وتكتسب نفس التشكل والوظيفة في ظل نفس الظروف الخلوية. بالنسبة للعديد من البروتينات التي لها بنية مكانية معقدة، يحدث الطي بالمشاركة "المرافقين"

إعادة تنشيط الريبونوكلياز.يمكن عكس عملية تمسخ البروتين. تم هذا الاكتشاف أثناء دراسة تمسخ الريبونوكلياز، الذي يقسم الروابط بين النيوكليوتيدات في الحمض النووي الريبي (RNA). الريبونوكلياز هو بروتين كروي يحتوي على سلسلة بولي ببتيد واحدة تتكون من 124 بقايا حمض أميني. يتم تثبيت شكله بواسطة 4 روابط ثاني كبريتيد والعديد من الروابط الضعيفة.

يؤدي علاج الريبونوكلياز بالمركابتويثانول إلى انقسام روابط ثاني كبريتيد وتقليل مجموعات SH من بقايا السيستين، مما يعطل البنية المدمجة للبروتين. تؤدي إضافة اليوريا أو كلوريد الجوانيدين إلى تكوين سلاسل بولي ببتيد مطوية بشكل عشوائي خالية من الريبونوكلياز. تمسخ الانزيم. إذا تمت تنقية الريبونوكلياز من عوامل تغيير الطبيعة والمركابتويثانول عن طريق غسيل الكلى، فسيتم استعادة النشاط الأنزيمي للبروتين تدريجيًا. هذه العملية تسمى إعادة التطبيع

وقد ثبت إمكانية إعادة التنشيط بالنسبة للبروتينات الأخرى. الشرط الضروري لاستعادة شكله هو سلامة البنية الأساسية للبروتين.

تسمى البروتينات القادرة على الارتباط بالبروتينات التي تكون في حالة غير مستقرة وعرضة للتجمع، وقادرة على تثبيت شكلها، وضمان طي البروتين، "المرافقين".

دور المرافقين في طي البروتين

خلال فترة تخليق البروتين على الريبوسوم، يتم تنفيذ حماية الجذور التفاعلية بواسطة Sh-70، ويتم طي العديد من البروتينات عالية الجزيئية ذات التشكل المعقد في الفضاء الذي يتكون من Sh-60. يعمل Sh-60 كمجمع قليل القسيم يتكون من 14 وحدة فرعية. يمتلك مجمع المرافقة انجذابًا عاليًا للبروتينات، التي توجد على سطحها مناطق غنية بالجذور الكارهة للماء). بمجرد دخوله إلى تجويف مجمع المرافقة، يرتبط البروتين بالجذور الكارهة للماء في الأجزاء القمية من Sh-60.

دور المرافقين في حماية بروتينات الخلايا من تغيير طبيعة تأثيرات الإجهاد

يتم تصنيف المرافقين المشاركين في حماية البروتينات الخلوية من تأثيرات تغيير الطبيعة على أنها بروتينات صدمة حرارية تحت التأثير (ارتفاع درجة الحرارة، نقص الأكسجة، العدوى، الأشعة فوق البنفسجية، التغير في الرقم الهيدروجيني للبيئة، التغير في مولارية البيئة، تأثير المواد السامة). المواد الكيميائية والمعادن الثقيلة) يزداد تخليق HSPs في الخلايا . يمكنهم منع تمسخهم الكامل واستعادة التشكل الأصلي للبروتينات.

الأمراض المرتبطة بالانتهاك

طي البروتين مرض الزهايمر- الداء النشواني في الجهاز العصبي، الذي يؤثر على كبار السن ويتميز بضعف الذاكرة التدريجي وتدهور الشخصية الكامل. الأميلويد، وهو بروتين يشكل أليافًا غير قابلة للذوبان، يعطل بنية ووظيفة الخلايا العصبية، ويترسب في أنسجة المخ.

بروتينات البريونفئة خاصة من البروتينات ذات خصائص معدية. بمجرد دخولها إلى جسم الإنسان، يمكن أن تسبب أمراضًا خطيرة غير قابلة للشفاء في الجهاز العصبي المركزي، تسمى أمراض البريون. يتم تشفير بروتين البريون بواسطة نفس الجين مثل نظيره الطبيعي، أي. لديهم بنية أساسية متطابقة. ومع ذلك، فإن البروتينين لهما تطابقات مختلفة: يتميز بروتين البريون بمحتوى عالٍ من صفائح بيتا، في حين أن البروتين الطبيعي يحتوي على العديد من المناطق الحلزونية. بروتين البريون مقاوم للبروتياز.