Dlaczego ciepło zabija komórki?

Jeśli temperatura wzrośnie powyżej określonego progu, komórka upada i umiera. Jedną z najprostszych wyjaśnień tego braku odporność na ciepło polega na tym, że białka, które są niezbędne do życia, — te, które czerpią energię z pożywienia lub światła słonecznego, zmagają się z вторженцами, niszczą odpady i tak dalej — najczęściej mają niezwykle dokładny kształt. Zaczynają się z długich łańcuchów, a następnie zwijają się w spiralę i inne konfiguracje, podyktowane kolejności ich komponentów. Formularze te odgrywają ważną rolę w tym, co robią. Ale gdy wszystko zaczyna się nagrzewać, komunikacji, struktury wspierające białek, są zniszczone: najpierw najsłabsze, a następnie, gdy temperatura wzrasta i silne. Oczywiście, zniszczenie struktury białka powinno być śmiertelne, ale do niedawna dokładne szczegóły tego, jak i dlaczego to zabija przegrzany komórki, nie były znane.

I oto biofizyki z Politechniki w Zurychu, Szwajcaria, zbadali zachowanie każdego białka w komórkach czterech różnych organizmów wraz ze wzrostem ciepła. To badanie i jego bogaty danymi tło, niedawno opublikowane w "Science", wykazały, że w temperaturze śmierci komórki — czy to komórka osoby lub komórki escherichia coli — rozpadają się tylko kilka najważniejszych białek. Ponadto, bogactwo białka w komórce, najwyraźniej pokazuje intrygującą związek ze stabilnością białka. Badania te sugerują spojrzeć na podstawowe zasady, które określają porządek i bałagan białek — zasady, które, zdaniem naukowców, będą mieć konsekwencje, wykraczające daleko poza proste śmierci komórek.

Paola Пикотти, биофизик, który prowadził badania, wyjaśnił, że te eksperymenty wyszły ze starego, тернистого pytania: dlaczego niektóre komórki przetrwać w wysokich temperaturach, a inne umierają. Bakteria Thermus thermophilus żyje szczęśliwie w gorących źródłach, a nawet domowych водонагревателях, podczas gdy E. coli rozpada się już przy 40 stopniach Celsjusza. Istnieją silne dowody na korzyść tego, że ważne są właśnie różnice w stabilności białek każdego organizmu. Ale zbadać zachowanie się białka, gdy znajduje się jeszcze w żywej komórce, — to doskonały sposób, aby go zrozumieć, i to jest bardzo trudne. Wydalanie białka w probówce daje tylko częściowe odpowiedzi, bo wewnątrz organizmu białka łączą się razem, zmieniając chemię siebie lub trzymając się nawzajem w odpowiedniej formie. Aby zrozumieć, co się rozpada i dlaczego trzeba uczyć białka, podczas gdy wpływają one na siebie.

Aby rozwiązać ten problem, zespół naukowców opracował томительный zautomatyzowany proces roboczy, w którym mają one otwarte komórki i ogrzewano ich zawartość stopniowo uwalniając разрезающие białka enzymy w mieszaninie etapami. Enzymy te są szczególnie dobre przy cięciu wdrożonych białek, dlatego naukowcy byli w stanie określić, przy jakiej temperaturze odmawiał każdy fragment białka. W ten sposób przedstawiają неразвернутую, lub денатурирующую, krzywą dla każdego z tysięcy badanych przez nich białek, pokazując, jak te łuku przechodzą z nienaruszonym stanie struktur w komfortowych temperaturach w stan upadku ze wzrostem temperatury. Aby zobaczyć, jak te krzywe różnią się od gatunków, naukowcy wybrali cztery rodzaje ludzi, E. coli, T. thermophilus i drożdże.

"jest To wspaniałe badanie," mówi Allan Drummond, biolog na uniwersytecie Chicago, biorąc pod uwagę skalę i delikatność procesu.

Jeden z najbardziej oczywistych spostrzeżeń było to, że każdego rodzaju białka nie rozegrały się masowo przy wzroście temperatury. Zamiast tego jako pierwsi коллапсировали białka jest bardzo mały podzbiór, mówi Пикотти, i to było najważniejsze białka. Najczęściej białka te były ściśle związane, czyli wpływa na wiele procesów w komórce. "Bez nich komórka nie może funkcjonować — mówi Пикотти. — Kiedy odchodzą, zwinąć może cała sieć". I, oczywiście, życie komórki.

Ten paradoks — że niektóre z najważniejszych białek są najbardziej delikatne — może odzwierciedlać, jak ewolucja tworzył je dla ich pracy. Jeśli białka wiele ról, może on korzystać z niestabilności, będąc ruchomym do фолдингу i анфолдингу, czyli do zmniejszenia i wdrażania, bo to pozwoli mu przyjmować wiele różnych form, w zależności od celu. Wiele z ważnych białek mają wysoką elastycznością, co sprawia, że są bardziej niestabilne, ale przy tym elastyczne i zdolne komunikować się z różnymi grupami docelowymi cząsteczkami w komórce, wyjaśnia Пикотти. Mniej więcej tak są w stanie wykonywać swoich funkcji — jest to swego rodzaju kompromis.

Po bliższym przyjrzeniu E. coli, której dane były najczystsze, naukowcy odkryli związek między ilością białka — tego, ile kopii jego pływa wokół komórki — i jego stabilności. Im więcej egzemplarzy sprawia, że komórka, tym więcej ciepła jest wymagane, aby rozbić białka. Warto również zauważyć, że bogactwo nie zawsze koreluje z życiowej znaczenie: niektóre rzadkie białka też są ważne. Ten związek między obfitością i odpornością została przedstawiona Драммондом na poziomie pomysły jeszcze dziesięć lat temu, kiedy postawił pod znakiem zapytania tendencję komórkowej maszyny przypadkowe błędy. Błąd zazwyczaj destabilizuje białko. Jeśli białko to jest powszechne i jest produkowany setkami lub tysiącami w komórce codziennie, wtedy prawidłowo rozwinięte kopie w dużych ilościach może stać się śmiertelne dla komórki. Organizm byłoby przy okazji tworzyć wersje zwykłych białek z dodatkową stabilność i dane polecenia Пикотти toodzwierciedlają.

Aby zbadać, jakie cechy zapewniają białko odporności cieplnej, naukowcy porównali dane z E. coli i T. thermophilus. Białek E. coli zaczynają się rozpadać przy 40 stopniach Celsjusza i w przeważającej części rozpadają się do 70 stopni. Ale przy tej temperaturze białek T. termophilus dopiero staje się nieswojo: niektóre z nich zachowują swój kształt do 90 stopni Celsjusza. Naukowcy odkryli, że białka T. termophilus, zazwyczaj krótkie, a niektóre rodzaje form i składników pojawiają się częściej w najbardziej stabilnych białkach.

Te rezultaty mogą pomagać badaczów rozwijać białka z odpornością, starannie dostrojony na ich potrzeby. W wielu procesach przemysłowych, które zawierają bakterie, wzrost temperatury zwiększa plony — ale do momentu, gdy bakterie nie umierają od ciepła. Byłoby interesujące dowiedzieć się, czy możemy ustabilizować bakterie, tworząc kilka białek, które będą bardziej odporne na wzrost temperatury, mówi Пикотти.

Oprócz tych wszystkich obserwacji, mnóstwo informacji o tym, jak rozwija się każdego białka, prowadzi biologów w zachwyt. Stabilność białka jest bezpośrednim odzwierciedleniem tego, jak prawdopodobnie tworzy agregaty białkowe: skupiska wdrożonych białek, które kleją się do siebie. Agregaty, często będące koszmarem dla komórki, mogą ingerować w ważnych zadań. Na przykład, je wiążą się z pewnymi poważnymi objawami neurologicznymi stanami, takimi jak choroba Alzheimera, gdy tablice денатурированных białek начиняют mózg.

Ale to nie oznacza, że sumowanie odbywa się tylko u osób cierpiących na tę chorobę. Wręcz przeciwnie, naukowcy zdają sobie sprawę, że to może występować stale, bez oczywistych źródeł stresu, i że zdrowa komórka może sobie z tym poradzić.

"myślę, że to coraz częściej uznaje się powszechne", mówi Michel Вендрусколо, biochemik z Uniwersytetu w Cambridge. "Większość białek w rzeczywistości gromadzą się w komórki środowisku. Пиккоти otrzymała ważną informację o okresie, w którym pewne białko przebywa w неразвернутом stanie. Ten okres określa stopień, z której gromadzi się".

Niektóre białka prawie nigdy nie rozwijają się i nie gromadzą się, inni robią to w określonych warunkach, a inni robią to stale. Szczegółowe informacje w nowej pracy ułatwia naukę różnic w tym, dlaczego one w ogóle istnieją i co oznaczają. Niektóre krzywe денатурирования nawet wykazują zachowania, które mówią o tym, że białka gromadzą się po wdrożeniu.

Chociaż wielu naukowców zainteresowany w agregatach z powodu szkód, jakie powodują, inni myślą o tym zjawisku inaczej. Drummond mówi, że stało się oczywiste, że niektóre urządzenia są nie tylko workami ze śmieciami, pływającym w komórce; raczej, zawierają aktywne białka, które nadal robić swoje.

Wyobraź sobie, że widzisz z daleka dym, unoszący się z budynku. Wszystko wokół niego — to formy, które można podjąć dla ciała, tęsknią z wraku. Ale jeśli się zbliżyć, można stwierdzić, że jest to żywe osoby, które uciekły z płonącego budynku i czekają na karetkę. Około to się dzieje w nauce agregatów, mówi Drummond: naukowcy odkrywają, że zamiast być ofiarami, białka w agregatach też czasami mogą być ocalałych. To mocny trend biologii obecnie.

W ogóle ten praca sugeruje, że białka są ciekawi dynamicznymi strukturami. Najpierw są one podobne do dysków maszyny, które pracują nad pewnymi stałymi zadaniami, do których potrzebna jest jedna konkretna forma. Ale w rzeczywistości białka mogą przyjmować różne formy w trakcie swojej normalnej pracy. W przypadku konieczności ich kształty mogą zmieniać się tak radykalnie, że będzie się wydawać, że umierają, choć w rzeczywistości są one trwają. Na poziomie molekularnym życie może być stałym rozkładem i aktualizacji.