Hvis temperaturen stiger over en vis tærskel, og den celle, der kollapser og dør. En af de enkleste forklaring på denne mangel på varme er, at de proteiner, der er nødvendige for liv, er dem, der udvinder energi fra mad eller sollys, kæmper med fjender, ødelægge affald og så videre, er ofte utrolig præcis i form. De starter med lange kæder, der derefter foldes ind i spiraler og andre konfigurationer, der er dikteret af den sekvens af deres komponenter. Disse former spiller en vigtig rolle i, hvad de laver. Men når det begynder at varme op, kommunikation, støtte strukturer af proteiner er ødelagt: for det første de svage, så når temperaturen stiger, og stærk. Det er klart, ødelæggelse af protein struktur bør være dødbringende, men indtil for nylig har de præcise detaljer om, hvordan og hvorfor det er drab overophedet celler var ukendt.
Og det er i Biofysik fra det Polytekniske Universitet i Zürich, Schweiz, studerede adfærd af hvert protein i cellerne i fire forskellige organismer med stigende varme. Denne undersøgelse og dens rige baggrund af data, der for nylig blev offentliggjort i Science, viser, at når temperaturen i cellen død — om en menneskelig celle eller en celle af Escherichia coli, — fordelt på kun et par store proteiner. Desuden, den overflod af et protein i en celle, der tilsyneladende viser en spændende forbindelse med stabiliteten af protein. Disse undersøgelser foreslår at se på de grundlæggende regler, der bestemmer den orden og uorden af proteiner — regler, som, ifølge forskerne, har konsekvenser, der rækker langt ud over den simple død af celler.
Paola Picotti, biofysiker, der ledede forskningen, forklarede, at disse forsøg kom fra den gamle vanskelige spørgsmål: hvorfor har nogle celler overleve ved høje temperaturer, mens andre dør. Bakterien Thermus thermophilus lever lykkeligt i hot springs og endda indenlandske vandvarmere, mens E. coli opløses allerede ved 40 grader Celsius. Der er stærke beviser for, at der er store forskelle i stabiliteten af proteiner i organismen. Men for at studere adfærd protein, når det stadig er i den levende celle er en ideel måde at forstå det, og det er meget vanskeligt. Adskillelse af protein in vitro giver kun delvis svar, fordi de er inde i kroppen proteiner, der er sluttet sammen ved at ændre kemien i hinanden eller holde hinanden i den rigtige form. For at forstå, hvad der bryder ned, og hvorfor, du er nødt til at studere proteiner, men de påvirker hinanden.
For at løse dette problem, har et hold af forskere har udviklet en kedelig automatiseret workflow, hvor de deler cellerne åbnes og deres indhold gradvist opvarmet, frigive enzymer klippe proteiner i blandingen i etaper. Disse enzymer er særligt god, når der skæres indsat proteiner, så var forskerne i stand til at bestemme den temperatur, ved hvilken nægtet hvert fragment proteiner. Således udgør de ikke-indsat, eller denaturering, og kurven for hver af de tusinder af proteiner, de studerede, der viser, hvordan disse buer gå fra intakt strukturer på en behagelig temperatur i en tilstand af forfald med stigende temperatur. At se, hvordan disse kurver er forskelle mellem de arter, forskerne har valgt fire arter — mennesker, E. coli, T. thermophilus og gær.
“Dette er en vidunderlig undersøgelse,” siger Allan Drummond, en biolog ved University of Chicago, der konstaterer, omfanget og delikatesse af processen.
En af de mest åbenlyse observationer, var den omstændighed, at hver type af proteiner er ikke udfoldet, kraftigt med stigende temperatur. I stedet, den første kollapsede proteiner er en lille delmængde, sagde Picotte, og det var den mest vigtige proteiner. Oftest er disse proteiner var tæt forbundet, er det påvirker mange processer i cellen. “Uden dem, cellen kan ikke fungere, siger Picotte. — Når de forlader, kan sammenbrud det hele netværket”. Og, naturligvis, livet i cellen.
Dette paradoks — at nogle af de vigtigste proteiner er de fine — kan afspejle, hvordan udviklingen har formet dem for deres arbejde. Hvis et protein har mange roller, han kan drage fordel af ustabilitet, bliver løsøre til foldning og udfoldning, der er de sammenklappelige og implementering, fordi det vil give ham mulighed for at tage mange forskellige former, alt efter formål. Mange af de vigtige proteiner, der har øget fleksibilitet, hvilket gør dem mere ustabile, men det er fleksible og er i stand til at kommunikere med forskellige målgrupper-molekyler i cellen, forklarer, Piketty. Cirka de er i stand til at udføre deres funktioner — denne form for kompromis.
Ved nærmere undersøgelse af E. coli data, som var den reneste, forskerne fandt også en sammenhæng mellem forekomsten af et protein, hvor mange kopier af det der flyder rundt i cellerne og dens stabilitet. Den flere eksemplarer af en celle, der gør det, jo mere varme, der kræves for at bryde protein. Det er også værd at bemærke, at overflod ikke altid korrelerer med afgørende betydning: nogle sjældne proteiner er også vigtigt. Dette forhold mellem tæthed og stabilitet blev indsendt af Drummond på niveauet af ideer ti år siden, da han satte spørgsmålstegn ved udviklingen af cellulære maskiner til at gøre lejlighedsvise fejl. Fejl normalt destabilizie protein. Hvis dette protein er produceret og distribueret hundreder eller tusinder i et bur hver dag, så forkert indsat kopier i store mængder kan være livsfarligt at celler. Kroppen vil være nyttigt at skabe versioner af standard proteiner med yderligere stabilitet, og de data, team Picotti afspejle dette.
For at undersøge, hvilke kvaliteter giver protein termisk stabilitet, og forskerne sammenlignede data fra E. coli og T. thermophilus. E. coli proteiner begynder at bryde ned på 40 grader Celsius, og for det meste falder til 70 grader. Men ved denne temperatur proteiner af T. termophilus bare bliver ubehageligt: nogle af dem bevarer deres form op til 90 grader Celsius. Forskere opdagede, at proteiner i T. termophilus, som regel kort, og visse typer af former og komponenter forekommer hyppigere i de mest stabile proteiner.
Disse resultater kan hjælpe forskere til at designe proteiner med modstand, nøje afstemt efter deres behov. I mange industrielle processer, som omfatter bakterier, for at øge temperaturen øger udbyttet, men indtil bakterier ikke dør af varme. Det ville være interessant at vide, om vi kunne stabilisere de bakterier, der skaber flere proteiner, der er mere modstandsdygtig over for temperaturstigninger, siger Picotte.
Ud over disse bemærkninger, den overflod af information om, hvordan udfoldelsen af hvert protein, førende biologer glade for. Protein stabilitet er en direkte indikator for, hvor sandsynligt det er protein aggregater: klynger af indsat proteiner, der klæber til hinanden. Enheder, ofte mareridt af den celle, kan blande sig med vigtige opgaver. For eksempel, de er forbundet med visse alvorlige neurologiske sygdomme som Alzheimers sygdom, når plaques er fyldt med denaturerede proteiner i hjernen.
Men det betyder ikke, at sammenlægning forekommer kun hos mennesker, der lider af denne sygdom. Tværtimod, forskere til at forstå, at dette kan ske, konstant, uden at nogen oplagte kilder til stress, og at en sund celle kan håndtere.
“Jeg tror, det er mere og mere anerkendt som et udbredt fænomen,” sagde Michelle Vendruscolo, en biokemiker ved Universitetet i Cambridge. “De fleste proteiner faktisk ophobes i cellen miljø. Piccotti modtaget vigtige oplysninger om den periode, i hvilken et bestemt protein er i en undeployed stat. Dette interval bestemmer, i hvilken grad det ophobes”.
Nogle proteiner er næsten aldrig vende rundt og ikke ophobes, andre at gøre det under visse betingelser, andre gør det hele tiden. Detaljerede oplysninger i det nye arbejde letter undersøgelse af forskelle i, hvorfor de findes, og hvad er meningen. Nogle kurver denaturirovaniâ endda vise mønstre, der tyder på, at proteiner, der ophobes efter indsættelsen.
Selv om mange forskere er interesseret i den enheder på grund af de skader, de forvolder, andre mener om dette fænomen forskelligt. Drummond siger, at det er blevet klart, at nogle enheder er ikke bare tasker af skrald, der flyder rundt i buret, men snarere, at de indeholder aktive proteiner, der fortsætter med at gøre deres job.
Forestil dig hvad du kan se fra lang afstand, den røg, der stiger op fra bygningen. Alle omkring ham er den form, som du finder kroppen ud af vraget. Men hvis du er i nærheden, kan du finde, at det er virkelige mennesker, der flygtede fra den brændende bygning og venter på en ambulance. Ligesom det sker i undersøgelsen enheder, siger Drummond: forskere opdager, at i stedet for at være ofre, proteiner i aggregater, kan også være en overlever. Dette er en stærk tendens i biologi nu.
Generelt, dette arbejde tyder på, at proteiner er dynamiske strukturer nysgerrigt. Første, de ser som hårde maskiner, der kører på en række faste opgaver, som de har brug for en bestemt form. Men i virkeligheden, proteiner, der kan antage forskellige former i løbet af sin normale drift. Hvis det er nødvendigt, deres form kan ændre sig så drastisk, at det vil synes ligesom de er ved at dø, når de i virkeligheden er styrke. På det molekylære plan, livet kan være en konstant forfald og fornyelse.
Hvorfor varmen dræber celler?
Ilya Hel