Om temperaturen stiger ovanför en viss gräns, cell kollapsar och dör. Ett av de enklaste förklaringar av denna brist på värme är att de proteiner som är nödvändiga för livet, är de som utvinna energi från mat eller solljus, slåss med inkräktare, förstöra avfall och så vidare, är ofta oerhört exakta formen. De börjar med långa kedjor som sedan vika in spiraler och andra konfigurationer som dikteras av den sekvens av deras komponenter. Dessa former spelar en viktig roll i det de gör. Men när det börjar att värma upp, kommunikation, stöd strukturer av proteiner förstörs: först svagt, sedan när temperaturen stiger, och stark. Självklart, förstörelse av protein struktur bör vara dödliga, men fram till nyligen har den exakta detaljer om hur eller varför det är döda överhettad celler var okänd.
Och det är i Biofysik från Polytekniska Universitetet i Zürich, Schweiz, har studerat beteendet hos varje protein i cellerna i fyra olika organismer med ökande värmen. Denna studie och dess rika bakgrund av data, som nyligen publicerats i Science, visade att när temperaturen i cellen död — om en mänsklig cell eller en cell av Escherichia coli — split endast ett fåtal, viktiga proteiner. Dessutom, mängden av ett protein i en cell, tydligen, visar på ett spännande samband med stabiliteten av protein. Dessa studier föreslå att titta på de grundläggande reglerna för att bestämma i vilken ordning och oordning av proteiner — regler som, enligt forskarna, ha konsekvenser som går långt utöver den enkla död av celler.
Paola Picotti, biofysiker, som lett forskningen, förklarade att dessa experiment kom från den gamla, besvärliga frågan: varför har vissa celler överlever vid höga temperaturer, medan andra dör. Bakterien Thermus thermophilus lever lyckligt i de varma källorna och även inhemska varmvattenberedare, medan E. coli sönderfaller redan vid 40 grader Celsius. Det finns starka bevis för att viktiga skillnader i stabilitet proteiner i varje organism. Men att studera beteendet hos den protein när den är fortfarande i levande cell är ett perfekt sätt att förstå det, och det är mycket svårt. Separation av protein för in vitro ger bara delvis svar, eftersom inuti kroppen proteiner som är förenade med att ändra kemi av varandra eller hålla varandra i rätt form. För att förstå vad som går sönder och varför du behöver för att studera proteiner, men de påverkar varandra.
För att lösa detta problem, ett team av forskare har utvecklat en mödosam automatiserat arbetsflöde, i vilka de delar öppna celler och deras innehåll gradvis värms upp, släppa enzymer skär proteiner i blandningen i etapper. Dessa enzymer är särskilt bra när du klipper utplacerade proteiner, så kunde forskarna att bestämma vid vilken temperatur förnekade varje fragment av proteiner. Således, de representerar icke-distribuerat, eller denaturering, kurvan för var och en av de tusentals olika proteiner som de studerade, som visar hur dessa bågar gå från intakt strukturer till en behaglig temperatur i ett tillstånd av förfall med ökande temperatur. För att se hur dessa kurvor skiljer sig mellan arter, forskarna valde fyra arter — människor, E. coli, T. thermophilus och jäst.
“Detta är en underbar studie, säger Allan Drummond, en biolog vid University of Chicago, notera skala och delikatess av processen.
En av de mest uppenbara observationerna var det faktum att varje typ av proteiner är inte utvecklats kraftigt med ökande temperatur. Istället, den första kollapsade proteiner är en liten delmängd, sade Picotte, och det var den mest viktiga proteiner. Oftast dessa proteiner var nära anknytning, som påverkar många olika processer i cellen. “Utan dem cellen inte kan fungera, säger Picotte. — När de lämnar, kan kollapsa hela nätet”. Och givetvis livet i cellen.
Denna paradox — att några av de mest viktiga proteiner är den mest känsliga — kan reflektera hur evolutionen har format dem för deras arbete. Om ett protein har många roller, han kan dra nytta av instabilitet, som lös till vikning och utbredning, som är fällbara och distribution, eftersom det gör det möjligt för honom att ta många olika former beroende på syftet. Många av de viktiga proteiner har ökad flexibilitet, vilket gör dem mer instabil, men det är flexibel och kan kommunicera med olika målgrupper molekyler i cellen, förklarar Jordbruk. Ungefär de är kapabla att utföra sina funktioner — denna typ av kompromiss.
Vid närmare granskning av E. coli data som var den renaste, forskarna fann också en korrelation mellan mängden av ett protein, hur många kopior av det som flyter runt i cellerna och dess stabilitet. Mer kopierar en cell gör, desto mer värme krävs för att bryta protein. Det är också värt att notera att den mängd inte alltid korrelerar med avgörande betydelse: vissa sällsynta proteiner är också viktigt. Denna relation mellan överflöd och stabilitet lämnades in av Drummond på nivån av idéer för tio år sedan när han ifrågasatte utvecklingen av cellulär maskiner för att göra enstaka misstag. Fel brukar destabilizie protein. Om det protein som produceras och distribueras hundratals eller tusentals i en bur varje dag, sedan felaktigt utplacerade kopior i stora mängder kan vara ödesdigert att celler. Kroppen skulle vara till hjälp för att skapa versioner av standarden proteiner med extra stabilitet, och de uppgifter som team Picotti återspegla detta.
För att undersöka vilka egenskaper ger protein termisk stabilitet, forskarna har jämfört data från E. coli och T. thermophilus. E. coli proteiner börja bryta ner vid 40 grader Celsius och för det mesta falla till 70 grader. Men vid denna temperatur proteiner av T. termophilus bara blir obehagligt: några av dem att behålla sin form och upp till 90 grader Celsius. Forskarna upptäckte att de proteiner som ingår i T. termophilus, som regel, kort, och vissa typer av former och komponenter visas oftare i den mest stabila proteiner.
Dessa resultat kan hjälpa forskarna att utforma proteiner med motstånd, noggrant anpassas till deras behov. I många industriella processer, som inkluderar bakterier, ökar temperaturen ökar avkastningen, men tills bakterierna inte dör av värmen. Det skulle vara intressant att veta om vi kunde stabilisera bakterier skapa flera proteiner som är mer resistenta mot temperaturen stiger, säger Picotte.
Utöver dessa observationer, överflödet av information om hur utvecklingen av varje protein, ledande biologer och glada. Protein stabilitet är en direkt indikator på hur sannolikt det bildar protein aggregat: kluster utplacerade proteiner som håller sig till varandra. Enheter, ofta mardröm av cellen, kan störa viktiga uppgifter. Till exempel, de är förbundna med vissa allvarliga neurologiska sjukdomar som Alzheimers sjukdom, när plack är fyllda med denaturerade proteiner i hjärnan.
Men detta innebär inte att en sammanläggning sker endast hos människor som lider av denna sjukdom. Tvärtom, forskare att förstå att detta kan hända hela tiden utan några uppenbara källorna till stress, och att en frisk cell kan hantera.
“Jag tror att det är alltmer erkänns som ett utbrett fenomen,” sade Michelle Vendruscolo, en biokemist vid Universitetet i Cambridge. “De flesta proteiner faktiskt ackumuleras i cellen miljö. Piccotti fått viktig information om den tid som ett visst protein i en undeployed staten. Detta intervall bestämmer till vilken grad det samlas”.
Vissa proteiner är nästan aldrig vända sig och inte ansamlas, andra gör det under vissa förhållanden, andra gör det hela tiden. Detaljerad information i det nya arbetet underlättar studier av skillnader i varför de finns och vad som är tänkt. Några kurvor denaturirovaniâ även visa mönster, vilket tyder på att proteiner ackumuleras efter utbyggnaden.
Även om många forskare är intresserade av enheter på grund av de skador de orsakar, andra tycker om detta fenomen på olika sätt. Drummond säger att det har blivit uppenbart att vissa enheter är inte bara påsar med skräp som flyter runt i buren, utan snarare att de innehåller aktiva proteiner som fortsätter att göra sitt jobb.
Tänk vad man se på långt håll att det rök från byggnaden. Alla runt omkring honom är den form som du tar kroppen ut ur vraket. Men om du kommer nära, du kanske tycker att det är riktiga människor som flydde från den brinnande byggnaden och väntar på en ambulans. Precis som detta händer i den studie enheter, säger Drummond: forskare upptäcka att istället för att vara offer, proteiner i aggregaten kan också vara en överlevare. Detta är en kraftfull trend i biologi nu.
I Allmänhet, detta arbete tyder på att proteiner är dynamiska strukturer nyfiket. För det första, de ser ut som tuffa maskiner som körs på vissa fasta uppgifter som de behöver en specifik form. Men i själva verket proteiner kan ta olika former i normal drift. Om det behövs, deras form kan förändras så drastiskt att det kommer att verka som att de dör när de i själva verket är en förstärkning. På molekylär nivå kan livet vara en konstant förfall och förnyelse.
Varför värmen dödar celler?
Ilya Hel