Чому тепло вбиває клітини новини науки на

Якщо температура підніметься вище певного порогу, клітина коллапсирует і помре. Одне з найпростіших пояснень цього недоліку теплостойкости полягає в тому, що білки, необхідні для життя, - ті, які витягують енергію з їжі або сонячного світла, борються з прибульцями, знищують відходи і так далі - найчастіше мають неймовірно точну форму. Вони починаються з довгих ланцюжків, потім згортаються в спіралі і інші конфігурації, продиктовані послідовністю їх компонентів. Ці форми грають важливу роль в тому, що вони роблять. Але коли все починає нагріватися, зв'язку, що підтримують структури білків, руйнуються: спершу найслабші, а потім, коли температура піднімається, і сильні. Очевидно, руйнування білкової структури має бути смертельним, але до недавніх пір якихось пояснень того, як або чому це вбиває перегріті клітини, були невідомі.

Паола Пікотті, біофізик, який керував дослідженням, пояснив, що ці експерименти вийшли зі старого, тернистого питання: чому деякі клітини виживають при високих температурах, а інші вмирають. Бактерія Thermus thermophilus щасливо живе в гарячих джерелах і навіть побутових водонагрівачі, в той час як E. coli розпадається вже при 40 градусах Цельсія. Є сильні свідоцтва на користь того, що важливі саме відмінності в стабільності білків кожного організму. Але вивчати поведінку білка, коли він ще перебуває в живій клітині, - це ідеальний спосіб зрозуміти його, і це дуже непросто. Виділення білка в пробірці дає лише часткові відповіді, тому що всередині організму білки з'єднуються разом, змінюючи хімію один одного або утримуючи один одного в потрібній формі. Щоб зрозуміти, що розпадається і чому, потрібно вивчати білки, поки вони впливають один на одного.

Щоб вирішити цю проблему, команда вчених розробила томливий автоматизований робочий процес, в якому вони поділяють відкриті клітини і нагрівають їх вміст поетапно, випускаючи розрізають білки ферменти в суміші поетапно. Ці ферменти особливо хороші при нарізці розгорнутих білків, тому дослідники змогли визначити, при якій температурі відмовляв кожен фрагмент білків. Таким чином, вони зображують нерозгорнуті, або денатурують, криву для кожного з тисяч досліджуваних ними білків, показуючи, як ці дуги переходять з інтактних структур при комфортних температурах в стан розпаду з підвищенням температури. Щоб побачити, як ці криві розрізняються у видів, вчені вибрали чотири види - людей, E. coli, T. thermophilus і дріжджі.

«Це прекрасне дослідження», говорить Аллан Драммонд, біолог Чиказького університету, відзначаючи масштаб і делікатність процесу.

Одне з найбільш очевидних спостережень полягала в тому, що у кожного виду білки не розгорталися масово при підвищенні температури. Замість цього першими коллапсировать білки дуже невеликого підмножини, каже Пікотті, і це були найважливіші білки. Найчастіше ці білки були тісно пов'язані, тобто впливали на безліч процесів в клітині. «Без них клітина не може функціонувати, - каже Пікотті. - Коли вони йдуть, зруйнуватися може ціла мережа ». І, очевидно, життя клітини.

Цей парадокс - що деякі з найбільш важливих білків виявляються найбільш делікатними - може відображати, як еволюція сформувала їх для їх роботи. Якщо у білка багато ролей, він може отримати вигоду з нестабільності, опинившись рухомим до фолдінг і анфолдінгу, тобто до згортання і розгортання, тому що це дозволить йому приймати багато різних форм в залежності від мети. Багато з важливих білків мають підвищену гнучкість, що робить їх більш нестабільними, але при цьому гнучкими і здатними зв'язуватися з різними цільовими молекулами в клітці, пояснює Пікотті. Приблизно так вони здатні виконувати свої функції - це свого роду компроміс.

При найближчому розгляді E. coli, дані якої були найчистішими, вчені також виявили взаємозв'язок між достатком білка - того, скільки копій його плаває навколо клітини - і його стабільністю. Чим більше копій робить клітка, тим більше тепла потрібно, щоб розбити білок. Варто також відзначити, що достаток не завжди корелює з життєвою важливістю: деякі рідкісні білки теж важливі. Цей зв'язок між достатком і стійкістю була представлена ​​Драммондом на рівні ідеї ще десять років тому, коли він поставив під сумнів тенденцію клітинної машини робити випадкові помилки. Помилка зазвичай дестабілізує білок. Якщо цей білок поширений і проводиться сотнями або тисячами в клітці щодня, тоді неправильно розгорнуті копії у великих кількостях могли б стати фатальними для клітини. Організму було б до речі створювати версії звичайних білків з додатковою стабільністю, і дані команди Пікотті це відображають.

Щоб дослідити, які якості забезпечують білок теплової стійкістю, вчені порівняли дані з E. coli і T. thermophilus. Білки E. coli починають розпадатися при 40 градусах Цельсія і здебільшого розпадаються до 70 градусів. Але при цій температурі білкам T. termophilus тільки-тільки стає незатишно: деякі з них зберігають свою форму до 90 градусів Цельсія. Вчені виявили, що білки T. termophilus, як правило, короткі, а деякі види форм і компонентів з'являються частіше в найстабільніших білках.

Ці результати можуть допомогти дослідникам розробити білки зі стійкістю, ретельно налаштованої на їхні потреби. У багатьох промислових процесах, які включають бактерії, підвищення температури збільшує урожай - але до тих пір, поки бактерії не вмирають від тепла. Було б цікаво дізнатися, чи можемо ми стабілізувати бактерії, створивши кілька білків, які будуть більш стійкі до підвищення температури, каже Пікотті.

Крім всіх цих спостережень, велика кількість інформації про те, як розгортається кожен білок, призводить біологів в захват. Стабільність білка є прямим показником того, наскільки ймовірно він утворює білкові агрегати: скупчення розгорнутих білків, які липнуть одне до одного. Агрегати, часто є кошмаром для клітини, можуть втручатися в важливі завдання. Наприклад, їх пов'язують з деякими серйозними неврологічними станами, такими як хвороба Альцгеймера, коли бляшки денатурованих білків начиняють мозок.

Але це не означає, що агрегація відбувається тільки у людей, які страждають від цієї хвороби. Навпаки, вчені розуміють, що це може відбуватися постійно, без очевидних джерел стресу, і що здорова клітина може з цим впоратися.

«Я думаю, це все частіше визнається поширеним явищем», говорить Мішель Вендрусколо, біохімік з Університету Кембриджу. «Більшість білків насправді накопичуються в клітинної середовищі. Піккоті отримала важливу інформацію про проміжок часу, в якому певний білок перебуває в нерозгорнутому стані. Цей проміжок визначає ступінь, з якою він накопичується ».

Деякі білки майже ніколи не розгортаються і не накопичуються, інші роблять це за певних умов, треті роблять це постійно. Детальна інформація в новій роботі полегшує вивчення відмінностей в тому, чому вони взагалі існують і що означають. Деякі криві денатуровані навіть демонструють патерни, які говорять про те, що білки накопичуються після розгортання.

Хоча багато вчених зацікавлені в агрегатах через збитку, який вони викликають, інші думають про це явище інакше. Драммонд каже, що стало очевидно, що деякі агрегати є не просто мішками зі сміттям, плаваючим по клітці; скоріше, вони містять активні білки, які продовжують робити свою справу.

Уявіть, що ви бачите здалеку дим, що піднімається від будівлі. Все навколо нього - це форми, які ви приймаєте за тіла, витягнуті з уламків. Але якщо наблизитися, можна виявити, що це живі люди, які вирвалися з палаючої будівлі і чекають швидку допомогу. Приблизно таке відбувається при вивченні агрегатів, каже Драммонд: вчені виявляють, що замість того, щоб бути жертвами, білки в агрегатах теж іноді можуть бути вижили. Це потужна тенденція біології в даний час.

В цілому ця робота передбачає, що білки є цікаво динамічними структурами. Спочатку вони схожі на жорсткі машини, що працюють над певними фіксованими завданнями, для яких їм потрібна одна конкретна форма. Але насправді білки можуть приймати різні форми в ході своєї нормальної роботи. У разі необхідності їх форми можуть змінюватися так радикально, що буде здаватися, ніби вони вмирають, хоча в дійсності вони зміцнюються. На молекулярному рівні життя може бути постійним розпадом і оновленням.

Чому тепло вбиває клітини? Ілля Хель