गर्मी कोशिकाओं को कैसे मारती है

जब एक निश्चित तापमान पार हो जाता है, तो कोशिका अनुपयोगी हो जाती है और मर जाती है। इस तरह की गर्मी असहिष्णुता के लिए सबसे सरल स्पष्टीकरणों में से एक यह है कि जीवन के लिए आवश्यक प्रोटीन वे हैं जो भोजन या सूर्य के प्रकाश से ऊर्जा निकालते हैं, घुसपैठ से खुद का बचाव करते हैं, अपशिष्ट को नष्ट करते हैं, आदि। - अक्सर एक आश्चर्यजनक सटीक आकार होता है। लंबे किस्में के रूप में शुरू करते हुए, फिर उन्हें अपने घटकों के अनुक्रम द्वारा सर्पिल, "हेयरपिन" और अन्य रूपों के रूप में घुमाया जाता है। और ये रूप उनकी गतिविधियों में बहुत बड़ी भूमिका निभाते हैं। लेकिन जब तापमान बढ़ना शुरू होता है, तो प्रोटीन संरचनाओं को रखने वाले बंधन टूट जाते हैं: पहले सबसे कमजोर, और फिर सबसे मजबूत। यह तर्कसंगत है कि प्रोटीन संरचना के फैलने वाले नुकसान को घातक होना चाहिए, लेकिन हाल ही में, जब तक यह कैसे गर्म कोशिकाओं को मारता है, इसका विवरण स्पष्ट नहीं था।

अब, ज्यूरिख के स्विस हायर टेक्निकल स्कूल के बायोफिज़िसिस्ट ने बढ़ते तापमान के साथ चार अलग-अलग जीवों की कोशिकाओं में प्रत्येक प्रोटीन के व्यवहार का अध्ययन किया है। इस अध्ययन और जर्नल साइंस में प्रकाशित आंकड़ों के समृद्ध संग्रह से पता चला है कि एक कोशिका की मृत्यु के लिए पर्याप्त तापमान पर - मानव, या एस्चेरिशिया कोलाई ई। कोलाई सेल - केवल कुछ प्रमुख प्रोटीन नष्ट हो जाते हैं। इसके अलावा, कोशिकाओं में प्रोटीन की प्रचुरता अप्रत्याशित रूप से उनकी स्थिरता के साथ जुड़ी हुई थी। अध्ययनों ने वैज्ञानिकों को उन बुनियादी नियमों से जल्दी से परिचित होने की अनुमति दी है जिनके द्वारा प्रोटीन का कार्य और उनके आदेश का निर्माण किया जाता है, और इसके परिणाम, जैसा कि स्पष्ट हो गया है, गर्मी से होने वाली साधारण मृत्यु की तुलना में बहुत अधिक है।

काम का निर्देशन करने वाले बायोफिजिसिस्ट पाओला पिकेट्टी ने बताया कि प्रयोग पुराने और अनसुलझे सवालों से प्रेरित थे: कुछ कोशिकाएं उच्च तापमान पर क्यों जीवित रहती हैं, जबकि अन्य मर जाती हैं? थर्मस थर्मोफिलस जीवाणु गर्म स्प्रिंग्स में और घर के हीटरों में [65 ° C के इष्टतम तापमान पर] रहता है। ट्रांस।], जबकि ई। कोलाई कोशिकाएं 40 ° C से अधिक तापमान पर नष्ट हो जाती हैं। साक्ष्य को प्रमाणित करने से पता चलता है कि यहाँ बिंदु इन जीवों के प्रोटीन की अलग स्थिरता है। लेकिन जीवित कोशिका में प्रोटीन का ट्रैक रखना, जो अध्ययन का एक आदर्श तरीका होगा, बहुत असुविधाजनक है। एक टेस्ट ट्यूब में प्रोटीन का अलगाव सभी जवाब नहीं देता है, क्योंकि शरीर के अंदर प्रोटीन एक साथ फंस जाते हैं और एक दूसरे के रसायन विज्ञान को प्रभावित करते हैं, या वे आवश्यक रूप में एक दूसरे का समर्थन करते हैं। यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या और क्यों यह अलग हो रहा है, ऐसे समय में प्रोटीनों का निरीक्षण करना आवश्यक है जब वे अभी भी एक दूसरे को प्रभावित कर रहे हैं।

गर्मी प्रोटीन को कैसे नष्ट करती है

1) प्रोटीन की प्राथमिक संरचना जीनों द्वारा दिए गए अनुक्रमों में संयुक्त, अमीनो एसिड की लंबी श्रृंखला है।
2) द्वितीयक संरचना एक एमिनो एसिड है जो कमजोर इंटरमॉलेक्युलर बॉन्ड द्वारा रखे गए कॉन्फ़िगरेशन में भी मोड़ती है।
3) तृतीयक संरचना - कमजोर बंधन प्रोटीन के त्रि-आयामी संरचना के सीधे और मुड़ वर्गों के स्थान को स्थिर करते हैं। उनका स्थान प्रोटीन को वांछित अणुओं को बांधने की अनुमति देता है।


थर्मल मौत। कमजोर बांड तृतीयक और द्वितीयक संरचनाओं को बनाए रखने की अपनी क्षमता खो देते हैं, और प्रोटीन निरूपण, जो कि प्रकट होता है। लेकिन सभी प्रोटीन एक ही तापमान पर प्रकट नहीं होते हैं - कोशिका में प्रोटीन का वातावरण इसे अतिरिक्त स्थिरीकरण दे सकता है।

कार्य को हल करने के लिए, टीम ने एक स्वचालित निगरानी प्रक्रिया विकसित की। उन्होंने कोशिकाओं को काट दिया और अपनी सामग्री को चरणों में गरम किया, प्रत्येक चरण में एंजाइमों को जारी किया, जिन्होंने प्रोटीन को अलग किया। ये एंजाइम विशेष रूप से अनफोल्डेड प्रोटीन को काटने में अच्छे हैं, इसलिए कटे हुए प्रोटीन के अवशेषों के आधार पर शोधकर्ता यह अनुमान लगा सकते हैं कि एक दिए गए तापमान पर कौन से प्रोटीन अलग हो गए। इस प्रकार, वे अध्ययन किए गए हजारों प्रोटीनों में से प्रत्येक के लिए विकृतीकरण वक्र बनाने में सक्षम थे। घटता का चाप उच्च तापमान पर पूर्ण विकसित अवस्था में इसके लिए एक आरामदायक तापमान पर प्रोटीन की अछूता संरचना से जाता है। जीवित चीजों की विभिन्न प्रजातियों के घटता के बीच अंतर की खोज के लिए, मनुष्यों, ई। कोलाई, टी। थर्मोफिलस और खमीर की कोशिकाओं पर प्रयोग किए गए थे। "अध्ययन सुंदर था," एलन ड्रमंड , शिकागो विश्वविद्यालय के एक जीवविज्ञानी ने प्रक्रिया के पैमाने और सटीकता दोनों का जिक्र किया।

अवलोकनों के दौरान, यह स्पष्ट रूप से देखा गया था कि सभी जीवित चीजों के प्रोटीन बढ़ते तापमान के साथ एक बार में सभी को नियंत्रित नहीं करते हैं। "हमने देखा कि बहुत प्रारंभिक अवस्था में केवल प्रोटीन का एक छोटा सा उपसमूह ढह गया था," पिकेटी ने कहा, "और ये प्रमुख प्रोटीन थे।" प्रोटीन-प्रोटीन बॉन्ड की इंटरव्यूइंग के साथ एक आरेख में, इस छोटे से सबसेट से सबसे नाजुक प्रोटीन में अक्सर बड़ी संख्या में बांड होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे कोशिकाओं में होने वाली कई प्रक्रियाओं को प्रभावित करते हैं। "इन प्रोटीनों के बिना, कोशिकाएं काम नहीं कर सकती हैं," पिकेटी ने कहा। "जब वे गायब हो जाते हैं, तो पूरा नेटवर्क नष्ट हो जाता है।" और इसके साथ, जाहिर है, सेल का जीवन बंद हो जाता है।

यह विरोधाभास - सबसे महत्वपूर्ण प्रोटीन सबसे नाजुक निकलता है - इस बात का प्रतिबिंब हो सकता है कि विकास ने उन्हें इसी कार्यों को करने के लिए कैसे बनाया। यदि एक प्रोटीन की कई भूमिकाएं हैं, तो इसकी अस्थिरता और विस्तार और पतन की प्रवृत्ति एक फायदा हो सकती है, क्योंकि यह विभिन्न कार्यों के लिए उपयुक्त विभिन्न रूपों को लेने की अनुमति दे सकती है। "इनमें से कई प्रमुख प्रोटीनों में बहुत लचीलापन होता है, जो उन्हें कम स्थिर बनाता है," लेकिन साथ ही साथ उन्हें सेल में विभिन्न लक्ष्य अणुओं को बांधने की क्षमता के साथ संपन्न करता है, पिकेटी ने समझाया। "सबसे अधिक संभावना है, यह है कि वे अपने कार्यों का सामना कैसे करते हैं। यह एक समझौता है। ”

ई। कोलाई का सावधानीपूर्वक अध्ययन किया, जिसके लिए एकत्र किए गए डेटा उच्चतम गुणवत्ता के थे, शोधकर्ताओं ने प्रोटीन की प्रचुरता के बीच संबंध पाया - सेल में प्रतियों की संख्या - और इसकी स्थिरता। प्रोटीन जितनी अधिक सेल बनाता है, उसे नष्ट करने के लिए उतना ही अधिक तापमान की आवश्यकता होती है। यह पता चला है कि बड़ी संख्या में प्रतियां जीवित रहने के लिए प्रोटीन की महत्वपूर्णता के साथ संबंध नहीं रखती हैं। कुछ प्रमुख प्रोटीन बहुत दुर्लभ हैं। बहुतायत और विश्वसनीयता के बीच यह संबंध दस साल पहले ड्रमंड के द्वारा लगाए गए विचार की पुष्टि करता है - सेलुलर सिस्टम जो प्रोटीन बनाता है, समय-समय पर गलतियां करने की प्रवृत्ति है। गलती आमतौर पर प्रोटीन को अस्थिर करती है। यदि यह प्रोटीन प्रचुर मात्रा में पाया जाता है, और ऐसा प्रोटीन दिन में सौ या हज़ार बार सेल में दिखाई देता है, तो गलत तरीके से बड़ी मात्रा में उत्पादित प्रतियां सेल को रोक सकती हैं। इस प्रकार, यह शरीर के लिए विकसित करने के लिए फायदेमंद होगा ताकि सबसे प्रचुर मात्रा में प्रोटीन भी सबसे स्थिर हो, जो कि पिकाकोटी टीम द्वारा प्राप्त आंकड़ों से पुष्टि की जाती है।

यह समझने के लिए कि प्रोटीन के कौन से गुण इसे स्थिर बनाते हैं, शोधकर्ताओं ने ई। कोलाई और टी। थर्मोफिलस के आंकड़ों की तुलना की। ई। कोली के प्रोटीन 40 ° C से नीचे गिरने लगे और लगभग पूरी तरह से 70 ° C पर अवक्रमित हो गए। लेकिन इस तापमान पर, टी। थर्मोफिलस प्रोटीन बस असुविधा महसूस करने लगे थे - उनमें से कुछ ने 90 डिग्री सेल्सियस पर भी अपना आकार बनाए रखा। टीम ने पाया कि टी। थर्मोफिलस में आमतौर पर छोटे प्रोटीन होते हैं, और कुछ प्रकार के प्रोटीन के रूप और घटक सबसे अधिक स्थिर होते हैं।


एक प्रयोग से एक वक्र का एक उदाहरण। ऊर्ध्वाधर - अनकही प्रोटीन का प्रतिशत, क्षैतिज - तापमान। वर्टिकल बार वह तापमान होता है जिस पर कोशिकाएं मृत होने लगती हैं। ऐसा करने के लिए, बस कुछ प्रमुख प्रोटीनों को घुमाएं।

शोधकर्ता शोधकर्ताओं को प्रोटीन विकसित करने में मदद कर सकते हैं जिनकी स्थिरता उनकी आवश्यकताओं के अनुरूप है। कई औद्योगिक प्रक्रियाओं में जहां बैक्टीरिया का उपयोग किया जाता है, तापमान में वृद्धि से वापसी बढ़ जाती है - लेकिन बहुत जल्द बैक्टीरिया गर्मी से मरने लगते हैं। यह जानना दिलचस्प होगा कि क्या हम बैक्टीरिया को तापमान के प्रति अधिक प्रतिरोधी बनाकर बैक्टीरिया को स्थिर कर सकते हैं, पिकेटी ने कहा।

कैसे आसानी से कुछ प्रोटीन को प्रकट करने के बारे में जानकारी की बहुतायत ने कुछ जीवविज्ञानी को बहुत प्रसन्न किया। इसके एकत्रीकरण की संभावना सीधे प्रोटीन की स्थिरता पर निर्भर करती है: अविकसित प्रोटीनों की गांठ की उपस्थिति एक दूसरे का पालन करती है। प्रोटीन समुच्चय कोशिकाओं के लिए एक दुःस्वप्न में बदल सकते हैं और मुख्य कार्यों के कार्यान्वयन में हस्तक्षेप कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, उन पर कुछ गंभीर न्यूरोलॉजिकल समस्याएं पैदा करने का आरोप है, जैसे अल्जाइमर रोग, जिसमें अनजाने प्रोटीन की पट्टिका मस्तिष्क को रोकती है।


पाओला पिकेटी

लेकिन इसका मतलब यह नहीं है कि एकत्रीकरण केवल कुछ बीमारियों से पीड़ित जीवों में होता है। इसके विपरीत, शोधकर्ताओं ने महसूस किया कि यह संभव है कि यह हर समय होता है, और स्वस्थ कोशिकाओं में ऐसी विधियाँ होती हैं जिनके द्वारा वे इसका सामना करते हैं। "मुझे लगता है कि यह घटना तेजी से सामान्य होती जा रही है," कैम्ब्रिज विश्वविद्यालय में एक जैव रसायनविद् मिशेल वेन्ड्रसकोलो ने कहा। “ज्यादातर प्रोटीन कोशिकाओं के भीतर सही तरीके से नहीं मुड़ते और एकत्र होते हैं। सबसे महत्वपूर्ण बात यह है कि पॉट्कोटी टीम की स्थापना समय की लंबाई है जिसमें कोई भी चयनित प्रोटीन विस्तारित अवस्था में है। यह समय संभावित प्रोटीन एकत्रीकरण की डिग्री निर्धारित करता है। ” कुछ प्रोटीन लगभग कभी भी मुड़ते नहीं हैं और एकत्र नहीं होते हैं, अन्य कुछ स्थितियों में व्यवहार करते हैं, जबकि अन्य हर समय ऐसा करते हैं। बायोकेमिस्ट के अनुसार, नए काम में प्रोटीन का एक विस्तृत विवरण प्रोटीन के बीच इन मतभेदों के अध्ययन और समझ की सुविधा प्रदान करेगा। विकृतीकरण वक्रों में से कुछ संकेत देते हैं कि उनके प्रोटीन सामने आने के बाद एकत्र होते हैं। "वे दोनों चरणों को ट्रैक करने में कामयाब रहे - दोनों तैनाती और बाद के एकत्रीकरण," वेंडरसकोलो ने कहा। "यही इस अध्ययन की सुंदरता है।"

और हालाँकि कई वैज्ञानिक समुच्चय में रुचि रखते हैं क्योंकि वे नुकसान का कारण बनते हैं, कुछ इस घटना को एक अलग दृष्टिकोण से देखते हैं। ड्रमंड कहते हैं कि यह स्पष्ट हो रहा है कि कुछ समुच्चय केवल पिंजरे में बंद कचरे के टुकड़े नहीं हैं। उनमें सक्रिय प्रोटीन होते हैं जो अपने कार्यों को करना जारी रखते हैं।

एक दूरी से आप एक इमारत से धुआं उठते हुए देखें, ड्रमंड कहते हैं। इमारत के चारों ओर आपको कुछ आंकड़े दिखाई देते हैं, और आप कल्पना करते हैं कि ये खंडहरों से निकाले गए शरीर हैं। लेकिन अगर आप करीब आते हैं, तो आप पा सकते हैं कि वे जीवित लोग हैं जो एक जलती हुई इमारत से भाग गए, इस घटना के समाप्त होने की प्रतीक्षा कर रहे हैं। द्रुमोंड के अध्ययन के अनुसार, यह मामला है: ड्रमंड: शोधकर्ताओं ने पाया कि समुच्चय में प्रोटीन पीड़ित नहीं हैं, बल्कि जीवित बचे हैं। "अब विज्ञान का एक नया क्षेत्र विस्फोटक गति से बढ़ रहा है," वे कहते हैं।

प्रोटीन की गड़बड़ी नुकसान का संकेत नहीं हो सकती है, लेकिन प्रोटीन के लिए एक मुश्किल स्थिति में अपने कार्यों को बनाए रखने का एक तरीका है। उदाहरण के लिए, यह पर्यावरण से उनकी रक्षा कर सकता है। और जब स्थिति में सुधार होता है, तो प्रोटीन समुच्चय छोड़ सकते हैं और फिर से मोड़ सकते हैं। "उनका आकार तापमान के साथ इस तरह बदलता है कि पहली नज़र में यह अनुचित तह लगता है," ड्रमंड कहते हैं। "लेकिन यह कुछ और समझ में आता है।" 2015 से सेल पत्रिका के एक लेख में, उन्होंने और उनके सहयोगियों ने 177 खमीर प्रोटीन की पहचान की जो समुच्चय में प्रवेश करने के बाद अपने कार्यों को बनाए रखते थे। मार्च में प्रकाशित एक पेपर में, इस टीम ने वर्णन किया कि यदि प्रोटीन में से एक को बदल दिया गया था ताकि यह एकत्र न हो सके, तो इससे सेल के कामकाज में गंभीर समस्याएं हो सकती हैं।

सामान्य तौर पर, काम का दावा है कि प्रोटीन आश्चर्यजनक रूप से गतिशील संरचनाएं हैं। सबसे पहले, वे निश्चित कार्यों पर काम करने वाली कठोर मशीनों की तरह लग सकते हैं, जिसके लिए एक विशेष रूप उपयुक्त है। लेकिन वास्तव में, प्रोटीन अपने सामान्य कामकाज के दौरान कई अलग-अलग रूप ले सकता है। और सही समय पर, उनका आकार इतना बदल सकता है कि ऐसा लग सकता है कि वे बिगड़ रहे हैं, हालांकि वास्तव में वे इसके विपरीत मजबूत हो रहे हैं। आणविक स्तर पर, जीवन स्थायी संबंध और बांड के डिस्कनेक्ट हो सकते हैं।