Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow Биоорганическая химия

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Фолдинг

Накопленная за более чем полувековой период информация о механизмах формирования пространственной структуры белков позволила сделать вывод о том, что это процесс самопроизвольный, не требующий ни дополнительной информации, ни энергии. Этот вывод основывался на результатах исследований, полученных при изучении формирования пространственной структуры ряда белков in vitro. Ученые полагали, что эти положения приемлемы и для процессов организации пространственной структуры белков и in vivo. Однако исследования последних лет показали, что в действительности дело обстоит несколько сложнее.

Оказалось, что процесс приобретения белком окончательной пространственной, биологически активной структуры in vivo не может считаться ни спонтанным, ни энергонезависимым. Внутри клеток функционирует специальная, высоко координированная система контроля и регуляции процесса свертывания белка.

Полипептидная цепочка с момента своего «рождения», сходя с рибосомы, попадает под этот контроль. Внутриклеточные факторы, не изменяя специфического пути формирования структуры (определяемого генетическим кодом и первичной структурой), обеспечивают оптимальные условия реализации быстрого и эффективного образования нативных пространственных структур.

Сложный, многостадийный физико-химический процесс образования нативных пространственных структур белка in vivo получил название фолдинга. Согласно современным представлениям, вначале на первой стадии формируются очень быстро (за миллисекунды) элементы вторичной структуры, служащие как бы «затравками» для образования более сложных структурных мотивов (рис. 15.11). Второй стадией (также осуществляемой очень быстро) является специфическая ассоциация некоторых элементе вторичной структуры с образо-

Схема последовательного

Рис. 15.11. Схема последовательного (постадийного) формирования нативной третичной структуры белка из развернутой вновь синтезированной полипептидной цепи ванием супервторичной структуры (сочетание нескольких а-спиралей, нескольких (3-структур либо смешанная ассоциация данных элементов).

Следующей (третьей) стадией, играющей важную роль в формировапнии уникальной «архитектуры» белка, является образование специфических контактов между участками, значительно удаленными друг от друга в аминокислотной последовательности, но оказывающихся сближенными в третичной структуре. Полагают, что это обусловлено главным образом гидрофобным взаимодействием, сближением неполярных групп и вытеснением молекул воды, расположенных между ними. Очевидно, что для каждого белка необходимо образование определенного (оптимального) числа таких специфических контактов. При этом возможны и ошибки, ведущие к образованию «неправильных» контактов. В результате формирования гидрофобного ядра «сога» и специфических контактов образуется структура, близкая к структуре нативного белка, которая еще не обладает присущей данному белку функциональной активностью. Это состояние макромолекулы белка, получившее название «расплавленной глобулы», отличается от нативного меньшей степенью упорядоченности структуры. Неполярные группы, формирующие гидрофобное ядро, «упакованы» недостаточно плотно. В целом молекула более лабильна и склонна к «слипанию» с другими такими же молекулами с образованием агрегатов.

Образование «расплавленной глобулы» происходит быстрее, чем ее переход в нативную структуру. Стадия, связанная с перебором разных конформаций, является, таким образом, самой медленной стадией процесса формирования пространственной структуры макромолекулы. Достаточно медленно за счет дополнительной стадии — установления специфических контактов между доменами — будет формироваться нативная структура из двух или более доменов. При формировании четвертичной структуры из нескольких полипептидных цепей добавляется стадия — установление контактов между субъединицами.

Согласно современным представлениям, в клетке возможен ряд механизмов регуляции процесса сворачивания полипептидной цепи. Это, во-первых, ферменты, ускоряющие процесс превращения «расплавленной глобулы» в нативную структуру за счет ускорения необходимых структурных перестроек. К числу таких ферментов относится фермент цяс-тряяс-изомеризации пептидной связи, предшествующей остатку пролина.

Во вновь синтезированной полипептидной цепи присутствует более стабильная тряяс-конформация. Для образования же нативной структуры белка необходимо, чтобы около 7 % связей, образованных остатками пролина, изоме- ризовались в ^яс-конформацию (рис. 15.12). In vivo этот процесс ускоряется благодаря действию специального фермента — пептидил-пролил-ф/с-тряяс- изомеразы.

Второй фермент, ускоряющий процесс сворачивания, катализирует образование и изомеризацию дисульфидных связей. Он способствует сворачиванию секретируемых клетками белков, содержащих дисульфидные мостики (например, инсулин, рибонуклеаза, иммуноглобулины), за счет образования дополни-

Схема ферментативных реакций формирования нативной структуры

Рис. 15.12. Схема ферментативных реакций формирования нативной структуры

белковой молекулы:

IA — образование дисульфидных связей; 1Б — восстановление неправильно сформированных дисульфидных связей и образование «правильных»; II — ферментативная цис-транс-изоме- ризация пептидной связи с участием остатка пролина

тельных дисульфидных связей, стабилизирующих нативную структуру белка, а также расщеплению «неправильных» S-S-связей.

Наряду с ферментами, в клетке существует особая категория белков, основной функцией которых является обеспечение правильного сворачивания по- липептидных цепей в нативную структуру. Эти белки, получившие название «молекулярные шапероны» (от англ, chaperone — близкого по смыслу рус. воспитательница), связываясь с развернутой или частично развернутой конформацией полипептидной цепи, не дают ей образовывать «неправильные» гидрофобные контакты. Они удерживают частично развернутый белок, способствуют его переносу из мест синтеза в разные субклеточные образования и создают условия для его эффективного сворачивания (рис. 15.13).

Все шапероны являются так называемыми «белками теплового шока» — hsp (heat shock proteins), синтез которых усиливается в стрессовых для клетки ситуациях. Однако и в нормальных условиях каждая клетка содержит определенный набор шаперонов, необходимых для ее жизнедеятельности. По характеру функций, выполняемых белками теплового шока, их можно разделить на два больших семейства — шапероны, или hsp-70, и шаперонины, к которым относятся hsp-60 и hsp-10.

Схема строения и реализации функций шаперонов

Рис. 15.13. Схема строения и реализации функций шаперонов

Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной цепи с рибосомы. Связываясь с отдельными гидрофобными участками полипептидной цепи, молекулы шаперонов образуют прочные комплексы и удерживают цепь в развернутом состоянии. Взаимодействие не является специфическим и реализуется, в основном, благодаря силам гидрофобного взаимодействия.

Главная функция hsp-70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другим «белкам-помощникам» — шаперонинам, роль которых — обеспечить оптимальные условия для эффективного формирования нативной, биологически активной структуры. Кроме того, шапероны выполняют важную роль и в транспорте белков через мембраны митохондрий и эндоплазматического ретикулума. Через мембрану может проникнуть только развернутая полипептидная цепь.

Главным фактором, обеспечивающим выполнение своих функций гиаперо- нами, является их способность связывать АТФ, осуществлять его гидролиз и изменять прочность взаимодействия с полипептидной цепью в зависимости от природы связанного нуклеотида (АТФ или ГТФ). В этом механизме задействованы и другие «белки-помощники». Для того чтобы произошло освобождение развернутой цепочки белка, необходимо отщепление АДФ, которое осуществляет один из «белков-помощников». Место АДФ занимает АТФ, и по- липептидная цепь освобождается.

В отличие от довольно просто построенных шаперонов (состоящих из нескольких субъединиц), шаперонины представляют собой сложные олигомерные структуры. Так, hsp-60 митохондрий и кишечной палочки построены из 14 субъединиц, организованных в два семичленных кольца, лежащих одно над другим. В центре такого цилиндра имеется полость (канал), в котором и происходит сворачивание полипептидной цепи. Как и в случае hsp-70, связывание развернутого белка с шаперонином и его отщепление регулируется АТФ-азной активностью шаперонина.

Роль маленького шаперонина hsp-10, называемого ко-шаперонином, закрывающего вход в центральный канал, состоит в том, чтобы предотвратить «преждевременный» выход в цитозоль или другой компартамент клетки белка, не завершившего окончательного формирования биологически активной структуры. Белки с нссформированной пространственной структурой направляются в про- теосомы, где подвергаются гидролизу до аминокислот.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>