Це біологічні молекули, що виконують тисячі специфічних функцій усередині кожної клітини живого організму. Білки синтезуються в рибосомах у вигляді довгої поліпептидної нитки, але потім швидко згортаються у свою природну (нативну) просторову структуру. Цей процес називається фолдингбілка. Може здатися дивовижним, але цей фундаментальний процес досі погано зрозумілий молекулярному рівні. В результаті передбачити нативну структуру білка за його амінокислотною послідовністю поки що не вдається. Для того щоб відчути хоча б деякі нетривіальні аспекти цієї задачі, спробуємо вирішити її для наступної простої моделі білкової молекули.
Нехай білок складається з однакових ланок, послідовно з'єднаних один з одним (рис. 1). Цей ланцюжок може згинатися, і для простоти вважатимемо, що він згинається над просторі, лише у площині. Ланцюжок має певну пружність на вигин: якщо напрями двох сусідніх ланок утворюють кут α (вимірюється в радіанах), то така сполука підвищує енергію молекули на Aα 2 /2, де A- Деяка константа розмірності енергії. Нехай також у кожної ланки з боків є дві «контактні ділянки», якими ланки можуть склеюватися. Кожна така склеювання має енергію – B(тобто вона знижує енергію ланцюжка на величину B). Зрештою, будемо припускати, що Bменше A(тобто ланцюжок досить пружного).
Завдання
Яка конфігураціямолекули з Nланок буде найбільш енергетично вигідною? Досліджуйтеяк змінюється ця конфігурація зі зростанням N.
Підказка
Найбільш енергетично вигідною є конфігурація з мінімальною енергією. Тому треба вигадати, як влаштувати велике число«склеєк» ланок (кожна з яких знижує енергію), але при цьому не дуже різко згинати ланцюжок, щоб надто сильно не збільшувати її пружну енергію.
У цій задачі не потрібно шукати абсолютно точну форму ланцюжка для кожної конкретної кількості ланок. Треба лише описати характерні «візерунки», які виникатимуть за оптимального фолдингу цієї «білкової молекули», і знайти, при якому зразковому Nмолекулі вигідніше перебудуватися з однієї конфігурації до іншої.
Рішення
Енергія абсолютно прямого ланцюжка дорівнює нулю. Щоб знизити її, деякі ланки повинні злипнутися. Але для цього ланцюжок повинен організувати петлю і наявність петлі підвищує енергію. Якщо петля занадто довга, то велика кількість ланок, які б зв'язатися один з одним, залишаються без зв'язку. Ці ланки можна з'єднати, немов на застібці-блискавці, тим самим укоротивши петлю, але від цього збільшиться її енергія пружності. Тому треба знайти таку оптимальну довжину петлі, при якій сили пружності, що розширюють петлю, і сили зв'язку, що її «застібають», збалансовані.
Енергія петлі
Нехай є петля з mнесклеєних ланок (рис. 2). Характерний кут між сусідніми ланками у ній - приблизно 2π/ m. (Насправді цей кут змінюється від ланки до ланки, оскільки найбільш вигідна форма петлі зовсім не кругова, але для наближеного дослідження наша оцінка цілком піде.) Таких сполук є. mштук, тому петля має енергію 2π 2 A/m. Застебнемо її ще на одну ланку. Тоді петля стане коротшою на дві ланки, а енергія всього ланцюжка зміниться на величину
Якщо ж, навпаки, розірвати один зв'язок, то енергія ланцюжка зміниться на
Петля з mланок є оптимальною, коли обидві ці зміни енергії позитивні, тобто з енергетичного погляду петлю невигідно ні подовжувати, ні вкорочувати. Оскільки Bбагато меньше A, ясно, що величина mвийде значно більше одиниці. Тому для зразкової оцінки оптимального mці дві нерівності можна замінити однією рівністю:
Таким чином, оптимальна довжина петлі приблизно дорівнює
У всіх наступних формулах під літерою mмається на увазі саме оптимальна довжина петлі. Зрештою, корисно знайти енергію пружності такої оптимізованої петлі; вона виходить рівною
Це вираз (енергія петлі в m/2 разів більше за величину B) дуже зручно для подальших обчислень.
Коли з'являється петля?
Тепер легко з'ясувати, при ланцюжку якої довжини буде вигідніше не залишатися прямою, а звернутися в петлю з подвійним хвостиком довжини n. Для цього потрібно, щоб повна енергія такої конфігурації була негативною:
Таким чином, якщо довжина ланцюжка N > m + 2(m/2) = 2mто їй вигідніше утворити петлю.
Коли з'являється друга петля?
"Подвійний хвостик" - це не максимально зручна конфігурація, оскільки в кожній ланці "працює" тільки одна з контактних ділянок, а хотілося б, щоб працювали обидва, хоча б у деяких ланок. Це можна зробити, утворивши другу петлю (рис. 3).
Умова для переходу до двох петлів, E 1 > E 2 , тоді дасть N > 8m.
Дуже довгий ланцюжок
Коли ланцюжок стає дуже довгим, його зручно згортати так, щоб якомога більше ланок було склеєно обома своїми контактними ділянками. Таким чином ми отримуємо конфігурацію, що нагадує обрамлене петельками полотно. Якщо заплющити очі на те, що сусідні петлі заважають один одному, можна провести аналогічне обчислення та знайти найбільш вигідну кількість петель для заданого N(воно зростає пропорційно квадратного кореняз N). Якщо врахувати, що петлі заважають одне одному, то обчислення різко ускладняться. Однак загальна структура залишиться тією ж: найбільш вигідним буде плоске полотно певної форми, обрамлене по краях петельками. Бажаючі можуть спробувати знайти оптимальну форму полотна за допомогою комп'ютерного моделювання, а також поміркувати над аналогічним завданням у тривимірному просторі.
Післямова
Це просте завдання, звичайно ж, не може відобразити ні закономірностей фолдингу справжніх білкових молекул, ні тих методів сучасної теоретичної фізики, які застосовуються при описі білків та полімерів (ця галузь діяльності, до речі, є цілком серйозним розділом конденсованих фізики середовищ). Мета цього завдання полягала лише демонстрації того, як «кількість перетворюється на якість», тобто як із зміні лише одного чисельного (а чи не якісного) параметра завдання може принципово змінюватися її розв'язання.
Завдання можна було б зробити трохи більш «живою» та цікавою, якщо ввести ненульову температуру. У цьому випадку оптимальна конфігурація визначалася б не тільки енергією, а й ентропією, вона тоді відповідала б мінімуму так званої вільної енергіїмолекули. При зміні температури тоді відбувався б справжній фазовий перехід, при якому молекула сама розпрямлялася, згорталася або перебудовувалася з однієї форми в іншу. На жаль, таке завдання вимагатиме методів, які виходять за межі шкільної програми.
Цікаво також зауважити, що теоретичне вивченняФолдінг білків зовсім не зводиться до одного лише чисельного моделювання. У цьому, здавалося б, «прямолінійному» завданню розкриваються досить нетривіальні математичні тонкощі. Більше того, є навіть роботи, в яких для опису цього процесу залучаються методи квантової теорії поля та теорії калібрувальних взаємодій.
Потренуватися на практиці у пошуку оптимальної конфігурації білка можна на сайті Fold.it.
У процесі синтезу поліпептидних ланцюгів, транспортування їх через мембрани, при складанні олігомерних білків виникають нестабільні проміжні конформації, схильні до агрегації. На новоствореному поліпептиді є безліч гідрофобних радикалів, які в тривимірній структурі заховані всередині молекули. Тому на час формування нативної конформації реакційно-здатні амінокислотні залишки одних білків повинні бути відокремлені від таких груп інших білків.
У всіх відомих організмах від прокаріотів до вищих еукаріотів виявлено білки, здатні зв'язуватися з білками, що знаходяться в нестійкому, схильному до агрегації стані. Вони здатні стабілізувати їхню конформацію, забезпечуючи фолдинг білків. Ці білки отримали назву "шаперони".
1. Класифікації шаперонів (Ш)
Відповідно до молекулярної маси всі шаперони можна розділити на 6 основних груп:
високомолекулярні з молекулярною масою від 100 до 110 кД;
Ш-90 – з молекулярною масою від 83 до 90 кД;
Ш-70 – з молекулярною масою від 66 до 78 кД;
низькомолекулярні шаперони із молекулярною масою від 15 до 30 кД.
Серед шаперонів розрізняють: конститутивні білки (високий базальний синтез яких залежить від стресових впливів на клітини організму), та індуцибельні, синтез яких у нормальних умовах йде слабко, але за стресових впливах на клітину різко збільшується. Індуцибельні шаперони відносять до "білків теплового шоку", швидкий синтез яких відзначають практично у всіх клітинах, які піддаються будь-яким стресовим впливам. Назва "білки теплового шоку" виникла внаслідок того, що вперше ці білки були виявлені в клітинах, які зазнавали впливу високої температури.
2. Роль шаперонів у фолдингу білків
При синтезі білків N-кінцева область поліпептиду синтезується раніше, ніж С-кінцева область. Для формування конформації білка потрібна повна амінокислотна послідовність. Тому в період синтезу білка на рибосомі захист реакційно-здатних радикалів (особливо гідрофобних) здійснюють Ш-70.
Ш-70 – висококонсервативний клас білків, який присутній у всіх відділах клітини: цитоплазмі, ядрі, ЕР, мітохондріях. В області карбоксильного кінця єдиного поліпептидного ланцюга шаперонів є ділянка, утворена радикалами амінокислот у формі борозенки. Він здатний взаємодіяти з ділянками білкових молекул і розгорнутих поліпептидних ланцюгів завдовжки 7-9 амінокислот, збагачених гідрофобними радикалами. У поліпептидному ланцюгу, що синтезується, такі ділянки зустрічають приблизно через кожні 16 амінокислот.
Фолдинг багатьох високомолекулярних білків, що мають складну конформацію (наприклад, домену), здійснюється у спеціальному просторі, сформованому Ш-60. Ш-60 функціонують у вигляді олігомерного комплексу, що складається з 14 субодиниць (рис. 1-23).
Ш-60 утворюють 2 кільця, кожне з яких складається з 7 субодиниць, з'єднаних один з одним. Субодиниця Ш-60 складається з 3 доменів: апікального (верхівкового), проміжного та екваторіального. Верхівковий домен має ряд гідрофобних залишків, перетворених у порожнину кільця, сформованого субодиницями. Екваторіальний домен має ділянку зв'язування з АТФ і має АТФ-азной активністю, тобто. здатний гідролізувати АТФ до АДФ та Н 3 РО 4 .
Шапероновий комплекс має високу спорідненість до білків, на поверхні яких є елементи, характерні для незгорнутих молекул (насамперед ділянки, збагачені гідрофобними радикалами). Потрапляючи у порожнину шаперонового комплексу, білок зв'язується з гідрофобними радикалами апікальних ділянок Ш-60. У специфічному середовищі цієї порожнини, в ізоляції з інших молекул клітини відбувається перебір можливих конформації білка, доки знайдено єдина, енергетично найвигідніша конформація.
Вивільнення білка зі сформованою нативною конформацією супроводжується гідролізом АТФ в екваторіальному домені. Якщо білок не набув нативної конформації, він вступає у повторну зв'язок з шапероновым комплексом. Такий шаперонзалежний фолдинг білків потребує витрат великої кількості енергії.
Таким чином, синтез та фолдинг білків протікають за участю різних груп шаперонів, що перешкоджають небажаним взаємодіям білків з іншими молекулами клітини та супроводжують їх до остаточного формування нативної структури.
4. Хвороби, пов'язані з порушенням фолдингу білків
Розрахунки показали, що лише невелика частина теоретично можливих варіантівполіпептидних ланцюгів може приймати одну стабільну просторову структуру Більшість таких білків може приймати безліч конформацій з приблизно однаковою енергією Гіббса, але з різними властивостями. Первинна структура більшості відомих білків, відібраних еволюцією, забезпечує виняткову стабільність однієї конформації.
Однак деякі розчинні у воді білки при зміні умов можуть набувати конформації погано розчинних, здатних до агрегації молекул, що утворюють у клітинах відкладення фібрилярні, іменовані амілоїдом (від лат. amylum -крохмаль). Як і крохмаль, амілоїдні відкладення виявляють при фарбуванні тканини йодом. Це може статися:
при гіперпродукції деяких білків, у результаті збільшується їх концентрація у клітині;
при попаданні в клітини або утворенні білків, здатних впливати на конформацію інших молекул білка;
при активації протеолізу нормальних білків організму з утворенням нерозчинних, схильних до агрегації фрагментів;
внаслідок точкових мутацій у структурі білка.
В результаті відкладення амілоїду в органах і тканинах порушуються структура та функція клітин, спостерігають їх дегенеративні зміни та розростання сполучнотканинних або гліальних клітин. Розвиваються хвороби, які називаються амілоїдрзами. Для кожного виду амілоїдозу характерний певний тип амілоїду. Нині описано понад 15 таких хвороб.
Хвороба Альцхаймера
Хвороба Альцхаймера - найчастіше відзначається?-амілоїдоз нервової системи, Як правило, вражає осіб похилого віку і характеризується прогресуючим розладом пам'яті та повною деградацією особистості. У тканині мозку відкладається?-амілоїд - білок, що утворює нерозчинні фібрили, що порушують структуру та функції нервових клітин. ?-амілоїд – продукт зміни конформацій нормального білка організму людини. Він утворюється з більшого попередника частковим протеолізом та синтезується у багатьох тканинах. ?-Амілоїд, на відміну від свого нормального попередника, що містить багато ?-спіральних ділянок, має вторинну ?-складчасту структуру, агрегує з утворенням нерозчинних фібрил, стійкий до дії протеолітичних ферментів.
Причини порушення фолдингу нативних білків у тканині мозку ще потрібно з'ясувати. Можливо, з віком зменшується синтез шаперонів, здатних брати участь у формуванні та підтримці нативної конформації білків, або збільшується активність протеаз, що призводить до збільшення концентрації білків, схильних змінювати конформацію.
Пріонові хвороби
Пріони - особливий клас білків, що мають інфекційні властивості. Потрапляючи в організм людини або спонтанно виникаючи в ньому, вони здатні викликати важкі невиліковні захворювання ЦНС, які називаються пріоновими хворобами. Назва "пріони" походить від абревіатури англійської фрази proteinaceous infectious particle- білкова інфекційна частка.
Пріоновий білок кодується тим самим тліном, що його нормальний аналог, тобто. вони мають ідентичну первинну структуру. Однак два білки мають різну конформацію: пріоновий білок характеризується високим вмістом ?-шарів, у той час як нормальний білок має багато ?-спіральних ділянок. Крім того, пріоновий білок має стійкість до дії протеаз і, потрапляючи в тканину мозку або утворюючись там спонтанно, сприяє перетворенню нормального білка на пріонові в результаті міжбілкових взаємодій. Утворюється так зване "ядро полімеризації", що складається з агрегованих пріонових білків, до якого можуть приєднуватися нові молекули нормального білка. У результаті їх просторової структурі відбуваються конформаційні перебудови, характерні для пріонових білків.
Відомі випадки спадкових форм пріонових хвороб, спричинених мутаціями у структурі даного білка. Однак можливе і зараження людини пріонові білки, в результаті чого виникає захворювання, що призводить до загибелі хворого. Так, куру – пріонова хвороба аборигенів Нової Гвінеї, епідемічний характер якої пов'язаний із традиційним канібалізмом у цих племенах та передачею інфекційного білка від однієї особини до іншої. У зв'язку із зміною способу їхнього життя дане захворювання практично зникло.
Амінокислотна послідовність не є єдиним фактором, що визначає форму білкової молекули. У клітині існують спеціальні молекули, які беруть активну участь у фолдингу білків.
У сукупності молекули, що у фолдингу білків, називають регуляторами фолдингу, серед яких виділяють кілька типів. Молекули, що прискорюють фолдинг, називаються каталізаторами фолдингу. Молекули, що служать для зміни форми білка, - шаперонами фолдингу. Існує чотири типи молекул, які відіграють роль таких шаперонов.
1. Молекули, що забезпечують правильний фолдинг білків ( фолдинг-шаперони- folding chaperones).
2. Молекули, створені для утримання частково згорнутої молекули білка у певному положенні. Це необхідно, щоб система могла закінчити фолдинг ( утримують шаперони- Holding Chaperones).
3. Шаперони, що розгортають білки з неправильною формою ( дезагрегуючі шаперони- disaggregating chaperones).
4. Шаперони, що супроводжують білки, що транспортуються через клітинну мембрану ( секреторні шаперони- Секретарі chaperons).
Фолдинг шаперони допомагають білку прийняти правильну конформацію. Багато хто з них є невеликими цукрами або пептидами. Уявіть собі складальну лінію на виробництві. Поки виріб переміщається по складальній лінії, ви можете вставляти в нього деякі тимчасові пристрої, наприклад скоби та заклепки, щоб підтримувати певну форму протягом декількох етапів складання. Після закінчення цих етапів утримуючі пристрої можна видалити. На наступних етапах зборки вам можуть знадобитися додаткові утримувальні пристрої, які будуть видалені на виході готового виробу. Невеликі за розміром молекули фолдинг-шаперонов виступають у ролі скоб і заклепок у складальній лінії, підтримуючи виріб у правильній конфігурації, необхідної для завершення наступного етапу. Якщо білки прийняли неправильну форму, вони не будуть виконувати властиву їм функцію або накопичуватимуться у вигляді нерозчинних агрегатів, відомих під назвою включень.
Усередині клітини міститься велика кількість води. Молекули, що у ній, зазвичай заряджені, тобто є гидрофильными. Незаряджені молекули, як ми пам'ятаємо, гідрофобні. У довгій, лінійній послідовності білка є гідрофільні ділянки, а також гідрофобні ділянки. У водному середовищі клітини гідрофобні поверхні білка прагнуть опинитися всередині білкової молекули, виставляючи гідрофільні ділянки назовні, де можуть взаємодіяти з молекулами води. Функція невеликих молекул фолдинг-шаперонів полягає у взаємодії з гідрофобними поверхнями білка, заряджаючи їх або, навпаки, прикриваючи заряджені області, що дозволяє білку набути правильної форми. Шляхом додавання та видалення цих молекул клітина визначає, коли і яким чином гідрофобна ділянка білка виявиться усередині білкової молекули. Тим самим визначається форма білка (рис. 8.6).
Мал. 8.6. Вплив шаперонів
Утримуючі шаперони пов'язуються з білками, граючи роль своєрідного резервуара цих білків до того часу, поки фолдинг-шаперони не звільняються і розпочинають роботу з цими білками. Утримуючі шаперони підтримують білки в умовах хімічної та теплової напруги доти, доки умови всередині клітини не стануть сприятливішими для правильного фолдингу білка. Це один із механізмів, який використовує клітина для запобігання неправильному фолдингу. Інший механізм пов'язаний з функціонуванням дезагрегуючих шаперонів. Дезагрегують шаперони здійснюють рефолдинг білків, фолдинг яких був виконаний неправильно. Вони здійснюють у клітині важливу контролюючу функцію зі збирання та утилізації вторинної сировини. Незважаючи на існування цих механізмів, певний відсоток клітинних білків все ж таки потрапляє в купу сміття, тобто утворює нерозчинні включення. Включення видно у клітині як невеликих щільних скупчень.
Одна з характерних рисШаперони, які ви знайшли б особливо важливою, полягає в тому, що вони є відносно неспецифічними. Іншими словами, молекула шаперону здійснюватиме фолдинг більш ніж одного білка. Дослідники, що вивчають причини неправильного фолдингу білків, випадково виявили у пошкоджених клітинах молекули, подібні до структури з шаперонами. Вони виявили молекули, які виправляють наслідки неправильного фолдингу білків. Виходячи з універсальної природи шаперонів, ви можете вводити різні шаперони в біоінженерну систему та впливати на правильний фолдинг білка в середовищі, де він інакше не відбувався б. Створення спеціалізованих шаперонів, відповідальних за фолдинг рекомбінантних (біоінженерних) білків, - область біоінженерних досліджень, що дуже активно розвивається.
Білок можна піддати фолдингу більше одного разу. Уявімо білок, який призначений для вступу в клітинну мембрану, тобто є інтегральним мембранним білоком. Білок утворюється в цитоплазмі клітини, а потім транспортується до плазматичної мембрани. Такі білки проходять крізь мембрану, закріплюються в ній та формують на її поверхні рецепторну структуру. Для транспорту білка може бути необхідна одна його конформація, у той час як безпосередньо перед вбудовуванням мембрану білок піддається рефолдингу.
У периплазматичному просторі, тобто у просторі між мембраною та оболонкою бактеріальної клітини, знаходяться шаперони, що забезпечують фолдинг та вбудовування в мембрану інтегральних мембранних білків. В еукаріотичних клітинах більшість посттрансляційних змін білків спрямовано на їх експорт і вбудовування всередину плазматичної мембрани. Такі модифікації білків відбуваються в люмені ендоплазматичного ретикулуму та апараті Гольджі. Ці органели призначені для зберігання та видозміни білків.
У секреції білків із клітини бере участь інша контролююча система, яка включає секреторні шаперони. Секреторні шаперони дізнаються про сигнальну послідовність амінокислот, яку відповідно називають секреторною послідовністю. Ця послідовність зв'язується з секреторним шапероном, шаперон надходить усередину мембрани, забезпечуючи експорт білка разом із собою.
Питання - як білки так швидко (буквально за наносекунди) приймають необхідну третинну структуру. Так, досить простий білок, що складається зі ста амінокислот, може набути форм. Якщо він навіть змінюватиме ці форми зі швидкістю 100 мільярдів на секунду, для того щоб досягти необхідної, у нього піде на це вічність. У цьому швидкість, з якою білки згортаються, надзвичайно чутлива до температури. Нещодавно китайські вчені Ляофу Луо і Цзунь Лу запропонували пояснювати цей процес його квантовою природою. Це відкриття для біології так само важливо, як відкриття законів термодинаміки у фізиці.
У фолдингу беруть участь білки-шаперони. Більшість тільки що синтезованих білків може згортатися за відсутності шаперонів Шаперони клас білків, головна функція яких полягає у відновленні правильної третинної структури пошкоджених білків, а також утворення та дисоціація білкових комплексів.
Багато шаперонів є білками теплового шоку, тобто білками, експресія яких починається у відповідь на зростання температури або інші клітинні стреси Білки теплового шоку - Hsp (heat shock protein). Hsp60, Hsp70 Шаперони беруть участь у фолдингу щойно створених білків у той момент, коли вони «витягуються» з рибосоми. Інші шаперони беруть участь у виправленні потенційної шкоди, яка виникає через неправильне згортання білків.
Фолдинг білків відбувається в ендоплазматичному ретикулумі У ньому містяться необхідні для фолдингу шаперони і ферменти Крім того, ЕПС має унікальний окислювальний потенціал, що полегшує утворення дисульфідних зв'язків у процесі укладання білка. З ендоплазматичного ретикулуму білки з коректним укладанням вирушають до місця призначення. Білки з порушеним укладанням зазнають асоційованої з ендоплазматичною мережею деградації
Убіквітін (від англ. ubiquitous всюдисущий) невеликий консервативний білок Убіквітінілювання це посттрансляційне приєднання ферментами убіквітін-лігазами одного або декількох молекул убіквітину за допомогою ковалентного зв'язку до ε-NH 2 групі залишків Ліз білка-мішені. Приєднання убіквітину впливає на внутрішньоклітинну локалізацію та функцію білків. Найпершим відкриттям стала деградація білків, помічених мультиубіквітіновими ланцюгами, за допомогою 26S-протеасоми. Система убіквітінілірованія залучена в такі важливі процеси, як проліферація, розвиток і диференціювання клітин, реакція на стрес і патогени, репарація ДНК.
За допомогою убіквітін-лігаз (E1, E2, E3) ланцюг з 4 або більше молекул убіквітінов приєднується до одного або більше залишків лізину на цільовому білку. Такий убіквітінілований білок транспортується до протеасоми, де ланцюг убіквітінов видаляється, дозволяючи білку розвернутися (unfold) і завантажитися усередину протеасоми, де він деградує за допомогою трьох треонінових протеаз.
Протеасома (від англ. protease протеїназу та лат. soma тіло) мультисубодиничні протеаза, присутня в клітинах еукаріотів, архей і деяких бактерій. У еукаріот протеасоми присутні в цитозолі та ядрах Протеасоми виділяють у вигляді індивідуальних частинок з коефіцієнтами седиментації 20S і 26S. У людській клітині налічується близько 30,000 протеасом.
Кожна клітина нашого тіла є фабрикою виробництва білків. Частина їх виробляється для внутрішнього користування, підтримки життя клітини, іншу частина «іде експорту». Усі властивості білкових молекул (зокрема здатність дивовижно точно каталізувати перетворення інших молекул у клітині) залежить від просторової структури білка, причому структура кожного білка унікальна.
Просторова структура утворюється унікальним укладанням білкового ланцюга, що складається з різних амінокислотних залишків (намистинок різних кольорів — рис. 1). Послідовність амінокислот у ланцюзі білка визначається його геномом і синтезується рибосомою, після чого просторова структура ланцюга формується «сама собою» в ході згортання білкового ланцюга, що виходить з рибосоми ще практично невпорядкованою.
Утворення унікальної білкової глобули з невпорядкованого ланцюга (як і її розгортання) вимагає подолання «бар'єра», що має вигляд нестабільної «напівзгорнутої» глобули (рис.1)
Олексій ФінкельштейнЗгортають цей ланцюг взаємодії її амінокислот, причому в ту саму структуру — як в організмі, так і в пробірці. Різноманітність можливих укладок одного і того ж ланцюга неймовірно велика. Але у заданої послідовностіамінокислот є, як правило, лише одна стабільна («правильна») структура, яка і надає білку його унікальних властивостей. Стабільна ж вона тому, що саме вона має мінімальну енергію.
Той самий принцип діє при утворенні кристалів: речовина набуває тієї структури, енергія зв'язків у якій мінімальна.
Що спільного у білка та Всесвіту
Тут перед вченими постало питання: як білковий ланцюг може спонтанно «знайти» свою єдину стабільну структуру, якщо перебір колосального числа всіх варіантів (порядку 10 100 для ланцюга зі 100 амінокислотних залишків) зайняв би більше часу, ніж час життя Всесвіту. Цей «парадокс Левінталя», сформульований півстоліття тому, було вирішено лише тепер. На його вирішення довелося залучити методи теоретичної фізики.
Кристали різних білків, вирощені на космічній станції «Мир» та під час польотів шатлів NASA
NASA Marshall Space Flight CenterВчені з Інституту білка Російської академії наук (ІБ) створили теорію швидкостей утворення просторових структур молекул білка. Результати роботи були нещодавно опубліковані у журналах Atlas of Science , Chem Phys Chemі «Біофізика». Робота підтриманагрантом Російського наукового фонду (РНФ).
«Здатність білків спонтанно формувати свої просторові структури за лічені секунди чи хвилини – давня загадка молекулярної біології.
У нашій роботі представлена фізична теорія, що дозволяє оцінити швидкість цього процесу в залежності від величини білків та складності їх устрою», — починає розповідь про свою роботу член-кореспондент РАН, доктор фізико-математичних наук, головний науковий співробітник Інституту білка РАН, керівник гранту РНФ Олексій Фінкельштейн.
«Давно відомо, що білковий ланцюг набуває своєї унікальної структури за одних умов середовища, а за інших (наприклад, при підкисленні чи підігріві розчину) ця структура розгортається. На стику цих умов унікальна структура білка знаходиться у динамічній рівновазі з розгорнутою формою його ланцюга, — продовжує він. — Процеси згортання та розгортання там співіснують, їхня фізика найбільш прозора. Тому ми зосередилися саме на таких рівноважних та квазірівноважних умовах — на відміну від інших дослідників, які начебто резонно (але помилково, як виявилося) вважали, що шлях до таємниці згортання білка треба шукати там, де воно протікає найшвидше».
Розгорнути білок — добрий початок, але не вихід
«Перший підхід до проблеми Левінталя був розроблений нами давно, — розповідає Олексій Фінкельштейн, — і полягав у наступному: оскільки теоретично простежити шлях згортання білка дуже важко, потрібно вивчати його розгортання. Звучить парадоксально, але у фізиці існує принцип «детальної рівноваги», який свідчить: будь-який процес у рівноважній системі протікає тим самим шляхом і з тією ж швидкістю, що і зворотний йому. І тому що в динамічній рівновазі швидкості згортання і розгортання однакові, ми розглянули більш простий процес розгортання білка (адже розламати простіше, ніж зробити) і охарактеризували той бар'єр (див. картинку 1), нестабільність якого визначає швидкість процесу».
Наслідуючи принцип детальної рівноваги, вчені з Інституту білка РАН оцінили і «зверху», і «знизу» швидкість згортання білків — як великих, так і маленьких, як із простим, так і зі складним укладанням ланцюга. Невеликі і просто влаштовані білки згортаються швидше (оцінка швидкості «згори»), а великі та/або складно влаштовані – повільніше (оцінка «знизу»). Значення решти можливих швидкостей згортання укладені з-поміж них.
Однак не всі біологи були задоволені отриманим рішенням, оскільки, по-перше, їх цікавив шлях згортання (а не розгортання) білка, а по-друге, фізичний принцип детальної рівноваги був, мабуть, їм погано зрозумілий.
І роботи тривали: цього разу вченими з ІБ РАН було здійснено розрахунки складності згортання білка. Давно відомо, що взаємодії у білках пов'язані переважно з про вторинними структурами. Вторинні структури — це стандартні, досить великі локальні «будівельні блоки» білкової структури, зумовлені переважно локальними амінокислотними послідовностями у яких. Кількість можливих варіантів укладання таких блоків у структуру згорнутого білка можна підрахувати, що було зроблено вченими з ІБ РАН. Число таких варіантів величезне - близько 10 10 (але далеко не 10 100!) Для ланцюга з близько 100 амінокислот, і білковий ланцюг може, згідно з теоретичними оцінками, "просканувати" їх за хвилини або - для більш довгих ланцюгів - за години. Так було отримано найвищу оцінку часу згортання білка.
Регулярна вторинна структура – альфа-спіраль
WillowWРезультати, отримані двома способами (тобто при аналізі та розгортання, і згортання білка), сходяться та підтверджують один одного.
«Наша робота має фундаментальне значення для конструювання у майбутньому нових білків для потреб фармакології, біоінженерії, нанотехнології, — робить висновок Олексій Фінкельштейн.
— Питання швидкості згортання білків актуальні, коли йдеться про передбачення структури білка за його амінокислотною послідовністю, а особливо — про дизайн нових білків, що не зустрічаються в природі».
Що змінилося після отримання гранту РНФ? З'явилася можливість закупити нове сучасне обладнання та реактиви для роботи (адже наша лабораторія переважно експериментальна, хоча я тут розповів лише про нашу теоретичну роботу). Але головне: грант РНФ дозволив фахівцям займатися наукою, а не шукати підробітку на боці чи в далеких краях», – каже Олексій Фінкельштейн.