Механизм образования нативной структуры белков шаперонами

Обновлено: 02.05.2024

1. Обеспечение "правильного" фолдинга новообразованных белков.

а) до того как большинство гидрофобных аминокислотных радикалов уйдут внутрь белковой молекулы, они могут вступить во взаимодействие с аналогичными радикалами других пептидных цепей. Т.е. до окончания фолдинга возможна агрегация новосинтезированных белковых молекул. Предупреждение агрегации новых белков, т.е. предупреждение «неправильных» внешних взаимодействий входе фолдинга - одна из важнейших задач шаперонов.

б) предупреждение «неправильных» внутренних (в пределах одной пептидной цепи) взаимодействий.

в) лабилизация «неправильных» слабых связей, для их исправления и достижения оптимальной конфигурации.

Все вместе это и означает «обеспечение правильного фолдинга».

Контроль за рефолдингом.

Под действием самых разных причин (перегрева, облучения, действия оксидантов и т.д.) белки, относительно давно синтезированные и до того успешно функционировавшие, могут терять свою нативную конформацию т.е. частично или полностью денатурировать, что сопровождается склонностью к агрегации. Считают, что такие белки в клетке могут подвергаться рефолдингу при активном участии шаперонов. Функция шаперонов в данном случае заключается в предупреждения агрегации и лабилизацией связей пространственной структуры белка. У прокариот и эукариот данную функцию выполняют т.н. белки теплового шока - Hsp (heat shock proteins) .

3. Участие в некоторых видах внутриклеточного транспорта белков: в частности, в лизосомы (для белков «отслуживших» свой срок и не поддающихся рефолдингу) и в митохондрии. При переносе в лизосомы шапероны препятствуют агрегации «старых» белков. В митохондрии переносятся напротив, новосинтезированные белки. Причем за счет собственной активности митохондрий синтезируется только 5% митохондриальных белков, остальные белки поступают из цитозоля, где образуются на свободных рибосомах. Фолдинг этих 95% белков откладывается до момента их локализации в митохондриях. Это объясняется тем, что через липидные слои мембран легче проникнуть, если полипептид находится в развернутом состоянии и гидрофобные радикалы не спрятаны внутрь частицы. В данном случае шапероны, находящиеся вне митохондрий, сразу связываются с продуктами трансляции и поддерживают их в развернутом состоянии до контакта с митохондриальной мембраной. Т.е. шапероны предупреждают преждевременный фолдинг. Другие белки-шапероны внутри митохондрий принимают полипептиды и помогают им принять нативную форму.

4. Поддержание ряда белков в определенной конформации, в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В таком состоянии шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его сворачивания.

Примером может служить локализующийся в цитоплазме белковый рецептор к гликокортикоидным гормонам. В отсутствии гормонов он связан с комплексом шаперонов (белков теплового шока). В таком состоянии у рецептора закрыта (экранирована) т.н. ядерная метка - та часть пептидной цепи, которая необходима для проникновения белка внутрь ядра. После связывания гликокортикоидов белки шапероны диссоциируют, фолдинг завершается и ядерная метка оказывается на поверхности. Поэтому рецептор проникает в ядро, переходит в димерную форму и связывается с определенным участком ДНК.

Второй пример - рецепторы к стероидным гормонам эстрогенам и прогестерону. Эти белки тоже связаны с шаперонами. Но теперь незавершенность фолдинга приводит не к блокировке ядерной метки, а к неспособности связываться с ДНК. Присоединение соответствующего гормона вызывает диссоциацию шаперонов, изменение структуры рецептора и связывание последнего с нужным локусом ДНК.

1.3.2.2. Система DпаК/DnaJ у бактерий

Белки теплового шока часто обозначаются по их молекулярной массе. Например, семейство белков Нsp70 — это шапероны с массой около 70 кДа.

У шаперонов часто имеются «помощники», или ко-шапероны. Это тоже белки, но обычно с меньшей молекулярной массой.

Один из представителей Нsp70 — шаперон DпаК; его ко-шапероном является белок DnaJ.

Система этих белков осуществляет, видимо, ко-трансляционный фолдинг (рис.1.8). Иначе говоря, они связываются с синтезирующимися полипептидными цепями еще до окончания трансляции — когда эти цепи еще находятся на рибосомах. Такое раннее связывание предупреждает «неправильные» взаимодействия внутри незавершенных пептидов и агрегацию цепей, высвобождающихся с рибосом.

В процессе фолдинга неоднократно расходуется АТФ, а по окончании фолдинга для отделения шаперонов требуется еще один фактор - GrрЕ.

Если после этого белок еще не принял окончательной нативной конформации, то на его поверхности остаются радикалы, способные связывать шапероны DпаК/DnaJ повторно. И так далее: полагают, что может быть несколько циклов связывания и высвобождения этой системы.

Таким образом, в отличие от представлений А.С. Спирина, допускается, что фолдинг может продолжаться и по окончании трансляции.

Более того, у Е. соli примерно 200-300 белков (составляющие 5-10 % от общего белкового пула) и после неоднократной «обработки» системой DпаК/DnaJ остаются в состоянии незавершенного фолдинга—в виде расплавленной глобулы.


Рис. 1.8. Ко-трансляционный фолдинг шаперонами Hsp 70

Т. е. у них практически сформирована нативная вторичная структура, но межрадикальные связи являются пока случайными и непрочными. В основном, к таким белкам относятся достаточно крупные белки с относительно сложной пространственной конфигурацией.

Завершение фолдинга таких белков происходит с помощью другой системы шаперонов — GrоЕL/GrоЕS.

1.3.2.3. Система GrоЕL/GrоЕS у бактерий

Э та шаперонная система изучена особенно хорошо. Шаперон GrоЕL относится к белкам Нsp 60, т. е. имеет массу около 60 кДа (а точнее, 57 кДа). Масса ко-шаперона GrоЕS существенно меньше — 10 кДа.

Нередко белки Нsр 60 называют не шаперонами, а шаперонинами. Соответственно, и рассматриваемая здесь система GгоЕL/GгоЕS тоже называется шаперониновой.

Эта система (как и все семейство Нsр 60) содержится в бактериальных клетках, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот.

Система особенно интересна тем, что ее белки формируют уникальный комплекс (рис. 1.9.). Он имеет вид двух «котлов», прилежащих друг к другу днищами, причем один из них (и только один!) может быть закрыт «крышкой».

Стенки и дно каждого «котла» образованы 7 молекулами (субъединицами) белка GrоЕL, расположенными по окружности.

В составе каждой субъединицы этого белка — три домена:

- апикальный (находится в области отверстия «котла»),

- промежуточный (участвует в образовании стенки «котла») и

- экваториальный (вместе с аналогичными доменами других субъединиц формирует дно «котла» и обеспечивает связь между двумя «котлами»).

Отверстие «котла» несколько уже, чем остальная часть его полости. В центральной же части полость имеет диаметр 9 нм, что вполне достаточно для размещения в ней весьма крупного белка.

Всего в клетке Е. соli — примерно 700 подобных комплексов белка GroEL (содержащих по 14 субъединиц).

Что же касается «крышки», которой может быть закрыт один из «котлов», то ее формируют 7 субъединиц второго белка — ко-шаперонина GгоЕS.

При этом имеется принципиальное обстоятельство: связывание «крышки» меняет конфигурацию белка GrоЕL. В открытом «котле» конфигурация такова, что на внутренней поверхности полости преобладают гидрофобные радикалы. В закрытом же «котле» внутренняя поверхность является гидрофильной (из-за переориентации соответствующих радикалов).

Эти изменения конфигурации энергетически обеспечиваются гидролизом АТФ. И для диссоциации «крышки», и для ее связывания должен происходить распад 7 молекул АТФ (до АДФ и фосфата). Катализируют этот распад сами субъединицы белка GroЕL — по 1 молекуле АТФ на субъединицу за каждый акт диссоциации или связывания «крышки» и сопутствующего изменения конформации.

Предполагаемый механизм функционирования данной системы показан на рис. 1.10.

В исходном состоянии комплекса полости обоих «котлов» пусты, а отверстие одного из них закрыто «крышкой».

Дальнейшие события таковы.

а) В открытый «котел» проникает субстрат — белок в состоянии незавершенного фолдинга, а именно расплавленная глобула.

Связыванию способствует тот факт, что на поверхности и такой глобулы, и внутренней стенки открытого «котла» в избытке находятся гидрофобные радикалы.

Некоторые авторы считают, что в процессе этого связывания апикальные домены белка GrоЕL могут также физически разворачивать глобулу, если она имеет «неправильную» структуру. Это позволяет объяснить вторую функцию шаперонов — рефолдинг давно образованных, но частично денатурированных белков.

б ) Взаимодействие субстрата с «котлом» инициирует диссоциацию «крышки» от второго «котла». Соответственно, происходит гидролиз 7 молекул АТФ, и второй «котел» также становится гидрофобным.

Не вполне ясно: может ли он теперь тоже связать молекулу белка с незавершенной структурой? Возможно, при занятом первом «котле» этому мешает какое-либо стерическое препятствие (тоже обусловленное изменением конформации белка GrоЕL).

в) Диссоциировавшая «крышка» тут же связывается вновь — с равной вероятностью с одним из двух «котлов». Следовательно, в 50% случаев она закрывает тот «котел», который содержит белок.

В таком случае срабатывают два обстоятельства:

во-первых, белок оказывается в замкнутом пространстве и, следовательно, теряет способность к агрегации с себе подобными частицами.

во-вторых, в данном «котле» внутренняя поверхность становится гидрофильной. Поэтому белок теряет связь с нею и оказывается предоставленным в полости сам себе.

В этом, как полагают, и состоит ключевая роль данной системы: она просто изолирует сворачивающийся белок, предварительно устраняя в нем «неправильные» взаимодействия, и затем дает ему возможность самому найти оптимальную пространственную структуру.

г) Через 15-20 с происходит очередной гидролиз АТФ — «крышка» диссоциирует и «котел» опять становится гидрофобным.

Если за это время белок успел принять нативную конформацию (т. е. сделался поверхностно гидрофильным), он больше не «липнет» к стенкам полости и диффундирует из нее.

д) Если же фолдинг не завершился, белковая глобула вновь связывается со стенками, оставаясь в полости.

Тогда после очередного связывания «крышки» цикл повторяется снова. И так далее—пока не будет достигнут необходимый результат.

В частности, для одного из ферментов — роданезы — установлено: его фолдинг в системе GrоЕL/GrоЕS включает в среднем 7 циклов.

Очевидно, все эти циклы могут проходить только по окончании трансляции.

Если белок является олигомерным, то роль системы GrоЕL/GrоЕS состоит в том, что она обеспечивает правильный фолдинг отдельных субъединиц и затем поставляет их в готовом виде в цитозоль. Сама же сборка субъединиц в олигомерные структуры происходит вне полостей данной системы.

XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019


Белки - один из важнейших компонентов всех живых организмов, представляет собой последовательность α-аминокислотных остатков, соединенных пептидными связями в полипептидную цепь. Традиционно выделяют четыре уровня структурной организации белка - первичную, вторичную, третичную и четвертичную. Причем свои функции белки могут выполнять, только находясь в уникальной нативной конформации. Учеными доказано, что в клетке есть специальные белки, которые обеспечивают правильное сворачивание полипептидных цепей в нативную структуру. Они обеспечивают оптимальный фолдинг белков клетки, стабилизируют их нативную конформацию при функционировании и поддерживают структуру и функции внутриклеточных белков при нарушении гомеостаза [2]. Эти белки получили название шапероны . Таким образом, шапероны - ремоделирующие белки, участвующие во многих внутриклеточных реакциях и вовлеченные в процессы коррекции структуры белковых клеток.

Термин «молекулярный шаперон» впервые был использован в 1978 году в работе Рона Ласкей, профессора эмбриологии из Кембриджского Университета при описании ядерного белка - нуклеоплазмина.

В соответствии с молекулярной массой все шапероны можно разделить на 6 основных групп:

высокомолекулярные, с молекулярной массой от 100 до 110 кД;

Ш-90 - с молекулярной массой от 83 до 90 кД;

Ш-70 - с молекулярной массой от 66 до 78 кД;

низкомолекулярные шапероны с молекулярной массой от 15 до 30 кД.

Среди шаперонов различают: конститутивные белки (высокий базальный синтез которых не зависит от стрессовых воздействий на клетки организма), и индуцибельные, синтез которых в нормальных условиях идёт слабо, но при стрессовых воздействиях на клетку резко увеличивается. Индуцибельные шапероны относят к "белкам теплового шока", быстрый синтез которых отмечают практически во всех клетках, которые подвергаются любым стрессовым воздействиям. Название "белки теплового шока" возникло в результате того, что впервые эти белки были обнаружены в клетках, которые подвергались воздействию высокой температуры.

Основная функция молекулярных шаперонов - способность связываться с развернутыми или частично развернутыми полипептидами. Для предотвращения агрегации белков шапероны обычно связываются с гидрофобными участками. Также они могут изменять конформацию белковых субстратов.
Засчет этого возможно контролируемое разворачивание белка, которое, создает связь между системой сворачивания белков в клетке и системой их деградации, а также может являться важным этапом сворачивания белка.
Некоторые виды шаперонов участвуют в исправлении потенциального вреда, который возникает из-за влияние температуры на неправильное свертывание белка [3]. Другие шапероны участвуют в фолдинге только что созданного белка в тот момент, когда он «вытягивается» из рибосомы. Насмотря на то, что большинство видов только что синтезированного белка могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторым видам обязательно требуется их присутствие.

Помимо этого, белок шаперон играет роль в регенерации. Он борется с первопричиной старения кожи. Вырабатываясь в клетках кожи, шапероны способствуют нормальной укладке белка в стабильные четвертичные структуры. На основе белка теплового шока уже создаются новые поколения геля с шаперонами, которые помогают коже получить недостающий белок, т.к. выработка шаперонов уменьшается с возрастом.

Другие типы шаперонов участвуют в транспортировке веществ сквозь мембраны, например в митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме у эукариот.

Кроме того, продолжают обнаруживаться новые функции шаперонов, например, участие в разрушении белка, в реакциях на заболевания, связанные с агрегацией белка: муковисцидоза и лизосомных болезней накопления, а также нейродегенеративных расстройств, таких как болезнь Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона. Остановимся подробнее на роли белков-шаперонов в нейродегенеративных растройствах.

Потенциальной предпосылкой развития нейродегенеративного заболевания является наличие генетической предрасположенности. В этом процессе участвуют различные факторы стресса на протяжении всего онтогенеза организма. Нейродегенеративные заболевания связаны с изменениями пространственной структуры белковой молекулы. Механизм возникновения различных патологий основан на агрегации белков с измененной пространственной структурой, а за правильное сворачивание белка и предупреждение агрегации в клетке отвечают различные молекулярные шапероны, как это было отмечено выше. Кроме этого шапероны исправляют и сворачивают мутантные белки на протяжении всей жизни, но по мере старения организма мутантных белков становится все больше и больше. Они запускают реакцию агрегации, в результате которой образуются патологические белковые скопления. В частности при болезни Альцгеймера происходит дегенерация нейронов центральной нервной системы. Накапливается бета-амилоидный белок и тау-белок, что в сумме приводит к нарушениям в синоптической передаче импульсов между нейронами [1].

Таким образом, шапероны играют важную роль в жизнедеятельности организма, участвуя в фолдинге белка, а также исправляя на своем уровне неправильно собранные. Понимание механизма работы шапероны и детальное изучение их роли в развитии различных заболеваний может позволить ученым найти эффективные методы их лечения.

Список литературы

Гришкова М.В., Кутузова Н.М. Роль молекулярных шаперонов в развитии нейродегенеративных заболеваний (обзор литературы)/ М.В. Гришкова, Н.М. Кутузова// Земский врач. - 2013. - №2(19). - С.26-28.

Казакова П.А., Баринова П.О., Евтушенко Я.А., Ульяновская О.С. Фолдинг белка/ П.А. Казакова, П.О. Баринова, Я.А. Евтушенко, О.С. Ульяновская, А.И. Попов, Е.Е. Толмачева// Бюллетень северного государственного медицинского университета. - 2017. - №2(39). - С. 75-76.

Мельникова Э.Э., Ротанова Т.В. Молекулярные шапероны/ Э.Э. Мельникова, Т.В. Ротанова// Биоорганическая химия. - 2010. - Т.36, №1. - С. 5-14.

Шапероны

1) Прежде всего, это, обеспечение правильного фолдинга новообразованных белков.

В данной функции есть несколько аспектов.

а) Так, до того, как большинство гидрофобных аминокислотных радикалов уйдет внутрь белковой частицы, они могут вступить во взаимодействие с аналогичными радикалами других пептидных цепей. Иначе говоря, до окончания фолдинга
возможна агрегация новосинтезированных белковых молекул. Такая агрегация, если произойдет, воспрепятствует дальнейшему фолдингу этих молекул и создаст ненужный балласт в клетке.

Предупреждение агрегации новых белков, т. е. предупреж­дение «неправильных» внешних взаимодействий в ходе фолдинга — одна из важнейших задач шаперонов.

б) Другая сопряженная задача — предупреждение «неправильных внутренних (в пределах одной пептидной цепи) взаимодействий.

в) Третий аспект той же функции — лабилизация «неправильных» слабых связей (если они все-таки образовались), с тем, чтобы пептидная цепь не оказалась зафиксированной в «неправильной» конформации, а могла достичь наиболее оптимальной формы. В отличие от фолдаз речь идет о лабилизации не ковалентных, а слабых связей.

Все вместе это и означает «обеспечение правильного фолдинга.

2) Следующая функция шаперонов — контроль за рефолдингом. Имеется в виду, что под действием самых разных причин (перегрева, облучения, действия оксидантов и т. д.) белки, относительно давно синтезированные и до того успешно функционировавшие, могут терять свою нативную конформацию, частично или полностью денатурировать, что, сопровождается склонностью к агрегации.

Такие белки в клетке могут подвергаться рефолдингу (или ренатурации) при активной помощи шаперонов.

Показано, что, если бактериальная клетка относительно долго пребывает в стрессовых условиях, например, их при температуре 42 о С, то это приводит к резкому увеличению т. н. белков теплового шока, которые являются ничем иным как шаперонами.

Аналогичный эффект наблюдается и у эукариот. Поэтому у тех и у других шапероны часто обозначаются буквами Нsр (от английского, heat shock proteins - белки теплового шока).

3) Третья функция шаперонов - участие в некоторых видах виутриклеточного

транспорта белков: в частности, в лизосомы (для белков, «отслуживших» свой срок и не поддающихся рефолдингу) и в митохондрии.

В митохондрии переносятся, напротив, новосинтезированные белки. Фолдинг этих белков откладывается до того момента , пока они не окажутся внутри митохондрий.

Это объясняется тем, что пептидной цепи легче проникнуть через липидные слои мембран, если она находится в развернутом состоянии. Шапероны, те, которые находятся вне митохондрий, связываются с продуктами трансляции и поддерживают их в развернутом состоянии до контакта с мтх мембранами. Т.е. эти шапероны предупреждают преждевременный фолдинг. Другие шапероны, находящиеся внутри мтх, принимают поступившие пептидные цепи и помогают им принять нативную форму.

4) Четвертая функция - поддержание ряда белков в опре­деленной конформации, в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В этом случае, очевидно, шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его сворачивания.

Пример — содержащиеся в ядре рецепторы к стероидным гормонам — эстрогенам и прогестерону. Эти белки связаны с шаперонами (Hsp). Но незавершен­ность фолдинга приводит к неспособности связываться с ДНК. Присоединение соответствующего гормона вы­зывает диссоциацию шаперонов, изменение структуры рецепто­ра и связывание последнего с нужным локусом ДНК.

Механизмы действия шаперонов.

Рассмотрим некоторые наиболее изученные системы, от­ветственные за выполнение, по крайней мере, двух первых из вышеперечисленных функций, т. е. за фолдинг новообразован­ных и рефолдинг поврежденных белков.

Система DnaK/ DnaJ у бактерий.
Белки теплового шока часто обозначаются по их молекулярной массе. Например, семейство белков Hsp70 — это шапероны с массой около 70 кДа.

У шаперонов чисто имеются «помощники», или ко-шапероны. Это тоже белки, но обычно с меньшей молекулярной массой.

Один из представителей Нsр70 — шаперон DnaK; его ко-шапероном является белок DnaJ.

Система этих белков осуществляет, видимо, ко-трансляционный фолдинг (рис. 3.23). Иначе говоря, они связываются с синтезирующимися полипептидными цепями еще до окончания трансляции, когда эти цепи еще находятся на рибосомах.
Такое раннее связывание предупреждает «неправильные» взаимодействия внутри незавершенных пептидов и агрегацию цепей, высвобождающихся с рибосом.

В процессе фолдинга неоднократно расходуется АТФ. А по окончании фолдинга для отделения шаперонов требуется еще один фактор GrpE.

Если после этого белок еще не принял окончательной нативной конформации, то на его поверхности остаются радикалы, способные связывать шапероны DnaK/DnaJ повторно. И так далее: полагают, что может быть несколько циклов связы­вания и высвобождения этой системы.

У Е. coli примерно 200 - 300 белков (составляющие 5 - 10 % от общего белкового пула) и после неоднократной «обработки» системой DnaK / DnaJ остаются в состоянии неза­вершенного фолдинга в виде расплавленной глобулы. Т. е. у них практически сформирована нативная вторичная структура, но межрадикальные связи являются пока случайными и не­прочными (п. 3.4.3.1). В основном, к таким белкам относятся достаточно крупные белки с относительно сложной простран­ственной конфигурацией.

Завершение фолдинга таких белков происходит с помощью другой системы шаперонов — GroEL/GroES.

3.5.3.3. Система GroEL/GroES у бактерий

Эта шаперонная система изучено особенно хорошо. Шаперон GroEL относится к белкам Hsp60, т. е. имеет массу около 60 кДа (а точнее, 57 кДа). Масса ко-шаперона GroES существен­но меньше — 10 кДа.

Нередко белки Hsp60 называют не шаперонами, а шаперонинами. Соответственно, и рассматриваемая здесь система GroEL/GroES тоже называется шаперониновой.

Эта система (как и все семейство Нsр 60) содержится в бактериальных клетках, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот. (Еще один признак, сближающий эти органеллы с прокариотами; п. 3.2.4.2.)

Система особенно интересна тем, что ее белки формируют уникальный комплекс (рис. 3.24). Он имеет вид двух «котлов», прилежащих друг к другу днищами, причем один из них (и только один!) может быть зак­рыт «крышкой».

Стенки и дно каждого «котла» образованы 7 молекулами (субъединицами) белка СroEL, расположенными по окружности.

В составе каждой субъедини­цы этого белка — три домена (рис. 3.25):

-апикальный (находится в области отверстия «котла»),

-промежуточный (участвует в образовании стенки « котла») и

-экваториальный (вместе с аналогичными доменами других субъединиц формирует дно «котла» и обеспечивает связь между двумя «котлами»).

Отверстие «котла» несколько уже, чем остальная часть его поло­сти. В центральной же части по­лость имеет диаметр 9 нм, что впол­не достаточно для размещения в ней весьма крупного белка. Всего в клетке Е. colti - примерно 700 подобных комплек­сов белка GroEL (содержащих по 14 субъединиц).

Что же касается «крышки», которой может быть закрыт один из «котлов», то ее формируют 7 субъединиц второго бел­ка — ко-шаперонина GroES.

При этом имеется принципиальное обстоятельство: связы­вание «крышки» меняет конфигурацию белка GroEL. В откры­том «котле» конфигурация такова, что на внутренней поверхно­сти полости преобладают гидрофобные радикалы. В закрытом же «котле» внутренняя поверхность является гидрофильной (из-за переориентации соответствующих радикалов).

Эти изменения конфигурации энергетически обеспечива­ются гидролизом АТФ. И для диссоциации «крышки», и для ее связывания должен происходить распад 7 молекул АТФ (до АДФ и фосфата). Катализируют этот распад сами субъединицы белка GroEL — по 1 молекуле АТФ на субъединицу за каждый акт диссоциации или связывания «крышки» и сопутствующего изменения конформации.

Предполагаемый механизм функционирования данной системы показан на рис. 3.26.

В исходном состоянии комплекса полости обоих «котлов» пусты, а отверстие одного из них закрыто «крышкой». Дальнейшие события таковы.

а) В открытый «котел» проникает субстрат — как мы уже говорили, это белок в состоянии незавершенного фолдинга, а именно расплавленная глобула.

Связыванию способствует тот факт, что на поверхности и такой глобулы, и внутренней стенки открытого «котла» в из­бытке находятся гидрофобные радикалы.

Некоторые авторы считают, что в процессе этого связыва­ния апикальные домены белка GrоEL могут также физически разворачивать глобулу, если она имеет «неправильную» структуру. Это позволяет объяснить вторую функцию шаперонов — рефолдинг давно образованных, но частично денатурированных белков.

б) Взаимодействие субстрата с «котлом» инициирует диссоциацию «крышки» от второго «котла». Соответственно, происходит гидролиз 7 молекул АТФ, и второй «котел» также становится гидрофобным.

Не вполне ясно: может ли он теперь тоже связать молекулу белка с незавершенной структурой? Возможно, при занятом первом «котле» этому мешает какое-либо стерическое препятствие (тоже обусловленное изменением конформации белка GroEL).

в) Диссоциировавшая «крышка» тут же связывается вновь - с равной вероятностью с одним из двух «котлов». Следовательно, в 50% случаев она закрывает тот «котел», который содержит белок.

В таком случае срабатывают два обстоятельства.

Во-первых, белок оказывается в замкнутом пространстве и, следовательно, теряет способность к агрегации с себе подобны­ми частицами.

Во-вторых, в данном «котле» внутренняя поверхность ста­новится гидрофильной. Поэтому белок теряет связь с нею и оказывается предоставленным в полости сам себе.

В этом, как полагают, и состоит ключевая роль данной системы: она просто изолирует сворачивающийся белок, предва­рительно устраняя в нем «неправильные» взаимодействия, и затем дает ему возможность самому найти оптимальную пространственную структуру.

г) Через 15-20 сек происходит очередной гидролиз АТФ —
«крышка» диссоциирует и «котел» опять становится гидро-
фобным.

Если за это время белок успел принять нативную конформацию (т. е. сделался с поверхности гидрофильным), он больше не «липнет» к стенкам полости и диффундирует из нее.

д) Если же фолдинг не завершился, белковая глобула
вновь связывается со стенками, оставаясь в полости.

Тогда после очередного связывания «крышки» цикл повторяется снова. И так далее - пока не будет достигнут необходи­мый результат.

В частности, для одного из ферментов — роданезы — уста­новлено: его фолдинг в системе GroEL/GroES включает в сред­нем 7 циклов.

Если белок является олигомерным, то роль системы GroEL/GroES состоит в том, что она обеспечивает правильный фолдинг отдельных субъединиц и затем поставляет их в готовом ви­де в цитозоль. Сама же сборка субъединиц в олигомерные струк­туры происходит вне полостей данной системы.

2. Контроль за рефолдингом.

4.Поддержание ряда белков в определенной конформации, в состоянии как бы незавершенного фолдинга. В таком состоянии шапероны не теряют связи с соответствующим белком после его сворачивания.

Примером может служить локализующийся в цитоплазмебелковый рецептор к гликокортикоидным гормонам. В отсутствии гормонов он связан с комплексом шаперонов (белков теплового шока). В таком состоянии у рецептора закрыта (экранирована) т.н. ядерная метка - та часть пептидной цепи, которая необходима для проникновения белка внутрь ядра. После связывания гликокортикоидов белки шапероны диссоциируют, фолдинг завершается и ядерная метка оказывается на поверхности. Поэтому рецептор проникает в ядро, переходит в димерную форму и связывается с определенным участком ДНК.

Второй пример - рецепторы к стероидным гормонамэстрогенам и прогестерону. Эти белки тоже связаны с шаперонами. Но теперь незавершенность фолдинга приводит не к блокировке ядерной метки, а к неспособности связываться с ДНК. Присоединение соответствующего гормона вызывает диссоциацию шаперонов, изменение структуры рецептора и связывание последнего с нужным локусом ДНК.

Белки теплового шока часто обозначаются по их молекулярной массе. Например, семейство белков Нsp70— это шапероны с массой около 70 кДа.

У шаперонов часто имеются «помощники», или ко-шапероны.Это тоже белки, но обычно с меньшей молекулярной массой.

Один из представителей Нsp70 — шаперон DпаК; его ко-шапероном является белок DnaJ.

Система этих белков осуществляет, видимо, ко-трансляционный фолдинг(рис.1.8). Иначе говоря, они связываются с синтезирующимися полипептидными цепями еще до окончания трансляции — когда эти цепи еще находятся на рибосомах. Такое раннее связывание предупреждает «неправильные» взаимодействия внутри незавершенных пептидов и агрегацию цепей, высвобождающихся с рибосом.

Если после этого белок еще не принял окончательной нативной конформации, то на его поверхности остаются радикалы, способные связывать шапероны DпаК/DnaJ повторно. И так далее: полагают, что может быть несколько циклов связывания и высвобождения этой системы.


1.3.2.3. Система GrоЕL/GrоЕS у бактерий

Эта шаперонная система изучена особенно хорошо. Шаперон GrоЕL относится к белкам Нsp 60, т. е. имеет массу около 60 кДа (а точнее, 57 кДа). Масса ко-шаперона GrоЕS существенно меньше — 10 кДа.

Стенки и дно каждого «котла» образованы 7 молекулами(субъединицами) белка GrоЕL,расположенными по окружности.

· во-первых, белок оказывается в замкнутом пространстве и, следовательно, теряет способность к агрегации с себе подобными частицами.

· во-вторых, в данном «котле» внутренняя поверхность становится гидрофильной. Поэтому белок теряет связь с нею и оказывается предоставленным в полости сам себе.

Механизм формирования пространственной структуры белка

Нативное состояние белка ассоциируется с компактным глобулярным состоянием, а денатурированное с полностью развернутым состоянием, напоминающим состояние клубка для синтетических полимеров в хорошем растворителе. Представление о том, что в нативном состоянии белок имеет жесткую, строго упорядоченную структуру, нашло подтверждение в экспериментально установленной способности глобулярных белков в нативном состоянии образовывать кристаллы. Эго обстоятельство позволило определить пространственную структуру многих белков вплоть до координат отдельных атомов методом рентгеноструктурного анализа. Первыми были определены пространственные структуры гемоглобина и миоглобина, а затем многих тысяч других белков. На основании этих работ сложилось представление о нативном белке как о жесткой, строгой детерминированной структуре.

Процесс образования белков в клетке состоит из двух этапов: биосинтеза полипептидной цепи и образования нативного состояния, т. е. достижения полипептидной цепью состояния, в котором белок становится функционально активным. Первый этап — сборка аминокислотной последовательности на основе информации, хранящейся в DNA. Хотя этот процесс и является очень сложным, он хорошо изучен. Второй этап — формирование нативной структуры белка — изучен в значительно меньшей степени, и именно к нему в настоящее время приковано основное внимание исследователей.

В основе процесса укладки полипептидной цепи в пространстве лежат механизмы специфического узнавания определенных поверхностей, образуемых порой тысячами атомов, с участием кооперативного взаимодействия большого числа относительно слабых нековалентных связей. Этот процесс направлен на достижение наиболее термодинамически устойчивой конформации, обладающей минимумом свободной энергии.

Какое же состояние возникает после достижения молекулой минимума свободной энергии? Будет ли оно нативным? Для того чтобы ответить на эти вопросы, необходимо вспомнить о существовании еще одного фундаментального закона природы биологического закона об эволюционном отборе. Аминокислотная последовательность должна быть такой, чтобы по достижении ею состояния, отвечающего минимуму свободной энергии, белок становился функционально активным — нативным. «Бессмысленные» аминокислотные последовательности, которые в состоянии, отвечающем минимуму свободной энергии, не выполняют никакой функции, должны быть отметены эволюционным отбором.

Количество возможных конформаций полипептидной цепи велико. Для цепи в 100 аминокислот (относительно небольшой белок), например, существует около 10 50 различных конформаций. Как может белок найти самые устойчивые из них за 1 с (типичный период сворачивания молекулы), остается одной из самых интригующих загадок последних 30 лет.

Значительный вклад в изучение механизмов формирования пространственной структуры внесли исследования на модельных системах с денатурированными белками. Начиная с классических исследований Анфинсена (лауреата Нобелевской премии 1972 г. по химии) по ренатурации рибонуклеазы стало очевидным, что информация о пространственной структуре белка заложена в особенностях первичной структуры. Как оказалось, значительная часть белков, содержащих менее 150 аминокислот, может легко восстанавливать свою пространственную структуру после удаления агентов, вызвавших их денатурацию. Поэтому иногда говорят, что информация о пространственной структуре белка является второй частью генетического кода!

Модельные исследования показали, что сворачивание белка происходит не случайно. Оно проходит через кинетически предпочтительные стадии, определяемые особенностями первичной структуры. У одних белков это проявляется в форме образования спиральных участков уже во время синтеза на рибосоме, у других — в форме объединения гидрофобных радикалов аминокислот и т.д. При этом формируется некое переходное состояние структуры белковой молекулы (их может быть несколько), из которого белок затем быстро переходит в нативную конформацию (рис. 1, б). Переход от исходной развернутой полипептидной цепи в нативное состояние можно изобразить в форме воронки (рис. 1, а)[1], расширенная часть которой демонстрирует существование множества возможных энергетических состояний, обеспечивающих взаимодействие отдельных участков исходной развернутой полипептидной цепи (верхняя часть воронки).

После первых шагов сворачивания число благоприятных энергетических состояний уменьшается, что значительно сокращает время, необходимое для достижения нативной конформации. (Цитата «для перебора всех возможных конформаций в поисках нативного состояния, отвечающего минимуму свободной энергии, потребовалось бы слишком много времени: биллион лет для молекулы из 100 аминокислот. На это обстоятельство впервые обратил внимание Левинталь (Levinthal, 1968), Поэтому, в аминокислотной последовательности запрограммирована не только структура нативного состояния макромолекулы белка, но и пут ь ее достижения»)

В ряде случаев формируется переходное состояние молекулы, которое не обладает достаточной энергией для перехода в нативное состояние. Молекула, попавшая в энергетическую «ловушку», для выхода из нее нуждается в дополнительных участниках. Это могут быть кофакторы, шапероны или ферменты. Энергетические «ловушки» могут быть обязательным этапом в формировании нативной структуры. Они являются следствием нарушения процесса сворачивания из-за дефектов аминокислотной последовательности (мутации) или влияния окружения.


Рис. 1. Воронка, отражающая теоретическое распределение энергии в процессе укладки полипептидной цепи:

Развернутая полипептидная цепь, которая начинает сворачиваться, располагается в верхней части воронки. По мере выбора устойчивых конформаций с минимальной свободной энергией число благоприятных энергетических состояний и, следовательно, устойчивых конформаций, постепенно уменьшается. Нужно отметить, что возможных благоприятных состояний и, следовательно, путей достижения конечного устойчивого состояния может быть несколько. На пути к конечному устойчивому состоянию молекула может приобретать промежуточные конформации, выход из которых требует дополнительного участия других молекул (энергетические «ловушки».) В частности, выходу из этих ловушек могут способствовать молекулярные шапероны. Шапероны также могут предупреждать вход молекул в такие «ловушки»

Молекулы, которые пребывают в переходном состоянии, склонны к образованию нерастворимых агрегатов. Это относится почти ко всем белкам, имеющим в своем составе более 150 аминокислот. Попытки восстановить их нативную структуру в модельных системах заканчивались, как правило, образованием осадка. In vivo существует опасность агрегации белков, находящихся в переходном состоянии, но это происходит редко благодаря участию шаперонов[2] (рис. 2).

Шапероны относятся к группе белков «теплового шока» (HSP; англ. — heat-shock proteins). Их открытие связано с исследованием поведения клеток при нагревании. Так, изменение температуры от 37 до 42 °С вызывает нарушение фолдинга многих белков. Тогда клетки синтезируют специальные белки, помогающие восстанавливать структуру неправильно уложенных в пространстве белков.


Рис. 2. Возможные этапы формирования нативной структуры функционально полноценного белка

Выделяют два типа шаперонов — hsp60 и hsp70. Различия в их действии показаны на рис. 3, и рис. 4. Учитывая важную роль гидрофобных взаимодействий в формировании структуры белковой молекулы, на путь образования агрегатов легко могут встать белки, синтезируемые в водном окружении и экспонирующие гидрофобные группы. Шапероны, связывая участки, богатые неполярными группами, предотвращают агрегацию и, используя энергию гидролиза АТФ, способствуют преодолению энергетических барьеров на пути формирования нативной структуры белковой молекулы (см. рис. 2, 3, 4).

Влияние шаперонов распространяется лишь на белки, которые непосредственно синтезируются на рибосомах и находятся на цитозольной (наружной) стороне внутриклеточных пузырьков.


Рис. 3. Механизм действия шаперона hsp70


Рис. 4. Механизм действия шаперона ЬврбО

В поддержании нативной структуры белков внутри пузырьков клетки (эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, эндосомы) принимают участие другие механизмы, к изучению которых приступили лишь в последние годы. Наиболее незащищенными являются внеклеточные белки. Изменение их структуры ведет чаще всего к образованию агрегатов белков, нарушающих функции клеток. Это лежит в основе многих заболеваний.

Некоторая часть синтезируемых молекул не достигает стадии формирования нативной структуры. Для этого случая Природа предусмотрела механизм узнавания таких молекул и их удаления путем протеолиза. Важное место в этом механизме отводится убиквитину и протеасомному протеолизу. Наблюдения показывают, что более трети всех синтезированных белков подвергается протеолизу протеасомами. Этим Природа пытается максимально обезопасить себя от повреждающего действия агрегатов белков, возникающих из неправильно уложенных в пространстве и функционально бесполезных молекул. Наиболее известным признаком неправильно уложенной структуры является появление на поверхности белковой молекулы участков, богатых гидрофобными группами. Чаще всего такие участки становятся объектом узнавания шаперонами, задачей которых является предупреждение агрегации и облегчение формирования нативной структуры. Если это не удается, белок подвергается протеолизу.

Роль «черной метки», которая присоединяется к белку, подлежащему протеолизу, выполняет специфический белок — убиквитин, состоящий из 76 аминокислот. Распознавание белка и присоединение убиквитина катализируется специальной системой, состоящей из трех ферментов (Е1 Е2 и Е3). Она высоко специфична и избирательна за счет того, что построена по принципу иерархического усложнения[3].

Фермент Е, (в клетке он только один) активирует молекулу убиквитина и передает ее одному из ферментов семейства Е2 (их называют конъюгирующими). Затем в каскад реакций вступает третий участник Е3 — представитель семейства лигаз, «сшивающих» ферментов. Он принимает убиквитин от Е2, соединяется с белком-субстратом и ковалентно присоединяет к нему цепочку убиквитина.

Если Е, не имеет разновидностей, то семейство Е2 насчитывает 13 изоферментов в клетке дрожжей Saccharomyces cerevisiae, а у млекопитающих — гораздо больше. В семействе Е3 сейчас известно около 100 разных лигаз. Они-то и определяют высокую специфичность всей протеолитической системы.

Цепь реакций присоединения убиквитина показана на рис. 5.5. К белку- мишени может присоединяться целая цепь молекул убиквитина. Убиквитированные белки опознаются протеасомами и направляются внутрь, где протеазы «нарезают» их на пептиды, имеющие в своем составе 5—17 аминокислот. Образовавшись, они покидают протеасому и в цитозоле гидролизуются до аминокислот.


Рис. 5. Механизм присоединения «черной метки» (убиквитина) к белку, подлежащему протеолизу

Таким образом, клетка обладает рядом механизмов, позволяющих ей синтезировать белки и контролировать их качество (рис. 7).


Рис. 7. Судьба синтезированной полипептидной цепи

В ряде случаев этих механизмов бывает недостаточно, и молекула белка, ушедшая из-под контроля таких механизмов, может формировать нерастворимые агрегаты, нарушающие функцию клеток. Чаще это относится к внеклеточным белкам, на которые не распространяется действие приведенных механизмов. Тогда образующиеся агрегаты становятся причиной нарушения функций клеток. Это проявляется в форме различных заболеваний.

Самостоятельно проработать нарушения белков при следующих патологиях:

1. Серповидно-клеточная анемия.

2. Амилоидоз - группа заболеваний, вызванных образованием агрегатов белков в тканях.

3. Болезнь Паркинсона.

4. Прионные патологии.

5. Деменция (слабоумие) Альцгеймера.

ПРИ РАССМОТРЕНИИ ДАННЫХ ВОПРОСОВ НЕ НУЖНО ИЗУЧАТЬ СИМПТОМЫ, ПАТОГЕНЕЗ И ДР. А ТОЛЬКО ИСКЛЮЧИТЕЛЬНО НАРУШЕНИЯ БЕЛКОВ.

ГУГЛИТЕ НА ЗДОРОВЬЕ

[1] Число возможных конформационных состоянии полипептидной цепи уменьшается по мере приближения к нативному состоянию, поэтому такую энергетическую поверхность часто называют также «энергетической воронкой»

[2] от французского shaperon - няня

[3] Сигналами, которые определяют присоединение «черной метки» могут быть: конформация М-терминальной области пептида, в частности наличие «дестабилизирующей» К-концевой или другой свободной а-аминогруппы («1Ч-концевое правило») или специфически расположенный лизин в молекуле субстрата; определенные короткие участки в последовательности аминокислотных остатков (а не трехмерная структура целой молекулы белка); нарушение вторичной структуры белка (неправильное свертывание) поли- пептидной цепи; повреждение боковых цепей остатков аминокислот, в том числе их окисление (например, окисление остатков метионина); избыточное гликозилирование белков и пептидов.

Прямо сейчас студенты читают про:

Основные мероприятия политики «военного коммунизма» Гражданская война началась весной 1918 г. в условиях разрухи.
Постановка зубов по Васильеву Анатомический принцип постановки зубов по стеклу После фиксации моделей в артикуляторе приступают к постановке зубов по стеклу.
Источники права: понятие, виды Источник (форма) права - внешняя форма выражения и закрепления норм права.
Октябрьское вооруженное восстание 1917г.: причины, ход, результаты Причины: усталость от войны; промышленность и сельское хозяйство страны оказались на грани полного развала; катастрофический.
Магнитное поле. Свойства магнитного поля. Магнитное поле - это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными.

Читайте также: