Статия за конкурса „био/мол/текст”: Протеините са основните биологични молекули. Те изпълняват много различни функции: каталитични, структурни, транспортни, рецепторни и много други. Дори добре познатата ДНК играе само ролята на „флашка“, съхраняваща информация за протеините, докато протеините са самите „файлове“. Животът на Земята с право може да се нарече протеин. Но колко знаем за структурата и функционирането на тези вещества? Досега сгъването на протеина остава загадка - процесът на пространствено опаковане на протеинова молекула, приемането от протеин на строго определена форма, в която той изпълнява функциите си.
Генерален спонсор на състезанието, според нашето групово финансиране, беше предприемач Константин Синюшин, за което изпитва голямо човешко уважение!
Спонсор на наградата на публиката бе фирма Атлас.
Спонсор на тази статия е Лев Макаров.
Протеините са биополимери, които могат да бъдат сравнени с мъниста, където зърната са аминокиселини, свързани помежду си чрез пептидни връзки (оттук и другото име на протеините - полипептиди). В клетката протеините се синтезират на специални молекулярни машини - рибозоми. Излизайки от рибозомата, полипептидната верига се сгъва и протеинът придобива определена конформация, т.е. пространствена структура (фиг. 1). Жизненоважно е протеинът да присъства в тялото в определена форма, тоест конформацията трябва да е „правилна“ (нативна). Процесът на сгъване на протеини се нарича сгъване. сгъване- сгъване, полагане; Имайте предвид, че терминът „сгъване“ е приложим не само за протеини). Най-интересното е, че информацията за триизмерната структура е „вградена“ в самата аминокиселинна последователност. По този начин, за да може един протеин да приеме естествената си структура, той трябва само да „знае“ в каква последователност и какви аминокиселинни остатъци присъстват в него. Това е доказано за първи път през 1961 г. от Кристиан Анфинсен, използвайки примера на панкреатична рибонуклеаза от говеда (фиг. 2). Трябва да се каже, че в допълнение към протеините, чиято пространствена структура е строго определена от аминокиселинната последователност, има така наречените неструктурирани протеини ( вътрешно разгънати протеини, IDPs): някои фрагменти от такива молекули, а понякога и цели молекули, са способни да приемат много възможни конформации наведнъж, всички от които са енергийно „еквивалентни“, и такива протеини са доста често срещани в природата и изпълняват важни функции. Има и друг вид сгъване, което се случва с помощта на специални протеини - шаперони, но повече за това по-късно.
Фигура 1. Котранслационно нагъване на малък α-спирален домен.Сгъването на полипептидната верига на много протеини започва още в рибозомата по време на транслацията на протеин (т.е. неговия синтез). Узряващият протеин излиза от рибозомата през специален тунел (защрихована зона в голямата субединица на фигурата), който е важен фактор при сгъването на веригата, като С-краят на веригата (съдържащ карбоксилната група) е фиксиран в рибозомата, и N-краят (съдържащ аминогрупата) „напредва“ „към изхода и „виси“ от него, когато 30–40 аминокиселинни остатъци се натрупват в тунела. Уплътнени незрели структури, α-спирали, β-фиби и малки α-спирални домени могат да се образуват в тунела. Котранслационното сгъване се извършва на два етапа: първо, разгънатата верига ( U, разгъната) преминава в уплътнено състояние ( C, уплътнен), който след това придобива родната структура ( N, роден).
Фигура 2. Говежда панкреатична рибонуклеаза и учените, които са я изследвали. А - Панкреатична рибонуклеаза от говеда. За своето изследване на структурата на този ензим Анфинсен ( Анфинсен) (b ), Мур ( Мур) (V ) и Щайн (Щайн) (Ж ) получава Нобелова награда за химия (1972). Използвайки този протеин като пример, феноменът на повторното нагъване беше демонстриран за първи път - спонтанното образуване на третична структура след денатурация (тоест разрушаване). Значението на протеиновото нагъване е, че води до образуването на строго определена (нативна) протеинова структура, в която функционира. Например, в експеримента на Анфинсен, рибонуклеазата, в резултат на повторно нагъване, възстанови своята ензимна активност, т.е. отново започна да катализира добре биохимична реакция. За да работи този ензим, пет аминокиселинни остатъка трябва да се съберат в един каталитичен център (едно парче пространство) от напълно различни места в протеиновата верига: хистидин (12), лизин (41), треонин (47), хистидин (119) и фенилаланин (120).
модел от базата данни на PDB (PDB ID 5D6U), портрети на учени от сайта ru.wikipedia.org
Проблемът е, че човечеството, с цялата си изчислителна мощ и арсенал от експериментални данни, все още не се е научило да изгражда модели, които да описват процеса на сгъване на протеини и да прогнозират триизмерната структура на протеин въз основа на неговата първична структура (т.е. аминокиселинната последователност). По този начин все още няма пълно разбиране на този физически процес.
Експлозията на геномните проекти доведе до секвениране на повече геноми и съответните ДНК и РНК последователности, попълващи бази данни с експоненциална скорост. На фиг. Фигура 3 показва увеличаването на броя на аминокиселинните последователности, както и увеличаването на броя на известните протеинови структури в периода от 1996 до 2007 г. Ясно се вижда, че броят на известните структури е много по-малък от броя на последователностите. Към момента на писане на тази статия (август 2016 г.) броят на последователностите в базата данни UniParc е повече от 124 милиона, докато броят на структурите в базата данни PDB ( Банка данни за протеини) - само малко повече от 121 хиляди, което е по-малко от 0,1% от всички известни последователности, а разликата между тези два показателя бързо нараства и вероятно ще продължи да расте. Това голямо изоставане се дължи на относителната сложност на съвременните методи за определяне на структури. В същото време е много важно да ги познавате. Следователно въпросът за използването на изчислителни методи за предсказване на протеинови структури от техните последователности сега е спешен. През 2005 г. авторитетното списание Наукаразпознаха проблема с нагъването на протеините като един от 125-те най-големи проблема в съвременната наука.
Фигура 3. Сравнение на темповете на растеж на броя на известните последователности и структури от 1996 до 2007 г.Годините са посочени на хоризонталната ос, а броят на последователностите в милиони е посочен на лявата вертикална ос ( плътна линия), от дясната вертикала - броят на структурите в милиони ( пунктирана линия). Пропастта между броя на известните структури и броя на последователностите е ясно видима. Досега разликата е нараснала още повече.
След разчитането на човешкия геном станаха известни много човешки гени и следователно аминокиселинните последователности, които кодират. Това обаче не означава, че знаем функциите на всички гени; с други думи, не знаем функциите на протеините, кодирани от тези гени. Известно е, че в много отношения функциите на протеините могат да бъдат предвидени от тяхната структура, макар и не винаги. Следователно съкровената мечта е способността да се предвиди структурата и, като следствие, функцията на протеина от нуклеотидната последователност на самия ген.
Погрешно е обаче да мислим, че не знаем нищо. Разбира се, натрупани са голям брой факти за сгъването, известни са моделите на този процес и са разработени различни методи за неговото моделиране. За да се проследи напредъкът към решаването на проблема със сгъването, беше създадено международно състезание за предсказване на пространствената структура на протеиновите молекули - CASP ( Критична оценка на техниките за предсказване на протеиновата структура), който се провежда на всеки две години (конкурсът се провежда за дванадесети път, започна през април и ще приключи през декември 2016 г.). В това състезание изследователите се състезават, за да видят кой може най-добре да предскаже структурата на протеин от неговата аминокиселинна последователност и състезанието се провежда с помощта на двойно-сляп метод (по време на състезанието структурата на „мистериозния“ протеин е просто неизвестен; определянето му завършва всеки път, когато състезанието приключи). Досега структурите на целевите протеини никога не са били точно прогнозирани.
Има две групи методи за прогнозиране на структурата.
ДА СЕ първивключват т.нар методи за моделиране от нулата (ab initio, de novo, има и други синонимни термини), когато моделите се изграждат само на базата на първичната структура, без да се използват сравнителни методи с вече известни структури, а се използва цялото натрупано разбиране за физиката на сгъване на биополимери. Фундаменталното значение на тези методи е, че те помагат да се разберат физикохимичните принципи на сгъването на протеините и да отговорят на този парещ въпрос - защо протеинът се сгъва по този начин, а не по друг? Недостатъците на тези методи обаче са много високата изчислителна сложност и ниската точност. Тези методи изискват опростявания и приближения и са неефективни за предсказване на структурите на големи протеини. През 2007 г. чрез методите на моделиране de novoЗа първи път структурата на един от бактериалните протеини е определена с висока точност Bacillus halodurans, но този протеин е сравнително малък (112 аминокиселинни остатъка) и за да се получи точен модел, беше необходима мощността на повече от 70 000 персонални компютъра и суперкомпютър; Освен това от 26 получени модела само един се оказа точен. Методите на молекулярната динамика (MD) позволяват да се опишат молекулярни събития и са в състояние да проследят процеса на нагъване на протеини в естествена структура: през 2010 г. това беше направено за първи път с помощта на изчислителната мощност на специално създаден суперкомпютър Антон .
Co. второгрупа от методи включва методи за сравнително моделиране. Те се основават на явлението хомология, тоест общият произход на обекти (органи, молекули и т.н.). По този начин „предсказателят“ има възможност да сравни последователността на протеина, чиято структура трябва да се моделира с шаблон, т.е. протеин, чиято структура е известна и който вероятно е хомолог, и въз основа на тяхното сходство да изгради модел с последващи корекции (подобни последователности се сгъват в подобни структури). Тези методи вече са по-популярни, тъй като предсказването на структурата на протеините е важна практическа задача и вече се появиха компютърни инструменти и бази данни и също така стана известно, че броят на възможните опции за сгъване на протеинови структури е ограничен (фиг. 4). Въпреки че тези методи не решават проблема със самото сгъване на протеини, те могат да помогнат за решаването на конкретни практически проблеми, докато други се борят да изучават по-фундаментални въпроси.
Фигура 4. Динамика на идентифициране на нови видове гънки (опции за опаковане).Времето (години) е нанесено на хоризонталната ос, а съотношението на новите гънки е нанесено на лявата вертикална ос (за повече подробности вижте раздела) ( плътна линия), а на дясната вертикална ос - общият брой на структурите ( пунктирана линия), класифицирани в базата данни CATH. Имайте предвид, че тази база данни се занимава със структурната класификация на протеините, така че е важно тя да знае възможните типове протеинови гънки. Ясно се вижда, че с течение на времето все повече и повече протеини се класифицират, но броят на вариантите на сгъване намалява.
Трябва да се подчертае, че съвременните методи за прогнозиране на протеинови структури изискват много изчислителна мощност и често се извършват на суперкомпютри или с помощта на разпределени изчислителни мрежи, като Rosetta@home и Folding@home. Всеки е поканен да участва в тези проекти: просто трябва да стартирате програмата на вашия компютър, докато потребителят се нуждае от нея.
Някои модели на сгъване на протеини са известни. Сега се смята, че този процес протича на етапи: първо, линейна верига с нулева ентропия бързо се срива, за да се образува статистическа плетеница - ентропийно сгъване. Тогава се случва хидрофобен колапс: хидрофобните аминокиселинни остатъци са „скрити“ дълбоко в молекулата, а хидрофилните са „разпръснати“ по повърхността (виж по-долу). Резултатът от този етап е образуването разтопена топка. След това се образуват специфични връзки (виж по-долу) и протеинът влиза в истинско състояние глобули, докато свободната енергия рязко спада.
Последният етап не възниква по време на сгъването на неструктурирани протеини - вътрешно разселени лица.
Трябва да се отбележи, че за всяка аминокиселинна последователност теоретично е възможно да се допуснат много пътища, по които тя може да поеме, за да постигне нативната конформация. Известно е обаче, че протеинът не опитва всички възможни опции, а се движи по един от възможните пътища, дефинирани за всяка последователност. Ако протеинът изпробва всички възможни варианти, тогава времето за пътуване от проста последователност до естественото състояние би надхвърлило живота на Вселената (парадокс на Левинтал)! Разбира се, това не се случва: времето, необходимо на протеина да приеме естествената си структура, е част от секундата. Това е подобно на решаването на кубче на Рубик: от състояние на нерешен куб до състояние на решен куб можете да стигнете по много различни начини, но в състезания за скорост на решаване на куб победителят е този, който го направи той по-бързо и по-ефективно, тоест избира определен път. Всъщност намирането на такъв път е основната задача на методите за моделиране ab initio(виж по-горе). Отговорът на фундаменталния въпрос за сгъването ще се крие не просто в способността за точно моделиране на структури, но на първо място в познаването и обосноваването на начина, по който протеинът достига своето естествено състояние.
Струва си да се подчертае значението на котранслационното сгъване (фиг. 1), обсъдено по-горе, при формирането на протеинова структура. Имайте предвид, че наличието на рибозома, върху която се синтезира протеинът, налага сериозни корекции на процеса на сгъване на веригата. Това винаги трябва да се има предвид, когато се моделира сгъването на естествените протеини. in vivo. Каналът, в който се намира растящата верига, ограничава нейната конформационна променливост и следователно не всички видове структури могат да се образуват в нея. В допълнение, нарастващата верига непрекъснато се изтласква напред (от един аминокиселинен остатък с всеки акт на транспептидация-транслокация, т.е. образуването на нова пептидна връзка и последващото напредване на рибозомата) и следователно би било логично да приемем, че конформацията на веригата в рибозомния канал има такива качества като твърдост и векториалност, което съответства на свойствата на α-спирала. В допълнение, взаимната ориентация на аминокиселинните остатъци в два центъра вътре в рибозомата винаги е от един и същи тип (еквивалентна), независимо от природата на тези остатъци, което също очевидно допринася за образуването на α-спирали. Всъщност α-спиралите са най-типичният елемент от вторичната структура на протеините. Те са открити от Линус Полинг ( Лиунъс Полинг) и Робърт Кори ( Робърт Кори), който заедно с Валтер Колтун ( Валтер Колтун) предложи нов тип молекулярни модели.
В същото време, когато N-краят (съдържащ аминогрупата) на нарастващата протеинова верига напусне тунела и се потопи в разтвора, физикохимичните условия на тази среда започват да действат върху него и протеинът започва да се подчинява на техните правила.
В тази връзка известният молекулярен биолог академик Александър Спирин отбелязва три разлики между сгъването инвитроИ in vivo:
Тези съображения още веднъж доказват, че биологичните проблеми не могат да бъдат решени „на сухо“ чрез използването на биоинформационни методи. Дори най-привидно точните компютърни модели могат да се окажат неточни, ако са построени без да се вземат предвид фактори, които действително действат в природата.
За решаване на проблема със сгъването са разработени така наречените емпирични потенциали: двойни взаимодействия на остатъци, водородни връзки, ъгли на усукване, центрове на маса на странични вериги и много други. Например потенциалът за солватация предсказва дали аминокиселинен остатък ще бъде вътре или извън протеин (съответно заровен или изложен) в зависимост от неговата хидрофобност. Известно е, че някои аминокиселини „обичат“ водата ( хидрофилен), те ще бъдат по-склонни да бъдат разположени на повърхността на протеиновата молекула, докато други „не харесват“ ( хидрофобен) и се „скриват“ в области на молекулата, които са по-недостъпни за разтворителя, закрити от други остатъци (фиг. 5). Хидрофобният ефект е от голямо значение при сгъването на протеините.
Фигура 5. Хидрофобността на аминокиселините влияе върху тяхното пространствено разпределение (използвайки примера на една от човешките дехидрогенази). Показани са хидрофилни аминокиселини в синьо, хидрофобен - червен. Може да се види, че хидрофилните остатъци са склонни да бъдат разположени в области, отворени за разтворителя, докато хидрофобните остатъци са склонни да бъдат разположени в затворени области на молекулата.
PDB база данни (PDB ID 5ICS)
Важен аспект от образуването на протеиновата структура на всички етапи е образуването на връзки между радикалите (страничните вериги) на аминокиселинните остатъци. Те са различни: хидрофобни, електростатични и др. Интересен вариант е образуването на дисулфидни връзки („мостове“) поради взаимодействието на серни атоми на страничните вериги на цистеин. Например в известната рибонуклеаза, за изследването на чиято структура е дадена Нобеловата награда, има четири такива връзки. Тук обаче всичко не е толкова просто. Ако протеиновата верига съдържа два серни атома, принадлежащи на цистеин, тогава е лесно да се каже, че може да се образува един дисулфиден мост. Но ако например има десет серни атома и съответно се образуват пет SS връзки, тогава не можем недвусмислено да кажем кои серни атоми ще взаимодействат един с друг по двойки (но протеинът може). Според изчисленията на Томас Крейтън ( Томас Крейтън), ако има 5 дисулфидни връзки в протеин, броят на възможните комбинации вече е 945; ако има 10 такива връзки, тогава броят на опциите е 654 729 075, а с 25 дисулфидни връзки този брой надхвърля 5 квадрилиона квадрилиона (повече от 5,8 × 10 30). Но в протеина се реализира само една опция и тя винаги е една и съща! Трябва да се отбележи обаче, че това е вярно за самоорганизацията на протеините инвитро(„ин витро“, „в стъкло“, т.е. при експериментални условия, а не в жив организъм) при подходящи условия и in vivo(в жив организъм) не възниква самоорганизация на дисулфидни връзки. Образуването им се катализира от специален ензим - протеинова дисулфидна изомераза, или PDI, който също е способен да „коригира“ грешки в случай на неправилно формиране на SS връзка, като по този начин коригира процеса на сгъване, .
Важно е да се разбере, че процесът на формиране на крайната структура на протеина не включва просто сгъване на веригата. В клетките протеините претърпяват ацетилиране, гликозилиране и много други модификации. Ето защо, например, броят на различните аминокиселини в протеините надвишава известните 20 („магическите двайсет“, по образния израз на нобеловия лауреат Франсис Крик). В допълнение, за образуването на сложни (олигомерни) протеини е необходимо да се образуват специфични връзки между отделните протомери (например в молекулата на хемоглобина има четири протомера, т.е. отделно синтезирани вериги). За много протеини, особено ензими, добавянето на простетична група, тоест небелтъчен компонент, е важно. Могат да възникнат и други трансформации.
Известни са много други модели на сгъване на протеини. Завесата на тайната постепенно се повдига. Картината обаче все още не е пълна. Успехът в предсказването на структури досега е само спорадичен. В тази връзка научната общност направи следващата интересна стъпка: привлече широката публика да реши проблема, като създаде игра FoldIt, . Всеки може да участва в глобалното състезание. Същността на играта е да се сгъне протеиновата верига възможно най-компактно, тоест да се доведе протеиновата молекула до състояние, при което има възможно най-малко свободно пространство вътре в гломерула - това е точно формата, в която са протеините присъстващи в природата (фиг. 6). От гледна точка на термодинамиката това състояние съответства на минимална свободна енергия, . Колкото по-компактна е молекулата, колкото по-малко кухини и отворени хидрофобни зони, колкото повече отворени хидрофилни зони, водородни връзки в структури като β-листове, толкова по-малко „сблъсъци“ на атоми, толкова повече точки получава играчът. Така моделът с най-ниска свободна енергия получава най-висок резултат. Повечето играчи FoldItимат малко или никакво биохимично обучение. Играта е базирана на алгоритми Rosetta и не е симулация на структури de novo, който, както авторите правилно отбелязват, все още остава изключително труден проблем.
Фигура 6. Сравнение на различни форми на представяне на модели на протеинова структура (използвайки примера на една от човешките трансферази). А - Форма, която ясно демонстрира видовете вторични структури. b - Форма, показваща действителното местоположение на атомите на протеинова молекула в пространството ( Запълване на пространство). Ясно се вижда, че протеиновите молекули са силно уплътнени, с малко свободно пространство между атомите.
PDB база данни (PDB ID 5CU6)
Група играчи FoldItучаства в CASP. Играта вече показа, че е ефективна при предсказване на структури и дори по-добра от други методи, и също така разреши сериозен научен проблем относно структурата на протеазата на маймунския имунодефицитен вирус, който науката не беше в състояние да реши повече от десетилетие.
Когато говорим за използване на различни методи и инструменти за решаване на обсъждания проблем, винаги трябва да помните, че не всички последователности могат да се сгъват по строго определен начин. Вероятно е, когато погледнем резултатите, които еволюцията е постигнала досега, да видим само последователности, които могат да се сгъват, защото са изпълнили функциите си добре и са били предпочитани от селекцията.
Говорейки за сгъването, ние се съсредоточихме върху относителната автономност на този процес: протеиновата молекула приема определена конформация въз основа на нейната първична структура и това се случва при специфични (и важни) физикохимични условия (киселинност, температура, природа на разтворителя и т.н.). ). Въпреки това, не трябва да се създава впечатлението, че сгъването е напълно независимо, особено за големи протеини. Току-що споменахме ензима PDI, който помага на протеина да се сгъва правилно. В допълнение към този ензим има и други (напр. PPI - пептидил-пролил-цис/транс-изомераза, ). Но ензимите не са единствената група протеини, които помагат на другите протеини да се сгъват правилно. Има друга специална група протеини, които играят важна роля в сгъването. Те се наричат шаперони.
Шаперони- сложни протеини с консервативен (т.е. еволюционно ниско променлив) механизъм на действие, открити във всички царства на живата природа. Това е разбираемо: тяхната роля в живота на клетката е огромна. Както бе споменато по-горе, зреещата протеинова верига излиза от рибозомата. Все още е незряло, но е в така нареченото „разтопено“ състояние. Такива незрели молекули са податливи на влияния от околната среда: те могат да взаимодействат с други клетъчни протеини, за да образуват агрегати, които могат да доведат до заболявания като Алцхаймер или Паркинсон. Но има и „правилна“ посока, по която може (и трябва) да бъде насочено развитието на протеина - пътят, който ще доведе разтопената глобула до нейното естествено състояние. Тук помагат шапероните, които „дебнат“ и улавят протеиновите вериги на самия изход от рибозомния тунел и по този начин насочват незрелите протеини, които са на съдбоносен кръстопът, в правилната посока. Шапероните са наречени така с причина: преди в Англия това беше името, дадено на възрастна, опитна дама, която придружаваше младо момиче, което за първи път се появи на бял свят под нейно ръководство и я пазеше от необмислени контакти. (Терминът "шаперон" все още се използва в подобни значения.) Шапероните не са специфични за различни аминокиселинни последователности на зараждащи се вериги, но те могат да разграничат зрелите протеини от незрелите и да действат върху последните.
Най-важната група придружители е шаперонини. Тяхната структура е интересна: те са варели, съставени от два пръстена. Сгъващият се протеин влиза в шаперонина и „входът“ се затваря със специална „капачка“ или чрез затваряне на ръбовете на блоковете, които изграждат пръстените, така че протеиновата молекула да не напусне преждевременно шаперонина (фиг. 7). В това защитено състояние протеинът най-накрая може да приеме естествената си конформация. Процесите, протичащи в бъчвите с шаперонини, все още са слабо разбрани.
Фигура 7. Схематично представяне на два вида шаперонини - I и II. А - Шаперонините тип I са характерни за бактериите (шаперон GroELима структура на варел, съставен от два пръстена, всеки със 7 „блока“; вътре в шаперонина има камера, в която се извършва трансформацията на разтопената глобула в естествената; цевта е затворена с "капак" - GroES); b - Тип II шаперонини, характерни за археите и еукариотите (тук всеки от двата пръстена се състои от 8 "блока"; камерата се затваря не чрез закрепване на "капак", а чрез механизма на обектива на камерата).
Трябва да се каже, че шапероните не само участват в сгъването на зреещите вериги, но също така помагат на „счупените“ протеинови структури, възникнали в клетката в резултат на определени влияния, да приемат отново правилната конформация. Най-типичната причина за такива „сривове“ е топлинният шок, тоест повишаването на температурата. В тази връзка често се използват други имена за шаперони - протеини на топлинен шок ( протеини на топлинен шок, hsp) или стрес протеини. Шапероните изпълняват други важни функции в клетката, като транспортиране на протеини през мембрани и сглобяване на олигомерни протеини.
И така, за сгъването на протеини са строго необходими следните условия: първична структура, специфични физикохимични условия, както и две групи спомагателни протеини - специфично работещи ензими и неспецифично работещи шаперони.
За да обобщим, нека кажем, че сгъването на протеини е един от централните проблеми на съвременната биофизика. И въпреки че е натрупан голям арсенал от данни за това явление, то все още е слабо разбрано, което в крайна сметка води до невъзможността да се предскаже триизмерна структура въз основа на аминокиселинната последователност (това е особено вярно за големи, включително олигомерни, протеини). Напредък в тази област и особено моделирането de novo. (2005). Наука. 309
, 78–102;
Първичната структура на протеина се формира в резултат на транслацията на протеина. След завършване на транслацията процесът на образуване на протеини не е завършен. Пептидната верига претърпява пространствени промени, което води до нейното сгъване в правилна триизмерна структура. Този процес е следващият етап от образуването на протеини и се нарича сгъване.Сгъването включва процесите на образуване на вторични, третични и кватернерни протеинови структури. Сгъването не става едновременно, а на няколко етапа. По схемата предложена от О.Б. Птицин (1972) включва следните етапи:
Случаен протеин– пептидната верига в първичната структура непосредствено след транслацията се сгъва на хлабава топка. Всички връзки между аминокиселинните остатъци (с изключение на пептидната) отсъстват. Такава верига има еластичност: разтягането й изисква прилагане на сила, след края на силата веригата се връща в състояние на топка.
Прекурсор на разтопена глобула– образуването на непълна вторична структура възниква поради взаимодействието на всички функционално активни групи аминокиселини, с изключение на радикалите. Веригата приема определена пространствена структура, но е частично разгъната.
Разтопена глобула– формира се вторичната структура; Компресирането на веригата в компактна глобула започва поради взаимодействията между радикалите, но все още няма окончателно образувани връзки. Радикалите взаимодействат с „просто всеки“, като избират най-правилните позиции. Конфигурацията на глобулата е нестабилна. Все още няма твърда третична структура.
Нативен протеин– установяват се връзки в разтопената глобула:
дивите котки образуват максималния възможен брой връзки: протеинът намира оптимално благоприятната структура.
В олигомерните протеини сгъването завършва свързването на протомерите в олигомери.
По отношение на времето, сгъването на някои протеини започва на етапа на транслация на протеиновия синтез и се случва, докато расте върху рибозомата. Това сгъване се нарича съвместен превод.За други започва след края на предаването и се извиква посттранслационен.
Сгъване на малки молекулиПротеинът се определя от първичната структура на даден протеин, тоест последователността на аминокиселините в пептидната верига, въз основа само на физикохимичните взаимодействия на неговите химични групи (по-специално радикали). Това се потвърждава от експеримент с рибонуклеаза, извършен от К. Анфинсен през 1973 г.
Рибонуклеаза– глобуларен протеин, който разцепва връзките между нуклеотидите в РНК. Състои се от 124 аминокиселини, сред които 8 цистеинови остатъка образуват 4 дисулфидни връзки: 26-84; 40-95; 58-110 и 65-72 (цифрите показват броя на цистеиновите остатъци във веригата) (фиг. 32).
Фиг.32. Денатурация и ренативация на рибонуклеаза. А – нативна рибонуклеазна молекула, в третичната структура на която има 4 дисулфидни връзки; B – денатурирана рибонуклеазна молекула; B – нативна рибонулеазна молекула, в структурата на която са новообразувани 4 дисулфидни връзки между едни и същи цистеинови остатъци
Ако урея (разрушаване на водородни връзки) и β-меркаптоетанол (разрушаване на дисулфидни връзки) се добавят към средата с рибонуклеаза, тогава глобуларната естествена структура на протеина се унищожава ( денатурация ) и се образува пептидната верига произволна топка– произволно нагъната пептидна верига в първичната структура. Ензимната активност изчезва поради разрушаването на активния център; протеинът е в състоянието, в което е бил преди нагъването. След това, ако и двата агента се отстранят от средата, нативната структура и ензимната активност на протеина се възстановяват. Така се случва ренатурация (възстановяване на денатурирана протеинова структура ), ренативация или пренагъване . Следователно, строго определената конформация на протеина се съдържа в първичната структура и за малките протеини се определя само от физикохимичното взаимодействие на неговите химични групи. Протеинът не само „знае” коя пространствена конфигурация да приеме, но и го прави напълно самостоятелно, без допълнителни агенти.
Образуването на третичната структура на протеина може да бъде повлияно от неговите лиганди, както и от химичната модификация на аминокиселините.
Сгъване на големи молекулиима свои собствени характеристики. По този начин големи протеинови молекули с високо молекулно тегло и сложна структура по време на процеса на сгъване при условия на висока концентрация на протеин в клетката могат да взаимодействат една с друга поради техните реактивни радикали. Хидрофобните радикали на повърхността на молекулите са склонни да се комбинират (агрегират), което нарушава тяхното правилно нагъване. Следователно, по време на сгъването, реактивните аминокиселинни остатъци на някои протеини трябва да бъдат отделени от аминокиселинните остатъци на други протеини. Тази функция се изпълнява спомагателни протеини. Те се свързват с протеини, които са в нестабилно състояние, склонно към агрегация, стабилизират тяхната конформация и осигуряват тяхното „правилно“ сгъване.
Такива протеини се наричат сгъваеми фактории са разделени на две групи: сгъваеми и шаперони.
Невероятна игра е разработена от учени от Вашингтонския университет (САЩ). Програмата, наречена Fold.it, е модел за сгъване на протеини в триизмерни структури. Геймърът трябва да се опита да направи това по най-успешния начин. Програмата ще бъде заредена с реални данни за истински, новоизмислени протеини, които не разбират как се сгъват. Резултатите ще бъдат изпратени по интернет в център за обработка, където ще бъдат проверени на суперкомпютър (това ще стане през есента, но засега програмата съдържа вече решени загадки, така че сега служи като симулатор).
Всъщност всички геймъри в нашия свят прекарват милиарди човекочасове в игри като WoW, Counter-Strike или Solitaire, които са безполезни за човечеството. В същото време те биха могли да използват интелекта по-ефективно: например сгъване на протеини на екрана на монитора си. Това също е интересно по свой начин.
Един от разработчиците на играта, професорът по биохимия Дейвид Бейкър, искрено вярва, че някъде по света има таланти, които имат вродената способност да изчисляват 3D модели на протеини в главите си. Някое 12-годишно момче от Индонезия ще види играта и ще може да решава проблеми, които дори суперкомпютърът не може да направи. Кой знае, може би такива хора наистина съществуват?
Всеки протеин (има повече от 100 000 вида в човешкото тяло) е дълга молекула. Предсказването на каква сложна форма ще се сгъне тази молекула при определени условия (и дали изобщо е способна да се сгъне в някаква стабилна форма) е задача от най-висока степен на сложност. Компютърното моделиране е ресурсоемък процес, но в същото време критичен във фармацевтиката. В крайна сметка, без да се знае формата на протеина, е невъзможно да се моделират неговите свойства. Ако тези свойства са полезни, тогава протеините могат да бъдат синтезирани и на тяхна основа да се направят нови ефективни лекарства, например за лечение на рак или СПИН (и в двата случая е гарантирана Нобелова награда).
В момента стотици хиляди компютри работят върху разпределена компютърна мрежа, за да изчислят модела на всяка нова протеинова молекула, но учените от Вашингтонския университет предлагат друг метод: не глупаво търсене на всички опции, а интелектуална мозъчна атака чрез компютърна игра . Броят на опциите е намален с порядък и суперкомпютърът ще намери правилните параметри на сгъване много по-бързо.
3D „забавлението“ Fold.it може да се играе от всеки: дори деца и секретарки, които нямат представа от молекулярна биология. Разработчиците се опитаха да направят тази игра така, че да е интересна за всички. И резултатът от играта може да стане основа за Нобелова награда и да спаси живота на хиляди хора.
Програмата е пусната във версии за Win и Mac. Разпределение от 53 MB може да бъде
След като пептидната верига напусне рибозомата, тя трябва да приеме своята биологично активна форма, т.е. навийте се по определен начин, свържете всякакви групи и т.н. Реакциите, които превръщат полипептид в активен протеин, се наричат обработкаили посттранслационна модификация на протеини.
Основните реакции на обработка включват:
1. Премахванеот N-края на метионин или дори няколко аминокиселини чрез специфични аминопептидази.
2. Образование дисулфидни мостовемежду цистеинови остатъци.
3. Частична протеолиза– отстраняване на част от пептидната верига, какъвто е случаят с инсулина или протеолитичните ензими на стомашно-чревния тракт.
4. Присъединяване химическа групакъм аминокиселинните остатъци на протеиновата верига:
5. Включете протезенгрупи:
6. Асоциация на протомеритев единичен олигомерен протеин, например хемоглобин, колаген, лактат дехидрогеназа, креатин киназа.
Сгъването е процес на подреждане на удължена полипептидна верига в правилна триизмерна пространствена структура. За да се осигури сгъването, група от спомагателни протеини, наречени шаперони ( придружител, Френски - придружител, бавачка). Те предотвратяват взаимодействието на новосинтезирани протеини помежду си, изолират хидрофобните области на протеините от цитоплазмата и ги „отстраняват“ вътре в молекулата и правилно позиционират протеиновите домени.
Биологична химия Лелевич Владимир Валерианович
Сгъването на протеина е процес на сгъване на полипептидна верига в правилната пространствена структура. В този случай отдалечените аминокиселинни остатъци на полипептидната верига се сближават, което води до образуването на нативна структура. Тази структура има уникална биологична активност. Следователно сгъването е важен етап от трансформацията на генетичната информация в механизмите на функциониране на клетката.
Структура и функционална роля на шапероните в сгъването на протеини
По време на синтеза на полипептидни вериги, техния транспорт през мембраните и по време на сглобяването на олигомерни протеини възникват междинни нестабилни конформации, които са склонни към агрегация. Новосинтезираният полипептид има много хидрофобни радикали, които са скрити вътре в молекулата в триизмерна структура. Следователно, по време на образуването на нативната конформация, реактивните аминокиселинни остатъци на някои протеини трябва да бъдат отделени от същите групи други протеини.
Във всички известни организми, от прокариоти до висши еукариоти, са открити протеини, които могат да се свързват с протеини, които са в нестабилно състояние, склонни към агрегация. Те са в състояние да стабилизират своята конформация, осигурявайки сгъване на протеини. Тези протеини се наричат шаперони.
Класификация на придружителите (III)
Според молекулното тегло всички шаперони могат да бъдат разделени на 6 основни групи:
1. високомолекулни, с молекулно тегло от 100 до 110 kDa;
2. Sh-90 – с молекулно тегло от 83 до 90 kDa;
3. Sh-70 – с молекулно тегло от 66 до 78 kDa;
6. Шаперони с ниско молекулно тегло с молекулно тегло от 15 до 30 kDa.
Сред шапероните се разграничават: конститутивни протеини (високият основен синтез на които не зависи от стресовите ефекти върху клетките на тялото) и индуцируеми протеини, чийто синтез е слаб при нормални условия, но рязко се увеличава при стресови ефекти. на клетката. Индуцируемите шаперони принадлежат към "протеините на топлинния шок", чийто бърз синтез се наблюдава в почти всички клетки, които са изложени на някакъв стрес. Името "протеини на топлинен шок" възниква от факта, че тези протеини са открити за първи път в клетки, които са били изложени на високи температури.
Ролята на шапероните в сгъването на протеини
По време на протеиновия синтез, N-терминалната област на полипептида се синтезира по-рано от С-терминалната област. За да се образува конформацията на протеин, е необходима неговата пълна аминокиселинна последователност. Следователно, по време на протеиновия синтез на рибозомата, защитата на реактивните радикали (особено хидрофобните) се осъществява от Sh-70.
Sh-70 е силно консервативен клас протеини, който присъства във всички части на клетката: цитоплазма, ядро, митохондрии.
Сгъването на много високомолекулни протеини със сложна конформация (например доменна структура) се извършва в специално пространство, образувано от Sh-60. Sh-60 функционира като олигомерен комплекс, състоящ се от 14 субединици.
Шапероновият комплекс има висок афинитет към протеини, на повърхността на които има елементи, характерни за разгънати молекули (предимно области, обогатени с хидрофобни радикали). Веднъж попаднал в кухината на шапероновия комплекс, протеинът се свързва с хидрофобните радикали на апикалните участъци на Sh-60. В специфичната среда на тази кухина, в изолация от други молекули на клетката, се извършва селекция от възможни протеинови конформации, докато се намери една единствена, енергийно най-благоприятна конформация.
Освобождаването на протеина с образуваната нативна конформация се придружава от АТФ хидролиза в екваториалния домен. Ако протеинът не е придобил естествената си конформация, тогава той влиза в многократен контакт с шапероновия комплекс. Това зависимо от шаперона сгъване на протеини изисква повече енергия.
По този начин синтезът и сгъването на протеини се извършва с участието на различни групи шаперони, които предотвратяват нежеланите взаимодействия на протеини с други клетъчни молекули и ги придружават до окончателното формиране на естествената структура.
Ролята на шапероните в защитата на клетъчните протеини от денатуриращи стресови влияния
Шапероните, включени в защитата на клетъчните протеини от денатуриращи влияния, както е споменато по-горе, се класифицират като протеини на топлинен шок (HSP) и често се споменават в литературата като HSP (протеини на топлинен шок).
Под въздействието на различни стресови фактори (висока температура, хипоксия, инфекция, ултравиолетова радиация, промени в рН на околната среда, промени в моларността на околната среда, въздействието на токсични химикали, тежки метали и др.), Синтезът на HSP в клетките се увеличава. Имайки висок афинитет към хидрофобните области на частично денатурирани протеини, те могат да предотвратят пълното им денатуриране и да възстановят естествената конформация на протеините.
Установено е, че краткосрочният стрес повишава производството на HSP и повишава устойчивостта на организма към дългосрочен стрес. По този начин краткотрайната исхемия на сърдечния мускул по време на бягане с умерено обучение значително повишава устойчивостта на миокарда към дългосрочна исхемия. Понастоящем обещаващо изследване в медицината е търсенето на фармакологични и молекулярно-биологични методи за активиране на синтеза на HSP в клетките.
Заболявания, свързани с неправилно нагъване на протеини
Изчисленията показват, че само малка част от теоретично възможните варианти на полипептидни вериги могат да приемат една стабилна пространствена структура. Повечето от тези протеини могат да приемат много конформации с приблизително същата енергия на Гибс, но с различни свойства. Първичната структура на повечето известни протеини, избрани чрез еволюция, осигурява изключителна стабилност на една единствена конформация.
Въпреки това, някои водоразтворими протеини, когато условията се променят, могат да придобият конформацията на слабо разтворими молекули, способни на агрегация, образувайки фибриларни отлагания в клетките, наречени амилоид (от латинското amylum - нишесте). Точно като нишестето, амилоидните отлагания се откриват чрез оцветяване на тъкан с йод.
Това може да се случи:
1. със свръхпроизводство на определени протеини, в резултат на което концентрацията им в клетката се увеличава;
2. когато протеини навлизат в клетките или се образуват в тях, които могат да повлияят на конформацията на други протеинови молекули;
3. при активиране на протеолизата на нормалните телесни протеини, с образуването на неразтворими фрагменти, склонни към агрегация;
4. в резултат на точкови мутации в белтъчната структура.
В резултат на отлагането на амилоид в органите и тъканите се нарушава структурата и функцията на клетките, наблюдават се техните дегенеративни промени и пролиферация на клетки на съединителната тъкан. Развиват се заболявания, наречени амилоидози. Всеки тип амилоидоза се характеризира със специфичен тип амилоид. В момента са описани повече от 15 такива заболявания.
