Artigo para o concurso “bio/mol/texto”: As proteínas são as principais moléculas biológicas. Eles desempenham muitas funções diferentes: catalítica, estrutural, de transporte, receptora e muitas outras. Mesmo o conhecido DNA desempenha apenas o papel de um “flash drive”, armazenando informações sobre proteínas, enquanto as proteínas são os próprios “arquivos”. A vida na Terra pode ser justamente chamada de proteína. Mas quanto sabemos sobre a estrutura e o funcionamento destas substâncias? Até agora, o enovelamento de proteínas permanece um mistério - o processo de empacotamento espacial de uma molécula de proteína, a adoção por uma proteína de uma forma estritamente definida na qual ela desempenha suas funções.
O patrocinador geral da competição, segundo nosso crowdfunding, foi um empresário Konstantin Sinyushin, pelo qual ele tem grande respeito humano!
O patrocinador do prêmio do público foi a empresa Atlas.
O patrocinador deste artigo é Lev Makarov.
As proteínas são biopolímeros que podem ser comparados a contas, onde as contas são aminoácidos conectados entre si por ligações peptídicas (daí outro nome para proteínas - polipeptídeos). Na célula, as proteínas são sintetizadas em máquinas moleculares especiais - os ribossomos. Saindo do ribossomo, a cadeia polipeptídica se dobra e a proteína assume uma determinada conformação, ou seja, uma estrutura espacial (Fig. 1). É fundamental que a proteína esteja presente no organismo de uma determinada forma, ou seja, a conformação deve ser “correta” (nativa). O processo de enovelamento de proteínas é denominado enovelamento. dobrando- dobrar, colocar; Observe que o termo “dobramento” não se aplica apenas às proteínas). O mais interessante é que as informações sobre a estrutura tridimensional ficam “embutidas” na própria sequência de aminoácidos. Assim, para que uma proteína adote sua estrutura nativa, ela só precisa “saber” em que sequência e quais resíduos de aminoácidos estão presentes nela. Isto foi comprovado pela primeira vez em 1961 por Christian Anfinsen usando o exemplo da ribonuclease pancreática bovina (Fig. 2). Deve-se dizer que, além das proteínas, cuja estrutura espacial é estritamente determinada pela sequência de aminoácidos, existem as chamadas proteínas não estruturadas ( proteínas intrinsecamente desdobradas, IDPs): alguns fragmentos de tais moléculas, e às vezes moléculas inteiras, são capazes de assumir muitas conformações possíveis ao mesmo tempo, todas elas energeticamente “equivalentes”, e tais proteínas são bastante comuns na natureza e desempenham funções importantes. Existe outro tipo de dobramento que ocorre com a ajuda de proteínas especiais - acompanhantes, mas falaremos mais sobre isso mais tarde.
Figura 1. Dobramento cotraducional de um pequeno domínio α-helicoidal. O dobramento da cadeia polipeptídica de muitas proteínas já começa no ribossomo durante a tradução da proteína (ou seja, sua síntese). A proteína em maturação sai do ribossomo através de um túnel especial (área sombreada na subunidade grande da figura), que é um fator importante no dobramento da cadeia, com o terminal C da cadeia (contendo o grupo carboxila) fixado no ribossomo, e o terminal N (contendo o grupo amino) "avançado" "em direção à saída e "pendurado" para fora dela quando 30-40 resíduos de aminoácidos se acumulam no túnel. Estruturas imaturas compactadas, α-hélices, β-grampos e pequenos domínios α-helicoidais podem se formar no túnel. O dobramento cotranslacional ocorre em dois estágios: primeiro, a cadeia desdobrada ( U, desdobrado) entra em um estado compactado ( C, compactado), que então adquire a estrutura nativa ( N, nativo).
Figura 2. Ribonuclease pancreática bovina e os cientistas que a estudaram. A - Ribonuclease pancreática bovina. Para o estudo da estrutura desta enzima, Anfinsen ( Anfinsen) (b ), Moura ( Moura) (V ) e Stein (Stein) (G ) recebeu o Prêmio Nobel de Química (1972). Usando esta proteína como exemplo, o fenômeno do redobramento foi demonstrado pela primeira vez - a formação espontânea de uma estrutura terciária após a desnaturação (isto é, destruição). A importância do enovelamento de proteínas é que ele leva à formação de uma estrutura proteica (nativa) estritamente definida na qual funciona. Por exemplo, no experimento de Anfinsen, a ribonuclease, como resultado do redobramento, restaurou sua atividade enzimática, ou seja, voltou a catalisar bem uma reação bioquímica. Para que esta enzima funcione, cinco resíduos de aminoácidos devem se reunir em um único centro catalítico (um pedaço de espaço) de locais completamente diferentes na cadeia proteica: histidina (12), lisina (41), treonina (47), histidina (119) e fenilalanina (120).
modelo do banco de dados PDB (PDB ID 5D6U), retratos de cientistas do site ru.wikipedia.org
O problema é que a humanidade, com todo o seu poder computacional e arsenal de dados experimentais, ainda não aprendeu a construir modelos que descrevam o processo de enovelamento de proteínas e prevejam a estrutura tridimensional de uma proteína com base em sua estrutura primária (ou seja, , a sequência de aminoácidos). Assim, ainda não há uma compreensão completa deste processo físico.
A explosão de projectos genómicos resultou na sequenciação de mais genomas e nas sequências correspondentes de ADN e ARN que povoaram bases de dados a uma taxa exponencial. Na Fig. A Figura 3 mostra o aumento no número de sequências de aminoácidos, bem como o aumento no número de estruturas proteicas conhecidas no período de 1996 a 2007. Vê-se claramente que o número de estruturas conhecidas é muito menor que o número de sequências. No momento da redação deste artigo (agosto de 2016), o número de sequências no banco de dados UniParc era superior a 124 milhões, enquanto o número de estruturas no banco de dados PDB ( Banco de dados de proteínas) - apenas um pouco mais de 121 mil, o que representa menos de 0,1% de todas as sequências conhecidas, e a diferença entre esses dois indicadores está crescendo rapidamente e provavelmente continuará a crescer. Esta grande defasagem se deve à relativa complexidade dos métodos modernos de determinação de estruturas. Ao mesmo tempo, é muito importante conhecê-los. Portanto, a questão do uso de métodos computacionais para prever estruturas proteicas a partir de suas sequências é agora urgente. Em 2005, a revista oficial Ciência reconheceu o problema do enovelamento de proteínas como um dos 125 maiores problemas da ciência moderna.
Figura 3. Comparação das taxas de crescimento no número de sequências e estruturas conhecidas de 1996 a 2007. Os anos são indicados no eixo horizontal e o número de sequências em milhões é indicado no eixo vertical esquerdo ( linha sólida), na vertical direita - o número de estruturas em milhões ( linha pontilhada). A lacuna entre o número de estruturas conhecidas e o número de sequências é claramente visível. Até agora, a diferença aumentou ainda mais.
Após a leitura do genoma humano, muitos genes humanos e, portanto, as sequências de aminoácidos que eles codificam tornaram-se conhecidos. No entanto, isto não significa que conheçamos as funções de todos os genes; por outras palavras, não conhecemos as funções das proteínas codificadas por estes genes. Sabe-se que em muitos aspectos as funções das proteínas podem ser previstas pela sua estrutura, embora nem sempre. Portanto, o sonho acalentado é a capacidade de prever a estrutura e, consequentemente, a função de uma proteína a partir da sequência de nucleotídeos do próprio gene.
É errado, entretanto, pensar que não sabemos absolutamente nada. É claro que um grande número de fatos sobre dobramento foi acumulado, os padrões desse processo são conhecidos e vários métodos para sua modelagem foram desenvolvidos. Para acompanhar o progresso alcançado na resolução do problema de dobramento, foi criada uma competição internacional para prever a estrutura espacial das moléculas de proteínas - CASP ( Avaliação Crítica de Técnicas de Predição de Estrutura de Proteínas), que se realiza de dois em dois anos (o concurso realiza-se agora pela décima segunda vez, teve início em abril e terminará em dezembro de 2016). Nesta competição, os pesquisadores competem para ver quem consegue prever melhor a estrutura de uma proteína a partir de sua sequência de aminoácidos, e a competição é conduzida usando um método duplo-cego (no momento da competição, a estrutura da proteína “misteriosa” é simplesmente desconhecido; sua determinação é concluída sempre que a competição termina). Até agora, as estruturas das proteínas alvo nunca foram previstas com precisão.
Existem dois grupos de métodos de previsão de estrutura.
PARA primeiro incluem os chamados métodos de modelagem do zero (ab initio, de novo, existem outros termos sinônimos), quando os modelos são construídos apenas com base na estrutura primária, sem utilizar métodos comparativos com estruturas já conhecidas, mas utilizando todo o conhecimento acumulado da física do dobramento de biopolímeros. O significado fundamental desses métodos é que eles ajudam a compreender os princípios físico-químicos do enovelamento de proteínas e a responder a esta questão candente: por que uma proteína se enovela desta maneira e não de outra? No entanto, as desvantagens desses métodos são a altíssima complexidade computacional e a baixa precisão. Estes métodos requerem simplificações e aproximações e são ineficazes para prever as estruturas de proteínas grandes. Em 2007, através de métodos de modelagem de novo Pela primeira vez, a estrutura de uma das proteínas bacterianas foi determinada com alta precisão Bacilo halodurans, mas essa proteína é relativamente pequena (112 resíduos de aminoácidos) e para obter um modelo preciso foi necessário o poder de mais de 70.000 computadores pessoais e um supercomputador; Além disso, dos 26 modelos obtidos, apenas um se revelou preciso. Os métodos de dinâmica molecular (MD) permitem descrever eventos moleculares e rastrear o processo de enovelamento de proteínas em uma estrutura nativa: em 2010, isso foi feito pela primeira vez usando o poder computacional de um supercomputador especialmente criado Anton .
Co. segundo grupo de métodos inclui métodos de modelagem comparativa. Eles são baseados no fenômeno homologia, isto é, a origem comum dos objetos (órgãos, moléculas, etc.). Assim, o “preditor” tem a oportunidade de comparar a sequência da proteína cuja estrutura precisa ser modelada com um molde, ou seja, uma proteína cuja estrutura é conhecida e que é presumivelmente homóloga, e com base em sua similaridade, construir um modelo com ajustes subsequentes (sequências semelhantes se dobram em estruturas semelhantes). Esses métodos são agora mais populares, uma vez que prever a estrutura das proteínas é uma tarefa prática importante, e até agora surgiram ferramentas de computação e bancos de dados, e também se tornou conhecido que o número de opções possíveis para dobrar estruturas de proteínas é limitado (Fig. 4). Embora estes métodos não resolvam o problema do enovelamento de proteínas em si, eles podem ajudar a resolver problemas práticos específicos, enquanto outros lutam para estudar questões mais fundamentais.
Figura 4. Dinâmica de identificação de novos tipos de dobras (opções de embalagem). O tempo (anos) é plotado no eixo horizontal e a proporção de novas dobras é plotada no eixo vertical esquerdo (para mais detalhes, consulte a aba) ( linha sólida), e no eixo vertical direito - o número total de estruturas ( linha pontilhada), classificados na base de dados CATH. Observe que este banco de dados trata da classificação estrutural de proteínas, por isso é importante que ele conheça os possíveis tipos de dobras proteicas. Vê-se claramente que com o tempo, mais e mais proteínas são classificadas, mas o número de variantes dobradas diminui.
Deve-se enfatizar que os métodos modernos para prever estruturas de proteínas requerem muito poder computacional e muitas vezes são realizados em supercomputadores ou usando redes de computação distribuídas, como Rosetta@home e Folding@home. Todos estão convidados a participar desses projetos: basta rodar o programa no seu computador até que o usuário precise.
Alguns padrões de enovelamento de proteínas são conhecidos. Acredita-se agora que este processo ocorre em etapas: primeiro, uma cadeia linear com entropia zero colapsa rapidamente para formar emaranhado estatístico - dobramento de entropia. Então acontece colapso hidrofóbico: os resíduos de aminoácidos hidrofóbicos ficam “escondidos” profundamente na molécula, e os hidrofílicos ficam “dispersos” ao longo da superfície (veja abaixo). O resultado desta etapa é a formação glóbulo fundido. Depois disso, ligações específicas são formadas (veja abaixo), e a proteína entra no estado verdadeiro glóbulos, enquanto a energia livre cai drasticamente.
A última etapa não ocorre durante o dobramento de proteínas não estruturadas - Deslocados internos.
Deve-se notar que para cada sequência de aminoácidos é teoricamente possível assumir muitos caminhos que ela pode seguir para atingir a conformação nativa. Porém, sabe-se que a proteína não tenta todas as opções possíveis, mas se move por um dos caminhos possíveis definidos para cada sequência. Se a proteína tentasse todas as opções possíveis, então o tempo de viagem de uma sequência simples até o estado nativo excederia o tempo de vida do Universo (paradoxo de Levinthal)! É claro que isso não acontece: o tempo que a proteína leva para adotar sua estrutura nativa é de uma fração de segundo. Isso é semelhante a resolver um cubo de Rubik: do estado de um cubo não resolvido ao estado de um cubo resolvido, você pode passar de muitas maneiras diferentes, mas nas competições pela velocidade de resolução de um cubo, o vencedor é aquele que o faz. é mais rápido e eficiente, ou seja, escolhe um determinado caminho. Na verdade, encontrar tal caminho é a principal tarefa dos métodos de modelagem desde o início(Veja acima). A resposta à questão fundamental do enovelamento não residirá simplesmente na capacidade de modelar estruturas com precisão, mas, antes de mais, em conhecer e justificar a forma como uma proteína atinge o seu estado nativo.
Vale ressaltar a importância do dobramento cotraducional (Fig. 1), discutido acima, na formação da estrutura proteica. Observe que a presença de um ribossomo, no qual a proteína é sintetizada, impõe sérios ajustes no processo de enovelamento da cadeia. Isto deve ser sempre lembrado ao modelar o enovelamento de proteínas naturais. na Vivo. O canal em que se encontra a cadeia em crescimento limita sua variabilidade conformacional e, portanto, nem todos os tipos de estruturas podem se formar nele. Além disso, a cadeia crescente é constantemente empurrada para frente (por um resíduo de aminoácido a cada ato de transpeptidação-translocação, ou seja, a formação de uma nova ligação peptídica e subsequente avanço do ribossomo) e, portanto, seria lógico suponha que a conformação da cadeia no canal ribossômico tenha qualidades como rigidez e vetorialidade, o que corresponde às propriedades de uma hélice α. Além disso, a orientação mútua dos resíduos de aminoácidos em dois centros dentro do ribossomo é sempre do mesmo tipo (equivalente), independente da natureza desses resíduos, o que aparentemente também contribui para a formação de hélices α. Na verdade, as hélices α são o elemento mais típico da estrutura secundária das proteínas. Eles foram descobertos por Linus Pauling ( Liunus Pauling) e Robert Corey ( Robert Corey), que, junto com Walter Koltun ( Walter Koltun) propôs um novo tipo de modelos moleculares.
Ao mesmo tempo, quando o terminal N (contendo o grupo amino) da cadeia proteica em crescimento sai do túnel e é imerso na solução, as condições físico-químicas desse ambiente passam a atuar sobre ele, e a proteína passa a obedecer aos seus regras.
A este respeito, o famoso biólogo molecular Acadêmico Alexander Spirin observa três diferenças entre dobrar em vitro E na Vivo:
Estas considerações provam mais uma vez que as questões biológicas não podem ser resolvidas “secamente” através do uso de métodos de bioinformática. Mesmo os modelos computacionais aparentemente mais precisos podem revelar-se imprecisos se forem construídos sem levar em conta fatores que realmente operam na natureza.
Para resolver o problema do dobramento, foram desenvolvidos os chamados potenciais empíricos: interações pares de resíduos, ligações de hidrogênio, ângulos de torção, centros de massa de cadeias laterais e muitos outros. Por exemplo, o potencial de solvatação prevê se um resíduo de aminoácido estará dentro ou fora de uma proteína (respectivamente enterrado ou exposto), dependendo da sua hidrofobicidade. Sabe-se que alguns aminoácidos “amam” água ( hidrofílico), é mais provável que estejam localizados na superfície da molécula de proteína, enquanto outros “não gostam” ( hidrofóbico) e “escondem-se” em áreas da molécula mais inacessíveis ao solvente, obscurecidas por outros resíduos (Fig. 5). O efeito hidrofóbico é de grande importância no enovelamento de proteínas.
Figura 5. A hidrofobicidade dos aminoácidos afeta sua distribuição espacial (usando o exemplo de uma das desidrogenases humanas). Aminoácidos hidrofílicos são mostrados Em azul, hidrofóbico - vermelho. Pode-se observar que os resíduos hidrofílicos tendem a estar localizados em áreas abertas ao solvente, enquanto os resíduos hidrofóbicos tendem a estar localizados em áreas fechadas da molécula.
Banco de dados PDB (PDB ID 5ICS)
Um aspecto importante da formação da estrutura proteica em todos os estágios é a formação de ligações entre radicais (cadeias laterais) de resíduos de aminoácidos. São diferentes: hidrofóbicos, eletrostáticos e outros. Uma opção interessante é a formação de ligações dissulfeto (“pontes”) devido à interação dos átomos de enxofre das cadeias laterais da cisteína. Por exemplo, na famosa ribonuclease, pelo estudo de cuja estrutura foi concedido o Prêmio Nobel, existem quatro dessas ligações. Porém, nem tudo é tão simples aqui. Se a cadeia proteica contém dois átomos de enxofre pertencentes à cisteína, é fácil dizer que uma ponte dissulfeto pode ser formada. Mas se, por exemplo, houver dez átomos de enxofre e, consequentemente, cinco ligações SS forem formadas, então não podemos dizer inequivocamente quais átomos de enxofre irão interagir entre si em pares (mas uma proteína pode). De acordo com os cálculos de Thomas Creighton ( Thomas Creighton), se houver 5 ligações dissulfeto em uma proteína, o número de combinações possíveis já é 945; se houver 10 dessas ligações, então o número de opções é 654.729.075, e com 25 ligações dissulfeto esse número excede 5 quatrilhões de quatrilhões (mais de 5,8 × 10 30). Mas na proteína só se realiza uma opção, e é sempre a mesma! Deve-se notar, entretanto, que isto é verdade para a auto-organização das proteínas em vitro(“in vitro”, “em vidro”, isto é, sob condições experimentais, e não em um organismo vivo) sob condições adequadas, e na Vivo(em um organismo vivo) a auto-organização das ligações dissulfeto não ocorre. Sua formação é catalisada por uma enzima especial - proteína dissulfeto isomerase, ou PDI, que também é capaz de “corrigir” erros em caso de formação incorreta de uma conexão SS, corrigindo assim o processo de dobramento, .
É importante compreender que o processo de formação da estrutura final de uma proteína não envolve simplesmente dobrar a cadeia. Nas células, as proteínas sofrem acetilação, glicosilação e muitas outras modificações. Portanto, por exemplo, o número de diferentes aminoácidos nas proteínas excede os 20 conhecidos (“vinte mágicos”, na expressão figurativa do ganhador do Nobel Francis Crick). Além disso, para a formação de proteínas complexas (oligoméricas), é necessário formar ligações específicas entre protômeros individuais (por exemplo, em uma molécula de hemoglobina existem quatro protômeros, ou seja, cadeias sintetizadas separadamente). Para muitas proteínas, especialmente enzimas, é importante a adição de um grupo protético, ou seja, um componente não proteico. Outras transformações também podem ocorrer.
Muitos outros padrões de enovelamento de proteínas são conhecidos. O véu do segredo está a ser gradualmente levantado. No entanto, o quadro ainda está longe de estar completo. O sucesso na previsão de estruturas até agora tem sido apenas esporádico. Nesse sentido, a comunidade científica deu o próximo passo interessante: atraiu o público em geral para resolver o problema criando um jogo Dobre isso, . Qualquer pessoa pode participar da competição global. A essência do jogo é dobrar a cadeia de proteína da forma mais compacta possível, ou seja, levar a molécula de proteína a um estado em que haja o mínimo de espaço livre possível dentro do glomérulo - esta é precisamente a forma em que as proteínas são presente na natureza (Fig. 6). Do ponto de vista da termodinâmica, este estado corresponde a uma energia livre mínima, . Quanto mais compacta for a molécula, menos cavidades e áreas hidrofóbicas abertas, mais áreas hidrofílicas abertas, ligações de hidrogénio em estruturas como folhas β, menos “colisões” de átomos, mais pontos o jogador recebe. Assim, o modelo com menor energia livre obtém a maior pontuação. A maioria dos jogadores Dobre isso têm pouco ou nenhum treinamento bioquímico. O jogo é baseado nos algoritmos Rosetta e não é uma simulação de estruturas de novo, o que, como bem observam os autores, ainda permanece um problema extremamente difícil.
Figura 6. Comparação de diferentes formas de representação de modelos de estrutura proteica (usando o exemplo de uma das transferases humanas). A - Um formulário que demonstre claramente os tipos de estruturas secundárias. b - Um formulário que mostra a localização real dos átomos de uma molécula de proteína no espaço ( Preenchimento de Espaço). Vê-se claramente que as moléculas de proteína são altamente compactadas, com pouco espaço livre entre os átomos.
Banco de dados PDB (PDB ID 5CU6)
Grupo de jogadores Dobre isso participa do CASP. O jogo já se mostrou eficaz na previsão de estruturas e ainda melhor que outros métodos, e também resolveu um sério problema científico sobre a estrutura da protease do vírus da imunodeficiência símia, que a ciência não conseguia resolver há mais de uma década.
Ao falar sobre o uso de diferentes métodos e ferramentas para resolver o problema em discussão, você deve sempre lembrar que nem todas as sequências podem ser dobradas de maneira estritamente definida. É provável que, quando olhamos para os resultados que a evolução alcançou até agora, vejamos apenas sequências que podem dobrar-se porque desempenharam bem as suas funções e foram favorecidas pela seleção.
Falando em enovelamento, focamos na relativa autonomia desse processo: a molécula de proteína assume uma determinada conformação baseada em sua estrutura primária, e isso acontece sob condições físico-químicas específicas (e importantes) (acidez, temperatura, natureza do solvente, etc.). ). No entanto, não se deve dar a impressão de que o dobramento é completamente independente, especialmente para proteínas grandes. Acabamos de mencionar a enzima PDI, que ajuda a proteína a se dobrar corretamente. Além desta enzima, existem outras (por exemplo, PPI - peptidil-prolil-cis/trans-isomerase, ). Mas as enzimas não são o único grupo de proteínas que ajudam outras proteínas a se dobrarem corretamente. Existe outro grupo especial de proteínas que desempenham um papel importante no dobramento. Eles são chamados de acompanhantes.
Acompanhantes- proteínas complexas com mecanismo de ação conservador (isto é, evolutivamente pouco variável), encontradas em todos os reinos da natureza viva. Isto é compreensível: o seu papel na vida da célula é enorme. Como mencionado acima, a cadeia proteica em maturação sai do ribossomo. Ainda é imaturo, mas está no chamado estado “fundido”. Essas moléculas imaturas são suscetíveis a influências ambientais: podem interagir com outras proteínas celulares para formar agregados, o que pode levar a doenças como Alzheimer ou Parkinson. Mas há também uma direção “correta” ao longo da qual o desenvolvimento da proteína pode (e deve) ser direcionado - o caminho que levará o glóbulo fundido ao seu estado nativo. É aqui que os acompanhantes ajudam, “espreitando” e capturando cadeias de proteínas na saída do túnel ribossômico e, assim, direcionando proteínas imaturas que estão em uma encruzilhada fatídica na direção certa. Os acompanhantes têm esse nome por um motivo: anteriormente, na Inglaterra, esse era o nome dado a uma senhora idosa e experiente que acompanhava uma jovem que apareceu pela primeira vez no mundo sob sua liderança e a impediu de contatos imprudentes. (O termo “acompanhante” ainda é usado com significados semelhantes.) As acompanhantes não são específicas para diferentes sequências de aminoácidos de cadeias nascentes, mas podem distinguir proteínas maduras das imaturas e agir sobre estas últimas.
O grupo mais importante de acompanhantes é acompanhantes. A sua estrutura é interessante: são barris compostos por dois anéis. A proteína enovelada entra na chaperonina, e a “entrada” é fechada com uma “tampa” especial ou fechando as bordas dos blocos que compõem os anéis para que a molécula de proteína não saia prematuramente da chaperonina (Fig. 7). Neste estado protegido, a proteína pode finalmente assumir a sua conformação nativa. Os processos que ocorrem dentro dos barris de chaperonina ainda são pouco compreendidos.
Figura 7. Representação esquemática de dois tipos de acompanhantes - I e II. A - As chaperoninas do tipo I são características de bactérias (chaperoninas GroEL tem estrutura de barril composta por dois anéis, cada um com 7 “blocos”; dentro da chaperonina existe uma câmara na qual ocorre a transformação do glóbulo fundido em nativo; o barril é fechado com uma “tampa” - GroES); b - Chaperoninas tipo II, características de archaea e eucariotos (aqui, cada um dos dois anéis consiste em 8 “blocos”; a câmara é fechada não pela fixação de uma “tampa”, mas pelo mecanismo da lente da câmera).
É preciso dizer que as acompanhantes não apenas participam do dobramento das cadeias em maturação, mas também ajudam as estruturas proteicas “quebradas” que surgiram na célula como resultado de certas influências a assumirem novamente a conformação correta. A causa mais comum de tais “avarias” é o choque térmico, ou seja, o aumento da temperatura. A este respeito, outros nomes para acompanhantes são frequentemente usados - proteínas de choque térmico ( proteínas de choque térmico, hsp) ou proteínas do estresse. As acompanhantes desempenham outras funções importantes na célula, como o transporte de proteínas através das membranas e a montagem de proteínas oligoméricas.
Assim, para o enovelamento de proteínas são estritamente necessárias as seguintes condições: estrutura primária, condições físico-químicas específicas, bem como dois grupos de proteínas auxiliares - enzimas que funcionam especificamente e acompanhantes que funcionam não especificamente.
Para resumir, digamos que o enovelamento de proteínas seja um dos problemas centrais da biofísica moderna. E embora um grande arsenal de dados sobre este fenômeno tenha sido acumulado, ele ainda é pouco compreendido, o que acaba resultando na impossibilidade de prever uma estrutura tridimensional com base na sequência de aminoácidos (isto é especialmente verdadeiro para grandes, incluindo oligoméricos, proteínas). Avanços nesta área, e especialmente modelagem de novo. (2005). Ciência. 309
, 78–102;
A estrutura primária de uma proteína é formada como resultado da tradução da proteína. Após a conclusão da tradução, o processo de formação da proteína não é concluído. A cadeia peptídica sofre alterações espaciais, levando ao seu dobramento em uma estrutura tridimensional regular. Este processo é o próximo estágio da formação de proteínas e é chamado dobrando. O dobramento inclui os processos de formação de estruturas proteicas secundárias, terciárias e quaternárias. A dobragem não ocorre simultaneamente, mas em várias etapas. De acordo com o esquema proposto por O.B. Ptitsin (1972) inclui as seguintes etapas:
Proteína aleatória– a cadeia peptídica na estrutura primária imediatamente após a tradução é dobrada em uma bola solta. Todas as conexões entre os resíduos de aminoácidos (exceto o peptídico) estão ausentes. Tal corrente tem elasticidade: esticá-la requer a aplicação de força, após o término da força a corrente retorna ao estado de bola.
Precursor de glóbulo fundido– a formação de uma estrutura secundária incompleta ocorre devido à interação de todos os grupos funcionalmente ativos de aminoácidos, exceto os radicais. A cadeia assume uma certa estrutura espacial, mas é parcialmente desdobrada.
Glóbulo derretido– a estrutura secundária é formada; A compressão da cadeia em um glóbulo compacto começa devido às interações entre os radicais, mas ainda não há ligações finalmente formadas. Os radicais interagem com “qualquer um”, escolhendo as posições mais corretas. A configuração do glóbulo é instável. Ainda não existe uma estrutura terciária rígida.
Proteína nativa– ligações no glóbulo fundido são estabelecidas:
os gatos selvagens formaram o número máximo possível de ligações: a proteína encontra a estrutura idealmente favorável.
Nas proteínas oligoméricas, o dobramento completa a ligação dos protômeros em oligômeros.
Em termos de tempo, o enovelamento de algumas proteínas começa na fase de tradução da síntese proteica e ocorre à medida que esta cresce no ribossomo. Essa dobradura é chamada co-tradução. Para outros, começa após o término da transmissão e é chamado pós-tradução.
Dobramento de pequenas moléculas Uma proteína é determinada pela estrutura primária de uma determinada proteína, ou seja, pela sequência de aminoácidos da cadeia peptídica, com base apenas nas interações físico-químicas de seus grupos químicos (em particular radicais). Isto é confirmado por um experimento com ribonuclease realizado por K. Anfinsen em 1973.
Ribonuclease– uma proteína globular que cliva ligações entre nucleotídeos no RNA. É composto por 124 aminoácidos, entre os quais 8 resíduos de cisteína formam 4 ligações dissulfeto: 26-84; 40-95; 58-110 e 65-72 (os números indicam o número de resíduos de cisteína na cadeia) (Fig. 32).
Figura 32. Desnaturação e renativação da ribonuclease. A – molécula de ribonuclease nativa, em cuja estrutura terciária existem 4 ligações dissulfeto; B – molécula de ribonuclease desnaturada; B – molécula de ribonulease nativa, em cuja estrutura 4 ligações dissulfeto são recém-formadas entre os mesmos resíduos de cisteína
Se uréia (quebrando as ligações de hidrogênio) e β-mercaptoetanol (quebrando as ligações dissulfeto) forem adicionadas ao meio com ribonuclease, então a estrutura globular nativa da proteína é destruída ( desnaturação ) e a cadeia peptídica se forma bola aleatória– uma cadeia peptídica dobrada aleatoriamente na estrutura primária. A atividade enzimática desaparece devido à destruição do centro ativo; a proteína está no estado que estava antes do dobramento. Então, se ambos os agentes forem removidos do meio, a estrutura nativa e a atividade enzimática da proteína são restauradas. Assim acontece renaturação (restauração da estrutura da proteína desnaturada ), renativação ou redobrar . Conseqüentemente, a conformação estritamente definida de uma proteína está contida na estrutura primária e, para proteínas pequenas, é determinada apenas pela interação físico-química de seus grupos químicos. A proteína não apenas “sabe” qual configuração espacial adotar, mas também o faz de forma totalmente independente, sem agentes adicionais.
A formação da estrutura terciária de uma proteína pode ser influenciada por seus ligantes, bem como pela modificação química de aminoácidos.
Dobramento de moléculas grandes tem características próprias. Assim, grandes moléculas de proteínas com alto peso molecular e estrutura complexa durante o processo de dobramento sob condições de alta concentração de proteínas na célula podem interagir entre si devido aos seus radicais reativos. Os radicais hidrofóbicos na superfície das moléculas tendem a se combinar (agregar), o que perturba seu correto dobramento. Portanto, durante o dobramento, os resíduos de aminoácidos reativos de algumas proteínas devem ser separados dos resíduos de aminoácidos de outras proteínas. Esta função é executada proteínas acessórias. Eles se ligam a proteínas que estão em um estado instável e propenso à agregação, estabilizam sua conformação e garantem seu dobramento “correto”.
Tais proteínas são chamadas fatores de dobramento e são divididos em dois grupos: dobras e acompanhantes.
Um jogo incrível foi desenvolvido por cientistas da Universidade de Washington (EUA). O programa, chamado Fold.it, é um modelo para dobrar proteínas em estruturas tridimensionais. O jogador deve tentar fazer isso da maneira mais bem-sucedida. O programa será carregado com dados reais sobre proteínas reais recém-inventadas, que não estão claras como elas se dobram. Os resultados serão enviados via Internet para um centro de processamento, onde serão verificados em um supercomputador (isso acontecerá no outono, mas por enquanto o programa contém enigmas já resolvidos, agora serve como simulador).
Na verdade, todos os jogadores do nosso mundo gastam milhares de milhões de horas de trabalho em jogos como WoW, Counter-Strike ou Solitaire que são inúteis para a humanidade. Ao mesmo tempo, eles poderiam usar a inteligência de forma mais eficaz: por exemplo, dobrando proteínas na tela do monitor. Isso também é interessante à sua maneira.
Um dos desenvolvedores do jogo, o professor de bioquímica David Baker, acredita sinceramente que em algum lugar do mundo existem talentos que têm a capacidade inata de calcular modelos 3D de proteínas em suas cabeças. Um menino de 12 anos da Indonésia verá o jogo e será capaz de resolver problemas que nem mesmo um supercomputador consegue resolver. Quem sabe, talvez essas pessoas realmente existam?
Cada proteína (existem mais de 100.000 tipos no corpo humano) é uma molécula longa. Prever em que forma intrincada esta molécula se dobrará sob certas condições (e se será mesmo capaz de se dobrar em qualquer forma estável) é uma tarefa do mais alto grau de complexidade. A modelagem computacional é um processo que consome muitos recursos, mas ao mesmo tempo é crítico na indústria farmacêutica. Afinal, sem conhecer o formato de uma proteína é impossível modelar suas propriedades. Se estas propriedades forem úteis, então as proteínas podem ser sintetizadas e, a partir delas, podem ser feitos novos medicamentos eficazes, por exemplo, para tratar o cancro ou a SIDA (o Prémio Nobel é garantido em ambos os casos).
Atualmente, centenas de milhares de computadores estão trabalhando em uma rede distribuída de computadores para calcular o modelo de cada nova molécula de proteína, mas cientistas da Universidade de Washington propõem outro método: não uma busca estúpida de todas as opções, mas um brainstorming intelectual por meio de um jogo de computador . O número de opções é reduzido em uma ordem de grandeza e o supercomputador encontrará os parâmetros de dobramento corretos com muito mais rapidez.
O “entretenimento” 3D Fold.it pode ser jogado por qualquer pessoa: até crianças e secretárias que não têm ideia de biologia molecular. Os desenvolvedores tentaram fazer este jogo para que fosse interessante para todos. E o resultado do jogo pode muito bem se tornar a base para um Prêmio Nobel e salvar a vida de milhares de pessoas.
O programa é lançado em versões para Win e Mac. Uma distribuição de 53 MB pode ser
Depois que a cadeia peptídica deixa o ribossomo, ela deve assumir sua forma biologicamente ativa, ou seja, enrole-se de uma certa maneira, conecte quaisquer grupos, etc. As reações que convertem um polipeptídeo em uma proteína ativa são chamadas em processamento ou modificação pós-tradução de proteínas.
As principais reações de processamento incluem:
1. Remoção do terminal N da metionina ou mesmo de vários aminoácidos por aminopeptidases específicas.
2. Educação pontes dissulfeto entre resíduos de cisteína.
3. Proteólise parcial– remoção de parte da cadeia peptídica, como é o caso da insulina ou de enzimas proteolíticas do trato gastrointestinal.
4. Aderir grupo químico aos resíduos de aminoácidos da cadeia proteica:
5. Ligue prótese grupos:
6. Associação de protômeros em uma única proteína oligomérica, por exemplo, hemoglobina, colágeno, lactato desidrogenase, creatina quinase.
Dobrar é o processo de organizar uma cadeia polipeptídica alongada em uma estrutura espacial tridimensional regular. Para garantir o dobramento, um grupo de proteínas auxiliares chamadas acompanhantes ( acompanhante, Francês - acompanhante, babá). Eles evitam a interação de proteínas recém-sintetizadas entre si, isolam as regiões hidrofóbicas das proteínas do citoplasma e as “removem” de dentro da molécula e posicionam corretamente os domínios proteicos.
Química Biológica Lelevich Vladimir Valeryanovich
O dobramento de proteínas é o processo de dobramento de uma cadeia polipeptídica na estrutura espacial correta. Nesse caso, resíduos de aminoácidos distantes da cadeia polipeptídica são aproximados, levando à formação de uma estrutura nativa. Esta estrutura possui atividade biológica única. Portanto, o dobramento é uma etapa importante na transformação da informação genética nos mecanismos de funcionamento celular.
Estrutura e papel funcional das acompanhantes no enovelamento de proteínas
Durante a síntese das cadeias polipeptídicas, seu transporte através das membranas e durante a montagem das proteínas oligoméricas, surgem conformações intermediárias instáveis que são propensas à agregação. O polipeptídeo recém-sintetizado possui muitos radicais hidrofóbicos, que estão escondidos dentro da molécula em uma estrutura tridimensional. Portanto, durante a formação da conformação nativa, os resíduos de aminoácidos reativos de algumas proteínas devem ser separados dos mesmos grupos de outras proteínas.
Em todos os organismos conhecidos, desde procariontes até eucariontes superiores, foram encontradas proteínas que podem se ligar a proteínas que estão em um estado instável e propenso à agregação. Eles são capazes de estabilizar sua conformação, garantindo o enovelamento das proteínas. Essas proteínas são chamadas de acompanhantes.
Classificação dos acompanhantes (III)
De acordo com o peso molecular, todas as chaperonas podem ser divididas em 6 grupos principais:
1. alto peso molecular, com peso molecular de 100 a 110 kDa;
2. Sh-90 – com peso molecular de 83 a 90 kDa;
3. Sh-70 – com peso molecular de 66 a 78 kDa;
6. Acompanhantes de baixo peso molecular com peso molecular de 15 a 30 kDa.
Entre os acompanhantes distinguem-se: proteínas constitutivas (cuja síntese basal elevada não depende dos efeitos do estresse nas células do corpo) e proteínas indutíveis, cuja síntese é fraca em condições normais, mas aumenta acentuadamente sob os efeitos do estresse. na célula. Os acompanhantes indutíveis pertencem às “proteínas de choque térmico”, cuja rápida síntese é observada em quase todas as células expostas a qualquer estresse. O nome “proteínas de choque térmico” surgiu do fato de que essas proteínas foram descobertas pela primeira vez em células expostas a altas temperaturas.
O papel dos acompanhantes no enovelamento de proteínas
Durante a síntese proteica, a região N-terminal do polipeptídeo é sintetizada mais cedo do que a região C-terminal. Para formar a conformação de uma proteína, é necessária sua sequência completa de aminoácidos. Portanto, durante a síntese protéica no ribossomo, a proteção dos radicais reativos (principalmente os hidrofóbicos) é realizada pelo Sh-70.
Sh-70 é uma classe altamente conservada de proteínas que está presente em todas as partes da célula: citoplasma, núcleo, mitocôndrias.
O dobramento de muitas proteínas de alto peso molecular com conformação complexa (por exemplo, estrutura de domínio) ocorre em um espaço especial formado por Sh-60. Sh-60 funciona como um complexo oligomérico composto por 14 subunidades.
O complexo acompanhante tem alta afinidade por proteínas, em cuja superfície existem elementos característicos de moléculas desdobradas (principalmente áreas enriquecidas em radicais hidrofóbicos). Uma vez na cavidade do complexo chaperona, a proteína se liga aos radicais hidrofóbicos das seções apicais do Sh-60. No ambiente específico desta cavidade, isoladamente de outras moléculas da célula, ocorre uma seleção de possíveis conformações proteicas até que seja encontrada uma única conformação energeticamente mais favorável.
A liberação da proteína com a conformação nativa formada é acompanhada pela hidrólise do ATP no domínio equatorial. Se a proteína não adquiriu sua conformação nativa, ela entra em contato repetido com o complexo acompanhante. Este dobramento de proteínas dependente de acompanhantes requer mais energia.
Assim, a síntese e o enovelamento de proteínas ocorrem com a participação de diferentes grupos de acompanhantes, que evitam interações indesejadas de proteínas com outras moléculas celulares e as acompanham até a formação final da estrutura nativa.
O papel dos acompanhantes na proteção das proteínas celulares das influências desnaturantes do estresse
As chaperonas envolvidas na proteção das proteínas celulares contra influências desnaturantes, como mencionado acima, são classificadas como proteínas de choque térmico (HSPs) e são frequentemente referidas na literatura como HSPs (proteínas de choque térmico).
Sob a influência de vários fatores de estresse (alta temperatura, hipóxia, infecção, radiação ultravioleta, alterações no pH do ambiente, alterações na molaridade do ambiente, efeito de produtos químicos tóxicos, metais pesados, etc.), a síntese de HSPs nas células aumenta. Tendo alta afinidade pelas regiões hidrofóbicas de proteínas parcialmente desnaturadas, podem prevenir sua desnaturação completa e restaurar a conformação nativa das proteínas.
Foi estabelecido que o estresse de curto prazo aumenta a produção de HSP e aumenta a resistência do corpo ao estresse de longo prazo. Assim, a isquemia de curto prazo do músculo cardíaco durante a corrida com treinamento moderado aumenta significativamente a resistência do miocárdio à isquemia de longo prazo. Atualmente, pesquisas promissoras na medicina são a busca por métodos farmacológicos e de biologia molecular para ativar a síntese de HSP nas células.
Doenças associadas ao enrolamento incorreto de proteínas
Os cálculos mostraram que apenas uma pequena parte das variantes teoricamente possíveis de cadeias polipeptídicas pode assumir uma estrutura espacial estável. A maioria dessas proteínas pode assumir muitas conformações com aproximadamente a mesma energia de Gibbs, mas com propriedades diferentes. A estrutura primária da maioria das proteínas conhecidas selecionadas pela evolução proporciona estabilidade excepcional a uma única conformação.
Porém, algumas proteínas solúveis em água, quando as condições mudam, podem adquirir a conformação de moléculas pouco solúveis e capazes de agregação, formando depósitos fibrilares nas células chamados amilóides (do latim amylum - amido). Assim como o amido, os depósitos amilóides são detectados pela coloração do tecido com iodo.
Isso pode acontecer:
1. com superprodução de certas proteínas, com o que sua concentração na célula aumenta;
2. quando proteínas entram nas células ou se formam nelas, o que pode afetar a conformação de outras moléculas de proteínas;
3. após ativação da proteólise de proteínas normais do corpo, com formação de fragmentos insolúveis e propensos à agregação;
4. como resultado de mutações pontuais na estrutura da proteína.
Como resultado da deposição de amiloide em órgãos e tecidos, a estrutura e a função das células são perturbadas, são observadas suas alterações degenerativas e a proliferação de células do tecido conjuntivo. Desenvolvem-se doenças chamadas amiloidoses. Cada tipo de amiloidose é caracterizada por um tipo específico de amiloide. Atualmente, mais de 15 dessas doenças foram descritas.
