Модели сворачивания белков.

Затем формируется вторичная структура и на следующем этапе - коллапсирование (сжимание) белка в т.н. расплавленную глобулу. Движущей силой сжатия является взаимодействия между радикалами аминокислот. Принципиальное отличие расплавленной глобулы от нативной структуры в том, что в этой глобуле аминокислотные радикалы еще не нашли своих окончательных партнеров не заняли «правильного» положения, а взаимодействуют «с кем придется». Поэтому общее количество одновременно существующих связей относительно невелико и связи, а с ними и конфигурация молекулы, неустойчивы. В конце концов, белок находит термодинамически наиболее оптимальную структуру, при которой между радикалами образуется максимально возможное количество связей. В случае достаточно большого белка вначале формируется структура доменов, и потом они занимают правильное положение друг относительно друга. Позже всего происходит связывание мономеров в олигомеры (если нативный белок состоит из нескольких субъединиц).

1.2.2. Сворачивание по принципу «все или ничего».

В отличие от вышеизложенного, у очень маленьких белков (до 100 аминокислотных остатков) промежуточные стадии (рас­плавленная глобула и состояние-предшественник) отсутствуют и фолдинг фактически проходит по принципу «все или ничего».

Действительно, из-за малого числа аминокислотных остат­ков «неправильные» взаимодействия, лежащие в основе рас­плавленной глобулы, практически не случаются. Поэтому нет феномена коллапсирования (сжатия) клубка до образования нативной третичной структуры.

В этих случаях фолдинг происходит следующим образом. Развернутая пептидная цепь в течение достаточно длительного времени флуктуирует без образования контактов между амино­кислотными остатками — просто потому, что способные к взаи­модействию остатки не сближаются друг с другом.

Затем случайно цепь достигает состояния, в котором может образоваться несколько «правильных», или нативных, контак­тов. Тем самым как бы появляется ядро сворачивания (ядро нуклеации).

После этого фолдинг завершается очень быстро. Наличие нескольких «правильных» связей удерживает цепь в такой кон­фигурации, в которой легко находят друг друга остальные «пра­вильные» пары.

Хорошо изученным белком с подобным механизмом фолдинга является химотрипсиновый ингибитор 2 (белок СI2), включающий 65 аминокислотных остатков. Во вторичной структуре он имеет одну a-спираль и пять тяжей b -структуры (b₁,... b₅). Критическим моментом фолдинга этого белка служит образование a-спирали и тяжей b₄, b₅, а также гидрофобное взаимодействие трех аминокислотных остатков в составе этих элементов — Ала₁₆ (a-спираль), Лей₄₉ (b₄) и Иле₅₉ (b₅). Это и оз­начает формирование ядра нуклеации.

1.2.3. Феномен кооперативности

В обеих изложенных моделях фолдинга очень важную роль играет феномен кооперативности. Суть его в том, что образова­ние одной или нескольких «правильных» связей резко ускоряет замыкание других нативных связей.

На этом, по существу, построено представление о ядре ну­клеации. И таков же, очевидно, механизм каждой стадии фол­динга более крупных белков - например, превращения рас­плавленной глобулы в нативную структуру.

Продемонстрируем значение данного феномена на следую­щем примере.

Пусть белок включает п = 100 аминокислотных остатков и нативная конформация включает 50 пар строго определенных взаимодействий остатков.

При этих условиях общее число всевозможных комбинаций попарных взаимодействий равно произведению не­четных чисел до n: в данном случае - 3х5х... х97х99 = 3·10⁷⁸.

Если представить, что в секунду перебирается 10¹³ различ­ных комбинаций, то в отсутствие эффек­та кооперативности среднее время поиска нативной конформации составляло бы 4,5·10⁵⁷ лет! Что исключает саму возможность не только фолдинга хотя бы одной молекулы белка, но и образо­вания жизни на Земле.

Теперь фолдинг того же белка рассмотрим с учетом феноме­на кооперативности.

Пусть его вторичная структура включает 5 a-спиральных участков примерно по 20 аминокислотных остатков. Спирализация каждого такого участка поначалу представляет собой сво­бодный перебор всех возможных 190 пар взаимодействия групп —NН₂— и —СО—. Из них «правильных» пар -16.

Даже при относительно небольшой скорости перебора в 10⁶ пар в секунду требуются ничтожные доли секунды (порядка 10^-5с), что­бы образовалась хотя бы одна «правильная» связь.

Дальше действует эффект кооперативности: от этой свя­зи в обе стороны рассматриваемого участка пептидной цепи с большой скоростью (10⁹ пар/с) начинают замыкаться остальные «правильные» связи a-спирали. Продолжительность этой ста­дии еще на несколько порядков меньше (около 10^-8 с.) чем пер­вой — лимитирующей — стадии.

В итоге спирализация всего участка укладывается практи­чески в те же доли секунды (порядка 10 ^-5 с), что занимал поиск одной «правильной» связи.

Причем, поскольку все 5 участков спирализуются незави­симо друг от друга, то за то же время происходит формирование всей вторичной структуры белка.

На этапе образования третичной структуры взаимодействуют радикалы аминокислот, на­ходящихся в разных элементах вторичной структуры (в нашем случае — в разных a-спиралях); взаимодействия же в пределах одного элемента невозможны. Данное обстоятельство само по се­бе уменьшает количество взаимодействий. Но еще выше роль эффекта кооперативности.

Можно найти, что общее число межрадикальных пар (ис­ключая пары в пределах одной a-спирали) равно 4000. Пусть за­мыкание из них двух определенных связей имеет критическое значение (подобно образованию ядра нуклеации в случае ма­леньких белков). При той же скорости перебора, что при образо­вании вторичной структуры (10⁶ пар/с), на поиск этих связей уходит порядка 10 ^-3 с.

Остальные связи, благодаря кооперативности, замыкаются гораздо быстрее.

В итоге весь фолдинг белка вместо бесконечного количества лет занимает время меньше секунды. В крайнем случае, для крупных белков со сложной структурой, он укладывается в несколько минут.

1.2.4. Отношение фолдинга к трансляции

Когда происходит фолдинг новых бел­ков — еще в ходе трансляции, лишь по ее окончании, или он столь протяженен, что охватывает и трансляцию, и последую­щее время?

Известный биохимик А. С. Спирин отстаивает представле­ние о ко-трансляционном сворачивании белков. Согласно ему, фолдинг полипептидной цепи происходит по мере ее роста на рибосоме в направлении от N- к С-концу.

В качестве доказательства приводятся три эксперименталь­ных факта.

а) Фермент ПДИ катализирующий перемещение в новосинтезируе­мых белках дисульфидных связей, для правильного замыкания этих связей должен присутствовать во время трансляции.

Если его добавить в белоксинтезирующую смесь, составлен­ную in vitro, позже, у белка оказывается неправильная структу­ра и он лишен активности. Это продемонстрировано на примере одной из цепей иммуноглобулина.

б) При синтезе белковых субъединиц гемоглобина они приобретают способность связывать гем еще до окончания тран­сляции — по достижении примерно двух третей своей полной длины.

Следовательно, гем-связывающий центр формируется во время трансляции.

в) Фермент светлячков люцифераза после денатурации вос­станавливает свою активность весьма долго. В то же время он ока­зывается активным сразу после образования на рибосоме. Зна­чит, и в этом случае фолдинг произошел во время трансляции.

Пока трудно сказать, не допускают ли эти результаты ка­кой-либо другой интерпретации, а если нет, то насколько они являются общими.

Более вероятно, что для одних белков фолдинг, действи­тельно, является только ко-трансляционным, а для других — и ко-, и пост-трансляционным процессом.