Факторы фолдинга. Открытие факторов фолдинга

В большинстве случаев фолдинг белков изучают in vitro. С помощью спе­циальных агентов вначале разрушают нативную структуру белка, а затем наблюдают за восстановлением исходной структуры (за ренатурацией или рефолдингом).

Отсюда и возникло представление о вспомогательных белках (или факторах) фолдинга.

Затем было обнаружено, что данные факторы можно разле­пить на две группы.

а) Первая группа– это белки с каталитической активно­стью, т. е. ферменты фолдинга, или фолдазы. Пока обнаружено только два таких белка.

б) Вторая группа - т. н. молекулярные шапероны. Пола­гают, что сюда входят белки с самыми разными механизмами действия. Объединяют же их следующие два обстоятельства:

они требуются в количествах, сравнимых по величине с концентрацией сворачиваемых белков;

несмотря на это, они, как и фолдазы, не входят в состав конечных продуктов фолдинга.

[Показательно в связи с этим исходное значение слова «шаперон в английском языке: это пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балах.

Аналогично и молекулярные шапероны: способствуя правильному фолдингу, они как бы впервые выводят «в свет» вновь синтезированные белки, но сами потом самостоятельной роли, как правило, не играют].

Теперь рассмотрим фолдазы и шапероны более подробно.

3.5.2. Ферменты фолдинга (Мушкамбаров)

Протеиндисулъфидизомераза (ПДИ)

Данный фермент катализирует перемещение в белках дисульфидных связей. Это означает, что под его влиянием в сворачивающемся белке разрываются одни и вместо них замыкаются другие дисульфидные связи.

Что было бы в отсутствие ПДИ? Допустим, в белке, 8 остатков цистеина, что допускает 105 разных комбинаций замыкания между ними 4-х дисульфидных связей. Из этих комбинаций только одна является «правильной». Лабилизация дисульфидных связей в формирующемся белке дает возможность найти (путем случайного перебора) такую комбинацию этих связей, которой соответствует энергетически наиболее оптимальная пространственная структура.

Пептидилпролилизомераза

Среди 20 обычно встречающихся в белках аминокислот есть одна, которая аминокислотой, по существу, не является. Это пролин (а также продукт его гидроксилирования — гидроксипролин). Его радикал связан не только с С_а-углеродным ато­мом, но и с азотом (сл.28); поэтому получается не амино-, а иминокислота.

Данное обстоятельство сказывается на пространственной конфигурации пептидной цепи в месте содержания Про. Здесь не образуется ни α-спирали, ни β-структуры, и пептидная цепь часто делает изгиб в ту или иную сторону.

Причем возможность изгиба опре­деляется тем, как расположены ради­кал соседней аминокислоты и радикал пролина относительно плоскости соот­ветствующей пептидной связи. Говорят, что эти радикалы нахо­дятся в транс-конфигурации, если рас­положены по разные стороны указан­ной плоскости, и в цис-конфигурации, если находятся с одной стороны.

В отсутствие резкого изгиба пепти­дной цепи транс-конфигурация является предпочтительней, так как при ней сосед­ние радикалы не «мешают» друг другу.

В случае же изгиба по принципу «поворот на себя» (т. е. почти на 180^о) часто более оптимальной становится цис-конфигурация, когда оба соседних радикала оказываются с наружной сто­роны изгиба.

Отсюда ясен смысл существования второго фермента фолдинга — пептидилпролил-цис-трансизомеразы (ПНИ) Этот фермент катализирует переход радикалов в области пептидной связи пролина из транс-конфигурации в цис-конфигурацию и обратно.

Очевидно, при этом происходит временный разрыв данной пептидной связи, отчего становится возможным поворот вокруг ее плоскости; после же поворота связь снова замыкается.

Таким образом, благодаря ППИ пептидная связь получает возможность делать в области нахождении остатка пролина та­кие изгибы, которые приводят к наиболее оптимальной про­странственной структуре.

3 .4. 3. Модели сворачивания белков

3.4.3-1. Модель промежуточных состояний

Фолдинг (укладка пептидных цепей) совершается не одномоментно, а в несколько стадий. (сл29).

а) Исходная форма глобулярного белка (непосредственный продукт трансляции) — случайный клубок, или развернутая пептидная цепь.

Термодинамически наиболее выгодное со­стояние цепи – рыхлый клубок.

Вначале формируется вторичная структура: различные участки пептидной цепи образуют α-спираль, β-структуры или остаются бесструктурными.

По завершении этого процесса происходит коллапсирование |(сжимание) клубка в т. н. расплавленную глобулу. Движущей силой сжатия является взаимодействие между радикалами аминокислот.

Отличие расплавленной глобулы от нативной структуры состоит в том, что в этой глобуле аминокислотные радикалы еще не нашли своих окончательных пapтнеров, 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» являются весьма неустойчивыми.

Позже белок находит термодинамически наиболее оптимальную структуру, при которой между радикалами образуется максимально возможное количество связей.

В случае достаточно большого белка вначале формируется третичная структура доменов, а уж потом последние занимают правильное положение друг относительно друга.

Позже всего происходит связывание мономеров в олигомеры (если нативный белок состоит из нескольких субъединиц).