ФОЛДИНГ посттрансляционная модификация белков

Кристиан Анфинсен Кристиан Анфинсен провел прекрасный, прямой, простой, однозначный эксперимент, который показал, что если белок денатурировать, то есть разрушить высшие уровни его структурной организации, а затем поместить в простой солевой раствор, то можно смотреть представление как в театре: белок самоорганизуется, и образует ту же структуру трехмерные работающие биологические микромашины. Этот эксперимент вошел во все учебники, а его автор был удостоен Нобелевской премии.

Эксперимент Анфинсена

Что такое фолдинг? В клетках за производство белков отвечают рибосомы, где белки собираются из отдельных аминокислот в соответствии с последовательностью, считываемой из ДНК. Результатом работы такого биологического конвейера являются длинные молекулы «заготовки» для белков. И хотя геном сегодня расшифрован, то есть, известна первичная структура некоторого количества белков, в том числе человека, даже в этом случае невозможно судить о его функциях. Последние проявляются только после того, как длинная цепочка аминокислот свернется и примет необходимую форму.

Что такое фолдинг? Примечательно, что из миллионов потенциально возможных пространственных комбинаций белок принимает одну-единственную заранее известную форму. Этот процесс и называется фолдингом. Таким образом, в организме образуются готовые к работе гемоглобин, инсулин и другие необходимые для жизнедеятельности белки. Процесс сворачивания может проходить в несколько стадий длительностью от нескольких секунд до нескольких минут. В последней решающей фазе протеин из «предварительного состояния» мгновенно принимает окончательную форму. Именно эта фаза продолжительностью несколько десятков микросекунд представляет собой сложнейшую проблему для моделирования. Ситуация с принятием окончательной формы усугубляется тем, что процесс в значительной степени зависит от условий внешней среды, в том числе температуры. Одна молекула мгновенно, «естественным образом», сворачивается в природных условиях. Но моделирование этого, казалось бы, простого процесса может занимать годы непрерывной работы многих компьютеров.

Что такое фолдинг? В наше время ученые развернули активную деятельность в попытках понять, каким образом белки выполняют фолдинг так быстро и так надежно. Понимание этого процесса позволит не только с легкостью создавать усовершенствованные версии белков, существующих в природе, но и моделировать абсолютно новые структуры с новыми свойствами синтетические «самосборные» протеины с запрограммированной функциональностью. Некоторые даже говорят о будущих «нанороботах», появление которых приведет к настоящей технологической революции, в том числе в медицине.

Факторы фолдинга Ферменты фолдинга, или фолдазы. На сегодня открыты два таких белка. Молекулярные шапероны*. Необходимы в стехиометрических количествах, однако в состав конечных продуктов фолдинга не входят. *шапероны дамы пожилого возраста, сопровождающие девушку на балах

Ферменты фолдинга 1. Протеиндисульфидизомераза катализирует перемещение в белках дисульфидных связей 2. Пептидилпролилизомераза катализирует переход радикалов в области пептидной связи пролина из транс-конфигурации в цис-конфигурацию и обратно

Функции шаперонов Обеспечение правильного фолдинга вновь синтезированных белков Предотвращение агрегации новых белков Лабилизация неправильных слабых связей Контроль за рефолдингом Внутриклеточный транспорт белков Поддержка определенной конформации белков

Работа шаперонов

Модели работы шаперонов

Белки теплового шока Hsp70 шаперон DnaK Hsp60 шаперон DnaJ Осуществляют котрансляцион- ный фолдинг

Бактериальный фолдинг Ко-трансляционный фолдинг осуществляется системой DnaK/DnaJ Посттрансляционный фолдинг системой GroEL/ES, а также фолдазами, но уже за пределами клетки

Система DnaK/DnaJ у бактерий

Система GroEL/GroES у бактерий (І) GroEL относится к Hsp60 белкам (шаперонин) Содержатся в бактериальных клетках, митохондриях и пластидах

Система GroEL/GroES у бактерий (ІІ)

Система GroEL/GroES у бактерий (ІІІ)

Патологии фолдинга Многие болезни связаны с неправильным фолдингом. Первой из таких болезней была описана куру в начале 1950-х годов D. Carleton Gadjusek. Это неврологическое расстройство, встречающееся у аборигенов Новой Гвинеи. Симптомы куру, что буквально означает "trembling with fear", подобны таковым для скрепи (болезнь овец) и болезни Крейцфельда-Якоба у людей.

Фолдинг белков и прионы Причина куру, скрепи, болезни Крейцфельда-Якоба заключается в присутствии ненормальной формы нормального белка, называемой прионом. Таким образом мы можем рассматривать прионы как антишапероны. Идея рассмотрения белков в качестве инфекционных агентов принадлежит Stan Prusiner.

Прионы антишапероны

"Ничего не сделано. Всё в мире ещё предстоит свершить или переделать. Лучшая картина ещё не написана, величайшая пьеса ещё не сотворена (даже Шекспиром), сильнейшая поэма ещё не создана. Во всём мире еще нет ни совершенной железной дороги, ни хорошего правительства, ни справедливого закона. Физика, математика и в особенности наиболее передовые и точные науки сейчас пересматриваются в основе своей. Химия только-только становится наукой; психология, экономика и социология ждут своего Дарвина, работа которого в свою очередь ждёт своего Эйнштейна". "Мальчик на коне" Линкольн Стеффенс