Механизм формирования третичной структуры ферментов
Содержание
Введение. 2
1 Парадокс Левенталя 3
2 Стадии сворачивания белка.. 5
2.1 Иерархический принцип сворачивания. 6
2.2 Свойства нативной конформации 8
3 Ферменты, ускоряющие процесс сворачивания. 10
3.1 Шапероны и шаперонины 11
Заключение. 15
Список используемой литературы 16
Введение
Синтезируемые в клетке полипептидные цепи, образованные в результате последовательного соединения аминокислотных остатков, представляют собой как бы полностью развернутые белковые молекулы. Для того, чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную ("нативную") структуру. Несмотря на громадное число теоретически возможных для отдельной аминокислотной последовательности пространственных структур, сворачивание каждого белка приводит к образованию единственной нативной конформации. Таким образом, должен существовать код, определяющий взаимосвязь между аминокислотной последовательностью полипептидной цепи и типом пространственной структуры, которую она образует.
1 Парадокс Левенталя
Несмотря на громадное число теоретически возможных для отдельной аминокислотной последовательности пространственных структур, сворачивание каждого белка приводит к образованию единственной нативной конформации. Таким образом, должен существовать код, определяющий взаимосвязь между аминокислотной последовательностью полипептидной цепи и типом пространственной структуры, которую она образует.
Загадочность самоорганизации белков (и РНК) суммируется «парадоксом Левинталя». Загадка состоит вот в чем. У белковой цепи есть бездна возможных конформаций (каждый аминокислотный остаток имеет около 10 возможных конформаций, то есть цепь из 100 остатков - порядка 10100 возможных конформаций). Так что белок должен искать «свою» пространственную структуру среди порядка 10100 И так как переход из одной конформации в другую занимает ∼10-13 секунды как минимум, «тупой» перебор всех 10100 структур должен был бы занять порядка 1080 лет, на фоне которых время жизни нашей Вселенной - - 1010 лет - величина бесконечно малая... Вопрос: как белок может «найти» свою структуру за минуты? Парадокс же заключается в следующем. С одной стороны, нативная пространственная структура по всем тестам ведет себя как самая стабильная из всех существующих структур цепи: белковая цепь попадает в нее при разных кинетических процессах [и при сворачивании на рибосоме в процессе биосинтеза, и после секреции сквозь мембрану, и при сворачивании в пробирке (ренатурации), - чем бы и как бы она ни была в этой пробирке развернута]. С другой стороны, нет никаких гарантий, что эта структура - самая стабильная из всех возможных: у белковой цепи просто нет времени на то, чтобы убедиться в этом! Как же белок выбирает свою нативную структуру среди бесчисленного множества возможных? - спросил Сайрус Левинталь, и ответил: - По-видимому, самоорганизующийся белок следует по какому-то специальному «пути сворачивания», и та структура, где этот путь заканчивается, и является его нативной структурой.
Иными словами, Левинталь предположил, что нативная структура белка определяется не стабильностью, не термодинамикой, а кинетикой, т.е. она соответствует не глобальному, а просто быстро достижимому минимуму свободной энергии цепи. Вопрос о том, что именно - кинетика или термодинамика - определяет укладку белковой цепи - отнюдь не чисто умозрительный. Он постоянно возникает на пути решения конкретных задач физики белка, - идет ли речь о предсказании структуры белка по его аминокислотной последовательности (надо знать, что предсказывать: самую стабильную или самую быстро сворачивающуюся его структуру), или о дизайне новых, не встречающихся в природе белков (надо знать, что делать: максимально усиливать стабильность желаемой структуры или пролагать максимально быстрый путь к ней). Решение «парадокса Левинталя» состоит в том, что к стабильной структуре цепи автоматически ведет сеть быстрых путей сворачивания. Для этого необходимо только, чтобы между нативной укладкой цепи и прочими ее глобулярными укладками существовала бы заметная энергетическая щель.
И так, образование пространственной структуры - процесс спонтанный, не требующий ни дополнительной информации, ни источника энергии. Структуру белка определяет его аминокислотная последовательность (а значит генетический код), а не работа сложных синтезирующих машин в клетке. Основная задача всех внутриклеточных приспособлений и помощников - оберегать сворачивающийся белок от нежелательных контактов, которых было бы не избежать без строгого ока «воспитателей». Строго говоря, белок способен к спонтанной самоорганизации и ренатурации, только если он не подвергся сильной пост-трансляционной модификации - т.е. если его химическая структура не была сильно нарушена после биосинтеза. Например, инсулин (где половина цепи вырезается уже после того, как он свернулся) не способен к ренатурации. Пост-трансляционные модификации бывают самые разные. Как правило, химические модификации контролируются специальными ферментами, а не «самоорганизуются» в самом белке. Кроме расщепления белковой цепи, наблюдается модификация концов цепи, ацетилирование, гликозилирование, пришивание липидов в определенные точки цепи, фосфорилирование определенных боковых групп, и т.д., и т.п. Недавно был обнаружен даже «сплайсинг» белковых цепей (спонтанное вырезание куска цепи и склейка образовавшихся при этом концов). Изредка наблюдается и спонтанная циклизация кусочков белковой цепи.
2 Стадии сворачивания белка
Рассмотрим как происходит процесс сворачивания белка в клетке. Полипептидная цепь строится путем последовательного роста на рибосоме от N-конца к С-концу. Факторы, определяющие сворачивание N-концевой части растущего пептида будут различны в зависимости от того насколько удален рассматриваемый участок от фиксированного С-конца. Можно рассмотреть 3 различные ситуации, в которых оказываются аминокислотные остатки растущего пептида:
- В пептидилтрансферазном центре рибосомы 2 аминокислотных остатка всегда находятся в однотипной ориентации по отношению друг к другу, соответствующей альфа-спиральной конформации;
- Участок растущего пептида длиной 30 - 40 остатков все еще оказывается закрытым рибосомой. Наиболее вероятной его конформацией при этом является α-спираль;
- Пептидная цепь, удаленная от пептидилтрансферазного центра далее 30 - 40 аминокислотных остатков погружается в цитоплазму или мембрану эндоплазматического ретикулума. Однако и здесь ситуация отлична от спонтанной ренатурации in vitro.
Во-первых, сворачивание начинается со стартовой конформации, поддерживаемой рибосомой. Во-вторых, поиск путей сворачивания идет последовательно с растущего N-концевого участка. В-третьих, в процессе сворачивания С-конец фиксирован. То, что сворачивание пептида происходит ко-трансляционно, подтверждает например синтез бета-галактозидазы. Ферментативная активность этого белка требует формирования четвертичной структуры. Оказалось, что растущая цепь, еще до своего завершения, будучи присоединенной к рибосоме, уже способна ассоциировать со свободными субъединицами белка, и комплекс на рибосоме проявляет ферментативную активность. Кроме того, рибосомы, несущие растущие цепи β-галактозидазы, реагируют с антителами против готового фермента еще задолго до завершения трансляции мРНК. Другими словами, рибосома может способствовать определенному пути сворачивания. Благодаря существующей внутри клетки высоко координированной системе регуляции, полипептидная цепочка с самого момента своего «рождения», сходя с рибосомы, попадает под контроль факторов, которые, не изменяя специфического пути сворачивания (определяемого генетическим кодом), обеспечивают оптимальные условия для реализации быстрого и эффективного образования нативной пространственной структуры. Не смотря на «избранный» путь, определенный рибосомой, те же пространственные структуры белков получаются и после транслокации более или менее развернутой цепи через мембрану, и in vitro, при сворачивании (ренатурации) целой белковой цепи из развернутого состояния. Это значит, что детальная последовательность действий не играет решающей роли при сворачивании белка.
Образование пространственной структуры белка - процесс многостадийный. Способность того или иного участка полипептидной цепи образовывать элемент вторичной структуры (например, свернуться в α-спираль) зависит от характера аминокислотной последовательности данного отрезка цепи. Таким образом, число и расположение α -спиралей, β-тяжей и петель по ходу полипептидной цепи различно у разных белков и определяется генетическим кодом. Этим объясняется потенциальная способность любой полипептидной цепи к спонтанному сворачиванию в уникальную третичную структуру.
2.1 Иерархический принцип сворачивания
Согласно современным представлениям, процесс сворачивания имеет иерархическую природу:
- Очень быстрое формирование элементов вторичной структуры, служащих как бы «затравками» для образования более сложных архитектурных мотивов (за десятую долю микросекунды альфа-спираль охватывает пептид из 20-30 остатков);
Рисунок 1 – Формирование элементов вторичной структуры
- Специфическая ассоциация некоторых элементов вторичной структуры с образованием супервторичной структуры: сочетания нескольких α-спиралей, нескольких β-цепей либо смешанные ассоциаты данных элементов (тоже очень быстрая стадия);
Рисунок 2 - Специфическая ассоциация некоторых элементов вторичной структуры с образованием супервторичной структуры.
- Формирование «расплавленной глобулы» (создание основных элементов третичной структуры - сочетание α-спиралей, β-тяжей, соединяющих петель и образование гидрофобного ядра молекулы);
- Формирование нативной структуры белка .
Рисунок 3 – Формирование нативной конформации белка.
Таким образом, α-спираль можно рассматривать как стартовую структуру при сворачивании полипептидной цепи в нативную конформацию. В развернутой цепи белка α-спираль термодинамически является наиболее вероятной структурой. Полипептидная цепь с любой аминокислотной последовательностью может быть свернута в α-спираль без нескомпенсированной потери водородных связей. Даже остатки пролина могут быть введены во внутренние витки спирали с незначительными искажениями структурных параметров классической α-спирали. Дальнейшее формирование элементов третичной структуры осуществляется плавлением концов α-спиралей и контролируется первичной структурой как расплавленного участка, так и, по крайней мере, концевого витка спирали. Другими словами, пространственная структура белка закодирована распределением аминокислотных боковых цепей на поверхности α-спирали. В отличие от α-спирали, β-структура в развернутой цепи формируется крайне медленно. Время ее формирования составляет секунды и более. Однако, описанный здесь иерархический принцип сворачивания нельзя считать догмой. Например, Финкельштейн говорит: «Все спекуляции о специфических (например, иерархический) принципах сворачивания белка (которые выглядели так привлекательно и сулили существенно упростить поиск нативной структуры) оказались неверными». Так что если вы найдете какую-то другую теорию, мы с удовольствием обсудим ее на семинаре. А сейчас поговорим о том, почему белок сворачивается?
Любой процесс может протекать самопроизвольно, только если ΔG < 0. Движущей силой процесса может быть либо уменьшение энтальпии, которое происходит при образовании связей, либо увеличение энтропии. На первом этапе движущей силой процесса является возрастание энтропии воды за счет высвобождения молекул, участвовавших ранее в образовании водородных связей с белковой молекулой, т. к. при формировании спирали образуются новые водородные связи внутри молекулы белка. Основной движущей силой второй и третьей стадий является возрастание энтропии воды за счет высвобождения молекул, которые ранее были структурированы гидрофобными участками на поверхности белковой молекулы. При формировании гидрофобного ядра, эти участки экстрагируются из водного окружения. Гидрофобный эффект берет на себя, грубо говоря, три четверти работы по созданию белковой глобулы. Но он сам по себе не может создать нативный твердый белок. Он создает лишь расплавленную белковую глобулу, о которой речь впереди. Отвердевает белок, как и все органические жидкости, под действием Ван-дер-Ваальсовых сил, а также водородных и ионных связей - взаимодействий более специфичных и более чувствительных к деталям атомной структуры, чем простая водобоязнь. Но это - окончательная огранка, а большая часть работы, вся черновая работа падает на гидрофобный эффект.
Более подробно рассмотрим третью стадию формирования пространственной структуры. Молекула приобретает пространственную структуру, близкую к структуре нативного белка. Вместе с тем, она еще не обладает присущей данному белку функциональной активностью. Это состояние, получившее название «расплавленная глобула», отличается от нативного меньшей степенью упорядоченности структуры.
Размер спиральных участков (цилиндры) в расплавленной глобуле несколько меньше, неполярные группы, формирующие гидрофобное ядро молекулы, «упакованы» недостаточно плотно. В глобуле возникают пoры, куда вода проникает, не разваливая расплавленную глобулу. Отсутствие ряда специфических взаимодействий приводит к изменению ориентации подвижных петель; в целом молекула более лабильна и склонна к «слипанию» с другими такими же молекулами с образованием агрегатов. Таким образом, неспецифическая агрегация может уменьшать число молекул белка, находящихся на правильном пути сворачивания, то есть снижать эффективность этого процесса. Как показали модельные эксперименты, проведенные in vitro, образование «расплавленной глобулы» происходит значительно быстрее, чем ее переход в нативную структуру. Эта реакция, связанная с перебором разных конформаций, является, таким образом, самой медленной стадией процесса сворачивания (от секунд до десятков минут).
Вероятность агрегации сильно
возрастает при повышении температуры
и концентрации белка, поэтому эффективное
спонтанное сворачивание полипептидной
цепи происходит в разбавленных растворах
и при низких температурах. Условия,
существующие в клетке, сильно отличаются
по этим параметрам. И вместе с тем,
в физиологических условиях вновь
синтезируемые полипептидные
- основан на регуляции скорости превращения «расплавленной глобулы» в нативную структуру;
- обеспечивает защиту частично свернутого белка от неспецифической агрегации.
2.2 Свойства нативной конформации
Нативная конформация белка обладает рядом свойств:
- По всем тестам она ведет себя как самая стабильная из всех кинетичски существующих процессов сворачивания белка;
- Не существует ни каких гарантий, что нативная структура является термодинамически самой стабильной;
- Процесс сворачивания идет по принципу более быстрого достижения минимума свободной энергии полипептидной цепи. Таким образом установлено, что не термодинамика, а кинетика определяет форму белка;
- Пространственная структура белка определяется его аминокислотной последовательностью в первичной структуре. Эта последовательность запрограммирована генетическим кодом.
3 Ферменты, ускоряющие процесс сворачивания
Сворачивание полипептида
в клетке сопровождается ферментативными
модификациями цепи.
Как уже отмечалось, стадия
превращения «расплавленной глобулы»
в нативный белок является самой медленной,
ограничивающей скорость всего процесса.
Это обусловлено тем, что установление
«оптимального набора» специфических
взаимодействий, стабилизирующих нативную
конформацию, связано с необходимостью
структурных перестроек, происходящих
относительно медленно. К их числу относится
цис-транс-изомеризация пептидной связи,
предшествующей остатку пролина. Поскольку
транс-конформация более стабильна, она
преобладает во вновь синтезированной
полипептидной цепи. Однако для образования
нативной структуры белка необходимо,
чтобы около 7% связей, образованных остатками
пролина, изомеризовались в цис-конформацию.
Эта реакция, приводящая к повороту цепи
на 180° вокруг C-N связи, идет чрезвычайно
медленно. In vivo она ускоряется благодаря
действию специального фермента - пептидил-пролил-цис/транс-
Рисунок 4 – Фермент пептидил-пролил-цис/
Второй фермент, ускоряющий процесс сворачивания, катализирует образование и изомеризацию дисульфидных связей. Он локализуется в просвете эндоплазматического ретикулума и способствует сворачиванию секретируемых клетками белков, содержащих дисульфидные мостики (например, инсулин, рибонуклеаза, иммуноглобулины)
Рисунок 5 – Протеин дисульфидизомераза
Характерная особенность обоих ферментов состоит в том, что они не способны связываться с нативными белками; их субстраты имеют частично развернутую структуру, близкую к состоянию «расплавленной глобулы». Ускоряя стадии, лимитирующие скорость сворачивания, ферменты способствуют удержанию белка на правильном пути приобретения нативной структуры, снижая риск протеолитической деградации и агрегации лабильных промежуточных форм.
3.1 Шапероны и шаперонины
Кроме ферментов в формировании пространственной структуры белка участвуют специальные белки, увеличивающие эффективность сворачивания полипептидной цепи в нативную конформацию. В середине 80-х годов началась новая эра в исследовании механизмов регуляции сворачивания белков in vivo. Было обнаружено, что в клетке существует особая категория белков, основной функцией которых является обеспечение правильного характера сворачивания полипептидных цепей в нативную структуру. Эти белки, связываясь с развернутой или частично развернутой конформацией полипептидной цепи, не дают ей «запутаться», образовать неправильные структуры. Они удерживают частично развернутый белок, способствуют его переносу в разные субклеточные образования, а также создают условия для его эффективного сворачивания. Эти белки получили название «молекулярные шапероны», образно отражающее их функцию (chaperon - пожилая дама, сопровождающая молодую девушку на балы и пр., наставник, сопровождающий группу молодежи). К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, различающихся по структуре и специфическим функциям. Все шапероны являются так называемыми «белками теплового шока», синтез которых резко увеличивается в стрессовых для клетки ситуациях. Поэтому сокращенное название этих белков - hsp (heat shock proteins). Однако и в нормальных условиях каждая клетка содержит определенный набор шаперонов, необходимых для ее жизнедеятельности. Классификация шаперонов основана на величине молекулярной массы составляющих их субъединиц, которая варьирует от 10 кДа (hsp10) до 90 кДа (hsp90) и выше. По характеру выполняемых этими белками функций их можно разделить на два больших семейства - шапероны, или hsp70, и шаперонины, к которым относятся hsp60 и hsp10.
Рисунок 6 – Функция шаперонов в клетке.
Шапероны удерживают белки в развернутом состоянии. Взаимодействие шаперонов с синтезируемым белком начинается еще до схождения полипептидной цепи с рибосомы. Связываясь с отдельными участками «опекаемой» ими полипептидной цепи, молекулы hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии. Взаимодействие не является специфическим и в основном реализуется благодаря силам гидрофобного характера. Прочно фиксированная на шаперонах полипептидная цепь не способна к сворачиванию в нативную структуру, так как не обладает необходимой для этого подвижностью. Главная функция hsp70 состоит в удержании вновь синтезируемых белков от неспецифической агрегации и в их передаче другому «белку-помощнику», шаперонину, роль которого - обеспечить оптимальные условия для эффективного сворачивания.
В клетках эукариот шапероны выполняют также важную роль в транспорте белков через мембраны митохондрий хлоропластов и эндоплазматического ретикулума. Такой транспорт необходим, так как многие белки клеточных органелл синтезируются в цитоплазме, а окончательно сворачиваются в месте своей постоянной локализации. Роль hsp70, «подносящего» к мембране частично развернутый белок, становится понятной, если учесть, что разворачивание - обязательное условие проникновения белковой молекулы через мембрану. Интересно, что митохондриальный матрикс содержит собственные шапероны, «подхватывающие» пересекающий мембрану белок и способствующие его «втягиванию» в митохондрию. Аналогичный механизм реализуется и при проникновении синтезированных в цитоплазме белков в просвет эндоплазматического ретикулума.
Возникает вопрос: от чего же зависит прочность связывания шаперона с полипептидной цепью? Каков механизм, позволяющий развернутому белку освободиться от hsp70 и перейти на шаперонин (hsp60)? Детальные исследования, проведенные на системах белков, выделенных из клеток бактерий, показали, что главным фактором является способность шаперона связывать АТФ, в определенных условиях осуществлять его гидролиз и изменять прочность взаимодействия с полипептидной цепью в зависимости от природы связанного нуклеотида (АТФ или АДФ). С многодоменными белками в клетке работают «большие» шапероны, или шаперонины типа GroEL и GroES или TriC. В отличие от довольно просто построенных шаперонов (состоящих из одной-двух полипептидных цепей), шаперонины представляют собой сложные олигомерные структуры.
Рисунок 7 - Структура шаперонина hsp60.
Наиболее изученные hsp60 митоходрий, а также клеток E. coli, построены из 14 субъединиц, организованных в два семичленных кольца, лежащих одно под другим. В центре построенного таким образом цилиндра имеется полость - канал (диаметром 45 ангстрем), в котором и происходит сворачивание полипептидной цепи, перешедшей на шаперонин с шаперона hsp70. Иногда такую «пробирку» называют «ячейкой Анфинсена». После того как в канал молекулы шаперонина попадает полипептидная цепь, вход прикрывает hsp10 - белковое кольцо, построенное из 7 субъединиц.
Создав шаперонины, природа нашла элегантный способ обеспечить сворачивание белка в условиях, исключающих его агрегацию с другими белками внутри клетки. Действительно, попадая в центральный канал молекулы шаперонина, единичная полипептидная цепь оказывается полностью изолированной и получает возможность реализовывать медленные стадии сворачивания с очень высоким выходом нативного белка. Как и в случае hsp70, связывание развернутого белка с шаперонином и его отщепление регулируются АТФ-азной активностью шаперонина. В связывании сворачивающегося белка (находящегося в состоянии «расплавленной глобулы») может принимать участие каждая из 14 субъединиц олигомерной молекулы шаперонина. Количество мест связывания зависит от стадии сворачивания: чем ближе структура к нативной, тем меньше участков, «распознаваемых» шаперонином. Роль маленького шаперонина hsp10, называемого ко-шаперонином, закрывающего вход в центральный канал, состоит в том, чтобы предотвращать «преждевременный» выход во внешнюю среду белка, не завершившего окончательное сворачивание в нативную структуру.
Рисунок 8 - Модель сворачивания белков с участием шаперонинов.
Овальными фигурами обозначены структурные состояния шаперонина hsp60 с сильным сродством к развернутому белку, прямоугольными фигурами - состояния, в которых шаперонин такой белок не связывает. Вверху показан hsp10, который диссоциирует по окончании сворачивания. 1- белок в состоянии «расплавленной.глобулы» связывает гидрофобные участки «стенок» центрального канала молекулы шаперонина. Это взаимодействие стимулирует присоединение АТФ, в результате которого структура шаперонина меняется (гидрофобные участки «стенок» экранируются), и белок освобождается, переходя в центральный канал. Спонтанное сворачивание будет продолжаться до тех пор, пока не произойдет гидролиз АТФ и переход шаперонина в состояние, способное связывать частично развернутый белок. Стадии 1, 3, 5 различаются количеством «развернутых» участков структуры белка, взаимодействующих со «стенками» центрального канала. Стадия 7:- нативный белок, не способный связываться с шаперонином, выходит наружу.
Данная модель дает лишь самое общее представление о механизмах функционирования шаперонинов. Она основана на изучении этих белков, изолированных из митохондрий или бактериальных клеток. Между тем, недавно было выяснено, что цитоплазматический шаперонин клеток эукариот весьма существенно отличается по своим свойствам: он построен из неодинаковых субъединиц и, по-видимому, не взаимодействует с ко-шаперонином. Вероятно, что общие принципы функционирования, установленные для hsp60, распространяются и на этот шаперонин, однако конкретные механизмы, вовлеченные в регуляцию эффективности сворачивания белков в разных компартментах клетки, могут существенно различаться.
Заключение
Процесс сворачивания белка в третичную конформацию многостадийный. В первую стадию сворачивания идет процесс формирования элементов вторичной структуры. Таким образом, альфа – спираль – стартовая структура. С точки зрения термодинамики процесс её формирования наиболее выгодный, то есть минимум энергии и минимум времени. Бетта- структура формируется из первичной развернутой структуры медленно. Вторая стадия – «очень быстрая» происходит образование специфических ассоциаций элементов вторичной структуры, образуются супервторичные структуры. Третья стадия медленная. В этот момент формируются расплывчатые глбулы, тут формируется гидрофобное ядро. Четвертая стадия, последняя, окончательное формирование нативной структуры белка, белки принимают ту структуру, которую они имеют.
Список используемых источников
1) Бендер М. Биоорганическая химия ферментативного катализа пер с английского/ М. Бендер, Р. Бергерон. – М.:Мир, 1987 – 352с.
2) Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. – М.: Просвещение, 1987 – 815 с.
3) http://www. biochem.bio.msu.ru
4) http://www. distedu.ru

- Механизм функционирования АО
- Механизм функционирования идеологии белорусского государства
- Механизм функционирования коммерческого банка
- Механизм функционирования маркетинга в банке
- Механизм функционирования рынка
- Механизм функционирования рынка в условиях олигополии
- Механизм функционирования рынка труда
- Механизм формирования инвестиционной стратегической прибыли корпорации
- Механизм формирования корпоративной культуры
- Механизм формирования наркомании
- Механизм формирования общественного мнения
- Механизм формирования позитивного имиджа страны
- Механизм формирования политической культуры
- Механизм формирования прибыли