Пространственная структура биополимеров: конформация белков, денатурация и шапероны

Фолдинг (сворачивание) полипептидной цепи — самопроизвольный процесс формирования уникальной биологически активной трехмерной нативной конформации белка. В основе фолдинга лежит парадокс Левинталя: если бы белок перебирал все возможные конформации случайно, процесс занял бы миллиарды лет; в реальности белок сворачивается за миллисекунды вдоль энергетической воронки (energy funnel) к минимуму свободной энергии Гиббса (ΔG < 0).

Движущей силой фолдинга служит гидрофобный коллапс: неполярные гидрофобные радикалы аминокислот (валин, лейцин, фенилаланин) прячутся внутрь глобулы от водного окружения, а гидрофильные полярные и заряженные остатки (лизин, глутамат) экспонируются наружу, стабилизируя молекулу водородными и ионными связями с водой.

В переполненной макромолекулами цитоплазме клетки (crowding-эффект) новосинтезированные полипептиды склонны к слипанию (агрегации). Для предотвращения агрегации и обеспечения правильной укладки клетка использует специализированные белки — шапероны (включая белки теплового шока Hsp70 и шаперонины Hsp60/GroEL-GroES):

• Шапероны Hsp70 связываются с гидрофобными участками растущей полипептидной цепи прямо на выходе из рибосомы, предотвращая их преждевременное слипание;

• Шаперониновый комплекс GroEL-GroES образует полый наноконтейнер («бочонок Анфинсена»): белок затягивается внутрь изолированной гидрофильной камеры, где с гидролизом АТФ происходит его изолированное безошибочное сворачивание;

• Белки, которые не смогли свернуться, метятся полипептидом убиквитином и уничтожаются в протеасомах.

Денатурация сопровождается разрушением четвертичной, третичной и вторичной структур при сохранении пептидных ковалентных связей первичной структуры. Если денатурирующий фактор устранен, многие белки способны к ренатурации (опыт К. Анфинсена с рибонуклеазой A, доказавший, что первичная структура однозначно определяет третичную).

Прионы (PrP, открыты С. Прузинером, Нобелевская премия 1997 г.) — инфекционные белковые агенты, лишенные нуклеиновых кислот:

• Нормальный клеточный белок PrP^C имеет альфа-спиральную конформацию;

• Патологический прионный белок PrP^Sc имеет аномальную бета-складчатую конформацию;

• При контакте PrP^Sc индуцирует перерождение нормального PrP^C в патологическую форму, вызывая образование нерастворимых амилоидных бляшек и гибель нейронов мозга (болезнь Крейтцфельдта — Якоба, куру, «коровье бешенство»).

Уникальность конформации определяет функции белка:

1. Ферментативная — активный центр фермента комплементарен переходному состоянию субстрата (модель индуцированного соответствия Кошланда);

2. Рецепторная — конформационные переходы рецепторов мембраны (G-белок-сопряженные рецепторы GPCR) передают сигналы внутрь клетки;

3. Транспортная — конформационные качания натрий-калиевой АТФазы и гемоглобина (кооперативный эффект связывания кислорода: присоединение первой молекулы O₂ меняет конформацию субъединиц, увеличивая сродство к последующим молекулам в 500 раз);

4. Структурная — фибриллярный белок коллаген образует суперспираль из 3 полипептидных цепей с высокой механической прочностью на разрыв.

Важные нюансы на ЕНТ:

• Вирусы содержат НУКЛЕИНОВУЮ КИСЛОТУ (ДНК или РНК) и белковый капсид;

• Вироиды — инфекционные кольцевые молекулы РНК БЕЗ БЕЛКОВОЙ ОБОЛОЧКИ (паразитируют на растениях);

• Прионы — инфекционные БЕЛКИ БЕЗ НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ! Они устойчивы к кипячению, УФ-радиации и ферментам протеазам.