Вернутся на главную

Модели сворачивания белков.


Модели сворачивания белков. на нашем сайте

Статьи
Статьи для студентов
Статьи для учеников
Научные статьи
Образовательные статьи Статьи для учителей
Домашние задания
Домашние задания для школьников
Домашние задания с решениями Задания с решениями
Задания для студентов
Методички
Методические пособия
Методички для студентов
Методички для преподавателей
Новые учебные работы
Учебные работы
Доклады
Студенческие доклады
Научные доклады
Школьные доклады
Рефераты
Рефератывные работы
Школьные рефераты
Доклады учителей
Учебные документы
Разные образовательные материалы Разные научные материалы
Разные познавательные материалы
Шпаргалки
Шпаргалки для студентов
Шпаргалки для учеников
Другое

1.2.1. Модель промежуточного состояния.

Предложена в 1972 г О.Б. Птицыным. В соответствии с этой моделью фолдинг белка осуществляется в несколько стадий.

1.Случайный клубок – нет ни вторичной ни третичной структур, пептидная цепь развернута.

2. Состояние-предшественник расплавленной глобулы – вторичная структура сформирована не до конца, третичная структура отсутствует, цепь частично развернута.

3.Расплавленная глобула – вторичная структура полностью сформирована, цепь свернута в компактную глобулу, но жесткая третичная структура отсутствует.

4.Нативный белок – цепь свернута в компактную глобулу, которая имеет определенную третичную структуру.

Исходной формой глобулярного белка непосредст-венно после трансляции явля-ется случайный клубокили развернутая цепь. Развернутая не означает растянутая. Если исключить все взаимодействия между аминокислотными остатками в пептидной цепи кроме пептидных связей, то термодинамически наиболее выгодным состоянием цепи будет рыхлый клубок. Чтобы растянуть этот клубок и выпрямить необходимо прило-жить силу. После прекращения действия силы цепь вновь возвращается в наиболее вероятное состояние клубка. Т.е. такой белок подобно каучуку обладает эластично-стью его можно назвать каучукоподобны.

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.





Название статьи Модели сворачивания белков.