Фолдазы и изомеразы

В сворачивании полипептидных цепей участвуют белки фолдазы и изомеразы.

Наиболее хорошо изученными ферментами этой группы являются тиоредоксин и глутаредоксин , которые наряду с глутатионзависимым превращением рибонуклеотидов в дезоксирибонуклеотиды способны восстанавливать дисульфидные связи в белках, способствуя формированию у них правильной третичной структуры. Те же функции выполняет и дисульфидизомераза белков, осуществляя образование дисульфидных связей в секретируемых белках после их переноса через мембраны эукариотических клеток. Лимитирующей стадией в образовании правильной третичной структуры полипептидных цепей является цис-транс-изомеризация остатков пролина в полипептидных цепях. Этот процесс в клетках эукариот осуществляется с участием пролил-цис-транс-изомеразы.

Белки- физико-химические свойства

Изучение электрических свойств водных растворов белков началось на рубеже ХIX-XX веков с установления электрохимического типа белковых молекул. Г.Бердиг (1894) и Ф.Кюстер (1897) пришли к выводу о существовании так называемых амфотерных электролитов, к которым они отнесли соединения, обладающие одновременно свойствами как кислот, так и оснований. Оказалось, что к этому типу электролитов принадлежат также водные растворы белков.

Амфотерный характер поведения белка впервые наблюдал Гарди (1899), исследуя раствор яичного альбумина . Было установлено перемещение белковых молекул к катоду в кислых средах и к аноду -в щелочных. При определенном промежуточном значении рН передвижение макромолекул в электрическом поле не происходило. Из этого был сделан вывод, что в воде свободные амино и карбоксильные группы аминокислот, находящихся на поверхности глобулы, ионизуются и образуют катионные и анионные центры молекулы. В зависимости от соотношения ионов белок приобратает суммарный положительный или отрицательный заряд. Так как количество образующихся положительно и отрицательно заряженных групп в белке зависит от рН , то имеется такое его значение (pI), названное изоэлектрической точкой , при котором происходит компенсация разноименных зарядов и белковая молекула, как целое , становится электронейтральной. При рН ) состоянии. В нативных условиях белки являются главными связывающими воду соединениями. Воду в белковых растворах можно разделить на две части: одна часть является свободной и проявляет свойства чистой воды, другая часть связана с молекулами или коллоидными частицами белка, образуя гидратную оболочку.

БЕЛКИ- КЛАССИФИКАЦИЯ

Огромное количество белков, присутствующих в клетках разнообразных организмов, можно группировать и классифицировать руководствуясь различными принципами. Это можно сделать или по функции, которую они выполняют в клетке или организме ( функциональная классификация ), или по особенностям, связанным со строением их молекул ( структурная классификация ).

Белки: классификация по времени полужизни (http://humbio.ru/humbio/genexp/0002cf6a.htm )

По времени полужизни белки животных разделяют на четыре группы:

1) очень быстро обновляющиеся белки (время полужизни - менее 1 ч): белок-супрессор опухолей p53 , продукты протоонкогенов c-fos и c-myc , орнитиндекарбоксилаза , циклины ;

2) быстро обновляющиеся белки (время полужизни - 1-24 ч): тирозинаминотрансфераза , триптофан-2,3-диоксигеназа , гамма- глутамилтрансфераза , Hsp70 , РНК-полимераза I , рецептор инсулина , убиквитин ;

3) медленно обновляющиеся белки (время полужизни - 1-5 дней): каталаза , калпаины , катепсины , протеасомы , тубулины , актины , альдолаза , лактатдегидрогеназа , аргиназа ;

4) очень медленно обновляющиеся белки (время полужизни - больше 5 дней): митохондриальная фумараза , цитохромы b и c , миозин , гемоглобин , гистоны в интерфазном ядре, эластин , коллаген

Отдельное семейство белков ПРИОНЫ

Прионные белки: общие сведения

Основной компонент прионов - аномальная изоформа прионного белка (одного из белков ЦНС ). Проникновение прионов в клетку приводит к нарушению конформации синтезируемого клеткой прионного белка , нарушению функции клетки и дальнейшему накоплению прионов. Прионы вызывают некоторые дегенеративные заболевания ЦНС - болезнь Крейтцфельдта-Якоба , куру и болезнь Герстмана-Штросслера . Предполагают также участие прионов в передаче человеку губчатой энцефалопатии крупного рогатого скота .

Прионы - это инфекционные агенты белковой природы, которые вызывают трансмиссивные спонгиформные энцефалопатии энцефалопатии (заболевания) человека и животных [ Prusiner, ea 1991 ]. Уникальная особенность этих заболеваний заключается в том, что они могут возникать не только в результате инфекции, но и спорадически. Далее независимо от происхождения болезни, она передается инфекционным путем. Эти факты, а также чрезвычайная устойчивость приона к ультрафиолетовому свету впервые позволили предположить, что инфекционной частицей может быть белок. Самой удивительной особенностью прионов является их способность "наследоваться". Прион, попадая в клетку, вызывает изменение конформации своего клеточного аналога, который сам становится прионом. Таким образом, происходит распространение ("наследование") приона при делении клеток. Прионы фактически являются генетическим детерминантом белковой природы.

Данные о прионных белках разных организмов представлены в таблице 1 pr .

У млекопитающих прионный белок получил название PrPSc (от болезни scrapie). Он представляет собой особую изоформу нормального клеточного белка PrPC (от cellular), которая отличается плохой растворимостью в детергентах, устойчивостью к действию протеаз, а также склонностью к агрегации [ Тер-Аванесян ea 1999 ]. Из-за сложности работы с прионами млекопитающих строгое доказательство того, что белок PrP является прионом, затруднено, но все имеющиеся факты говорят в пользу этой гипотезы.

В 90-х гг были обнаружены белковые нехромосомно-наследуемые детерминанты у дрожжей, [ Psi+ ] и [ URE3 ] (см. табл. 1 ), для которых практически доказано, что, действительно, носителем наследуемой информации является белок, а вернее его необычное состояние, обладающее свойствами приона. В отличие от других автономных детерминантов дрожжей (плазмид или вирусов), где носителем генетической информации является РНК или ДНК, [Psi+] и [URE3] не удалось связать с какой-либо нуклеиновой кислотой. Они оказлись сходны по ряду принципиальных свйств с прионом млекопитающих.

Эти детерминанты обладают белковой природой, способностью передавать свои свойства нормальной клеточной форме белка, возникать самопроизвольно из клеточной формы, а также обладают устойчивостью к различным агентам, как-то к протеазам, УФ и ионизирующему излучению. Все это не характерно для нормальной конформации этих белков. Надо отметить, что существуют различные штаммы прионов, которые различаются своей конформацией и свойствами. Такие различающиеся штаммы могут находиться одновременно в одной клетке. Существуют "слабые" и "сильные" штаммы. Они отличаются устойчивостью к излечивающим агентам и, вероятно, скоростью распространения прионной конформации [ Тер-Аванесян ea 1999 , Kushnirov ea 2000 ].

Что же происходит, когда такой аномальный, прионный белок попадает в клетку или в систему, где есть нормальный клеточный белок - аналог приона? Структурно прионный белок отличается от клеточного только тем, что он обладает другой конформацией, т.е. измененной вторичной и третичной структурой. Для полной конверсии клеточного белка достаточно следового количества прионного белка (далее такое малое количество материала прионного белка будет называться "семенами"). На сегодняшний день практически установлено, что белок в прионной конформации представляет собой агрегат в виде высокоупорядоченных фибрилл, к концам которых может присоединяться нормальный клеточный растворимый белок, и само это связывание, по-видимому, и является тем фактором, который вызывает изменение конформации. При этом белок, находящийся в агрегированном состоянии, не способен далее осуществлять свою нормальную клеточную функцию, в результате чего и возникает [Psi+] или [URE3] фенотип. На дрожжах in vitro было показано, что при добавлении к лизату клеток семян происходит быстрая конверсия - образование агрегатов из всей клеточной формы этого белка. Если же затем взять семена этого агрегата и поместить их в следующую порцию нормального лизата, то опять произойдет конверсия и образование агрегатов. Эту процедуру можно осуществить неограниченное число раз [ Paushkin ea 1997 ].

Однако, на сегодняшний день ясно, что прионные белки являются необходимым но недостаточным элементом в феномене прионообразования, также важную роль играют и другие белки. Также, по-видимому, необходим целый комплекс факторов, регулирующих образование прионных агрегатов. Рассмотрению одного из таких факторов, а именно влияния клеточных белков-шаперонов на прионы, и посвящен настоящий обзор. Существование прионного феномена можно считать практически доказанным, хотя периодически появляются работы, связывающие прионы с вирусами [ Тер-Аванесян ea 1998 ].

Прионы: конформационные перестройки и образование агрегатов

Прионная изоформа белка отличается от клеточной только по вторичной структуре, она имеет в основном бета-складчатую структуру, а клеточная форма - в основном альфа-спиральную [ Тер-Аванесян ea 1999 ]. Это верно, как для белка млекопитающих PrP , так и для всех остальных найденных прионов, в том числе и Sup35 . Существуют модели, которые объясняют превращение клеточного белка в его прионную изоформу:

Прион: модель гетеродимеризации

Согласно "гетеродимерной" модели прионное состояние присуще мономеру белка, а превращение происходит, когда молекула клеточного белка связывается с мономером приона [ Cohen ea 1994 ]. После того, как белок приобрел прионную конформацию, пара диссоциирует и две освободившиеся молекулы могут снова участвовать в инициации конформационных переходов. Агрегация при этом рассматривается как вторичное явление.

Прион: модель полимеризации

Полимеризационная модель предполагает, что агрегация прионного белка неразрывно связана с изменением конформации, и превращение происходит непосредственно при присоединении клеточной формы к агрегату [ Jarrett ea 1993 ]. Полимеризационная модель подтверждается опытами in vitro, которые показывают, что прионообразующими свойствами обладают не мономерные формы, а высокомолекулярные агрегаты [ Caughey ea 1995 ].

Прион: модель конформационной конверсии

Сформулирована и подтверждена еще одна модель, получившая название "конформационной конверсии с помощью нуклеации" [ Serio ea 2000 ]. Она заключается в том, что существуют две формы белка: растворенная S-форма и агрегированная А-форма (прионная конформация). Конформационные изменения происходят за счет присоединения S-формы к А-форме. При этом белок в S- форме может находиться как в мономерной, так и в олигомерной форме. Особое свойство мономерного белка заключается в том, что он конформационно нестабилен, поэтому он только с очень малой вероятностью может превращаться в более стабильную А-форму. Число возможных конформаций столь велико, что одна из них, пусть даже более стабильная, может быть найдена только за очень большое время и спонтанный S/A переход на уровне мономеров не происходит. Однако он может происходить достаточно быстро при присоединении мономеров к готовым семенам - агрегатам. В отсутствии семян S/A переход может быть облегчен если он происходит в олигомерных комплексах. Такие олигомеры все еще представляют собой S-форму, но их субъединицы имеют значительно меньший набор возможных конформаций. Олигомеры и мономеры находятся в равновесии и могут переходить друг в друга. В принципе могут существовать три формы олигомеров. Только что образованый олигомер все еще достаточно лабилен и может совершить конформационное превращение в А-форму только за очень большое время. Далее наступает его созревание, при котором происходит дальнейшее ограничение подвижности мономеров. Зрелый олигомер полностью готов к превращению, и оно может происходить очень быстро. Третья форма представляет собой уже агрегат, где мономеры находятся в А-форме. Такой олигомер является минимальным семечком. Таким образом, имеется три скорости S/A перехода, характерных для разных форм белка: мономер - олигомер - зрелый олигомер. Во всех трех случаях скорость перехода значительно возрастает при присоединении молекул к готовому агрегату, а переход мономерной формы без этого вообще не происходит [ Serio ea 2000 ]. Эксперименты, проведенные in vitro с очищенным NM фрагментом Sup35, подтверждают эту модель. Однако точный механизм этого процесса in vivo все еще нуждается в прояснении.