9.1.1. Модель ко-трансляционного сворачивания

Согласно этой модели сворачивание белка в клетке (in vivo), предположительно начинается еще на рибосоме, до окончания полного синтеза всей белковой цепи (модель ко-трансляционного сворачивания). Синтез белка на рибосоме происходит не равномерно – существуют паузы, приостановки синтеза, которые, как предполагается, соответствуют границам доменов. Паузы способствуют «созреванию» структурных доменов. Сворачивание растущего пептида может происходить еще в «туннеле» рибосомы, где пептид защищен от агрегации. Влиянием рибосомы можно объяснить тот факт, что без рибосомы, in vitro (в пробирке), сворачивание больших денатурированных белков происходит гораздо медленнее, чем сворачивание их одновременно с биосинтезом in vivo (в организме).

В этом плане интересны опыты по биосинтезу белка люциферазы, содержащего более 500 остатков. Этот белок в нативной конформации катализирует реакцию с испусканием квантов света, и поэтому может быть зарегистрирован по интенсивности свечения клетки. Опыт показывает, что первый активный белок люциферазы появляется через 10 минут после включения биосинтеза, а блокирование биосинтеза вызывает немедленное прекращение роста интенсивности свечения, что говорит о немедленном прекращении выхода белка в свернувшейся, нативной форме. Поэтому сворачивание люциферазы происходит либо ко-трансляционно, либо почти мгновенно после окончания синтеза (пост-трансляционно).

9.1.2. Модель пост-трансляционного сворачивания

В пост-трансляционной модели предполагается, что сворачивание белка происходит после завершения синтеза цепи на рибосоме. В какой-то мере эта модель подтверждается опытами по ренатурации и сворачиванию белков вне клетки (in vitro). Результаты опытов показывают, что работа всей клетки не определяет структуру белка, а создает условия для созревания белка и может быть заменена подбором соответствующих внешних условий для сворачивания in vitro. Вторичная и третичная структуры, когда белок сворачивается in vivo, не навязываются белку клеточным окружением, основная задача которого только оберегать сворачивающийся белок от нежелательных контактов, возможностей прилипнуть к чему-нибудь.

9.1.3. Шапероны и шаперонины

Самоорганизация белков может ускоряться некоторыми ферментами. Кроме того, эффективному сворачиванию белка способствуют специальные белки – шапероны (от англ. chaperone – гувернантка), главное назначение которых – воспрепятствовать агрегации белковых цепей.

Синтез всех шаперонов резко возрастает при увеличении температуры в клетке в ответ на тепловой шок, ускоряющий агрегацию. Отсюда происходит их название – heat shock protein (сокращенно hsp). Шапероны классифицируются по молекулярной массе, которая варьируется в пределах от 10 кДа до 90кДа и выше.

По своим функциям шапероны можно разделить на два больших семейства: шапероны и шаперонины.

Шапероны препятствуют неспецифическому свертыванию (слипанию) полипептидных цепей. Кроме того, они участвуют в транспорте белков через мембраны митохондрий, хлоропластов и эндоплазматического ретикулума на место постоянной локализации этих белков, где они окончательно сворачиваются.

Шаперонины (hsp60, hsp10) обеспечивают сворачивание белка в условиях исключающих агрегацию с другими белками внутри клетки.

Малые шапероны типа hsp70 (с массой 70 кДа) неспецифически связываются с отдельными гидрофобными участками полипептидной цепи, обеспечивая её экранировку, образуют прочные комплексы, удерживающие цепь в развернутом состоянии, предохраняют её от агрегации. В таком состоянии цепь не может свернуться в нативную структуру, но главной функцией шаперонов является защита цепи от неспецифической агрегации (в том числе, слипания) и передача цепи другому белку - шаперонину.

Механизм действия шаперонов следующий. Шаперон hsp70 сначала связывается с АТФ, а затем, с помощью специального белка-помощника – с развернутой полипептидной цепью. Связывание с полипептидной цепью сопровождается гидролизом АТФ и образованием прочного комплекса: шаперон, связанный с АДФ (сродство шаперона к АДФ существенно больше, чем к АТФ), полипептидная цепь и белок-помощник. Затем другой белок-помощник вызывает отщепление молекулы АДФ, место которой занимает молекула АТФ. Сила связи шаперона с цепью уменьшается, цепь освобождается от шаперона и в развернутом виде перемещается на шаперонин hsp60, представляющий собой олигомерную (от греч. oligos – незначительный; полимеры сравнительно небольшой массы) структуру (рис.9–3). Четырнадцать субъединиц hsp60 уложены наподобие бочонка с внутренним диаметром 45Å. Во внутреннюю полость «бочонка», называемого ячейкой Анфинсена поступает полипептидная цепь. После попадания цепи в «бочонок», он закрывается крышечкой, представляющей собой олигомерную структуру (кольцо из 7 субъединиц) шаперона hsp10. Шаперонин hsp60 и его кофактор hsp10 (ко-шаперонин) создают оптимальные условия для эффективного сворачивания цепи в нативную глобулу.

Рис. 9–3. Олигомерная структура молекулы шаперонина hsp60 (бочонок) и его ко-фактора hsp10 (крышечка). В состоянии расплавленной глобулы полипептидная цепь попадает в полость шаперонина hsp60, крышечка закрывается, и для определения стадии готовности белка бочонок время от времени встряхивается, в результате изменения конформации структуры. Встряхивание продолжается до тех пор пока белок полностью ни свернется и не перестанет липнуть к стенкам бочонка. Тогда крышечка открывается и нативная глобула выходит во внешнюю среду

В состоянии расплавленной глобулы полипептидная цепь связывается с гидрофобными участками стенок канала молекулы шаперонина hsp60. Благодаря этому взаимодействию (прилипанию белка к стенкам), к шаперонину присоединяется АТФ, происходят структурные изменения, белок отлипает от стенок центрального канала, получая возможность свободного сворачивания. Затем идет гидролиз АТФ, и шаперонин снова переходит в состояние, в котором он может связывать белок, который теперь, благодаря произошедшему частичному сворачиванию, уже меньше липнет. Снова присоединяется АТФ, и цикл повторяется до тех пор, пока белок не перестанет липнуть к стенкам «бочонка», то есть полностью ни свернется. Тогда бочонок открывается, выпуская белок. Эти конформационные изменения шаперонина подобны периодическим активным встряскам бочонка с белком, которые происходят, благодаря АТФ-азной активности шаперонина.