3.5. Фолдинг белков

Первичная структура белка формируется в результате трансляции белка. По окончании трансляции процесс образования белка не завер- шается. Пептидная цепь претерпевает пространственные изменения, приводящие к ее сворачиванию в правильную трехмерную структуру. Этот процесс является следующим этапом формирования белка и назы- вается фолдингом. Фолдинг включает процессы образования вторичной, третичной и четвертичной структур белка. Фолдинг совершается не одномоментно, а в несколько стадий. Согласно схеме, предложенной О.Б. Птициным (1972г.) он включает следующие этапы:

Случайный белок – пептидная цепь в первичной структуре сразу после трансляции свернута в рыхлый клубок. Все связи между аминокислотными остатками (кроме пептидной) отсутствуют. Такая цепь обладает эластичностью: растягивание ее требует приложения силы, после завершения действия силы цепь возвращается в состоянии клубка.

Предшественник расплавленной глобулы – происходит форми- рование неполной вторичной структуры, за счет взаимодействия всех функционально активных групп аминокислот, кроме радикалов. Цепь принимает определенную пространственную структуру, но частично развер- нута.

Расплавленная глобула – вторичная структура сформирована; на- чинается сжатие цепи в компактную глобулу за счет взаимодействий между радикалами, но окончательно сформированных связей еще нет. Радикалы взаимодействуют с «кем попало», выбирая наиболее правильные позиции. Конфигурация глобулы неустойчива. Жесткой третичной структуры еще нет.

Нативный белок – связи в расплавленной глобуле установились: ра-

дикалы образовали максимально возможное количество связей: белок нахо- дит оптимально выгодную структуру.

У олигомерных белков фолдинг завершает связывание протомеров в олигомеры.

По времени фолдинг одних белков начинается на стадии трансляции синтеза белка и проходит по мере его роста на рибосоме. Такой фолдинг называется ко-трансляционным. Для других он начинается после завершения трансляции и называется посттрансляционным.

Фолдинг небольших молекул белка определяется первичной структурой данного белка, то есть, последовательностью аминокислот в пептидной цепи, на основе только физико-химических взаимодействий своих химических групп (в частности радикалов). Это подтверждается экспериментом с рибонуклеазой, проведенным К. Анфинсеном в 1973г.

Рибонуклеаза – глобулярный белок, расщепляющий связи между нуклеотидами в РНК. Он состоит из 124 аминокислот, среди которых 8 остатков цистеина образуют 4 дисульфидные связи: 26-84; 40-95; 58-110 и 65-72 (цифры указывают номер остатков цистеина в цепи) (рис.32).

Рис.32. Денатурация и ренативация рибонуклеазы. А – нативная молекула рибонуклеазы, в третичной структуре которой имеются 4 дисульфидные связи; Б – денатурированная молекула рибонуклеазы; В – нативная молекула рибонулеазы, в структуре которой вновь образованы 4 дисульфидные связи между теми же остатками цистеина

Если в среду с рибонуклеазой внести мочевину, (разрывающую водородные связи) и β-меркаптоэтанол (разрывающий дисульфидные связи), то глобулярная нативная структура белка разрушается (денатурация) и пептидная цепь образует случайный клубок – случайным образом свернутая пептидная цепь в первичной структуре. Ферментативная активность исчезает в связи с разрушением активного центра; белок находится в состоянии, какое он имел до фолдинга. Затем, если оба агента удалить из среды, то восстанавливается нативная структура и фермен- тативная активность белка. Таким образом, происходит ренатурация (восстановление денатурированной структуры белка), ренативация или рефолдинг. Следовательно, строго определенная конформация белка заключена в первичной структуре и для небольших белков определяется только физико-химическим взаимодействием своих химических групп. Белок не только «знает», какую пространственную конфигурацию принять, но и делает это вполне самостоятельно, без дополнительных агентов.

На образование третичной структуры белка могут влиять его лиганды, а также химическая модификация аминокислот.

Фолдинг крупных молекул имеет свои особенности. Так, крупные молекулы белков с большим молекулярным весом и сложной структурой в процессе фолдинга в условиях высокой концентрации белков в клетке могут взаимодействовать друг с другом, за счет своих реакционно-способных радикалов. Гидрофобные радикалы на поверхности молекул склонны к объединению (агрегации), что нарушает ход их правильного фолдинга. Поэтому на время фолдинга реакционноспособные аминокислотные остатки одних белков должны быть отделены от аминокислотных остатков других белков. Эту функцию выполняют вспомогательные белки. Они связываются с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации, состоянии, стабилизируют их конформацию и обеспечивают их «правильный» фолдинг.

Такие белки называются факторами фолдинга и делятся на две групппы: фолдазы и шапероны.