3.4.3. Моделі згортання білків

3.4.3.1. Модель проміжних станів

Розглядаючи вплив лігандів, ми згадували різні форми існування пептидних ланцюгів. Ці форми можна зв’язати в послідовність, показану на мал.

Як видно, у міру переходу від першої форми до останньої закономірно зростає степінь структурованості білку. Тому природно припустити: а не чи відбувається саме в такій черговості фолдинг білків? Цю думку уперше висловив О. Б. Птіцин в 1972 р.

Таким чином, згідно з цією схемою, фолдинг білка (коли у відсутність, коли у присутності відповідних лігандів) здійснюється не одномоментно, а в декілька стадій.

а) Початкова форма глобулярного білку (безпосередній продукт трансляції) - випадковий клубок, або розгорнутий пептидний ланцюг.

"Розгорнута" - не означає розтягнута. Дійсно, якщо виключити абсолютно усі взаємодії між амінокислотними залишками в пептидному ланцюзі (природно, окрім пептидних зв'язків), то термодинамічно найбільш вигідним станом ланцюга буде рихлий клубок.

Щоб розтягнути цей клубок (і вже тим більше витягнути його в пряму нитку), необхідно прикласти силу. Після зупинення дії сили ланцюг знову повертається в найбільш вірогідний стан клубка. Тобто такий білок, подібно до каучуку, має еластичність; відповідно, його можна назвати каучукоподібним.

Мабуть, на цьому заснована еластичність відомого білку, який так і називається, - еластином. Він має глобулярну природу, і його глобулярні молекули об'єднуються в ланцюжки, складаючи фібрили і потім волокна.

У інших же глобулярних білках еластичність відсутня, тому що у випадковому клубку починають проявлятися багаточисленні взаємодії між амінокислотними залишками.

б) Згідно мал. 3.20, спочатку формується вторинна структура: різні ділянки пептидного ланцюга утворюють α-спіралі, β-структури або залишаються безструктурними.

Після закінчення цього процесу відбувається коллапсування (стискання) клубка в т. з. розплавлену глобулу. Рушійною силою стискування є взаємодія між радикалами амінокислот. Причому за допомогою радикалів фактично взаємодіють окремі елементи вторинної структури (α-спіралі та ін.).

У чому ж принципова відмінність розплавленої глобули від нативної структури?

У тому, що в цій глобулі амінокислотні радикали ще не знайшли своїх остаточних партнерів, не зайняли "правильного" положення, а взаємодіють "з ким припаде". Тому загальну кількість одночасно існуючих зв'язків відносно невелике і зв'язки, а з ними і конфігурація молекули є дуже нестійкими.

в) Але рано чи пізно білок знаходить термодинамічно найбільш оптимальну структуру, при якій між радикалами утворюється максимально можлива кількість зв'язків.

У разі досить великого білку спочатку формується третинна структура доменів, а вже потім останні займають правильне положення один відносно одного.

Найпізніше відбувається зв'язування мономерів в олігомери (якщо нативний білок складається з декількох субодиниць).

3.4.3.2. Згортання за принципом "усе або нічого"

На відміну від вищевикладеного, у дуже маленьких білків (до 100 амінокислотних залишків) проміжні стадії (розплавлена глобула і стан-попередник) відсутні і фолдинг фактично проходить за принципом "усе або нічого".

Дійсно, із-за малого числа амінокислотних залишків "неправильні" взаємодії, що лежать в основі розплавленої глобули, практично не трапляються. Тому немає феномену коллапсування (стискування) клубка до утворення нативной третинної структури.

У цих випадках фолдинг відбувається таким чином. Розгорнутий пептидний ланцюг протягом досить тривалого часу флуктує без утворення контактів між амінокислотними залишками - просто тому, що здатні до взаємодії залишки не зближуються один з одним.

Потім випадково ланцюг досягає стану, в якому може утворитися декілька "правильних", або нативних, контактів. Тим самим як би з'являється ядро згортання (ядро нуклеації).

Після цього фолдинг завершується дуже швидко. Наявність декількох "правильних" зв'язків утримує ланцюг в такий конфігурації, в якій легко знаходять один одного інші "правильні" пари.

Добре вивченим білком з подібним механізмом фолдинга є хімотрипсиновий інгібітор 2 (білок СІ2), що включає 65 амінокислотних залишків. У вторинній структурі він має одну α-спіраль і п'ять тяжів β-структури (β₁ .. β₅). Критичним моментом фолдинга цього білку служить утворення α-спіралі і тяжів β₄, β₅, а також гідрофобна взаємодія трьох амінокислотних залишків у складі цих елементів Ала₁₆ (α-спіраль), Лей₄₉ (β₄) і Іле₅₉ (β₅). Це і означає формування ядра нуклеації.