WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |

Белки в возбужденном состоянии способны не только к новым внутримолекулярным взаимодействиям, но и к взаимодействию с другими белками. Физика белка не дает никаких запретов на этот счет. Нативная агрегация (образование специфических агрегатов) объясняет увеличение мутности клетки и макроскопической вязкости цитоплазмы и ядра. Таким образом, наблюдаемые изменения при протореакции находят простое объяснение, основанное на данных физики белка (Финкельштейн и Птицын, 2005).

В этом разделе важное место было уделено клетке в состоянии покоя. Рассмотрим его подробнее.

Что представляет собой клетка в состоянии покоя Для изучения любого процесса важно иметь точку отсчета. Например, было бы невозможно понять механизм мышечного сокращения без представления о состоянии покоя сократительного аппарата. Исходя из опыта классической физиологии, необходимо признать, что представление о состояние покоя клетки (как и отдельных ее частей) имеет важное значение для понимания механизмов ее активации. Здесь мы вновь возвращаемся к вопросу о структуре клетки в покое. Тот факт, что покоящаяся клетка, в отличие от активированной, почти полностью прозрачна, свидетельствует о незначительном количестве белковых ассоциатов. Кроме того, клетка в покое гидрофильна, так как в условиях диффузионного равновесия она не связывает витальных красителей (Насонов, 1962), являющихся гидрофобными веществами (Matveev, 2005). Эти существенные особенности покоящейся клетки должна объяснить ее структура.

Первым предположение о том, что структура покоящейся клетки определяется нативноразвернутыми белками, высказал в 1952 году Линг (Ling, 1952). Это представление окончательно оформилось к 1965 году (Ling, 1965), а итоги развития этого направления подведены в 2006 году (Ling, 2006). Важнейшим свидетельством в пользу такого взгляда является одинаковый характер равновесного распределения веществ между клеткой и средой с одной стороны, и между модельными системами и средой, с другой. В качестве модельной системы исследованы, например, диализные мешки из целлофана, заполненные концентрированными растворами гидрофильных и электрически нейтральных линейных полимеров, все звенья цепи которых доступны воде. Закон распределения, то есть зависимость равновесного распределения веществ от их концентрации в среде одинаков для модельных систем и для живой клетки. Поскольку распределение веществ изучали в условиях диффузионного равновесия, этот результат означает, что ключевой физикохимический фактор, определяющий характер распределения, в моделях и в клетке одинаков и обеспечивается развернутыми биополимерами. Представляется очевидным, что из всех полимеров клетки на эту роль способны претендовать только белки — самые массовые полимеры клетки (Ling, 1965).

Что же это за фактор И клетки, и модели имеют общую для них особенность: если исследуемый компонент раствора не адсорбируется на полимере внутри системы, то его равновесная концентрация во внутренней среде всегда ниже, чем в омывающем растворе.

Модельные системы, в силу своей простоты, позволяют понять это явление, оно обусловлено тем, что вещества хуже растворяются в воде системы, чем в воде омывающего раствора.

Физика дает единственно возможное объяснение этому различию: вода в клетке и в модельных системах более упорядочена, чем объемная, поэтому встраивание молекулы растворенного вещества в растворитель с более жесткими связями энергетически невыгодно, и они вытесняются из системы. Но чем объяснить, что вода в присутствии линейных полимеров упорядочивается Модельные системы, в которых нет ничего, кроме полимера, воды и растворенного вещества, дают очевидное объяснение: если вода адсорбируется закономерно повторяющимися звеньями полимера, то и сама она упорядочивается в пространстве (имеет место многослойная адсорбция). Кроме того, у адсорбированных молекул воды изменяются электрические свойства.

Несмотря на все разнообразие белков, все они имеют абсолютно одинаковый полипептидный остов, различия между белками обусловлены лишь боковыми цепями.

Полипептидный остов всех белков представляет собой правильное чередование положительных (NH) и отрицательных (CO) зарядов пептидных связей, причем расстояние между этими группами оказывается соизмеримым с размером молекул воды и длиной водородных связей между ними. Иначе говоря, расположение указанных диполей вдоль полипептидного остова оказывается в структурном отношении комплементарным структуре воды. Другая особенность групп пептидной связи состоит в том, что они образуют водородные связи либо друг с другом (во вторичных структурах), либо с водой (развернутые участки полипептидной цепи) (Финкельштейн и Птицын, 2005, лекция 4). Однако возникает вопрос, почему взаимодействие воды с функциональными группами пептидных связей так сильно меняет ее свойства Для ответа на этот вопрос обратимся к свойствам электрических диполей.

Важное свойство дипольных молекул состоит в том, что их дипольный момент не является величиной постоянной, а зависит от их взаимодействий с другими дипольными молекулами (Spackman at al., 2007). Пример: в газовой фазе дипольный момент молекулы воды равен 1.85 D, а в жидкой — 2.9 D. То есть взаимодействие молекул воды друг с другом приводит их к взаимной поляризации — увеличению собственного дипольного момента на 60% (Kemp, Gordon, 2008). А если молекула воды будет взаимодействовать с диполем более сильным, чем она сама Дипольный момент пептидной группы оценивается в 3.5 D (Collins and Leadbeater, 2007). Если вода будет взаимодействовать с этими, более сильными, диполями, то ее молекулы будут поляризоваться в еще большей степени, и их водородные связи с другими молекулами будут становиться более прочными. Усиление водородных связей делает первый адсорбционный слой воды стабильным и способным притягивать к себе и связывать все новые и новые свободные молекулы воды с образованием все новых адсорбционных слоев. Таким образом, более сильные диполи на адсорбирующей поверхности являются ключевой предпосылкой для многослойной адсорбции полярных молекул.

Из-за усиления водородных связей в многоэтажном адсорбционном слое воды, проникновение в него других молекул (включая саму воду) становится энергетически невыгодным потому, что это потребует разрыва более прочных водородных связей между ее молекулами в слое, чем в объемной фазе. Это объясняет, почему связанная вода является плохим растворителем по сравнению с фазой, где молекулы воды взаимодействуют только друг с другом. По этой термодинамической причине концентрация любых веществ в фазе адсорбированной воды будет всегда меньше, чем в жидкой фазе.

Однако все начинает меняться, если развернутый полипептид, адсорбировавший воду, начинает сворачиваться с образованием вторичных структур. В этом процессе пептидные группы отказываются от водородных связей с водой и образуют их между собой. Прежде связанная вода десорбируется и приобретает свойства объемного растворителя (Ling, 1965, 2006, 2007). Обоснованность такого взгляда на взаимодействие полипептидов и других гидрофильных полимеров с водой получило убедительное экспериментально подтверждение (Zheng and Pollack, 2003; Zheng et al., 2006).

А какова роль глобулярных белков Именно они являются вторым важным белковым компонентом клетки в состоянии покоя. Это наиболее изученный тип белков, выполняющих структурные и ферментативные функции. Их твердое ядро недоступно воде, а участки полипептидной цепи, не содержащие вторичных структур, недостаточно протяженные, чтобы существенно влиять на состояние внутриклеточной воды (Линг, 2008).

Итак, в состоянии покоя, физические свойства белкового матрикса клетки определяются частично или полностью развернутыми белками и белками глобулярными (к последним относятся, разумеется, и сложные белки с несколькими глобулярными доменами). В контексте этой статьи именно такие белки имеет смысл называть нативными. Структурные и функциональные особенности состояния покоя клетки определяются развернутыми белками (Линг, 2008).

Остается вопрос о том, почему состояние покоя клетки относительно стабильно и может существовать неопределенно долго Линг полагает, что это объясняется стабилизирующим действием на развернутые белки различных лигандов, связанных в состоянии покоя клетки с нативно-развернутыми белками: ионов, низкомолекулярных органических соединений, гормонов и т.д. Важнейшим лигандом покоя белков является, по Лингу, ATP (Ling, 1977).

Если некоторое воздействие приводит к расщеплению АТФ или к диссоциации других лигандов покоя, то это приводит к свертыванию нативно-развернутого белка. В нем появляются вторичные структуры, которые делают полипептид реакционноспособным.

Начинается нативная агрегация, в ходе которой формируются сигнальные структуры.

Нативно-развернутые белки являются, по-видимому, самыми чувствительными элементами покоящейся клетки, поскольку их свертывание является термодинамически выгодным, так как при десорбции воды энтропия системы возрастает (вода является самым массовым компонентом клетки). Кроме того, лиганды покоя непрочно связаны с нативноразвернутыми белками, так как эта связь нековалентная, а АТФ может расщепляться ферментативно. В итоге, отдельные компоненты клетки или вся клетка в целом представляется системой, структурным содержанием жизнедеятельности которой является обратимый переход из состояния покоя в активированное (возбужденное) состояние, обусловленное обратимым переходом белков из состояния покоя (нативного состояния) в активированное (ненативное) состояние.

Принципы нативной агрегации С точки зрения предлагаемого подхода, реакции клетки на внешние воздействия, различные формы клеточной активности (метаболизм, деление, мышечное сокращение, секреция, внутриклеточная сигнализация и прочее), а также патологические состояния рассматриваются на основе следующих утверждений и принципов.

Нативная агрегация — это специфическое взаимодействие белков друг с другом, осуществляемое посредством взаимодействия между вторичными структурами агрегирующих белков. Если реакционноспособных вторичных структур нет или они недоступны для взаимодействия, нативная агрегация невозможна.

Клетка рассматривается в качестве системы, у которой может быть только два основных состояния: состояние покоя и активное (возбужденное) состояние. Этот же принцип распространяется на любую клеточную органеллу, структуру, белковую молекулу. Для ясности, можно провести параллель: возбудимая мембрана в состоянии покоя и возбуждения.

Функционально значимые белки клетки в состоянии покоя находятся в одном из двух состояний: либо развернуты (полностью или частично — нативно-развернутые белки), либо свернуты до состояния белковой глобулы или иной структуры, когда вторичные структуры недоступны для взаимодействия с другими белками. Эти состояния рассматриваются как состояния покоя белковой молекулы или как их нативные состояния. Белки в нативном состоянии стабилизируются лигандами покоя и/или химическими модификациями, например фосфорилированием/дефосфорилированием. Согласно Лигу (Ling, 1977), состояние покоя развернутого белка поддерживается связанными с ним АТФ, ионами (Na+, K+, Ca2+), молекулами связанной воды, гормонами (например, инсулином) и любыми другими значимыми взаимодействиями. Например, анализ аминокислотных последовательностей участков, окружающих известные центры фосфорилирования показали их выраженную склонность к формированию нативно-развернутой конформации (Iakoucheva et al., 2004).

Разрушение связи с лигандом (например, расщепление АТФ) приводит к активации белка, его переходу из состояния покоя в активное состояние; к этому же результату приведет снижение уровня АТФ в клетке ниже критического уровня. Представления Линга о способности небольших молекул специфично связываться с нативно-развернутыми белками находит подтверждение, например, в работе Мухопадхая и др. (Mukhopadhyay et al., 2007).

При активации клетки внешними воздействиями, внутриклеточными факторами и сигналами различной природы (включая химическую модификацию) в ней появляется новая фракция белков – активированных белков с вновь образованными вторичными структурами, которых не было в состоянии покоя (рис. 2). Эти новые структуры появляются при сворачивании нативно-развернутых белков и при плавлении белковых глобул. Эти структуры представляют собой -спирали, -листы, другие разновидности вторичных структур. Вторичные структуры активированных белков — это новые «валентности», необходимые для новых взаимодействий, внутримолекулярных (сворачивание) и межмолекулярных (нативная агрегация). В случае больших белков, вторичные структуры могут формировать гидрофобные области на поверхности белка, которые специфично взаимодействуют с такими же (комплементарными) образованиями на поверхности других белков.

Рис. 2. Два основных состояния клетки. A — клетка в состоянии покоя, оптически прозрачна. B — активированная клетка; в цитоплазме и клеточных органеллах появляются центры нативной агрегации (черные кружки) — реакционноспособные вторичные структуры активированных белков, благодаря которым начинается нативная агрегация белков клетки.

Нативно-развернутые белки можно назвать возбудимыми белками. Переход их в возбужденное состояние дает толчок нативной агрегации.

Если при развертывании глобулы (или глобулярного домена) расплавленной глобулы не образуется, а белок кооперативно приобретает полноразвернутую конформацию, то это означает его инактивацию, поскольку без вторичных структур белок к агрегации неспособен.

Расплавленная глобула инактивируется двумя путями: переходом обратно в хорошо свернутую конформацию (когда вторичные структуры скрыты от взаимодействия) или развертыванием расплавленной глобулы до состояния полноразвернутой конформации, лишенной ключевых для нативной агрегации вторичных структур.

Вторичные структуры в активированных белках играют роль центров нативной агрегации. Именно эти структуры обеспечивают специфическое взаимодействие активированных белков друг с другом (нативная агрегация) с образованием новых структур, имеющих сигнальное и функциональное значение для активной клетки. Нативная агрегация детерминирована теми же силами и взаимодействиями, что и хорошо изученное сворачивание развернутого полипептида в глобулу. Должно соблюдаться правило: есть вторичные структуры, способные к специфическим взаимодействиям, — есть нативная агрегация, нет таких структур или они недоступны — нет нативной агрегации.

Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 6 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»