WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |

Если при воздействии на белок в нем увеличивается количество аминокислотных остатков, включенных во вторичные структуры, это означает, что белок активирован, а сигнальный путь, в работе которого он принимает участие — открыт. Если белок разворачивается и доля аминокислотных остатков во вторичных структурах снижается, то такой белок переходит в неактивное состояние, релаксирует, а сигнальный путь (пути) в котором он участвует, блокируется. При переходе белков, участвовавших в нативной агрегации, в нативное состояние, нативные агрегаты разрушаются, отдельные структуры и клетка в целом переходят в состояние покоя.

Временные структуры, возникающие в результате нативной агрегации, выполняют разнообразные функции. Они могут быть центрами специфической адсорбции (связывания) различных ионов и молекул, включая сигнальные факторы и белки, то есть выполнять функции рецепторов. Они могут обладать ферментативной активностью, которая необходима для выполнения той или иной функции и служить центрами формирования еще более сложных надмолекулярных образований.

Только вторичные структуры белков способны обеспечить специфичность (избирательность, селективность) взаимодействия одних белков с другими, как они обеспечивают специфичность взаимодействий, необходимых для правильного сворачивания полипептидной цепи в глобулу (сворачивание полипептида в нативную глобулу можно рассматривать как внутримолекулярную нативную агрегацию). Каждая вторичная структура имеет уникальную топологию полярных и гидрофобных групп на своей поверхности.

Вторичные структуры образуют стабильные комплексы друг с другом или с участками нуклеиновых кислот только в том случае, если их поверхности комплементарны друг другу как ключ комплементарен замку.

Нативная агрегация детерминирована генетически в той же мере, что и структура белка потому, что ее определяют те же факторы, которые определяют все уровни организации отдельной белковой молекулы, начиная с первичной последовательности. Вторичные структуры активированных (возбужденных) белков будут взаимодействовать с другими возбужденными белками не хаотически, а в соответствии с генетической программой. В результате нативной агрегации возникнут те структуры, и соответствующие функции, которые необходимы клетке здесь и сейчас: потенциал действия, каналы на поверхности клетки, в цитоплазме и ядре, цитоскелет, движение участков цитоплазмы, деление клетки, апоптоз. Ошибки в нативной агрегации, появляющиеся при затянувшемся состоянии возбуждения клетки (например, при хронических воспалениях) и при повреждении приводят к различным формам клеточной патологии: конформационным болезням, некрозу, раковому перерождению.

Вс, чем отличается возбужденная клетка от клетки в состоянии покоя, является прямым или косвенным результатом нативной агрегации белков.

Нативная агрегация в действии Поскольку практически любое изменение в клетке можно рассматривать как результат нативной агрегации, ограничусь лишь отдельными примерами. Цель этого раздела показать, как работают принципы нативной агрегации при анализе конкретных явлений.

Начну с нативно-развернутых белков, физической основы состояния покоя. Согласно Данкеру и др. (Dunker et al., 2001), первые данные о нативно-развернутых участках в белках появились в 1978 году, то есть через 26 лет после того, как Линг (Ling, 1952) высказал предположение об их существовании. До открытия нативно-развернутых белков господствовало представление, что вс разнообразие функций клетки обусловлено только белками с трехмерной (глобулярной) структурой. Нативно-развернутые белки в эти представления не укладывались, и было непонятно, выполняют ли они вообще какие-либо функции. Позднее выяснилось, что более 35-51% белков эукариот имеют развернутые участки длиннее 50 аминокислотных последовательностей, что заметно больше, чем у прокариот (Dunker et al., 2000, 2002).

Когда стало ясно, что нативно-развернутые белки играют какую-то важную роль, Данкер и др. (Dunker et al., 2001) предложили расширить представление о типах белков, функционирующих в клетке: к белкам с трехмерной структурой они добавили расплавленную глобулу и белки с развернутой конформацией. Уверский (Uversky, 2002) считает, что этот список нужно дополнить четвертой относительно устойчивой конформацией белка — предрасплавленной глобулой, которую можно было бы назвать кипящей глобулой потому, что в координатах реакции развертывания она стоит после глобулы и расплавленной глобулы и перед полностью развернутой конформацией. Логика этих предложений состоит в том, что все четыре состояния белка являются термодинамически устойчивыми, хотя и в разной степени.

По мысли Данкера и др., в клетке постоянно происходят переходы между разными фазовыми состояниями белка. Это действительно так, но такое утверждение требует существенного уточнения. Вспомним, что первые представления о расплавленной глобуле и развернутой конформации белка были получены при исследовании денатурации белка in vitro и затем их перенесли на клетку. Теперь мы знаем, что плавление глобулы — это фазовый переход, подчиняющийся закону «все или ничего» и имеющий порог, например, температурный (Финкельштейн и Птицын, 2005). Это означает, что несколько одинаковых белковых молекул, находящихся в одинаковых условиях будут находиться в одном и том же фазовом состоянии: либо это будет глобула, либо расплавленная глобула, либо развернутая конформация. Непрерывного и асинхронного перехода белков внутри такой популяции из одного фазового состояния в другое происходить не может. Но молекулы того же белка, находящиеся в другом микроокружении, могут находиться в другом фазовом состоянии, но тоже одинаковом для всех белков данной популяции. В итоге мы получаем, что данный белок действительно может находиться в данной клетке в разных фазовых состояниях, но только если его молекулы находятся в разных частях клетки с разными условиями микроокружения.

Необходимо сделать и другое уточнение. Согласно гипотезе нативной агрегации, имеется только два базовых состояния белка, которые имеют место в клетке в состоянии покоя:

глобула (сюда можно отнести также белки, состоящие из двух и более глобулярных доменов) и нативно-развернутое состояние. Остальные переходные состояния появляются в клетке на время. Они возникают при достижении порога, когда какой-либо фактор среды начинает оказывать на белок умеренно денатурирующее действие. Тогда глобулярный белок плавится, а затем разворачивается (если сила воздействия продолжает расти), а нативно-развернутый белок начинает сворачиваться. Различия между двумя основными состояниями существенные: глобулярная конформация стабилизируется гидрофобными взаимодействиями, а нативно-развернутая — АТФ и другими лигандами. Как только условия среды приходят в норму, возбужденные белки релаксируют и система возвращается в свое основное состояние — состояние покоя.

Поскольку в результате нативной агрегации возникают сигнальные и регуляторные структуры, очевидно, что с эволюционным усложнением биологической организации требуются все новые и новые механизмы регуляции активной клетки. Именно эта потребность и реализуется с помощью новых нативно-развернутых белков и, соответственно, новых переходных конформаций, возникающих при их свертывании.

В литературе широко обсуждается механизм взаимодействия нативно-развернутых белков с белками-мишенями. Чаще всего выделяют четыре этапа такого взаимодействия: (1) случайное столкновение нативно-развернутого белка с мишенью; (2) слабое, неспецифическое взаимодействие нативно-развернутого белка с мишенью; (3) формирование у нативно-развернутого белка вторичных структур; (4) благодаря появившимся вторичным структурам образуется прочный комплекс нативно-развернутого белка с белком-мишенью (Eliezer and Palmer, 2007; Wright and Dyson, 2009).

C позиций гипотезы нативной агрегации, эта схема выглядит неубедительно.

Действительно, трудно представить себе какой-либо механизм (например, механизм мышечного сокращения) или процесс в живой клетке, работающий на основе случайных столкновений. Во-первых, если нативно-развернутые белки и их мишени сталкиваются случайно, значит, они свободно диффундируют в цитоплазме или ядре, то есть мы имеем дело с броуновским механизмом регуляции. Во-вторых, если первый этап взаимодействия нативно-развернутого белка с мишенью признать неспецифическим, то это означает, что количество взаимодействий, в которые будет вступать диффундирующий нативноразвернутый белок, значительно превысит количество взаимодействий, необходимых для акта регуляции. При таких условиях, правильный регуляторный ответ выглядит скорее случайностью, чем закономерностью.

С точки зрения нативной агрегации, эти события выглядят иначе. Имеющиеся экспериментальные данные свидетельствуют о том, что нативно-развернутые белки организованы в кластеры и ориентированы в пространстве в основном параллельно друг другу (Линг, 2008, гл. 11), а концентрация белка в цитоплазме достигает 200-400 мг/мл (Ellis, 2001). Таким образом, в условиях кроудинга, когда пространство между белковыми молекулами невелико и заполнено связанной водой (Линг, 2008, гл. 11), представить себе диффузию свободных белков весьма затруднительно. По Лингу, белковый матрикс покоящейся клетки не хаотичен, а структурирован. В свете гипотезы нативной агрегации это означает, что в пространственном распределении ключевых элементов матрикса заложена программа белок-белковых взаимодействий (как, например, в сократительном аппарате).

Нативно-развернутый белок не диффундирует в ожидании случайного попадания в мишень.

Мишень относительно неподвижна и находится рядом. В состоянии покоя они не взаимодействуют друг с другом, поскольку находятся в неактивном (нативном) состоянии, то есть не имеют реакционноспособных вторичных структур.

Если вторичные структуры в нативно-развернутых белках будут образовываться при всяком столкновении с другими белками, то само появление вторичных структур тоже станет событием случайным и их взаимодействие друг с другом не будет поддаваться никакой логике. По этой причине случайные, неспецифические, взаимодействия должны быть исключены из механизма функционирования нативно-развернутых белков. Для того чтобы случайные взаимодействия не приводили нативно-развернутые белки в возбужденное состояние, они должны быть достаточно стабильными. Согласно предлагаемому подходу, нативно-развернутые белки стабилизируются различными лигандами, в зависимости от свойств нативно-развернутого белка, его локализации и функции (Ling, 2006).

Четвертый этап взаимодействия с мишенью также проблематичен потому, что активированный нативно-развернутый белок будет взаимодействовать, с моей точки зрения, только с активированным белком-мишенью (с его активными вторичными структурами).

Нативные глобулярные белки (или глобулярные домены в больших белках) в нативном состоянии не имеют вторичных структур, доступных для внешних взаимодействий. Этому препятствует жесткая структура ядра таких белков (Финкельштейн и Птицын, 2005, лекция 13).

Итак, мы видим, что гипотеза нативной агрегации отличается от принятой в литературе модели тем, что в ней нет ничего случайного и неспецифического. Более того, в нее включены элементы контроля и управления: генетический контроль первичной последовательности (а, следовательно, и свойств вторичных структур), лиганды, высокоспецифические взаимодействия вторичных структур друг с другом, пространственный контроль над ходом нативной агрегации.

Что касается пространственного контроля, то он также обеспечивается, прежде всего, взаимодействием «остаточных» вторичных структур соседних нативно-развернутых белков (с точки зрения предлагаемого подхода). Такое предположение вполне обосновано, если учесть, что полное отсутствие вторичных структур возможно лишь в самых жестких денатурирующих условиях (Финкельштейн и Птицын, 2005, лекция 17). Если принять во внимание специфическую коммутирующую роль «остаточных» вторичных структур, то и пространственное строение белкового матрикса в состоянии покоя также оказывается под генетическим контролем, поскольку свойства «остаточных» вторичных структур закодированы первичной последовательностью аминокислотных остатков.

Теперь рассмотрим подробнее свойства расплавленной глобулы. Упаковка полипептидной цепи в невозмущенной глобуле настолько плотная, что боковые группы плотно прилегают друг к другу и их вращение вокруг валентных связей (поворотная изомеризация) оказывается невозможным. При плавлении ядра объем глобулы увеличивается примерно на 50% (Uversky, 2002), появляется свободный объем, а вместе с ним становится возможной и поворотная изомеризация. В результате разрыхления ядра в него начинают проникать вода и гидрофобные вещества, такие, например, как краситель ANS. Если интенсивность денатурирующего фактора возрастает, расплавленная глобула превращается в предрасплавленную глобулу, в которой количество вторичных структур примерно вдвое меньше, чем в расплавленной (Финкельштейн и Птицын, 2005, лекция 18).

Указанные свойства расплавленной глобулы (не говоря уже о предрасплавленной) говорят о том, что ее ядро утрачивает жесткость и больше напоминает жидкость. Увеличение конформационной температуры неизбежно приводит к увеличению подвижности частей молекулы, к снижению доли полипептидной цепи, включенной во вторичные структуры.

Модификация вторичных структур неизбежно приводит к изменению их специфичности, так как изменятся их топологические характеристики. Иначе говоря, изменение размера вторичной структуры (например, длины -спирали) означает изменение биологического смысла полипептидного «предложения». Логика приведенного рассуждения находит экспериментальное подтверждение в работах, свидетельствующих о структурной лабильности ядра расплавленной глобулы (Lala and Kaul, 1992). Таким образом, расплавленная глобула превращается в реакционноспособный белок, способный участвовать в нативной агрегации.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |






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