Реферат кафедра : Биологии и биохимии Фолдинг белка и заболевания связанные с ним

Кафедра: Биологии и биохимии

1. Введение

1. Введение

Белки — важнейший структурный компонент живых организмов, так как именно каталитическая активность ферментов определяет возможность лёгкого протекания огромного множества химических реакций идущих в каждом организме на планете и обеспечивающих его жизнедеятельность.
Белки - высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидными связями альфа-аминокислот. В живых организмах аминокислотный состав белков определяется генетическим кодом, при синтезе в большинстве случаев используется 20 стандартных аминокислот. Множество их комбинаций дают большое разнообразие свойств молекул белков. Кроме того, аминокислоты в составе белка часто подвергаются посттрансляционным модификациям, которые могут возникать и до того, как белок начинает выполнять свою функцию, и во время его «работы» в клетке. Часто в живых организмах несколько молекул белков образуют сложные комплексы, например, фотосинтетический комплекс у зелёных растений.

1 1.1. Структура белка

Размер белка может измеряться в числе аминокислот или в дальтонах (молекулярная масса), чаще из-за относительно большой величины молекулы в производных единицах — килодальтонах (кДа). Белки дрожжей, в среднем, состоят из 466 аминокислот и имеют молекулярную массу 53 кДа. Самый большой из известных в настоящее время белков — титин — является компонентом саркомеров мускулов; молекулярная масса его различных изоформ варьирует в интервале от 3000 до 3700 кДа, он состоит из 38 138 аминокислот (в человеческой мышце solius).
Сравнительный размер белков. Слева направо:антитело(IgG),гемоглобин,инсулин(гормон), аденилаткиназа (фермент) и глютаминсинтетаза (фермент) [23; 2000]

Молекулы белков представляют собой линейные полимеры, состоящие из α-L-аминокислот (которые являются мономерами) и, в некоторых случаях, из модифицированных основных аминокислот (правда,модификации происходят уже после синтеза белка на рибосоме). Для обозначения аминокислот в научной литературе используются одно- или трёхбуквенные сокращения. Хотя на первый взгляд может показаться, что использование в большинстве белков «всего» 20 видов аминокислот ограничивает разнообразие белковых структур, на самом деле количество вариантов трудно переоценить: для цепочки всего из 5 аминокислот оно составляет уже более 3 миллионов, а цепочка из 100 аминокислот (небольшой белок) может быть представлена более чем в 10130 вариантах. Белки длиной от 2 до нескольких десятков аминокислотных остатков часто называют пептидами, при большей степени полимеризации—белками, хотя это деление весьма условно.

При образовании белка в результате взаимодействия α-аминогруппы (-NH2) одной аминокислоты с α-карбоксильной группой (-COOH) другой аминокислоты образуются пептидные связи. Концы белка называют C- и N-концом (в зависимости от того, какая из групп концевой аминокислоты свободна: -COOH или -NH2, соответственно). При синтезе белка на рибосоме новые аминокислоты присоединяются к C-концу, поэтому название пептида или белка даётся путём перечисления аминокислотных остатков начиная с N-конца.

Схематичное представление пептидной связи

Последовательность аминокислот в белке соответствует информации, содержащейся в гене данного белка. Эта информация представлена в виде последовательности нуклеотидов, причём одной аминокислоте соответствует в ДНК последовательность из трёх нуклеотидов— так называемый триплет или кодон. То, какая аминокислота соответствует данному кодону в мРНК, определяется генетическим кодом,
который может несколько отличаться у разных организмов. Синтез белков на рибосомах происходит, как правило, из 20 аминокислот, называемых стандартными. Триплетов, которыми закодированы аминокислоты в ДНК, у разных организмов от 61 до 63 (то есть от числа возможных триплетов (4³ = 64), вычтено число стоп-кодонов (1—3)). Поэтому появляется возможность, что большинство аминокислот может быть закодировано разными триплетами. То есть, генетический код может является избыточным или, иначе, вырожденным. Это было окончательно доказано в эксперименте при анализе мутаций. Генетический код, кодирующий различные аминокислоты имеет разную степень вырожденности (кодируются от 1 до 6 кодонами), это зависит от частоты встречаемости данной аминокислоты в белках, за исключением аргинина. Часто основание в третьем положении оказывается несущественным для специфичности, то есть одна аминокислота может быть представлена четырьмя кодонами, различающимися только третьим основанием. Иногда различие состоит в предпочтении пурина пиримидину. Это называют вырожденностью третьего основания.

Такой трёхкодонный код сложился эволюционно рано. Но существование различий в некоторых организмах, появившихся на разных эволюционных стадиях, указывает на то, что он был не всегда таким.

Согласно некоторым моделям, сначала код существовал в примитивном виде, когда малое число кодонов обозначало сравнительно небольшое число аминокислот. Более точное значение кодонов и большее число аминокислот могли быть введены позже. Сначала только первые два из трех оснований могли быть использованы для узнавания [что зависит от структуры тРНК].

—Б. Льюин. Гены, М.: 1987, с. 62.

Уровни организации

Первичная структура — последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Важными особенностями первичной структуры являются консервативные мотивы — сочетания аминокислот, играющих ключевую роль в функциях белка. Консервативные мотивы сохраняются в процессе эволюции видов, по ним часто удаётся предсказать функцию неизвестного белка.

Вторичная структура — локальное упорядочивание фрагмента полипептидной цепи, стабилизированное водородными связями

Третичная или трёхмерная структура — пространственное строение полипептидной цепи (набор пространственных координат составляющих белок атомов). Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль.

Четверичная структура (или субъединичная, доменная) — взаимное расположение нескольких полипептидных цепей в составе единого белкового комплекса. Белковые молекулы, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности и лишь после окончания синтеза образуют общую надмолекулярную структуру. В состав белка с четвертичной структурой могут входить как идентичные, так и различающиеся полипептидные цепочки. В стабилизации четвертичной структуры принимают участие те же типы взаимодействий, что и в стабилизации третичной. Надмолекулярные белковые комплексы могут состоять из десятков молекул.[2; 1984]

Фолдинг белка.

Схематичное изображение биосинтеза белка в клетке и его перехода в функционально активное состояние.

1 3.1. Кодирование формирования третичной структуры.

Несмотря на то что в клетке имеется много факторов, вовлеченных в процесс фолдинга полипептидной цепи, можно считать установленным то обстоятельство что код, согласно которому полипептидная цепь сворачивается в уникальную третичную структуру, заключен в аминокислотной последовательности самой полипептидной цепи [5; 2002]. Впервые это было продемонстрировано в работах Анфинсена [6;1973], показавшего экспериментально, что рибонуклеаза A, денатурированная мочевиной, в присутствии агента, разрушающего S—S-связи, восстанавливает полностью нативную структуру и ферментативную активность после удаления денатуранта и агента,

В последующем способность к ренатурации была показана для ряда других однодоменных белков относительно небольшого размера [6;2004]. Тем самым было доказано, что пространственная структура нативного состояния макромолекулы белка запрограммирована в его первичной структуре. При этом важно подчеркнуть, что принципы кодировки нативной пространственной структуры белка принципиально отличаются от принципа кодировки его аминокислотной последовательности . При синтезе белка последовательно, шаг за шагом считывается информация, закодированная в нуклеотидах, и одна за другой собираются в полипептидную цепь сооветствующие аминокислоты, т. е. одномерная информация, заключенная в нуклеотидной последовательности ДНК, трансформируется в одномерную же информацию о последовательности аминокислот первичной структуры белка. При фолдинге белка пошаговый механизм передачи информации явно не работает. В определении контактов, возникающих в третичной пространственной структуре макромолекулы белка, участвуют удаленные друг от друга по цепи аминокислотные остатки. При этом определяющую роль в фолдинге белка играют лишь некоторые (далеко не все) аминокислотные остатки. По этой причине гомологичные белки (иногда с достаточно низкой гомологией) имеют сходную структуру С другой стороны, одна-единственная аминокислотная замена может существеннейшим образом сказаться на скорости сворачивания или даже полностью нарушить правильное сворачивание белка [5; 2002].

Мерой стабильности структуры белка является свободная энергия F = H – TS, которая определяется его энтальпией H, т. е. энергией взаимодействия атомов белка,и его энтропией S = R ln N (R — молярная газовая постоянная, T — абсолютная температура), являющейся мерой числа конформаций N, которыми данное состояние белка может быть реализовано. Способность белка самопроизвольно сворачиваться в нативное состояние означает, что этому состоянию белка
отвечает минимум свободной энергии. Более строго нужно говорить о минимуме свободной энергии системы белок—растворитель. Дело в том, что одним из основных факторов, определяющих стабильность структуры белка, являются гидрофобные взаимодействия, т. е. стремление неполярных групп белка уйти из водного окружения, поскольку при этом происходит освобождение молекул воды, образующих вокруг неполярных групп белка льдоподобные упорядоченные структуры. Образование гидрофобного ядра макромолекулы белка приводит к существенному уменьшению свободной энергии системы белок—растворитель за счет возрастания энтропии растворителя.

Сворачивание белка заключается в поиске уникальной нативной структуры, отвечающей минимуму свободной энергии, среди большого числа конформаций, которые может принимать полипептидная цепь за счет поворотной изомеризации относительно связей N—Cα(угол φ), Сα—С (угол Ψ) и С—N (угол ώ) . Однако жесткость пептидной связи не допускает вращения вокруг связи C—N. Атомы, входящие в пептидную связь, лежат в одной плоскости в трансконформации .

Исключение составляет пептидная связь, предшествующая остатку пролина. В нативном белке часть пептидных связей в этом случае имеет цисконформацию. Энергетические барьеры между шестью конформациями полипептидной цепи, отвечающими минимуму свободной энергии по углам φ и Ψ, составляют около 1 ккал/моль, т. е. близки к энергии тепловых колебаний (0.6 ккал/моль). Поэтому поворотная изомеризация относительно связей N—Cα и Сα—С обеспечивает возможность существования огромного числа конформаций основной цепи белка в развернутом состоянии. Возможно практически свободное вращение относительно этих

связей.

обычно составляет доли секунды), известен как «парадокс Левинталя». Это сделало очевидным, что в аминокислотной последовательности запрограммирована не только структура нативного состояния макромолекулы белка, но и путь его достижения.

Иллюстрация планарности пептидной связи. [4; 2005]

2 3.2. Особенности фолдинга белка в клетке

Фолдинг белков в живой клетке осложнен по крайней мере двумя факторами. Во-первых, фолдинг белка всегда сопряжен с его синтезом. Сходящая с рибосомы полипептидная цепь сразу начнет сворачиваться. Если это небольшой б-спиральный белок, то сворачивание полипептидной цепи происходит по мере ее роста (котрансляционное сворачивание). Однако это не всегда так, и существует опасность возникновения неправильных внутримолекулярных контактов. Кроме того, сходя с рибосомы, полипептидная цепь сразу попадает в «густонаселенную» физиологическую среду клетки. При этом очень велика опасность образования нежелательных контактов с «соседями» [6;2004]. Поэтому для правильного сворачивания белков в этих условиях им необходимы помощники. Такими помощниками являются шапероны и ферменты, ответственные за цис-трансизомеризацию пролина и образование «правильных» дисульфидных мостиков. Шапероны представляют собой обширный класс белков, различающихся по молекулярной массе, структуре и функции. Они способствуют котрансляционному сворачиванию полипептидных цепей, что особенно важно при синтезе больших мультидоменных белков, препятствуют агрегации денатурированных белков, ускоряют процесс перехода белка из промежуточного в нативное состояние, участвуют в транспорте белков к местам их назначения, в частности обеспечивают перенос белков через мембраны [6;2004]. Необходимо подчеркнуть, что наличие помощников при фолдинге белка в клетке отнюдь не противоречит фундаментальному заключению, сделанному на основании экспериментов, выполненных in vitro, о том, что
структура нативного состояния белка и путь ее достижения закодированы в его первичной структуре.

4 3.4. Сворачивание белков через образование промежуточных состояний.

Не все белки сворачиваются в нативное состояние по одностадийному механизму. В начале 1980-х годов было установлено, что переход из нативного состояния в полностью развернутое для ряда белков осуществляется не по принципу «все или ничего», а через образование термодинамически стабильных промежуточных состояний [4; 2005]. Было так же показано, что ренатурация многих глобулярных белков из полностью развернутого состояния происходит через стадию накопления кинетического интермедиата [5; 2002], свойства которого совпадают со свойствами термодинамически стабильного состояния белковой молекулы, промежуточного между нативным и полностью развернутым состояниями. В этом состоянии макромолекула белка сохраняет компактность и выраженную вторичную структуру,
присущую нативному состоянию, однако отличается от нативной молекулы отсутствием жесткой упаковки боковых цепей. О. Б. Птицыным была выдвинута идея [5; 2002] о том, что это состояние белка, названное по совокупности перечисленных выше признаков «расплавленной глобулой», может играть универсальную роль в процессе самоорганизации белковой молекулы.

Идея о существовании универсального термодинамически стабильного интермедиата типа расплавленной глобулы оказалась исключительно плодотворной и на длительное время определила направление научных исследований многих ведущих лабораторий мира. Интерес исследователей к изучению белков в состоянии расплавленной глобулы еще более возрос в связи с появлением данных о том, что это состояние, возможно, является одной из основных форм существования макромолекул белков в клетке и обеспечивает ряд существенных внутриклеточных процессов, таких как узнавание белков шаперонами, проникновение белков через мембраны, диссоциация лигандов и т. д. [5; 2002]. В последующем выяснилось, что наряду с состоянием типа расплавленной глобулы возможны и другие денатурированные частично свернутые состояния белка, например предшественник расплавленной глобулы [6;1973] или высоко структурированная расплавленная глобула . Во многих случаях было обнаружено, что переход в промежуточное состояние сопровождается агрегацией ил и специфической ассоциацией [4; 2005], что совершенно исключалось в модели «расплавленной глобулы».

5 3.5. Модель энергетической воронки

Энергетическая поверхность, определяющая пути сворачивания белка в нативное состояние.[4; 2005]

Согласно современным представлениям, переход от полностью развернутого состояния в уникальное нативное состояние может осуществляться различными путями, которые определяются энергетической поверхностью, т. е. зависимостью свободной энергии макромолекулы белка от всех координат, определяющих состояние системы (модель «энергетических поверхностей»). В рамках этой модели
развернутому состоянию полипептидной цепи отвечает широкое «холмистое плато» свободной энергии, отражающее реализацию этого состояния огромным числом конформаций основной цепи. Возвышенности на плато отражают существование запрещенных конформаций . Переход от полностью развернутого состояния в уникальное нативное состояние может осуществляться различными путями. Число возможных конформационных состояний полипептидной цепи уменьшается по мере приближения к нативному состоянию, поэтому такую энергетическую поверхность часто называют также «энергетической воронкой». Совпадение денатурационных кривых, полученных путем измерения различных физических характеристик белка, является экспериментальным свидетельством того, что переход между этими состояниями осуществляется по принципу «все или ничего». Это означает, что плато отделено от входа в воронку свободноэнергетическим барьером, отвечающим переходному состоянию #.

Нативное состояние белка

Схема, иллюстрирующая переход прионного белка, имеющего преимущественно α-спиральную структуру, в состояние амилоидных фибрилл.[4; 2005]

В том случае, если на склонах воронки нет глубоких минимумов, молекула после преодоления свободноэнергетического барьера быстро достигает нативного состояния. Скорее всего, минимум свободной энергии, отвечающей нативному состоянию, в которое белок сворачивается наиболее быстро, является одновременно и абсолютным минимумом свободной энергии. Модель энергетической воронки позволяет, однако, предположить, что нативное

9 3.9. Роль промежуточных состояний в образовании агрегированых форм белков.

При
наличии на склонах воронки глубоких локальных минимумов могут образовываться промежуточные состояния. Соотношение доли молекул, находящихся в нативном и промежуточном состояниях в условиях равновесия, определяется разностью их свободных энергий, скорость достижения равновесия — величиной свободноэнергетического барьера, отделяющего эти состояния. В противоположность представлению о том, что промежуточное состояние, являясь вехой на пути сворачивания, может содержать только нативоподобные структуры, модель энергетической поверхности позволяет предположить, что могут существовать промежуточные состояния, имеющие элементы структуры, не присутствующие в нативном белке. Возникновение таких промежуточных состояний может инициировать ассоциацию или агрегацию макромолекул. В некоторых случаях эти агрегаты могут иметь аморфный характер, в других — возникают обогащенные β-структурой амилоидные фибриллы. Исследования структуры и путей образования денатурированных частично свернутых агрегированных (ассоциированных) форм белков важны не только для решения фундаментальной проблемы фолдинга белка, но имеют также существенное практическое значение для медицины (выяснение причин заболеваний, связанных с нарушением фолдинга белков: [9;2000] и биотехнологии (анализ причин возникновения неправильно свернутых агрегированных форм рекомбинантных белков и их аккумуляции в телах включения. В связи с практической значимостью для медицины выяснение факторов, способствующих образованию амилоидных фибрилл, а также изучение структуры белков в этом состоянии являются в настоящее время предметом интенсивных исследований. Установлено, что амилоидные фибриллы разного происхождения имеют сходную морфологию. Они представляют собой длинные неразветвленные структуры диаметром несколько

нанометров, образованные перевитыми между собой протофибриллами, в которых β-слои ориентированы перпендикулярно оси фибриллы. Для все большего числа белков удается подобрать условия, при которых

4. Болезни связанные с нарушением фолдинга белка

Существует ряд заболеваний этиология и патогенез которых связан с нарушениями фолдинга белка. Их можно (с теми или иными допущениями) разделить на те, где нарушения процесса свёртывания происходит самопроизвольно и те, где нарушение свёртывание индуцируется инородным белком — прионом.

К первой группе можно отнести такие заболевания как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона, по некоторым гипотезам — диабет типа II и рассеяный склероз.

Вторая группа — прионные болезни - болезнь Крейцфельда-Якоби (коровье бешенство), Фатальная семейная бессонница, болезнь Куру и другие.

5. Заключение

Из моей научной работы отчётливо понятно насколько важна затронутая мной тематика. Исследования фолдинга белков — это одна из важнейших проблем современной биохимии и молекулярной микробиологии, но и кроме того — изучение процесса фолдинга может дать нам возможность лучше понимать и лечить такие тяжёлые для общества и отдельных людей заболевания как болезнь Альцгеймера, Паркинсона,диабет типа II,болезнь Крейтцфельдта — Якоба (коровье бешенство) и склероз.

6. Список литературы:

http://folding.stanford.edu/

Hashimoto M, Rockenstein E, Crews L, Masliah E (2003). «Role of protein aggregation in mitochondrial dysfunction and neurodegeneration in Alzheimer's and Parkinson's diseases». Neuromolecular Med. 4 (1–2): 21–36.

Страйер Л. Биохимия в 3 томах. — М.: Мир, 1984

И. М. Кузнецова, В. Форже, К. К. Туроверов. Структурная динамика, стабильность и фолдинг белков. Цитология, том 47,№ 11 2005

Финкельштейн, Птицын, «Физика белка» , Москва, 2002

http://folding.stanford.edu/Russian/Science

Anfinsen C. (1973). «Principles that Govern the Folding of Protein Chains». Science 181: 223—229.

Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж. и др. Молекулярная биология клетки. В 3 томах. — М.: Мир, 2004

Wetzel, 1994; Speed et al., 1996; Fink, 1998

Спектральные свойства тиофлавина T и его комплексов с амилоидными фибриллами. Журн. прикл. Спектроскопии. 70 (6) : 767—773. 2005

Билл Грант "Старческое слабоумие. Болезнь Альцгеймера и другие формы." Alzheimer's Disease. A Carer's Guide Серия: Советы врача Норинт, 2003 г.,

Memantine. US National Library of Medicine (Medline) (2004-01-04)

«Guidelines for managing Alzheimer's disease: Part II. Treatment». American Family Physician 65 2006

http://clinicaltrials.gov/ct2/show/NCT00479557

Kawas CH
(2006). «Medications and diet: protective factors for AD?». Alzheimer Dis Assoc Disord 20 (3 Suppl 2): S89–96.

«Effect of dimebon on cognition, activities of daily living, behaviour, and global function in patients with mild-to-moderate Alzheimer's disease: a randomised, double-blind, placebo-controlled study». Lancet 372 (9634): 207–15 2009

«Forecasting the global burden of Alzheimer’s disease». Alzheimer's and Dementia 3 (3): 186–91 2008

Ю. Г. Каминский, Е. А. Косенко "Популярно и не очень о болезни Альцгеймера" Либроком, 2009 г., 136 стр.

Автор - Garrondo, изображение является собственной работой автора и распространяется по лицензии CC BY-SA.

Автор - Klunkwe, изображение является собственной работой автора и распространяется по лицензии CC AS-A

Anthony Nicholls, Kim Sharp and Barry Honig, PROTEINS, Structure, Function and Genetics, Vol. 11, No. 4, 2000, pg. 281Ff. Распространяется по лицензии СС AS-A

Alexei Kouprianov. Own work, based on the diagram en:Image:Prion propagation.png 2008

И.С.Шкундина, М.Д.Тер-Аванесян. Прионы. Успехи биологической химии, т. 46, 2006

Prion biology and diseases, edited by S.B.Prusiner, Cold Spring Harbor, NY, 1999