Сворачивание белков

Фолдинг белков — это процесс самопроизвольного сворачивания полипептидной цепи в уникальную трёхмерную пространственную структуру, характерную для данного белка. Этот процесс, также известный как укладка белка, является фундаментальным для биологии, поскольку именно трёхмерная структура определяет функциональную активность белковой молекулы. Фолдинг происходит в результате сложного взаимодействия аминокислотных остатков друг с другом и с окружающим растворителем, главным образом водой. Неправильное сворачивание белков (мисфолдинг) может приводить к образованию нерастворимых агрегатов и является причиной ряда тяжёлых заболеваний, известных как конформационные болезни.

История изучения

Первые представления о том, что белки имеют определённую структуру, возникли в начале XX века. В 1950-х годах, после расшифровки первичной структуры инсулина Фредериком Сенгером, стало ясно, что последовательность аминокислот должна каким-то образом определять пространственную укладку. Ключевым этапом стало проведение экспериментов Кристианом Анфинсеном в 1950-1960-х годах. Он показал, что фермент рибонуклеаза, денатурированный (развёрнутый) в растворе мочевины, способен спонтанно восстанавливать свою нативную структуру и активность после удаления денатурирующего агента. Этот эксперимент привёл к формулировке постулата Анфинсена: вся информация, необходимая для сворачивания белка в правильную трёхмерную структуру, закодирована в его аминокислотной последовательности. За это открытие Анфинсен получил Нобелевскую премию по химии в 1972 году.

В последующие десятилетия исследования сосредоточились на механизмах фолдинга. Были открыты молекулярные шапероны — белки, помогающие другим белкам сворачиваться, предотвращая агрегацию. Развитие методов молекулярной динамики и компьютерного моделирования позволило изучать процесс фолдинга на атомном уровне, хотя полное моделирование сворачивания крупных белков остаётся одной из сложнейших задач вычислительной биологии.

Термодинамика и кинетика фолдинга

Термодинамика

Фолдинг белка — это переход из состояния с высокой энтропией (развёрнутый клубок) в состояние с низкой энтропией (компактная глобула). С точки зрения термодинамики, такой переход возможен только при условии, что он сопровождается значительным уменьшением свободной энергии Гиббса системы. Основной вклад в уменьшение энергии вносит гидрофобный эффект: неполярные (гидрофобные) аминокислотные остатки стремятся уйти от контакта с водой, образуя плотное ядро внутри глобулы. Дополнительную стабилизацию обеспечивают водородные связи, ионные связи (солевые мостики) и вандерваальсовы взаимодействия. Таким образом, хотя конформационная энтропия цепи уменьшается, общая свободная энергия системы «белок + растворитель» становится ниже благодаря выигрышу в энтальпии и энтропии растворителя.

Кинетика и парадокс Левинталя

В 1968 году Сайрус Левинталь указал на фундаментальную проблему: если бы белок сворачивался путём случайного перебора всех возможных конформаций, то на это потребовалось бы астрономическое время, превышающее время существования Вселенной. Однако в реальности белки сворачиваются за миллисекунды или секунды. Этот парадокс, известный как парадокс Левинталя, разрешается тем, что фолдинг не является случайным блужданием. Он происходит по определённым энергетическим путям, где белок последовательно проходит через ряд промежуточных состояний, постепенно уменьшая число возможных конформаций.

Современные представления описывают фолдинг с помощью модели энергетической воронки. В этой модели энергия системы уменьшается по мере приближения к нативному состоянию, а ширина воронки отражает количество доступных конформаций. На начальных этапах белок быстро «скатывается» к области воронки, образуя нестабильные структуры, затем постепенно находит путь к глобальному минимуму энергии.

Механизмы и стадии фолдинга

Процесс фолдинга можно условно разделить на несколько этапов, хотя в реальности они могут перекрываться:

1. Образование зародыша (nucleation): В развёрнутой цепи возникают локальные участки вторичной структуры (α-спирали, β-складчатые листы), которые служат центрами кристаллизации.
2. Формирование глобулы расплава (molten globule): Образуется компактная, но ещё не полностью упорядоченная структура. Вторичная структура частично сформирована, но третичная укладка ещё не фиксирована.
3. Уплотнение и фиксация: Происходит точная укладка боковых цепей, формирование гидрофобного ядра и специфических взаимодействий, приводящее к достижению нативной структуры.

Роль шаперонов

Не все белки способны сворачиваться самостоятельно. В условиях клетки, где высока концентрация макромолекул, существует риск агрегации частично свёрнутых белков. Для предотвращения этого и для помощи в фолдинге сложных белков существуют молекулярные шапероны. Это белки, которые связываются с гидрофобными участками развёрнутой или неправильно свёрнутой полипептидной цепи, изолируя их от окружения и создавая благоприятные условия для правильного сворачивания. Шапероны не являются ферментами, катализирующими фолдинг, они скорее создают «стерильные» условия, предотвращая нежелательные взаимодействия. Наиболее изученными являются шапероны семейства Hsp70 и Hsp60 (шаперонины, например, GroEL/GroES у бактерий).

Неправильное сворачивание и болезни

Нарушение процесса фолдинга может приводить к образованию агрегатов белков, которые накапливаются в клетках и тканях, вызывая их дисфункцию и гибель. Такие заболевания называются конформационными болезнями или протеинопатиями. К ним относятся:

• Болезнь Альцгеймера: Накопление β-амилоидных пептидов в виде амилоидных бляшек и гиперфосфорилированного тау-белка в нейрофибриллярных клубках.
• Болезнь Паркинсона: Образование телец Леви из агрегированного α-синуклеина.
• Прионные болезни (например, болезнь Крейтцфельдта-Якоба, куру): Вызываются аномальной формой прионного белка (PrP^Sc), которая способна индуцировать конформационный переход нормального белка (PrP^C) в патогенную форму, запуская цепную реакцию агрегации.
• Боковой амиотрофический склероз (БАС): Связан с агрегацией супероксиддисмутазы 1 (SOD1) и других белков.
• Сахарный диабет 2 типа: Накопление амилоида из полипептида амилина (IAPP) в β-клетках поджелудочной железы.
• Наследственные амилоидозы: Группа заболеваний, вызванных мутациями в различных белках, приводящими к их агрегации.

Методы изучения фолдинга

Исследование фолдинга белков требует сочетания экспериментальных и вычислительных подходов:

• Рентгеноструктурный анализ и ЯМР-спектроскопия: Позволяют определить трёхмерную структуру белка в нативном состоянии.
• Спектроскопия кругового дихроизма (КД) и флуоресцентная спектроскопия: Используются для мониторинга изменений вторичной и третичной структуры в процессе фолдинга.
• Метод быстрой остановки потока (stopped-flow): Позволяет изучать кинетику фолдинга с миллисекундным разрешением.
• Компьютерное моделирование (молекулярная динамика): Позволяет симулировать процесс фолдинга на атомном уровне, хотя для больших белков это требует огромных вычислительных ресурсов.
• AlphaFold и другие нейросетевые модели: Современные системы искусственного интеллекта, способные с высокой точностью предсказывать трёхмерную структуру белка по его аминокислотной последовательности, что является прорывом в изучении фолдинга.

Значение

Понимание механизмов фолдинга белков имеет огромное фундаментальное и прикладное значение. Оно лежит в основе понимания молекулярных механизмов жизни, развития болезней и создания новых лекарств. Разработка методов коррекции неправильного фолдинга (например, с помощью фармакологических шаперонов) является перспективным направлением терапии конформационных заболеваний. Кроме того, предсказание структуры белков с помощью компьютерных методов открывает возможности для дизайна новых белков с заданными свойствами, что востребовано в биотехнологии и медицине.

Источники

• Анфинсен К. «Исследования по структуре и функции белков» (Нобелевская лекция, 1972).
• Левинталь С. «Как сворачиваются белки» (1968).
• Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. «Физика белка». М.: КДУ, 2012.
• Dobson C.M. «Protein folding and misfolding». Nature, 2003.
• Hartl F.U., Hayer-Hartl M. «Molecular chaperones in the cytosol: from nascent chain to folded protein». Science, 2002.
• Jumper J. et al. «Highly accurate protein structure prediction with AlphaFold». Nature, 2021.