Фолдинг белка. Шапероны.

Аминокислотная последовательность не является единственным фактором, определяющим форму белковой молекулы. В клетке существуют специальные молекулы, которые активно участвуют в фолдинге белков.

В совокупности молекулы, участвующие в фолдинге белков, называют регуляторами фолдинга, среди которых выделяют несколько типов. Молекулы, ускоряющие фолдинг, называются катализаторами фолдинга. Молекулы, служащие для изменения формы белка, — шаперонами фолдинга. Существует четыре типа молекул, которые играют роль таких шаперонов.

1. Молекулы, обеспечивающие правильный фолдинг белков (фолдинг-шапероны — folding chaperones).

2. Молекулы, созданные для удержания частично свернутой молекулы белка в определенном положении. Это необходимо, чтобы система имела возможность закончить фолдинг (удерживающие шапероны — holding chaperones).

3. Шапероны, разворачивающие белки с неправильной формой (дезагрегирующие шапероны — disaggregating chaperones).

4. Шапероны, сопровождающие белки, транспортируемые через клеточную мембрану (секреторные шапероны — secretory chaperons).

1.Фолдинг шапероны помогают белку принять правильную конформацию. Многие из них являются небольшими сахарами или пептидами. Небольшие по размеру молекулы фолдинг-шаперонов выступают в роли скоб и заклепок в сборочной линии, поддерживая изделие в правильной конфигурации, необходимой для завершения следующего этапа.

В длинной, линейной последовательности белка имеются гидрофильные участки, а также гидрофобные области. В водной среде клетки гидрофобные поверхности белка стремятся оказаться внутри белковой молекулы, выставляя гидрофильные участки наружу, где они могут взаимодействовать с молекулами воды. Функция небольших молекул фолдинг-шаперонов заключается во взаимодействии с гидрофобными поверхностями белка, заряжая их или, напротив, прикрывая заряженные области, что позволяет белку принять правильную форму. Путем добавления и удаления этих молекул клетка определяет, когда и каким образом гидрофобный участок белка окажется внутри белковой молекулы. Тем самым определяется форма белка.

2. Удерживающие шапероны связываются с белками, играя роль своеобразного резервуара этих белков до тех пор, пока фолдинг-шапероны не освобождаются и не начинают работу с этими белками. Удерживающие шапероны поддерживают белки в условиях химического и теплового напряжения до тех пор, пока условия внутри клетки не станут более благоприятными для правильного фолдинга белка. Это один из механизмов, который использует клетка для предотвращения неправильного фолдинга.

3. Дезагрегирующие шапероны осуществляют рефолдинг белков, фолдинг которых был выполнен неправильно. Они осуществляют в клетке важную контролирующую функцию по сбору и утилизации вторичного сырья. Несмотря на существование этих механизмов, определенный процент клеточных белков все же попадает в мусорную кучу, то есть образует нерастворимые включения. Включения видны в клетке в виде небольших плотных скоплений.

Одна из характерных черт шаперонов, которую вы нашли бы особенно важной, заключается в том, что они являются относительно неспецифичными. Иными словами, молекула шаперона будет осуществлять фолдинг более чем одного белка. Исследователи, изучающие причины неправильного фолдинга белков, случайно обнаружили в поврежденных клетках молекулы, сходные по структуре с шаперонами. Они нашли молекулы, которые исправляют последствия неправильного фолдинга белков. Исходя из универсальной природы шаперонов, вы можете вводить различные шапероны в биоинженерную систему и влиять на правильный фолдинг белка в среде, где он бы иначе не происходил. Создание специализированных шаперонов, ответственных за фолдинг рекомбинантных (биоинженерных) белков, — очень активно развивающаяся область биоинженерных исследований.

Белок можно подвергнуть фолдингу более одного раза. Представим себе белок, который предназначен для поступления в клеточную мембрану, то есть представляет собой интегральный мембранный белок. Белок образуется в цитоплазме клетки, а затем транспортируется по направлению к плазматической мембране. Такие белки проходят сквозь мембрану, закрепляются в ней и формируют на ее поверхности рецепторную структуру. Для транспорта белка может быть необходима одна его конформация, в то время как непосредственно перед встраиванием в мембрану белок подвергается рефолдингу.

В периплазматическом пространстве, то есть в пространстве между мембраной и оболочкой бактериальной клетки, находятся шапероны, обеспечивающие фолдинг и встраивание в мембрану интегральных мембранных белков. В эукариотических клетках большинство из посттрансляционных изменений белков направлено на их экспорт и встраивание внутрь плазматической мембраны. Такие модификации белков происходят в люмене эндоплазматического ретикулума и аппарате Гольджи. Эти органеллы предназначены для хранения и видоизменения белков.

В секреции белков из клетки участвует другая контролирующая система, которая включает секреторные шапероны.

4. Секреторные шапероны узнают сигнальную последовательность аминокислот, которую соответственно называют секреторной последовательностью. Эта последовательность связывается с секреторным шапероном, шаперон поступает внутрь мембраны, обеспечивая экспорт белка вместе с собой.