Додаток 4-5 Біохімія в медицині

Неправильне згортання протеїнів призводить до загибелі: пріонові хвороби

Помилки під час згортання протеїнів є причиною декількох рідкісних деґенеративних захворювань мозку у ссавців. Найвідоміше з них - коров'ячий сказ (губчаста енцефалопатія великої рогатої худоби), спалах якого став відомим на весь світ навесні 1996 р. До споріднених хвороб відносяться також хвороба куру (з мови племені Нової Гвінеї - тремтіння) і хвороба Кройтцфельдта-Джакоба у людей, та хвороба скрепі в овець. Ці захворювання належать до губчастих енцефалопатій, названих так тому, що мозок часто стає пронизаним дірками (Рис. 1). Типові симптоми хвороб – деменція та втрата координації. Ці хвороби смертельні.

У 1960-х роках вчені знайшли, що препарати збудників захворювання не містять нуклеїнових кислот. Тоді ж Тиквах Альпер припустив, що збудники хвороби - протеїни. Спочатку ця ідея видавалася єретичною. Всі відомі до того часу збудники хвороб - віруси, бактерії, гриби і т.д. - містили нуклеїнові кислоти, і їх вірулентність була пов'язана з генетичною репродукцією та розмноженням. Однак чотири десятиліття досліджень, проведених в основному Стенлі Прузінером, надали додаткові підтвердження того, що губчасті енцефалопатії відрізняються від інших хвороб.

Було виділено збудника хвороби, ним виявився протеїн (М_r 28000), який Прузінер назвав пріоном (з анг. proteinaceous infectious only – тільки протеїнова інфекція), або пріоновим протеїном, ПрП (англ. PrP). Пріоновий протеїн входить до складу тканин мозку всіх ссавців. Конкретна роль цього протеїну у мозку невідома, але припускають, що йому властива функція молекулярного сигналювання. Лінії мишей, у яких відсутній ґен ПрП (а, отже, і сам протеїн), не виявляють жодних ознак хвороби, вона з'являєтъся лише тоді, коли нормальний клітинний ПрП, тобто ПрП^к, знаходиться в альтернативній конформації PrP^ск (ск - означає “скрепі” ). Взаємодія ПрП^ск з ПрП^к перетворює останній на ПрП^ск, ініціюючи ефект доміно, коли все більша кількість протеїну мозку перетворюється у характерну для хвороби форму. Механізм, за допомогою якого ПрП^ск спричиняє губчасту енцефалопатію, досі не з’ясовано.

У випадку успадкованих форм пріонових хвороб мутація ґену, який кодує ПрП, викликає зміну одного амінокислотного залишку, що, як вважається, полегшує перетворення ПрП^к в ПрП^ск. Для повного з’ясування причин пріонових хвороб необхідна нова інформація про те, як пріоновий протеїн впливає на діяльність мозку. Інформація щодо структури ПрП починає прояснювати сутність молекулярних процесів, які дозволяють пріоновим протеїнам взаємодіяти таким чином, щоб змінити свою конформацію (Рис. 2)

Рисунок 1

На забарвленому зрізі кори головного мозку пацієнта із хворобою Кройтцфельда-Джакоба видно губчасту (вакуолярну) деґенерацію - найхарактернішу нейрогістолоґічну ознаку захворювання. Внутрішньоклітинні жовтуваті вакуолі спостерігаються здебільшого в пре- і постсинаптичних відростках нейронів. Діаметр вакуолей на цьому зрізі коливається в межах від 20 до 100 мкм.

Рисунок 2

Структура глобулярного домена ПрП людини у мономерній (зліва) і димерній (справа) формах. Друга субодиниця сірого кольору. Видно, що формування димера пов’язано зі значною зміною конформації зеленої α-спіралі.

______________________________________________________________________

Процес згортання деяких протеїнів потребує допоміжних факторів

Під час синтезу у клітині не всі протеїни згортаються спонтанно. Процес згортання багатьох із них полегшується під впливом спеціалізованих протеїнів. До них належать молекулярні шаперони - протеїни, що взаємодіють з частково згорнутими чи неправильно згорнутими поліпептидами, сприяючи їх правильному згортанню або створюючи мікрооточення, в якому таке згортання може відбутися. Добре вивчено два класи молекулярних шаперонів, знайдених у широкого спектра орґанізмів - від бактерій до людини. Перший клас – це родина протеїнів Hsp70, які мають молекулярну вагу близько 70000 і більше поширені в клітинах, підданих високотемпературному стресові (звідси і їхня назва - heat shock proteins M_r 70000, або Hsp70). Ці протеїни зв'язуються з багатими на гідрофобні залишки ділянками незгорнених поліпептидів, запобігаючи їх неправильній агрегації. Отже, такі шаперони "захищають" денатуровані теплом протеїни, а також щойно синтезовані і ще незгорнені пептиди. Вони також блокують згортання певних протеїнів, які повинні залишатися у незгорненому стані до транслокації крізь мембрану (що описано в розділі 27). Деякі шаперони здатні полегшувати утворення четвертинних агрегатів оліґомерних протеїнів. Hsp70 зв'язують і вивільняють протеїни в циклічному процесі, який включає також кілька інших протеїнів (зокрема, клас Hsp40) і гідроліз ATP. На рис. 4-30 показано згортання протеїнів за участю шаперонів на прикладі протеїнів DnaK і DnaJ E. coli, гомолоґів Hsp70 і Hsp40 клітин еукаріотів. Протеїни DnaK і DnaJ вперше були ідентифіковані як такі, що необхідні для реплікації in vitro певних вірусних ДНК (звідси і позначення - Dna).

Другий клас шаперонів – це шапероніни, дуже складні комплекси протеїнів, необхідні для згортання низки інших клітинних протеїнів, нездатних до спонтанного згортання. Визначено, що за нормальних умов від 10% до 15% протеїнів E. coli для згортання потребують системи шаперонінів, названої GroEL/GroES (а в разі теплового стресу - до 30%). Спочатку було виявлено необхідність цих протеїнів для росту певних бактеріальних вірусів (з англ. «growth” означає “ріст”, звідси скорочення "Gro"). Незгорнені протеїни зв'язуються всередині «кишень» комплексу GroEL, які тимчасово накриваються комплексом GroЕS (Рис. 4-31). Далі відбуваються значні конформаційні зміни GroEL, спряжені з гідролізом ATP і зв'язуванням та вивільненням GroES, що пришвидшує згортання зв'язаного поліпептиду. Хоча структура комплексу GroEL/GroES вже відома, проте багато деталей механізму його дії все ще не з’ясовано.

І насамкінець необхідно відмітити, що спосіб згортання деяких протеїнів потребує участі двох ензимів, які каталізують реакції ізомеризації. Широко поширена протеїндисульфідізомераза (ПДІ) каталізує перерозподіл або переміщення дисульфідних зв'язків доти, доки не будуть сформовані зв’язки, властиві нативній конформації. Одна з функцій ПДІ полягає у каталізі реакції видалення проміжних згорнених структур з неправильними поперечними дисульфідними з’єднаннями. Ензим пептидпроліл-цис-трансізомераза (ППІ) каталізує взаємоперетворення цис- і транс- ізомерів пептидних зв'язків по залишках проліна (Рис. 4-8б), що може буди лімітуючим етапом у процесі згортання протеїнів, які містять частину зв'язків залишків Pro в цис-конформації.

Напевно, що згортання протеїнів у щільному клітинному середовищі відбувається складніше, ніж у пробірці. Цілком можливо, що у подальшому біохімічному дослідженні даної проблеми будуть відкриті нові класи протеїнів, які полегшують цей процес.

Підсумок 4.4 Денатурація та згортання протеїнів

-У процесі денатурації може руйнуватися тривимірна структура і змінюватися функції протеїнів, що свідчить про взаємозв'язок між цими властивостями. Деякі денатуровані протеїни можуть самочинно ренатурувати з утворенням біологічно активного протеїну, це вказує на те, що третинна структура протеїнів визначається їхньою амінокислотною послідовністю.

-Процес згортання протеїнів у клітинах, очевидно, відбувається упродовж декількох етапів. Спочатку можуть утворюватися ділянки вторинної структури, які потім згортаються у надвторинні структури. Великі ансамблі проміжних згорнених форм швидко набувають нативної конформації.

-Згортання багатьох протеїнів пришвидшується шаперонами Hsp70 та шаперонінами. Утворення дисульфідних зв'язків і цис-транс-ізомеризація пептидних зв'язків проліну каталізуються специфічними ензимами.