Молекула сложного белка состоит
из простого белка и небелкового вещества
– простетической группы.
Хромопротеиды – состоят из белка и связанного
с ним окрашенного небелкового компонента.
Различают гемопротеиды, магний-порфирины,
флавопротеиды. Они участвуют в фотосинтезе,
дыхании клеток и целостного организма,
транспорте кислорода и углекислоты, окислительно-востановительных
реакциях и т.д. Таким образом, они играют
исключительно важную роль в процессах
жизнедеятельности.
Гемопротеиды – к ним относятся гемоглобин
и его производные, миоглобин, хлорофилсодержащие
белки и ферменты. Все они содержат в качестве
небелкового компонента структурно сходные
железо- или магнийпорфирины.
Флавопротеиды – входят в состав ферментов
оксидоредуктаз, катализирующих окислительно-восстановительные
реакции в клетке. Некоторые из них содержат
ионы металлов.
Нуклеопротеиды – состоят из белков и нуклеиновых
кислот. Различают ДНП (дезоксинуклеопротеид),
РНП (рибонуклеопротеид). ДНП преимущественно
локализован в ядре, а РНП – в цитоплазме.
Липопротеиды – состоят из белка и липида. В
составе липопротеидов открыты нейтральные
жиры, свободные жирные кислоты, фосфолипиды,
холестериды. Липопротеиды широко распространены
в природе и выполняют разнообразные функции.
Они входят в состав клеточной мембраны,
внутриклеточных мембран ядра, митохондрий,
микросом, миелиновых оболочек
нервных волокон.
Фосфопротеиды. К ним относятся казеиноген
молока, вителлин, фосфовитин, выделенные
из желтка куриного яйца, овальбумин, много
фосфопротеидов в тканях нервной системы.
Они содержат органически связанный лабильный
фосфат, абсолютно необходимый для выполнения
ряда биологических функций.
Гликопротеиды. Простетическая группа представлена
углеводами и их производными. В гидролизате
обнаруживают гексозамины (глюкозамин,
галактозамин), глюкозу, маннозу, галактозу,
ксилозу, арабинозу, глюкуроновую, уксусную
и серные кислоты, нейраминовую и сиаловую
кислоты и т.д.
Металлопротеиды. К ним относятся биополимеры,
содержащие, кроме белка, ионы какого-либо
металла. Типичные представители – железосодержащие
ферритин, трансферрин, гемосидерин.
Гипотеза расплавленной глобулы.
В рамках этой
концепции выделяют несколько этапов
самосборки белков. 1. В развернутой полипептидной
цепи с помощью водородных связей и гидрофобных взаимодействий образуются отдельные участки вторичной
структуры, служащие как бы затравками
для формирования полных вторичных и супервторичных
структур. 2. Когда число этих участков
достигает определенной пороговой величины,
происходит переориентация боковых радикалов
и переход полипептидной цепи в новую
более компактную форму, причем число
нековалентных связей значительно увеличивается.
Характерной особенностью этой стадии
является образование специфических контактов
между атомами, находящимися на удаленных
участках полипептидной цепи, но оказавшихся
сближенными в результате образования
третичной структуры. 3. На последнем этапе
формируется нативная конформация белковой
молекулы, связанная с замыканием дисульфидных
связей и окончательной стабилизацией
белковой конформации. Вторым ферментом,
катализирующим образование и изомеризацию
дисульфидных связей, является протеиндисульфидизомераза, в
функции которой входит также расщепление
неправильно образованных дисульфидных
мостиков.Кроме того, в клетках имеется
ряд каталитически неактивных белков,
которые тем не менее вносят большой вклад
в образование пространственных структур
белков. Это так называемые шапироны и
шапиронины Шапироны
помогают правильной сборке трехмерной
белковой конфор-мации путем образования
обратимых нековалентных комплексов с
частично свернутой полипептидной цепью,
одновременно ингибируя неправильно образованные
связи, ведущие к формированию функционально
неактивных белковых структур. В перечень
функций, свойственных шапиронам, входит
защита расплавленных глобул от агрегации,
а также перенос новосинтезированных
белков в различные локусы клеток. Шапироны
преимущественно являются белками теплового
шока, синтез которых резко усиливается
при стрессовом температурном воздействии,
поэтому их называют еще hsp (heat shock proteins).
Семейства этих белков найдены в микробных,
растительных и животных клетках. Классификация
шапиронов основана на их молекулярной
массе, которая варьирует от 10 до 90 kDa.
В основном функции шапиронов и шапиронинов
различаются, хотя и те, и другие являются
белками-помощниками процессов образования
трехмерной структуры белков. Шапироны
удерживают новосинтезированную полипептидную
цепь в развернутом состоянии, не давая
ей свернуться в отличную от нативной
форму, а шапиронины обеспечивают условия
для единственно правильной, нативной
структуры белка.
Шапероны и шаперонины.
Кроме ферментов в формировании пространственной
структуры белка участвуют специальные
белки, увеличивающие эффективность сворачивания
полипептидной цепи в нативную конформацию.
В середине 80-х годов началась новая эра
в исследовании механизмов регуляции
сворачивания белков in vivo. Было обнаружено,
что в клетке существует особая категория
белков, основной функцией которых является
обеспечение правильного характера сворачивания
полипептидных цепей в нативную структуру.
Эти белки, связываясь с развернутой или
частично развернутой конформацией полипептидной
цепи, не дают ей «запутаться», образовать
неправильные структуры. Они удерживают частично развернутый
белок, способствуют его переносу в разные
субклеточные образования, а также создают
условия для его эффективного сворачивания. Эти
белки получили название «молекулярные шапероны»,
образно отражающее их функцию (chaperon -
пожилая дама, сопровождающая молодую
девушку на балы и пр., наставник, сопровождающий
группу молодежи). К настоящему времени
описано несколько классов шаперонов,
различающихся по структуре и специфическим
функциям. Все шапероны являются так называемыми
«белками теплового шока», синтез которых
резко увеличивается в стрессовых для
клетки ситуациях. Поэтому сокращенное
название этих белков - hsp (heat shock proteins).
Однако и в нормальных условиях каждая
клетка содержит определенный набор шаперонов,
необходимых для ее жизнедеятельности.
Классификация шаперонов основана на
величине молекулярной массы составляющих
их субъединиц, которая варьирует от 10
кДа (hsp10) до 90 кДа (hsp90) и выше. По характеру
выполняемых этими белками функций их
можно разделить на два больших семейства
- шапероны, или hsp70, и шаперонины, к которым
относятся hsp60 и hsp10.
Рис. 1.4. Функции шаперонов в
клетке.
Шапероны удерживают белки в развернутом
состоянии. Взаимодействие шаперонов
с синтезируемым белком начинается еще
до схождения полипептидной цепи с рибосомы
(рис. 1.4, 1). Связываясь с отдельными участками
«опекаемой» ими полипептидной цепи, молекулы
hsp70 образуют прочные комплексы, удерживающие
цепь в развернутом состоянии. Взаимодействие
не является специфическим и в основном
реализуется благодаря силам гидрофобного
характера. Прочно фиксированная на шаперонах
полипептидная цепь не способна к сворачиванию
в нативную структуру, так как не обладает
необходимой для этого подвижностью. Главная
функция hsp70 состоит в удержании вновь
синтезируемых белков от неспецифической
агрегации и в их передаче другому «белку-помощнику», шаперонину, роль которого
- обеспечить оптимальные условия для
эффективного сворачивания (рис. 1.4, 3).
В клетках эукариот шапероны выполняют
также важную роль в транспорте белков
через мембраны митохондрий (рис. 1.4, 4),
хлоропластов и эндоплазматического ретикулума
(рис. 1.4, 5). Такой транспорт необходим,
так как многие белки клеточных органелл
синтезируются в цитоплазме, а окончательно
сворачиваются в месте своей постоянной
локализации. Роль hsp70, «подносящего» к
мембране частично развернутый белок,
становится понятной, если учесть, что
разворачивание - обязательное условие
проникновения белковой молекулы через
мембрану. Интересно, что митохондриальный
матрикс содержит собственные шапероны,
«подхватывающие» пересекающий мембрану
белок и способствующие его «втягиванию»
в митохондрию. Аналогичный механизм реализуется
и при проникновении синтезированных
в цитоплазме белков в просвет эндоплазматического
ретикулума.
Возникает вопрос: от чего же зависит
прочность связывания шаперона с полипептидной
цепью? Каков механизм, позволяющий развернутому
белку освободиться от hsp70 и перейти на
шаперонин (hsp60)? Детальные исследования,
проведенные на системах белков, выделенных
из клеток бактерий, показали, что главным
фактором является способность шаперона
связывать АТФ, в определенных условиях
осуществлять его гидролиз и изменять
прочность взаимодействия с полипептидной
цепью в зависимости от природы связанного
нуклеотида (АТФ или АДФ). С многодоменными
белками в клетке работают «большие» шапероны,
или шаперонины типа GroEL и GroES или TriC.
В отличие от довольно просто построенных
шаперонов (состоящих из одной-двух полипептидных
цепей), шаперонины представляют собой
сложные олигомерные структуры.
Рис. 1.5. Структура шаперонина
hsp60.
Наиболее изученные hsp60 митоходрий, а
также клеток E. coli, построены из 14 субъединиц,
организованных в два семичленных кольца,
лежащих одно под другим. В центре построенного
таким образом цилиндра имеется полость
- канал (диаметром 45 ангстрем), в котором
и происходит сворачивание полипептидной
цепи, перешедшей на шаперонин с шаперона
hsp70. Иногда такую «пробирку» называют
«ячейкой Анфинсена». После того как в
канал молекулы шаперонина попадает полипептидная
цепь, вход прикрывает hsp10 - белковое кольцо,
построенное из 7 субъединиц.
Создав шаперонины, природа нашла элегантный
способ обеспечить сворачивание белка
в условиях, исключающих его агрегацию
с другими белками внутри клетки. Действительно,
попадая в центральный канал молекулы
шаперонина, единичная полипептидная
цепь оказывается полностью изолированной
и получает возможность реализовывать
медленные стадии сворачивания с очень
высоким выходом нативного белка. Как
и в случае hsp70, связывание развернутого
белка с шаперонином и его отщепление
регулируются АТФ-азной активностью шаперонина.
В связывании сворачивающегося белка
(находящегося в состоянии «расплавленной
глобулы») может принимать участие каждая
из 14 субъединиц олигомерной молекулы
шаперонина. Количество мест связывания
зависит от стадии сворачивания: чем ближе
структура к нативной, тем меньше участков,
«распознаваемых» шаперонином. Роль маленького
шаперонина hsp10, называемого ко-шаперонином,
закрывающего вход в центральный канал,
состоит в том, чтобы предотвращать «преждевременный»
выход во внешнюю среду белка, не завершившего
окончательное сворачивание в нативную
структуру.
Рис. 1.6. Модель сворачивания белков с
участием шаперонинов. Овальными фигурами
обозначены структурные состояния шаперонина
hsp60 с сильным сродством к развернутому
белку, прямоугольными фигурами - состояния,
в которых шаперонин такой белок не связывает.
Вверху показан hsp10, который диссоциирует
по окончании сворачивания. 1- белок в состоянии
«расплавленной.глобулы» связывает гидрофобные
участки «стенок» центрального канала
молекулы шаперонина. Это взаимодействие
стимулирует присоединение АТФ, в результате
которого структура шаперонина меняется
(гидрофобные участки «стенок» экранируются),
и белок освобождается, переходя в центральный
канал (2). Спонтанное сворачивание будет
продолжаться до тех пор, пока не произойдет
гидролиз АТФ и переход шаперонина в состояние,
способное связывать частично развернутый
белок (3). Стадии 1, 3, 5 различаются количеством
«развернутых» участков структуры белка,
взаимодействующих со «стенками» центрального
канала. Стадия 7:- нативный белок, не способный
связываться с шаперонином, выходит наружу.
Данная модель дает лишь самое общее
представление о механизмах функционирования
шаперонинов. Она основана на изучении
этих белков, изолированных из митохондрий
или бактериальных клеток. Между тем, недавно
было выяснено, что цитоплазматический
шаперонин клеток эукариот весьма существенно
отличается по своим свойствам: он построен
из неодинаковых субъединиц и, по-видимому,
не взаимодействует с ко-шаперонином.
Вероятно, что общие принципы функционирования,
установленные для hsp60, распространяются
и на этот шаперонин, однако конкретные
механизмы, вовлеченные в регуляцию эффективности
сворачивания белков в разных компартментах
клетки, могут существенно различаться.
Механизм сворачивание
белков
Сворачивание белков как механизм
внутриклеточной сигнализации. Белки,
присутствующие в клетке в частично развернутом
состоянии.(«естественно-развернутые
белки»). Высокая пластичность таких белков,
определяющая многообразие принимаемых
ими конформаций и их роль в процессах
внутриклеточной сигнализации. Множественные
циклы локального сворачивания-разворачивания
как важная особенность функционирования
таких белков в клетке.
Особенности сворачивания
белков во внутриклеточном окружении. Макромолекулярный
кроудинг. Два способа реализации эффективного
сворачивания белков in vivo - котрансяционное
сворачивание и участие белков-шаперонов.
Котрансляционное сворачивание мультидоменных
белков.Паузы в трансляции. Проявления
котрансляционного сворачивания в клетках
прокариот и эукариот. Котрансляционное
сворачивание белков эндоплазматического
ретикулума. Механизмы, обеспечивающие
контроль качества сворачивания . Шапероны-лектиновой
природы кальнексин и кальретикулин.
Участие ферментов фолдаз
в сворачивании белков. Протеин-дисульфидизомераза;
ее формы в клетках прокариот и эукариот.
Реакция цис/транс. изомеризации пролинов
как скорость-лимитирующая стадия образования
нативной структуры ряда белков и как
механизм перехода между их разными конформационными
состояниями.
Шаперонины и их роль в сворачивании
белков. Шаперонины группы I. Структура
молекулы GroEL и его ко-шаперонина GroES. Реакционный
цикл системы GroEL/ GroES. Конформационные
изменения, приводящие к частичному разворачиванию
белка-субстрата до его попадания в полость
шаперонина. Экспериментальные доказательства
«форсированного разворачивания». Роль
повторных циклов сворачивания-разворачивания
в механизме действия шаперонина. Концепция
«сворачивание путем форсированного разворачивания».
Рассмотрение концепции, предусматривающей
влияние микроокружения закрытой полости
GroEL на скорость сворачивания белка. Аллостерические
эффекты, обеспечивающие согласованное
функционирование цис- и транс- тороидов
молекулы GroEL . Структурные основы температуро-зависимой
регуляции работы шаперонина. GroEL как универсальный
инструмент сворачивания, обладающий
умеренной эффективностью.