Свертывание белка

Введение в свертывание белка

Свертывание белка - это процесс, с помощью которого белковая цепь приобретает свою нативную трехмерную структуру. Это фундаментальный аспект молекулярной биологии, биохимии и структурной биологии. Форма белка важна, потому что она определяет функцию белка. Если белок не складывается в правильную форму, он не может нормально функционировать, что приводит к заболеваниям, таким как болезнь Альцгеймера, болезнь Паркинсона и муковисцидоз.

Основы структуры белка

Белки состоят из аминокислот, соединенных в длинные цепочки, обычно от 50 до 2000 аминокислот. Последовательность аминокислот определяется первичной структурой белка и закодирована соответствующим геном.

Первичная структура

Первичная структура белка представляет собой простую линейную последовательность аминокислот. Она удерживается вместе ковалентными связями, известными как пептидные связи. Пример можно представить следующим образом:

Ala-Gly-Ser-Val-Pro-Leu

В этой последовательности каждый трехбуквенный код представляет аминокислоту, а тире указывают на пептидные связи, которые связывают их вместе.

Вторичная структура

Вторичная структура - это локальные свернутые структуры, которые формируются внутри полипептида из-за взаимодействий между атомами скелета. Наиболее распространенные вторичные структуры - это α-спираль и β-лист.

α-спираль: Правозакрученная спираль, образующаяся в результате водородных связей между ключевыми атомами, обычно каждая четвертая аминокислота.
β-лист: Структура в форме листа, состоящая из бета-нитей, которые соединяются латерально не менее чем двумя-тремя водородными связями.

Схема водородных связей в β-листе выглядит следующим образом:

Третичная структура

Третичная структура - это общая 3D-структура одной молекулы белка; пространственное отношение вторичных структур друг к другу. Этот уровень структуры определяется взаимодействиями между боковыми цепями (R-группами) аминокислот:

• Гидрофобные взаимодействия
• Водородные связи
• Дисульфидные мостики
• Сила Ван-дер-Ваальса

Вот пример того, как полипептид сворачивается в типичный глобулярный белок:

Четвертичная структура

Четвертичная структура - это структура, образованная несколькими молекулами белка (полипептидными цепями), которые функционируют как единый белковый комплекс.

Силы, вызывающие свертывание белка

Свертывание белка в первую очередь направляется биохимическими взаимодействиями:

• Гидрофобные взаимодействия, которые приводят к коллапсу структуры с целью минимизации контакта с водой.
• Водородные связи стабилизируют свернутые белки, формируя связи между водородом и электрическими диполями.
• Силы Ван-дер-Ваальса, слабые силы притяжения между близко расположенными атомами.
• Дисульфидные связи, ковалентные связи, стабилизирующие свернутую структуру.

Пути сворачивания белков

Белки сворачиваются через несколько путей, чтобы достичь своей функциональной формы. Эти пути включают быстрое свертывание в расплавленное сферическое состояние, после чего следует медленный поиск для нахождения нативной структуры. Эти шаги можно резюмировать следующим образом:

1. Образование вторичной структуры: α-спираль и β-лист
2. Быстрый коллапс в более плотное состояние: расплавленная сфера
3. Достижение исходного состояния через различные промежуточные состояния

Шапероны и свертывание белка

Молекулярные шапероны - это белки, которые помогают другим белкам правильно сворачиваться. Они помогают предотвращать неправильное сворачивание и агрегацию, которые могут привести к потенциальной токсичности для клетки. Примеры включают Hsp60s, Hsp70s и шаперонины.

Неправильное сворачивание белков и болезни

Неправильное сворачивание белков может вызвать болезни. Неправильно свернутые белки могут аггрегировать в токсичные формы. Некоторые примеры заболеваний, вызванных неправильным сворачиванием белков, включают:

• Болезнь Альцгеймера: Неправильно свернутые амилоид-β пептиды образуют бляшки.
• Болезнь Паркинсона: Неправильно свернутый белок α-синуклеин вызывает агрегацию.
• Муковисцидоз: Удаление одной фенилаланина вызывает неправильное сворачивание белка CFTR.

Термодинамика и свертывание белка

В физиологических условиях процесс сворачивания обычно является термодинамически благоприятным. Он может быть представлен уравнением:

ΔG = ΔH – TΔS

где ΔG - изменение свободной энергии Гиббса, ΔH - изменение энтальпии, T - температура, и ΔS - изменение энтропии. Нативное свернутое состояние белка обычно считается имеющим самую низкую свободную энергию Гиббса.

Новаторские исследования и будущие направления

Ранние исследования по свертыванию белка были проведены учеными, такими как Кристиан Анфинсен, который полагал, что вся информация, необходимая для свертывания белка, содержится в его аминокислотной последовательности. Его знаменитый эксперимент с рибонуклеазой А привел к этому выводу, который стал основой для будущих исследований.

Новые вычислительные модели, такие как AlphaFold, революционизировали нашу способность предсказывать структуры белков с замечательной точностью, что имеет потенциал для понимания сложных заболеваний и открытия новых лекарств.

Комментарии