45. Фолдинг белков

В биохимии и молекулярной биологии фо́лдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура). Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры (пример в левой части изображения). Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые химические свойства: гидрофобность, гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами.

В редких случаях нативными могут быть сразу две конформации белка (т. н. конформеры). Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовали два примерно равных по энергии состояния, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью.

Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются посттрансляционной модификации. Весьма часто встречаются дисульфидные мостики между пространственно близкими участками полипептидной цепи.

Для корректной работы белков весьма важна правильная трёхмерная структура. Ошибки сворачивания обычно приводят к образованию неактивного белка с отличающимися свойствами. Считается, что некоторые болезни происходят от накопления в клетках неправильно свёрнутых белков (более подробно это описано в статье Прионы).[1]

В фолдинге участвуют белки-шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.

Механизм сворачивания белков до конца не изучен. Экспериментальное определение трёхмерной структуры белка часто очень сложно и дорого. Однако аминокислотная последовательность белка обычно известна. Поэтому учёные пытаются использовать различные биофизические методы, чтобы предсказать пространственную структуру белка из его первичной аминокислотной последовательности.

46 Секреция белков у прокариот

Способность бактерий секретировать белки является их ценным (но редким) качеством. Механизм секреции белков сходен как у про-, так и у эукариот. Большинство белков, синтезируемых бактериальными клетками, функционируют в их цитоплазме. Однако ряд белков предназначен для работы в мембранах, периплазме и даже вне клетки. 

Их экспорт осуществляется специальными механизмами, которые различны для преодоления цитоплазматическои мембраны и для транспорта через внешнюю мембрану. У большинства секретируемых белков, как про-, так и эукариот на N-конце находится так называемая сигнальная последовательность, способствующая проникновению белка через цитоплазматическую мембрану (у прокариот) или через мембраны эндоплазматической сети (у эукариот). У мембраносвязанных белков сигнальная последовательность обычно сохраняется, а у белков, поступивших в периплазму или среду, эта последовательность отщепляется. Функция сигнальной последовательности обусловлена ее строением. Эта последовательность длиной в среднем 20—25 аминокислот состоит из трех участков: n (N-концевой), h (гидрофобный) и с (С-концевой). Участки не имеют консервативных последовательностей. Размер n-участка варьирует от 1 до 17 аминокислотных остатков, h-участка — от 7 до 16, а с-участок характеризуется сравнительно постоянным числом: 5 у прокариот и 6 у эукариот. 

Первый участок включает преимущественно положительно заряженные аминокислотные остатки, второй — гидрофобные. Очевидно, именно h-участок взаимодействует с внутренним неполярным слоем мембраны и «протаскивает» через нее молекулу белка, а с-участок указывает на место отщепления сигнальной последовательности. Последние три аминокислоты с-уча-стка являются сайтом процессинга, консенсус которого А1а-Х-А1а (в положении -3 и -1 находятся аминокислоты с маленькими неразветвленными незаряженными радикалами). Сигнальные последовательности белков грамположительных клеток немного отличны от вышеописанных. Все их три участка длиннее, а N-конец имеет больший положительный заряд. Белки, конечно, секретируются непосредственно в среду. У грамотрицательных клеток известны три механизма, обеспечивающих процесс секреции. Два из них являются двухэтапными и функционируют с белками, у которых есть лидерная последовательность. 

Первый этап у них одинаков, а второй — различен. В Е. coli первый этап обеспечивают несколько белков. Шаперонины (белки теплового шока) способствуют нужной укладке N-конца секретируемого полипептида, белки SecA и PrlD направляют полипептид к секреторному каналу — транслокатору, интегрированному во внутреннюю мембрану и составленному из белков SecE, SecY, PrlA и PrlG. Процессинг полипептида ведут две пептидазы — лидерная и липопротеин-сигнальная. Транслокация белка через мембрану в большей части случаев сопряжена с его синтезом, но может происходить и после трансляции. 

Второй этап секреции — транспорт через внешнюю мембрану — происходит с помощью специального комплекса белков или без них.

Третий механизм использует секретирующиеся белки, у которых вообще нет лидерной последовательности. Они переносятся через обе мембраны ABC-транспортерами, являющимися АТФ-зависимыми белками.