Реферат Курсовая Конспект
Модели сворачивания белков. - раздел Образование, ТЕМА 1. ОБРАЗОВАНИЕ БЕЛКОВ 1.2.1. Модель Промежуточного Состояния. ...
|
1.2.1. Модель промежуточного состояния.
Предложена в 1972 г О.Б. Птицыным. В соответствии с этой моделью фолдинг белка осуществляется в несколько стадий.
1.Случайный клубок – нет ни вторичной ни третичной структур, пептидная цепь развернута.
2. Состояние-предшественник расплавленной глобулы – вторичная структура сформирована не до конца, третичная структура отсутствует, цепь частично развернута.
3.Расплавленная глобула – вторичная структура полностью сформирована, цепь свернута в компактную глобулу, но жесткая третичная структура отсутствует.
4.Нативный белок – цепь свернута в компактную глобулу, которая имеет определенную третичную структуру.
Исходной формой глобулярного белка непосредст-венно после трансляции явля-ется случайный клубок или развернутая цепь. Развернутая не означает растянутая. Если исключить все взаимодействия между аминокислотными остатками в пептидной цепи кроме пептидных связей, то термодинамически наиболее выгодным состоянием цепи будет рыхлый клубок. Чтобы растянуть этот клубок и выпрямить необходимо прило-жить силу. После прекращения действия силы цепь вновь возвращается в наиболее вероятное состояние клубка. Т.е. такой белок подобно каучуку обладает эластично-стью его можно назвать каучукоподобны.
Затем формируется вторичная структура и на следующем этапе - коллапсирование (сжимание) белка в т.н. расплавленную глобулу. Движущей силой сжатия является взаимодействия между радикалами аминокислот. Принципиальное отличие расплавленной глобулы от нативной структуры в том, что в этой глобуле аминокислотные радикалы еще не нашли своих окончательных партнеров не заняли «правильного» положения, а взаимодействуют «с кем придется». Поэтому общее количество одновременно существующих связей относительно невелико и связи, а с ними и конфигурация молекулы, неустойчивы. В конце концов, белок находит термодинамически наиболее оптимальную структуру, при которой между радикалами образуется максимально возможное количество связей. В случае достаточно большого белка вначале формируется структура доменов, и потом они занимают правильное положение друг относительно друга. Позже всего происходит связывание мономеров в олигомеры (если нативный белок состоит из нескольких субъединиц).
1.2.2. Сворачивание по принципу «все или ничего».
В отличие от вышеизложенного, у очень маленьких белков (до 100 аминокислотных остатков) промежуточные стадии (расплавленная глобула и состояние-предшественник) отсутствуют и фолдинг фактически проходит по принципу «все или ничего».
Действительно, из-за малого числа аминокислотных остатков «неправильные» взаимодействия, лежащие в основе расплавленной глобулы, практически не случаются. Поэтому нет феномена коллапсирования (сжатия) клубка до образования нативной третичной структуры.
В этих случаях фолдинг происходит следующим образом. Развернутая пептидная цепь в течение достаточно длительного времени флуктуирует без образования контактов между аминокислотными остатками — просто потому, что способные к взаимодействию остатки не сближаются друг с другом.
Затем случайно цепь достигает состояния, в котором может образоваться несколько «правильных», или нативных, контактов. Тем самым как бы появляется ядро сворачивания (ядро нуклеации).
После этого фолдинг завершается очень быстро. Наличие нескольких «правильных» связей удерживает цепь в такой конфигурации, в которой легко находят друг друга остальные «правильные» пары.
Хорошо изученным белком с подобным механизмом фолдинга является химотрипсиновый ингибитор 2 (белок СI2), включающий 65 аминокислотных остатков. Во вторичной структуре он имеет одну a-спираль и пять тяжей b -структуры (b1, ... b5). Критическим моментом фолдинга этого белка служит образование a-спирали и тяжей b4, b5, а также гидрофобное взаимодействие трех аминокислотных остатков в составе этих элементов — Ала16 (a-спираль), Лей49 (b4) и Иле59 (b5). Это и означает формирование ядра нуклеации.
1.2.3. Феномен кооперативности
В обеих изложенных моделях фолдинга очень важную роль играет феномен кооперативности. Суть его в том, что образование одной или нескольких «правильных» связей резко ускоряет замыкание других нативных связей.
На этом, по существу, построено представление о ядре нуклеации. И таков же, очевидно, механизм каждой стадии фолдинга более крупных белков - например, превращения расплавленной глобулы в нативную структуру.
Продемонстрируем значение данного феномена на следующем примере.
Пусть белок включает п = 100 аминокислотных остатков и нативная конформация включает 50 пар строго определенных взаимодействий остатков.
При этих условиях общее число всевозможных комбинаций попарных взаимодействий равно произведению нечетных чисел до n: в данном случае - 3х5х... х97х99 = 3·1078.
Если представить, что в секунду перебирается 1013 различных комбинаций, то в отсутствие эффекта кооперативности среднее время поиска нативной конформации составляло бы 4,5·1057 лет! Что исключает саму возможность не только фолдинга хотя бы одной молекулы белка, но и образования жизни на Земле.
Теперь фолдинг того же белка рассмотрим с учетом феномена кооперативности.
Пусть его вторичная структура включает 5 a-спиральных участков примерно по 20 аминокислотных остатков. Спирализация каждого такого участка поначалу представляет собой свободный перебор всех возможных 190 пар взаимодействия групп —NН2— и —СО—. Из них «правильных» пар -16.
Даже при относительно небольшой скорости перебора в 106 пар в секунду требуются ничтожные доли секунды (порядка 10-5с), чтобы образовалась хотя бы одна «правильная» связь.
Дальше действует эффект кооперативности: от этой связи в обе стороны рассматриваемого участка пептидной цепи с большой скоростью (109 пар/с) начинают замыкаться остальные «правильные» связи a-спирали. Продолжительность этой стадии еще на несколько порядков меньше (около 10-8 с.) чем первой — лимитирующей — стадии.
В итоге спирализация всего участка укладывается практически в те же доли секунды (порядка 10 -5 с), что занимал поиск одной «правильной» связи.
Причем, поскольку все 5 участков спирализуются независимо друг от друга, то за то же время происходит формирование всей вторичной структуры белка.
На этапе образования третичной структуры взаимодействуют радикалы аминокислот, находящихся в разных элементах вторичной структуры (в нашем случае — в разных a-спиралях); взаимодействия же в пределах одного элемента невозможны. Данное обстоятельство само по себе уменьшает количество взаимодействий. Но еще выше роль эффекта кооперативности.
Можно найти, что общее число межрадикальных пар (исключая пары в пределах одной a-спирали) равно 4000. Пусть замыкание из них двух определенных связей имеет критическое значение (подобно образованию ядра нуклеации в случае маленьких белков). При той же скорости перебора, что при образовании вторичной структуры (106 пар/с), на поиск этих связей уходит порядка 10 -3 с.
Остальные связи, благодаря кооперативности, замыкаются гораздо быстрее.
В итоге весь фолдинг белка вместо бесконечного количества лет занимает время меньше секунды. В крайнем случае, для крупных белков со сложной структурой, он укладывается в несколько минут.
1.2.4. Отношение фолдинга к трансляции
Когда происходит фолдинг новых белков — еще в ходе трансляции, лишь по ее окончании, или он столь протяженен, что охватывает и трансляцию, и последующее время?
Известный биохимик А. С. Спирин отстаивает представление о ко-трансляционном сворачивании белков. Согласно ему, фолдинг полипептидной цепи происходит по мере ее роста на рибосоме в направлении от N- к С-концу.
В качестве доказательства приводятся три экспериментальных факта.
а) Фермент ПДИ катализирующий перемещение в новосинтезируемых белках дисульфидных связей, для правильного замыкания этих связей должен присутствовать во время трансляции.
Если его добавить в белоксинтезирующую смесь, составленную in vitro, позже, у белка оказывается неправильная структура и он лишен активности. Это продемонстрировано на примере одной из цепей иммуноглобулина.
б) При синтезе белковых субъединиц гемоглобина они приобретают способность связывать гем еще до окончания трансляции — по достижении примерно двух третей своей полной длины.
Следовательно, гем-связывающий центр формируется во время трансляции.
в) Фермент светлячков люцифераза после денатурации восстанавливает свою активность весьма долго. В то же время он оказывается активным сразу после образования на рибосоме. Значит, и в этом случае фолдинг произошел во время трансляции.
Пока трудно сказать, не допускают ли эти результаты какой-либо другой интерпретации, а если нет, то насколько они являются общими.
Более вероятно, что для одних белков фолдинг, действительно, является только ко-трансляционным, а для других — и ко-, и пост-трансляционным процессом.
– Конец работы –
Эта тема принадлежит разделу:
Таблица Распределение аминокислотных остатков между тремя... Вариантами вторичной структуры Белок Альфа спираль...
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: Модели сворачивания белков.
Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов