Шапероны

Система этих белков осуществляет, видимо, ко-трансляционный фолдинг(рис.1.8). Иначе говоря, они связываются с синтезирующимися полипептидными цепями еще до окончания трансляции — когда эти цепи еще находятся на рибосомах. Такое раннее связывание предупреждает «неправильные» взаимодействия внутри незавершенных пептидов и агрегацию цепей, высвобождающихся с рибосом.

В процессе фолдинга неоднократно расходуется АТФ, а по окончании фолдинга для отделения шаперонов требуется еще один фактор - GrрЕ.

Если после этого белок еще не принял окончательной нативной конформации, то на его поверхности остаются радикалы, способные связывать шапероны DпаК/DnaJ повторно. И так далее: полагают, что может быть несколько циклов связывания и высвобождения этой системы.

Таким образом, в отличие от представлений А.С. Спирина, допускается, что фолдинг может продолжаться и по окончании трансляции.

Более того, у Е. соli примерно 200-300 белков (составляющие 5-10 % от общего белкового пула) и после неоднократной «обработки» системой DпаК/DnaJ остаются в состоянии незавершенного фолдинга—в виде расплавленной глобулы.

Рис. 1.8. Ко-трансляционный фолдинг шаперонами Hsp 70

Т. е. у них практически сформирована нативная вторичная структура, но межрадикальные связи являются пока случайными и непрочными. В основном, к таким белкам относятся достаточно крупные белки с относительно сложной пространственной конфигурацией.

Завершение фолдинга таких белков происходит с помощью другой системы шаперонов — GrоЕL/GrоЕS.

1.3.2.3. Система GrоЕL/GrоЕS у бактерий

Эта шаперонная система изучена особенно хорошо. Шаперон GrоЕL относится к белкам Нsp 60, т. е. имеет массу около 60 кДа (а точнее, 57 кДа). Масса ко-шаперона GrоЕS существенно меньше — 10 кДа.

Нередко белки Нsр 60 называют не шаперонами, а шаперонинами. Соответственно, и рассматриваемая здесь система GгоЕL/GгоЕS тоже называется шаперониновой.

Эта система (как и все семейство Нsр 60) содержится в бактериальных клетках, а также в митохондриях и хлоропластах эукариот.

Система особенно интересна тем, что ее белки формируют уникальный комплекс (рис. 1.9.). Он имеет вид двух «котлов», прилежащих друг к другу днищами, причем один из них (и только один!) может быть закрыт «крышкой».

Стенки и дно каждого «котла» образованы 7 молекулами(субъединицами) белка GrоЕL,расположенными по окружности.

В составе каждой субъединицы этого белка — три домена:

- апикальный (находится в области отверстия «котла»),

- промежуточный (участвует в образовании стенки «котла») и

- экваториальный (вместе с аналогичными доменами других субъединиц формирует дно «котла» и обеспечивает связь между двумя «котлами»).

Отверстие «котла» несколько уже, чем остальная часть его полости. В центральной же части полость имеет диаметр 9 нм, что вполне достаточно для размещения в ней весьма крупного белка.

Всего в клетке Е. соli — примерно 700 подобных комплексов белка GroEL (содержащих по 14 субъединиц).

Что же касается «крышки», которой может быть закрыт один из «котлов», то ее формируют 7 субъединиц второго белка — ко-шаперонина GгоЕS.

При этом имеется принципиальное обстоятельство: связывание «крышки» меняет конфигурацию белка GrоЕL. В открытом «котле» конфигурация такова, что на внутренней поверхности полости преобладают гидрофобные радикалы. В закрытом же «котле» внутренняя поверхность является гидрофильной (из-за переориентации соответствующих радикалов).

Эти изменения конфигурации энергетически обеспечиваются гидролизом АТФ. И для диссоциации «крышки», и для ее связывания должен происходить распад 7 молекул АТФ (до АДФ и фосфата). Катализируют этот распад сами субъединицы белка GroЕL — по 1 молекуле АТФ на субъединицу за каждый акт диссоциации или связывания «крышки» и сопутствующего изменения конформации.

Предполагаемый механизм функционирования данной системы показан на рис. 1.10.

В исходном состоянии комплекса полости обоих «котлов» пусты, а отверстие одного из них закрыто «крышкой».

Дальнейшие события таковы.

а) В открытый «котел» проникает субстрат — белок в состоянии незавершенного фолдинга, а именно расплавленная глобула.

Связыванию способствует тот факт, что на поверхности и такой глобулы, и внутренней стенки открытого «котла» в избытке находятся гидрофобные радикалы.

Некоторые авторы считают, что в процессе этого связывания апикальные домены белка GrоЕL могут также физически разворачивать глобулу, если она имеет «неправильную» структуру. Это позволяет объяснить вторую функцию шаперонов — рефолдинг давно образованных, но частично денатурированных белков.

б) Взаимодействие субстрата с «котлом» инициирует диссоциацию «крышки» от второго «котла». Соответственно, происходит гидролиз 7 молекул АТФ, и второй «котел» также становится гидрофобным.

Не вполне ясно: может ли он теперь тоже связать молекулу белка с незавершенной структурой? Возможно, при занятом первом «котле» этому мешает какое-либо стерическое препятствие (тоже обусловленное изменением конформации белка GrоЕL).

в) Диссоциировавшая «крышка» тут же связывается вновь — с равной вероятностью с одним из двух «котлов». Следовательно, в 50% случаев она закрывает тот «котел», который содержит белок.

В таком случае срабатывают два обстоятельства:

· во-первых, белок оказывается в замкнутом пространстве и, следовательно, теряет способность к агрегации с себе подобными частицами.

· во-вторых, в данном «котле» внутренняя поверхность становится гидрофильной. Поэтому белок теряет связь с нею и оказывается предоставленным в полости сам себе.

В этом, как полагают, и состоит ключевая роль данной системы: она просто изолирует сворачивающийся белок, предварительно устраняя в нем «неправильные» взаимодействия, и затем дает ему возможность самому найти оптимальную пространственную структуру.

г) Через 15-20 с происходит очередной гидролиз АТФ — «крышка» диссоциирует и «котел» опять становится гидрофобным.

Если за это время белок успел принять нативную конформацию (т. е. сделался поверхностно гидрофильным), он больше не «липнет» к стенкам полости и диффундирует из нее.

д) Если же фолдинг не завершился, белковая глобула вновь связывается со стенками, оставаясь в полости.

Тогда после очередного связывания «крышки» цикл повторяется снова. И так далее—пока не будет достигнут необходимый результат.

В частности, для одного из ферментов — роданезы — установлено: его фолдинг в системе GrоЕL/GrоЕS включает в среднем 7 циклов.

Очевидно, все эти циклы могут проходить только по окончании трансляции.

Если белок является олигомерным, то роль системы GrоЕL/GrоЕS состоит в том, что она обеспечивает правильный фолдинг отдельных субъединиц и затем поставляет их в готовом виде в цитозоль. Сама же сборка субъединиц в олигомерные структуры происходит вне полостей данной системы.