БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012

Розділ 5. БУДОВА, ВЛАСТИВОСТІ Й ФУНКЦІЇ БІЛКІВ

5.3. Формування тривимірної структури білка в клітині

5.3.2. Структура і функціональна роль шаперонів у фолдингу білка

У процесі синтезу поліпептидних ланцюгів, транспорту їх через мембрани, під час збирання олігомерних білків виникають проміжні нестабільні конформації, схильні до агрегації. На щойно синтезованому поліпептиді є багато гідрофобних радикалів, які в тривимірній структурі заховані всередині молекули. Тому на час формування нативної конформації реакційноздатні амінокислотні залишки одних білків мають бути ізольовані від таких самих груп інших білків.

У всіх відомих організмах від прокаріотів до вищих еукаріотів знайдені білки, здатні зв'язуватися з білками, які перебувають у нестійкому, здатному до агрегації стані. Вони здатні стабілізувати їхню конформацію, забезпечуючи фолдинг білка. Це - шаперони.

Відповідно до молекулярної маси всі шаперони (Ш) можна розділити на шість основних груп:

✵ високомолекулярні - з молекулярною масою від 100 до 110 кДа;

✵ Ш-90 - з молекулярною масою від 83 до 90 кДа;

✵ Ш-70 - з молекулярною масою від 66 до 78 кДа;

✵ Ш-60;

✵ Ш-40;

✵ низькомолекулярні - з молекулярною масою від 15 до 30 кДа.

Серед шаперонів розрізняють конститутивні білки (високий базальний синтез яких не залежить від стресових впливів на клітини організму) та індуцибельні, синтез яких у нормальних умовах слабкий, але під час стресових впливів на клітину він стрімко збільшується. Індуцибельні шаперони належать до білків теплового шоку, швидким синтез яких відзначають практично в усіх клітинах, які піддаються будь-яким стресовим впливам. Назва білки теплового шоку виникла в результаті того, що вперше вони були знайдені в клітинах, які піддавалися дії високої температури.

Під час синтезу білків N-кінцева ділянка поліпептиду синтезується раніше, ніж С-кінцева ділянка. Для формування конформації білка потрібна його повна амінокислотна послідовність. Тому в період синтезу білка на рибосомі захист реакційноздатних радикалів (особливо гідрофобних) здійснюють Ш-70.

Ш-70 - висококонсервативний клас білків, він присутній в усіх компартментах клітини: цитоплазмі, ядрі, ендоплазматичному ретикулумі, мітохондріях. Поблизу карбоксильного кінця єдиного поліпептидного ланцюга шаперонів є ділянка у формі борозенки, утворена радикалами амінокислот. Вона здатна взаємодіяти з ділянками білкових молекул і розгорнутих поліпептидних ланцюгів довжиною в 7-9 амінокислотних залишків, збагачених гідрофобними радикалами. В амінокислотному ланцюзі, який перебуває в процесі синтезу, такі ділянки зустрічаються приблизно через кожні 16 амінокислот.

Фолдинг багатьох високомолекулярних білків, що мають складну конформацію (наприклад, доменну будову), здійснюється у спеціальному просторі, сформованому Ш-60, який функціонує у вигляді олігомерного комплексу, що складається з 14 субодиниць (рис. 5.23).

Ш-60 утворюють два кільця, кожне з яких складається із семи субодиниць, сполучених одна з одною. Субодиниця Ш-60 складається з трьох доменів: апікального (верхівкового), проміжного та екваторіального. Верхівковий (апікальний) домен має ряд гідрофобних залишків, спрямованих у порожнину кільця, сформованого субодиницями. Екваторіальний домен має ділянку зв'язування з АТФ і володіє АТФазною активністю, тобто здатен гідро- лізувати АТФ до АДФ і Н₃РО₄.

Шапероновий комплекс має високу спорідненість до білків, на поверхні яких є елементи, характерні для не згорнутих молекул (передусім ділянки, збагачені гідрофобними радикалами). Опиняючись у порожнині шаперонового комплексу, білок зв'язується з гідрофобними радикалами апікальних ділянок Ш-60. У специфічному середовищі цієї порожнини, в ізоляції від інших молекул клітини відбувається перебирання можливих конформацій білка, поки не буде знайдена єдина, найбільш енергетично вигідна конформація. Вивільнення білка зі сформованою нативною конформацією супроводжується гідролізом АТФ у екваторіальному доме

ні. Якщо білок не набув нативної конформації, він повторно зв'язується із шапероновим комплексом. Такий шаперонозалежний фолдинг білків потребує витрат великої кількості енергії.

Class="center">

Рис. 5.23. Структура шаперонового комплексу, що складається з 14 білкових молекул Ш-60:

А - вигляд збоку; Б - вигляд зверху

Отже, синтез і фолдинг білків відбуваються за участю різних груп шаперонів, які запобігають небажаній взаємодії білків з іншими молекулами клітини й супроводжують їх до остаточного формування нативної структури (рис. 5.24).

Шаперони, котрі беруть участь у захисті клітинних білків від денатуруючих впливів, як уже йшлося вище, належать до білків теплового шоку (БТШ) і в літературі часто позначаються як HSP (від англ. heat Shock protein).

Під час дії різних стресових факторів (висока Температура, Гіпоксія, інфекція, УФ-випромінювання, зміна рН середовища, зміна молярності середовища, дія токсичних хімічних речовин, важких металів тощо) у клітинах посилюється синтез БТШ. Маючи високу спорідненість до гідрофобних ділянок частково денатурованих білків, вони можуть попереджати їхню повну денатурацію й відновлювати нативну конформацію білків.

Рис. 5.24. Участь шаперонів у фолдингу білків:

А - участь шаперонів-70 у відвертанні гідрофобних взаємодій між ділянками поліпептиду, що синтезується;

Б - формування нативної конформації білка в шапероновому комплексі

Установлено, що короткочасні стресові впливи збільшують вироблення БТШ і підвищують стійкість організму до довгострокових стресових впливів. Так, короткочасна ішемія серцевого м'яза в період бігу під час помірних тренувань значно підвищує стійкість міокарда до довготривалої ішемії, викликаної стенокардією або закупорюванням судин серця тромбом. У наш час перспективними дослідженнями в медицині вважають пошуки фармакологічних і молекулярно-біологічних засобів активації синтезу БТШ у клітинах.