Шапероны

Проблема фолдинга и белковой агрегации

На всех этапах жизни белка — от синтеза на рибосоме и транспорта через мембраны до сборки олигомеров — неизбежно возникают промежуточные, крайне нестабильные конформации. В таких состояниях гидрофобные радикалы, которые у нормально свернутого белка спрятаны глубоко внутри глобулы, оказываются на поверхности.

Поскольку в клетке поддерживается высокая концентрация различных молекул, эти оголенные гидрофобные участки стремятся немедленно объединиться друг с другом. Это приводит к агрегации (слипанию) плохо растворимых белков. Самопроизвольная ренатурация в таких условиях сильно затруднена, поэтому для решения этой проблемы природа создала специальные защитные белки — шапероны.

Их базовые задачи:

• Обеспечение оптимального фолдинга (формирования нативной структуры).
• Стабилизация нативной конформации в процессе работы белка.
• Поддержание структуры при нарушениях клеточного гомеостаза.

Классификация молекулярных шаперонов

Шапероны принято разделять по двум основным критериям: массе субъединиц и типу синтеза в зависимости от наличия стрессовых факторов.

По молекулярной массе субъединиц:

1. Высокомолекулярные (60–110 кД). Это целые семейства родственных белков. Наиболее изученными представителями являются классы Ш-60, Ш-70 и Ш-90. Например, в класс Ш-70 входят белки массой от 66 до 78 кД.
2. Низкомолекулярные (15–40 кД).

По реакции на стресс:

• Конститутивные. Имеют высокий и постоянный (базальный) уровень синтеза, который не зависит от того, испытывает клетка стресс или нет.
• Индуцибельные (белки теплового шока, БТШ). В нормальных условиях синтезируются слабо, но их производство резко возрастает при стрессе. Свое название они получили из-за того, что впервые были обнаружены при температурном воздействии, угрожающем белкам денатурацией.

Механизм действия шаперонов-70 (Ш-70)

Класс Ш-70 является высококонсервативным. Эти молекулы присутствуют во всех компартментах клетки: ядре, цитоплазме, митохондриях и эндоплазматическом ретикулуме.

Структурно Ш-70 представляют собой единственную полипептидную цепь, на карбоксильном конце которой есть бороздка для связывания пептидов. Они распознают короткие участки длиной от 7 до 9 аминокислот, богатые гидрофобными радикалами. В типичных глобулярных белках такие сайты встречаются примерно каждые 16 аминокислот.

Роль Ш-70 в синтезе белка (Этап А): При трансляции на рибосоме N-конец белка появляется раньше, чем С-конец, но для правильного сворачивания нужна вся цепь целиком. Ш-70 связываются с полипептидом ко-трансляционно (прямо в процессе синтеза). Они закрывают опасные гидрофобные участки своей бороздкой, предотвращая преждевременную агрегацию до того, как синтез полностью завершится.

Структура и функции шаперонов-60 (Ш-60)

Шапероны-60 вступают в работу после завершения синтеза цепи (Этап Б). Их главная задача — обеспечить фолдинг высокомолекулярных белков со сложной конформацией (например, имеющих доменное строение).

В отличие от Ш-70, Ш-60 функционируют как огромный олигомерный комплекс, состоящий из 14 субъединиц. Они формируют цилиндрическую полость из двух сложенных колец (по 7 субъединиц в каждом).

Каждая субъединица имеет три домена:

1. Апикальный (верхушечный). Обращен внутрь полости, обогащен гидрофобными радикалами для первичного связывания несвернутого белка.
2. Промежуточный.
3. Экваториальный (в основании). Здесь происходит гидролиз АТФ.

Белок с гидрофобными маркерами попадает в изолированную полость этого комплекса. Внутри создается специфическая среда, где происходит постоянный перебор возможных пространственных структур, пока не будет найдена единственная энергетически наиболее выгодная форма. Этот процесс требует значительных затрат энергии в виде АТФ.

Дополнительные функции шаперонов

Защита от денатурации и фолдинг новых цепей — не единственные задачи этих белков. Шапероны также необходимы клетке для:

• Правильной сборки сложных олигомерных белков из нескольких субъединиц.
• Транспорта белков через клеточные и органеллярные мембраны.
• Регуляции функциональной активности белковых комплексов.
• Распознавания безвозвратно денатурированных белков с последующим направлением их на утилизацию в лизосомы.

Вопросы с занятий и экзамена

Что ещё разобрать по теме

• Механизм ко-трансляционного связывания Ш-70 с рибосомальным комплексом
• Энергетика фолдинга: детальная роль экваториального домена Ш-60 в гидролизе АТФ
• Участие шаперонов в сборке сложных олигомерных белков
• Механизмы транспорта денатурированных белков в лизосомы с помощью шаперонов
• Различия между конститутивными шаперонами и белками теплового шока на уровне генетической регуляции

Другие темы раздела «Строение, свойства и функции белков»

Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.