Сворачивание белков и сборка ферментов

Прежде чем фермент сможет что-либо катализировать, его вновь синтезированная полипептидная цепь должна свернуться в точную трехмерную форму, а многие ферменты должны дополнительно собрать несколько цепей в функциональный комплекс. Сворачивание определяется аминокислотной последовательностью, но в клетке ему способствуют молекулярные шапероны, и его нарушение может привести к образованию неактивных или склонных к агрегации белков.

Definition

Сворачивание белка — это процесс, посредством которого полипептидная цепь приобретает свою функциональную трехмерную структуру; сборка фермента — это последующая ассоциация свернутых субъединиц (и любых кофакторов) в полный, каталитически активный фермент.

Scope

Статья охватывает термодинамические основы сворачивания, сворачивание с участием шаперонов и контроль качества, сборку субъединиц в четвертичные структуры, а также последствия неправильного сворачивания и агрегации. Она рассматривает сворачивание и сборку как справочную биохимию и не является источником клинических рекомендаций.

Core questions

• Что определяет свернутую структуру белка?
• Как молекулярные шапероны способствуют сворачиванию в клетке?
• Как ферменты собираются из нескольких субъединиц?
• Что происходит, когда сворачивание не удается?

Key concepts

• Нативное состояние и минимум свободной энергии
• Последовательность определяет структуру
• Молекулярные шапероны
• Четвертичная сборка субъединиц
• Неправильное сворачивание и агрегация белков
• Образование амилоида
• Вычислительное предсказание структуры

Key theories

Термодинамическая гипотеза Анфинсена

В физиологических условиях нативная конформация белка с наименьшей свободной энергией кодируется его аминокислотной последовательностью, поэтому информация о сворачивании, необходимая для функции, содержится в самой последовательности.

Mechanisms

Начальная полипептидная цепь принимает различные конформации и сворачивается в свое нативное состояние с наименьшей свободной энергией, при этом последовательность определяет это состояние в клеточных условиях. Поскольку переполненные клетки способствуют неправильному сворачиванию и агрегации, молекулярные шапероны связываются с открытыми гидрофобными областями, предотвращают нежелательные ассоциации и дают цепям повторные шансы правильно свернуться, в то время как системы контроля качества деградируют те, которые не справляются. Многие ферменты затем собирают свои свернутые субъединицы и связывают необходимые кофакторы для образования активного холофермента. Когда сворачивание идет неправильно, белки могут терять активность или превращаться в упорядоченные агрегаты, такие как амилоидные фибриллы. Достижения в области вычислительного прогнозирования теперь позволяют точно выводить свернутые структуры непосредственно из последовательности.

Clinical relevance

Неправильное сворачивание и агрегация белков являются характерными чертами ряда заболеваний человека, поэтому понимание сворачивания и его контроля качества является важной основой для биомедицинских исследований. Эта статья описывает биологию сворачивания и сборки для справки и не является основой для диагностики или лечения.

History

Эксперименты Анфинсена по рефолдингу, обобщенные в его работе 1973 года, установили, что последовательность кодирует структуру, и поставили вопрос о том, как сворачивание происходит так быстро. Последующее открытие молекулярных шаперонов показало, что, хотя термодинамика определяет конечный результат, клетка активно помогает процессу и защищает от агрегации (Tyedmers и соавт., 2010). Работы по неправильному сворачиванию связали аберрантное сворачивание с амилоидными заболеваниями (Chiti и Dobson, 2006; Knowles и соавт., 2014), а методы глубокого обучения позднее достигли точного предсказания структуры по последовательности (Jumper и соавт., 2021).

Key figures

• Christian B. Anfinsen
• Christopher M. Dobson
• F. Ulrich Hartl

Seminal works

• anfinsen-1973
• chiti-2006
• jumper-2021

Frequently asked questions

Действительно ли последовательность белка содержит всю информацию, необходимую для сворачивания?

В физиологических условиях нативная структура является состоянием с наименьшей свободной энергией для данной последовательности, поэтому информация о сворачивании закодирована в последовательности; однако в переполненной клетке часто требуются шапероны для эффективного достижения этого состояния и предотвращения агрегации.

Почему сборка фермента важна для его активности?

Многие ферменты активны только в виде свернутых, мультисубъединичных комплексов со своими кофакторами; правильное сворачивание и сборка являются необходимыми условиями для формирования интактного активного центра.