Парадоксы белковой структуры: под присмотром воды

Напомним, что белки представляют собой цепочки аминокислот (полипептиды), свернутые в самые разные пространственные конфигурации. Именно эта их трехмерная форма обеспечивает все разнообразие функций и свойств белков. На самом же деле непосредственно в момент синтеза цепи на рибосоме полипептиды представляют собой довольно хаотические клубки. Такие образования могут быть даже опасными – именно их представляют собой патогенные прионы.

Однако вскоре за этим происходит небольшое чудо. Огромная молекулярная цепь полипептида быстро «самособирается» в сложную структуру – и обретает способность выполнять положенные задачи для блага клеток и организмов. Процесс этот называется фолдингом, и именно он, по мнению многих специалистов, является ключевым для понимания функциональности белковых молекул.

К сожалению, разобраться в том, как происходит фолдинг, оказалось невероятно сложно. Заметим, что если мы имеем самую короткую из возможных аминокислотных цепочек – всего в две аминокислоты – пространственные особенности этих соединений позволяют им ориентироваться 10-ю различными способами. Соответственно, для трех звеньев число вариантов уже составляет 10³. И так далее.

Несмотря на все разнообразие вариантов, фолдинг протекает удивительно быстро. Так, сложенный из трех нитей бета-складчатый слой, включающий 90 аминокислот, имеет 10⁹⁰возможных теоретически конфигураций. Если на перебор каждой из них он будет тратить по 0,000000001 секунды, то на фолдинг ему не хватит всего времени жизни Вселенной. Но он находит единственную нужную конфигурацию за… 140 наносекунд!

Эти факты обобщает так называемый парадокс Левинталя: «Промежуток времени, за который происходит фолдинг, на много порядков меньше, чем если бы полипептид просто перебирал все возможные конфигурации». Иначе говоря, тут дело не в обычном переборе, а в действии каких-то факторов… Каких же?

На сей счет существует целый ряд более или менее обоснованных гипотез и предположений. Одна из самых известных заявляет, что быстрый фолдинг – результат естественного отбора: в ходе эволюционного процесса сохранились лишь те белки, которые быстро обретают нужную форму, которая, видимо, представляет собой для молекулы выгодное состояние с минимальное энергией. Соответственно, с точки зрения энергетики процесс фолдинга должен выглядеть как некая воронка, быстро сужающаяся к единственно верной конфигурации.

Но такая версия не согласуется с одним простым фактом. В этом случае нормальная структура белка, будучи наиболее энергетически выгодной, при понижении температуры должна «консервироваться» и даже становиться более устойчивой. А мы знаем, что это не так: при охлаждении большинство белков теряет свою активную пространственную конфигурацию.

Разрешение этой несостыковки предложил недавно французский исследователь Оливье Коле (Olivier Collet) – он подошел к вопросу «со стороны растворителя», в котором происходят едва ли не все биологические процессы. То есть, воды. Ученый отмечает, что фолдинг белков не происходит в изоляции от окружающей среды. Аминокислотную цепь окружают многочисленные мелкие молекулы воды. Более того, можно с полной справедливостью говорить о том, что вокруг полипептида имеется тонкая «оболочка» из слабо связанной с ней воды. Так что Коле предложил рассмотреть поведение этого слоя и его влияние на полипептид.

Первое, что бросается в глаза – это водородные связи, которые образует вода с аминокислотами, особенно много их получается у полярных аминокислот. Пока температура остается высокой, эти слабые связи легко рвутся и формируются снова, все протекает очень быстро. Но при падении температуры энергии движения молекул остается намного меньше, и разрыв водородных связей происходит намного реже. В таком виде, обвешанный водой, как старый корабль ракушками, белок оказывается в совершенно ином энергетическом «ландшафте», со своими высотами и впадинами. Вместо того, чтобы падать в воронку, как мы описали выше, он оказывается на дне совершенно другого энергетического минимума.

Эти выкладки, кажется, позволяют решить проблему низкотемпературной денатурации белков. А главное – обращают внимание на то, что решение загадки фолдинга не может быть получено без учета окружения, в котором находятся белки в ходе этого процесса. Нам нужно лучше знать свойства самой воды на молекулярных масштабах, и ее взаимодействия с полипептидами.