Денатурация и ренатурация белков

Разрушение нативной конформации сопровождается утратой функции белков, т. е. приводит к потере его биологической активности. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация наступает при разрыве слабых связей, ответственных за формирование вторичной, третичной и четвертичной структуры белка. Большинство белков теряют биологическую активность при изменении свойств среды под действием сильных факторов: в присутствии минеральных кислот, оснований, при нагревании, под влиянием солей тяжелых металлов (Ag, Pb, Hg), органических растворителей, детергентов (амфифильных соединений).

Для большинства белков денатурация сопровождается необратимой потерей их биологической активности. Однако известны примеры ренатурации или обратимой денатурации, например, фермента рибонуклеазы. Рибонуклеаза, глобулярный белок, состоящий из 1 полипептидной цепи, при обработке β- меркаптоэтанолом подвергается денатурации и теряет ферментативную активность, глобула расплетается. Если из среды удалить денатурирующие агенты (путем диализа) каталитическая активность рибонуклеазы восстанавливается, т. е. происходит ренатурация или ренативация белка. Это означает, что рибонуклеаза самопроизвольно восстанавливает из множества возможных комбинаций связей именно один вариант, который возвращает ей биологически активную конформацию.

 

 

Шапероновая защита белков in vivo

В клеточной среде белковые молекулы могут иметь нестабильные конформации, находится в неустойчивом состоянии, склонном к агрегации и денатурации. Ренатурация белков в условиях клетки затруднена. Но в организме существуют специальные белки, шапероны, которые способны стабилизировать состояние неустойчивых белков, восстановить нативную конформацию и защитить белки от поражающего воздействия стрессовых ситуаций.

Направления шапероновой защиты

· Защита процессов синтеза белков и формирования трехмерной биологически активной конформации.

Пространственная структура белка (вторичная и третичная) формируется в процессе трансляции (синтеза белка) по мере роста полипептидной цепи. Однако в условиях клеточной среды при высокой концентрации реакционно-способных биомолекул независимая укладка полипептидной цепи в пространстве затруднена. Выбор нативной конформации синтезированного белка обеспечивают белки-шапероны.

На этапе синтеза шапероны-70 (с молекулярной массой около 70 кД) своими гидрофобными радикалами аминокислот связываются с гидрофобными участками растущей цепи белка, защищая от посторонних взаимодействий.

Завершающий этап формирования трехмерной пространственной структуры, т. е. фолдинг высокомолекулярного белка, осуществляется внутри шаперонового комплекса, состоящего из 14 белковых молекул шаперонов – 60, где, находясь в изоляции от других молекул клеточной среды, белок находит свою единственную, наиболее устойчивую конформацию, обладающую биологической активностью.

 

· Ренатурация, восстановление нативной конформации белков.

Известно, что в условиях клеточной среды с невысокой скоростью может происходить денатурация белковых молекул. Возвращение активного конформационного состояния белков, т. е. их ренатурация, в клетке осложняется тем, что денатурированные молекулы имеют развернутые полипептидные цепи, обнаженные гидрофобные и другие реакционноспособные участки, устанавливающие связи с другими молекулами, что затрудняет возвращение правильной пространственной структуры.

Шапероны-60 помогают вернуть нативную структуру частично поврежденного белка, который попадает в полость шаперонового комплекса, где нет факторов, мешающих ренативации. После восстановления термодинамически выгодной конформации белок возвращается в цитозоль.

 

Защита белков от действия поражающих факторов.

Такую защиту осуществляет особая группа шаперонов, называемых индуцибельными, т. е. их синтез в нормальных условиях незачительный, а при действии на организм чрезмерных факторов резко усиливается. Эту группу шаперонов относят к белкам теплового шока, т. к. впервые были обнаружены в клетках, после воздействия на них высокой температуры. Белки теплового шока, связываясь с клетками нашего организма, экранируют их, препятствуя дальнейшей деградации под влиянием высокой температуры, низкой температуры, УФО, при резком изменении рН, концентрации веществ, при действии токсинов, тяжелых металлов, при отравлении химическими реактивами, при гипоксии, при инфекции и других стрессовых ситуациях.

Нарушения фолдинга белков могут иметь большие клинические последствия. Прионы – белки, которые являются матрицей для нарушения фолдинга собственных клеточных белков PrP^c. В результате образуется форма белка PrP^Sc, содержащая большую долю β-структуры, способная к формированию больших агрегатов и устойчивая к протеолитической деградации. Прионовые болезни могут начинаться с инфекции (коровье бешенство, скрепи, болезнь Куру) или с мутации (болезнь Крейцфельда-Якоба).

Классификация белков

По составу:

Белки

 

Простые Сложные

Содержат только содержат белковую часть (апопротеин)

аминокислоты и небелковый компонент

 

Небелковый компонент сложных белков может быть представлен различными веществами.