ОБЗОРНАЯ СТАТЬЯ
УДК 577.150.2
ДВА МЕХАНИЗМА СВОРАЧИВАНИЯ БЕЛКОВ: ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ
© 2014 г. А. В. Ефимов#, Е. А. Бошкова
ФГБУНИнститут белка РАН, 142290, Московская обл., г. Пущино, ул. Институтская, 4 Поступила в редакцию 05.05.2014 г. Принята к печати 03.06.2014 г.
В работе рассматриваются два возможных механизма сворачивания белков: "зародышевый" — на примере белков, содержацих 3р-уголки, и "блочный" — на примере сериновых протеаз. Анализ пространственного строения 3р-уголков и закономерностей в кодирующих их аминокислотных последовательностях позволил сделать вывод о том, что 3р-уголки способны свернуться в свои уникальные структуры самостоятельно и могут служить зародышами или готовыми структурными блоками при сворачивании белков. Структуры более высокого прядка могут возникнуть последовательной пристройкой других Р-тяжей к 3р-уголку как к зародышу в соответствии с определенным набором правил и запретов. С другой стороны, 3р-уголок может явиться готовым структурным блоком, и комплементарное объединение двух 3р-уголков может привести к образованию пространственных укладок цепи, которые встречаются в доменах сериновых протеаз и подобных им белков.
Ключевые слова: сворачивание белков, структура белков, 3^-уголок, сериновые протеазы.
Б01: 10.7868/80132342314060074
ВВЕДЕНИЕ
Интенсивные исследования процесса сворачивания белков начались в 50—60-х годах прошлого столетия [1], однако до сих пор нет прямых экспериментальных методов, которые позволяли бы изучать этот процесс в реальном времени, и механизмы сворачивания белков остаются до конца невыясненными. Этот "пробел" призваны заполнить теоретические подходы. Простые расчеты показывают, что полипептидная цепь белка не может перебрать все возможные конформации за разумное время. Следовательно, должен быть определенный "путь сворачивания", позволяющий белку свернуться быстро [2]. Возможно, один из механизмов, который позволяет белку свернуться быстро, состоит в том, что на первом этапе образуется некий зародыш, а затем к нему пристраивается остальная часть полипептидной цепи (зародышевый механизм) [3]. Согласно другому возможному механизму, на первом этапе сворачивания образуются блоки флуктуирующей вторичной структуры, которые затем объединяются с образованием промежуточной "расплавленной глобулы", которая в свою очередь переходит в нативную структуру (блочный механизм) [4—6]. В целом, эти два механизма отражают наши современные представления о сворачивании
#Автор для связи (тел.: +7(4967) 31-84-40; факс: +7 (495) 514-02-18; эл. почта: efimov@protres.ru).
белков, однако они не дают ответа на два важнейших вопроса. Во-первых, что является зародышем или готовым структурным блоком? Во-вторых, как образуется уникальная пространственная структура каждого белка?
В соответствии с нашей гипотезой зародышами в процессе сворачивания белков могут быть структурные мотивы с уникальными укладками цепи и определенной хиральностью. Они способны свернуться в свои уникальные зародышевые структуры сами по себе и могут "указать" место, где и как должна пристраиваться к ним остальная часть полипептидной цепи [7, 8]. Структуры более высокого порядка могут быть получены последовательной пристройкой к зародышу других элементов вторичной структуры в соответствии с определенными правилами [9, 10]:
1. Структуры белков представляются и рассматриваются в упрощенном виде, а детали (например, конформация перетяжек или точная взаимная ориентация элементов вторичной структуры) во внимание не принимаются.
2. В качестве корневой (или стартовой, или зародышевой) структуры древа берется тот или иной структурный мотив, имеющий уникальную пространственную укладку цепи.
3. Рост структур осуществляется путем последовательного, шаг за шагом, присоединения а-спиралей и/или Р-тяжей; при этом структура,
полученная на предыдущем этапе, сохраняется (она может слегка модифицироваться). На каждом этапе а-спираль или Р-тяж, которые расположены по цепи ближе других к растущей структуре, пристраиваются первыми. В некоторых случаях могут быть пристроены готовые структурные блоки из нескольких элементов вторичной структуры.
4. В соответствии с принципом плотной упаковки все полученные структуры должны быть компактными; а-спирали и Р-тяжи должны пристраиваться в соответствии с известными правилами их упаковки.
5. а-Спирали и Р-тяжи не могут быть упакованы в одном слое, так как это приводит к дегидратации свободных полярных групп основной цепи Р-тяжей, что запрещено; отсюда следует, что а-спирали должны упаковываться в а-спиральные слои, а Р-тяжи — в Р-слои растущей структуры.
6. Пересечение перетяжек и образование топологических узлов запрещено.
7. Все структурные мотивы (т.е. не только корневые мотивы) должны иметь свойственную им хиральность и пространственную укладку цепи. Например, все Р-а-Р-единицы должны находиться в форме правых суперспиралей.
Возможные пути роста структур показываются с помощью линий, которые соединяют между собой корневую, все промежуточные и конечные структуры, образуя разветвленное структурное древо. Такой подход позволяет получить все разрешенные укладки полипептидных цепей для каждого класса белков, которые можно представить в виде структурных деревьев. К настоящему времени нами построено 18 структурных деревьев для наиболее многочисленных классов и подклассов белков, которые доступны по адресу: http://strees.protres.ru/. Отметим, что при построении структурных деревьев моделирование укладок и путей роста структур проводилось в соответствии с механизмом "образование зародыша — его рост". Однако, как показывает анализ, структуры многих белков не удается получить путем последовательной пристройки а-спиралей и/или Р-тяжей к растущим структурам; необходимо пристраивать некие "готовые структурные блоки", такие, например, как Р-шпилька, трехтяжевой Р-лист, 3р-уголок и др. Таким образом, часть белков сворачивается, по-видимому, путем объединения "готовых блоков", т.е. в соответствии с "блочным" механизмом.
В настоящей работе мы рассмотрим оба механизма: "зародышевый" — на примере белков, содержащих 3р-уголки, и "блочный" — на примере сериновых протеаз, и продемонстрируем, как могут образовываться уникальные структуры белков в том и другом случае.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Структура 3р-уголка представляет собой антипараллельный трехтяжевой Z-образный Р-лист, сложенный сам на себя таким образом, что две составляющие его Р-шпильки располагаются приблизительно ортогонально в разных слоях [11]. Из двух возможных форм 3р-уголка в белках практически всегда встречается только правая форма, в которой центральный Р-тяж при переходе из одного слоя в другой образует пол-витка правой суперспирали.
Анализ показывает, что в местах перехода из одного слоя в другой центральные тяжи могут приобретать конформацию Р-сгиба ф-Ъепё) [12], или образовывать небольшие стандартные структуры с РуРР-, РРа^-, РауР-, РуеР- или РеР-кон-формациями [13, 14].
На рис. 1 и 2 показано структурное выравнивание аминокислотных последовательностей центральных тяжей 3р-уголков из ряда негомологичных белков (первые и третьи тяжи здесь не выравнивались, хотя их последовательности приведены). Они разбиты на несколько групп в зависимости от структуры переходных участков. Выравнивание проводилось таким образом, чтобы в каждый столбец попали структурно эквивалентные остатки, имеющие одинаковые конформации (их кон-формации показаны греческими буквами в соответствующих верхних строчках). Кроме того, остатки Р-тяжей, направленные в гидрофобное ядро, располагаются в одних столбцах (они подчеркнуты), а остатки, боковые цепи которых обращены наружу — в других столбцах. Результаты количественного анализа этих выравниваний представлены на рис. 3.
В целом, гистограмма говорит сама за себя, однако отметим аномально высокую частоту встречаемости глицинов, аланинов и валинов во внутренних позициях, а также полное отсутствие в этих позициях пролинов. В этом состоит принципиальное отличие центральных Р-тяжей 3р-уголков от Р-тя-жей в других структурах глобулярных белков. Это объясняется тем, что при складывании Z-образного Р-листа самого на себя центральный тяж сильно изгибается и скручивается, что создает в месте перехода из одного слоя в другой сильные стерические напряжения. Маленькие остатки глицинов и алани-нов создают меньше стерических напряжений по сравнению с другими остатками, поэтому встречаются в этих позициях чаще. Остатки пролинов во внутренних позициях центральных тяжей разрушают сетку водородных связей, поэтому их присутствие здесь крайне невыгодно. Таким образом, из анализа данных, приведенных на рис. 1—3, следует, что внутренние позиции центральных тяжей 3р-уголков должны быть заняты глицинами, аланинами и гидрофобными остатками, внешние позиции — преимущественно гидрофильными остатками, а^ и е-позиции — глицинами или
Тяж 1
Тяж 2
1oot : А деездс11р£гкдд-----dvit.il ккз------
1ер3 : В £1Ь1аурпдат1---1 ггрхзл. 5 ------
1-) : А д тк 1 ед V d р е Ь д 2---V--,7 с V1Ь V а е^с------
1кг1 : А d з ± а VII д-----Ъс-1 Ь V Ь d_f d------
1§79 : А л т V V л t. V в е Ь д - др V д г ±"11 к Ь V ------
НЦ : А .арс1сг £ 1 £.1Ьгд-----^"Х^Х1-" ^-----
Н4к : А glkieithcggml------гкуг^сп^------
1812 : А 1к"уе^"ЪЬсддтк-----гк^к-^спуЬ------
1e0t : А п V1V d d д 1-----± дте у t а£е------
Ней : А -\7ivlelpdg---Я^Р^1 ---
Ы81 : А 1Г|з£^л_к£.дг-/д---хекгЬуа-^!^!^:--
1eje : А £Vdeegп----1 паар£з£Ьтр-----
НОУ : А д п г с е V £ V д а д т а-----г г ^ ■е V а у V ■д а----
1уЪу : А £ д л. д дд -Ь з 11 д-----d р-----
1))2 : S д d t V е V1 г д d £ а д-----еед е V1 ПУС1------
2Ъиё : А п pd к л_у £ 1 г г ed д---V Ьг дд V1 д£г------
1У29 : А Ь £г £ р гу VI' d-----ку^^ £ее V-------
1nz9 : А Vг\-vsgpfad-----ft.2t.vt.ein------
2§3Г : А 7д1г7Уак',-;ззпд---у £^з2кл^.гс^-------
Ыу9 : А дрИсрзд---Ь\-£-2! ^ ^а^^----
1m4z : А dsvvmhnëaag---Ьу £ уутл. де^г ^п----
1О65 : А gdifrт.■;ge-----а1з_д£зд£Г£рс---
1804 : А dv:Lsfeggk-----1к£г£ка£г£у----
11ёд : А к1кка!-\7qvehde---граг1л_1пггрра----
14)7 : А з^-\"\,'у1тЬреЬкк-----£.а.£-с11д-дте
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.