Voltimisprotsessi füsioloogia. Valkude voltimine

Iga meie keha rakk on valkude tootmistehas. Osa neist toodetakse sisekasutuseks, raku eluea toetamiseks ja teine osa “eksporditakse”. Valgumolekulide kõik omadused (sealhulgas võime hämmastavalt täpselt katalüüsida teiste molekulide transformatsioone rakus) sõltuvad valgu ruumilisest struktuurist ja iga valgu struktuur on unikaalne.

Ruumilise struktuuri moodustab valguahela ainulaadne paigutus, mis koosneb erinevatest aminohappejääkidest (erinevat värvi helmed - joon. 1). Aminohapete järjestuse valguahelas määrab selle genoom ja sünteesib ribosoom, misjärel moodustub valguahela voltimisel “iseenesest” ahela ruumiline struktuur, mis jätab ribosoomi veel praktiliselt korrastamata.

Ainulaadse valgugloobuli moodustumine korrastamata ahelast (nagu ka selle lahtivoltimine) nõuab ebastabiilse poolvolditud gloobuli kujuga barjääri ületamist (joonis 1).

Aleksei Finkelštein

See ahel volditakse kokku selle aminohapete koosmõjul ja samasse struktuuri - nii kehas kui ka katseklaasis. Sama keti võimalike paigutuste valik on kujuteldamatult suur. Kuid antud aminohappejärjestusel on tavaliselt ainult üks stabiilne (“õige”) struktuur, mis annab valgule selle ainulaadsed omadused. See on stabiilne, kuna sellel on minimaalne energia.

Sama põhimõte toimib ka kristallide moodustamisel: aine omandab struktuuri, milles sideme energia on minimaalne.

Mis on ühist valkudel ja universumil?

Siin seisid teadlased silmitsi küsimusega: kuidas saab valguahel spontaanselt "leida" oma ainsa stabiilse struktuuri, kui kõigi võimaluste kolossaalse arvu (umbes 10 100 100 aminohappejäägist koosneva ahela puhul) otsimine võtaks rohkem aega kui eluiga. universumist. See pool sajandit tagasi sõnastatud "Levinthali paradoks" on alles nüüd lahendatud. Selle lahendamiseks oli vaja kasutada teoreetilise füüsika meetodeid.

Erinevate valkude kristallid, mida kasvatati kosmosejaamas Mir ja NASA süstiklendude ajal

NASA Marshalli kosmoselennukeskus

Venemaa Teaduste Akadeemia (IB) valguinstituudi teadlased on loonud teooria valgusmolekulide ruumiliste struktuuride moodustumise kiiruste kohta. Töö tulemused avaldati hiljuti ajakirjades Teaduse atlas , Chem. Phys. Chem Ja "Biofüüsika". Töö toetatud Venemaa Teadusfondi (RSF) stipendium.

"Valkude võime mõne sekundi või minutiga spontaanselt moodustada oma ruumilisi struktuure on molekulaarbioloogia pikaajaline mõistatus.

Meie töö esitleb füüsikalist teooriat, mis võimaldab hinnata selle protsessi kiirust sõltuvalt valkude suurusest ja nende struktuuri keerukusest,” alustab lugu oma tööst Venemaa Teaduste Akadeemia korrespondentliige, füüsika- ja loodusteaduste doktor. Matemaatikateadused, Venemaa Teaduste Akadeemia Valguinstituudi peateadur, RSF grandi juht Aleksei Finkelstein.

«On ammu teada, et valguahel omandab oma ainulaadse struktuuri teatud keskkonnatingimustes ja teistes (näiteks lahuse hapestamisel või kuumutamisel) rullub see struktuur lahti. Nende tingimuste ristumiskohas on valgu ainulaadne struktuur dünaamilises tasakaalus selle ahela voltimata kujuga, jätkab ta. “Seal eksisteerivad kokku voltimise ja lahtivoltimise protsessid ning nende füüsika on kõige läbipaistvam. Seetõttu keskendusime just sellistele tasakaalu- ja kvaasitasakaalutingimustele – erinevalt teistest uurijatest, kes näisid mõistlikult (kuid ekslikult, nagu selgus) uskuvat, et teed valkude voltimise saladuse juurde tuleks otsida sealt, kus see kõige kiiremini ilmneb. .”

Valgu lahtipakkimine on hea algus, kuid mitte lahendus.

"Esimese lähenemisviisi Levinthali probleemile töötasime välja meie poolt juba ammu," ütleb Aleksei Finkelstein, "ja see oli järgmine: kuna valgu voltimise teed on teoreetiliselt väga raske jälgida, peame uurima selle lahtivoltimise protsessi. . See kõlab paradoksaalselt, kuid füüsikas kehtib "detailse tasakaalu" põhimõte, mis ütleb: tasakaalusüsteemis kulgeb mis tahes protsess sama rada ja sama kiirusega kui selle vastand. Ja kuna dünaamilises tasakaalus on voltimise ja lahtivoltimise kiirused samad, siis uurisime lihtsamat valgu lahtivoltimise protsessi (lõhkuda on ju lihtsam kui selle valmistamine) ja iseloomustasime, et "barjäär" (vt pilti 1), valgu ebastabiilsus. mis määrab protsessi kiiruse.

Järgides üksikasjaliku tasakaalu põhimõtet, hindasid Venemaa Teaduste Akadeemia Valguinstituudi teadlased nii "ülevalt" kui "altpoolt" valkude - nii suurte kui ka väikeste - voltimise kiirust, nii lihtsa kui ka keeruka ahela pakkimisega. Väikesed ja lihtsalt struktureeritud valgud voldivad kiiremini (kiirusreiting “ülevalt”), suured ja/või keerulise struktuuriga valgud aga aeglasemalt (kiirusreiting “altpoolt”). Kõigi muude võimalike voltimiskiiruste väärtused sisalduvad nende vahel.

Kuid mitte kõik bioloogid polnud saadud lahendusega rahul, kuna esiteks huvitas neid valgu voltimise (mitte lahtivoltimise) tee ja teiseks mõistsid nad füüsikalist "detailse tasakaalu põhimõtet" ilmselt halvasti. .

Ja töö jätkus: seekord arvutasid Venemaa Teaduste Akadeemia Bioloogia Instituudi teadlased valkude voltimise keerukuse. Ammu on teada, et interaktsioonid valkudes on seotud peamiselt nn sekundaarsete struktuuridega. Sekundaarsed struktuurid on standardsed, küllaltki suured lokaalsed valgustruktuuri "ehitusplokid", mille määravad peamiselt neis olevad lokaalsed aminohappejärjestused. Võimalike variantide arvu selliste plokkide paigutamiseks volditud valgu struktuuris saab arvutada, mille tegid Venemaa Teaduste Akadeemia Biokeemia Instituudi teadlased. Selliste variantide arv on tohutu - umbes 100 aminohappest koosneva ahela puhul on umbes 10 10 (kuid kaugeltki mitte 10 100!) ja valguahel suudab need teoreetiliste hinnangute kohaselt "skannida" minutitega või pikemate ahelate korral. , tundides. Nii saadi valgu voltimisaja kõrgeim hinnang.

Regulaarne sekundaarstruktuur – alfaheeliks

WillowW

Kahe meetodiga (st nii valgu lahtivoltimise kui ka voltimise analüüsimisel) saadud tulemused lähenevad ja kinnitavad üksteist.

"Meie töö on tulevikus uute valkude kujundamisel farmakoloogia, bioinseneri ja nanotehnoloogia vajaduste jaoks ülioluline," lõpetab Alexey Finkelstein.

"Küsimused valgu voltimise kiiruse kohta on olulised, kui on vaja ennustada valgu struktuuri selle aminohappejärjestuse põhjal ja eriti kui tegemist on uute valkude kujundamisega, mida looduses ei esine."

„Mis muutus pärast RSF-i toetuse saamist? On tekkinud võimalus soetada tööks uusi kaasaegseid seadmeid ja reaktiive (meie labor on ju põhiliselt eksperimentaalne, kuigi rääkisin siin vaid meie teoreetilisest tööst). Kuid peamine on see, et RSF-i toetus võimaldas spetsialistidel tegeleda teadusega, mitte otsida osalise tööajaga tööd kõrvalt või kaugetelt maadelt,” ütleb Aleksei Finkelshtein.

voltimine jne "valgu voltimine- Polüpeptiidahela voltimise protsess õigesse ruumistruktuuri. Üksikud valgud, sama geeni produktid, on identse aminohappejärjestusega ning omandavad sama konformatsiooni ja funktsiooni samades rakutingimustes. Paljude keeruka ruumilise struktuuriga valkude puhul toimub voltimine osalusel "saatjad"

Ribonukleaasi taasaktiveerimine. valkude denaturatsiooniprotsess võib olla pöörduv. See avastus tehti ribonukleaasi denaturatsiooni uurimisel, mis lõhustab RNA nukleotiidide vahelisi sidemeid. Ribonukleaas on globulaarne valk, mis sisaldab ühte polüpeptiidahelat, mis koosneb 124 aminohappejäägist. Selle konformatsiooni stabiliseerivad 4 disulfiidsidet ja paljud nõrgad sidemed.

Ribonukleaasi töötlemine merkaptoetanooliga viib disulfiidsidemete lõhustumiseni ja tsüsteiinijääkide SH-rühmade vähenemiseni, mis rikub valgu kompaktset struktuuri. Karbamiidi või guanidiinkloriidi lisamine põhjustab juhuslikult volditud polüpeptiidahelate moodustumist, mis ei sisalda ribonukleaasi. ensüümi denatureerimine. Kui ribonukleaas puhastatakse denatureerivatest ainetest ja merkaptoetanoolist dialüüsi teel, taastub valgu ensümaatiline aktiivsus järk-järgult. Seda protsessi nimetatakse renaturatsiooniks

Reaktivatsiooni võimalus on tõestatud ka teiste valkude puhul. selle konformatsiooni taastamise vajalik tingimus on valgu esmase struktuuri terviklikkus.

nimetatakse valke, mis on võimelised seonduma ebastabiilses, agregatsioonile kalduvate valkudega, mis on võimelised stabiliseerima nende konformatsiooni, tagades valgu voltimise. "saatjad".

Tšaperoonide roll valkude voltimisel

Valgu sünteesi perioodil ribosoomil teostab reaktiivsete radikaalide kaitset Sh-70. Paljude kompleksse konformatsiooniga kõrgmolekulaarsete valkude voltimine toimub Sh-60 moodustatud ruumis. Sh-60 toimib oligomeerse kompleksina, mis koosneb 14 subühikust. Chaperone kompleksil on kõrge afiinsus valkude suhtes, mille pinnal on hüdrofoobsete radikaalidega rikastatud alad). Chaperone kompleksi õõnsusse sattudes seondub valk Sh-60 apikaalsete osade hüdrofoobsete radikaalidega.

Tšaperoonide roll rakuvalkude kaitsmisel denatureerivate stressimõjude eest

Rakuvalkude kaitsmisel denatureerivate mõjude eest osalevad chaperonid liigitatakse kuumašoki valkudeks.Toime all (kõrge temperatuur, hüpoksia, infektsioon, ultraviolettkiirgus, keskkonna pH muutus, keskkonna molaarsuse muutus, toksiliste ainete mõju). kemikaalid, raskmetallid) suureneb HSP-de süntees rakkudes . nad võivad takistada nende täielikku denaturatsiooni ja taastada valkude natiivse konformatsiooni.

Rikkumisega seotud haigused

valgu voltimine Alzheimeri tõbi- närvisüsteemi amüloidoos, mis mõjutab vanureid ja mida iseloomustab progresseeruv mälukahjustus ja isiksuse täielik lagunemine. Amüloid, valk, mis moodustab lahustumatud fibrillid, häirib närvirakkude struktuuri ja funktsiooni, ladestub ajukoesse.

Prioonvalgud nakkusohtlike omadustega valkude eriklass. Inimkehasse sattudes võivad need põhjustada kesknärvisüsteemi raskeid ravimatuid haigusi, mida nimetatakse prioonhaigusteks. Prioonvalku kodeerib sama geen, mis tema tavalist vastet, st. neil on identne esmane struktuur. Need kaks valku on aga erineva konformatsiooniga: prioonvalku iseloomustab suur β-lehtede sisaldus, samas kui normaalsel valgul on palju spiraalseid piirkondi. prioonvalk on proteaaside suhtes resistentne.

2. Valkude puhastamise meetodid

3. Valkude puhastamine madala molekulmassiga lisanditest

11. Valkude konformatsiooniline labiilsus. Denaturatsioon, märgid ja seda põhjustavad tegurid. Kaitse denaturatsiooni eest spetsiaalsete kuumašokivalkude (tšaperoonide) poolt.

12. Valkude klassifitseerimise põhimõtted. Klassifikatsioon koostise ja bioloogiliste funktsioonide järgi, üksikute klasside esindajate näited.

13. Immunoglobuliinid, immunoglobuliinide klassid, struktuuri ja toimimise tunnused.

14. Ensüümid, määratlus. Ensümaatilise katalüüsi tunnused. Ensüümide toime spetsiifilisus, tüübid. Ensüümide klassifikatsioon ja nomenklatuur, näited.

1. Oksüdoreduktid

2.Ülekanded

V. Ensüümide toimemehhanism

1. Ensüüm-substraadi kompleksi moodustumine

3. Aktiivse saidi roll ensümaatilises katalüüsis

1. Happe-aluse katalüüs

2. Kovalentne katalüüs

16. Ensümaatiliste reaktsioonide kineetika. Ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse sõltuvus temperatuurist, keskkonna pH-st, ensüümi ja substraadi kontsentratsioonist. Michaelis-Menteni võrrand, Km.

17. Ensüümi kofaktorid: metalliioonid ja nende roll ensümaatilises katalüüsis. Koensüümid kui vitamiinide derivaadid. Vitamiinide B6, pp ja B2 koensüümi funktsioonid transaminaaside ja dehüdrogenaaside näitel.

1. Metallide roll substraadi kinnitumisel ensüümi aktiivse saidiga

2. Metallide roll ensüümi tertsiaar- ja kvaternaarse struktuuri stabiliseerimisel

3. Metallide osa ensümaatilises katalüüsis

4. Metallide osa ensüümi aktiivsuse reguleerimisel

1. Ping-pongi mehhanism

2. Järjestikune mehhanism

18. Ensüümi inhibeerimine: pöörduv ja pöördumatu; konkurentsivõimeline ja mittekonkurentsivõimeline. Ravimid kui ensüümi inhibiitorid.

1. Konkurentsivõimeline pärssimine

2. Mittekonkureeriv pärssimine

1. Spetsiifilised ja mittespetsiifilised inhibiitorid

2. Pöördumatud ensüümi inhibiitorid ravimitena

20. Ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimine kovalentse modifitseerimise teel fosforüülimise ja defosforüülimise teel.

21. Protomeeride assotsiatsioon ja dissotsiatsioon, kasutades ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimise viisina proteiinkinaas a ja piiratud proteolüüsi proteolüütiliste ensüümide aktiveerimisel.

22. Isoensüümid, nende päritolu, bioloogiline tähtsus, too näiteid. Vereplasma ensüümide ja isoensüümide spektri määramine haiguste diagnoosimise eesmärgil.

23. Ensümopaatiad on pärilikud (fenüülketonuuria) ja omandatud (skorbuut). Ensüümide kasutamine haiguste raviks.

24. Pürimidiini nukleotiidide sünteesi ja lagunemise üldskeem. määrus. Orotatsiduuria.

25. Puriini nukleotiidide sünteesi ja lagunemise üldskeem. määrus. Podagra.

27. Nukleiinhapete struktuuri kuuluvad lämmastiku alused on puriin ja pürimidiin. Nukleotiidid, mis sisaldavad riboosi ja desoksüriboosi. Struktuur. Nomenklatuur.

28. Nukleiinhapete põhistruktuur. DNA ja RNA on sarnasused ja erinevused koostises, rakus paiknemises ja funktsioonides.

29. DNA sekundaarne struktuur (Watsoni ja Cricki mudel). Sidemed, mis stabiliseerivad DNA sekundaarset struktuuri. Vastastikune täiendavus. Chargaffi reegel. Polaarsus. Antiparalleelsus.

30. Nukleiinhapete hübridiseerimine. DNA denatureerimine ja renatureerimine. Hübridisatsioon (DNA-DNA, DNA-RNA). Nukleiinhapete hübridisatsioonil põhinevad laboratoorsed diagnostikameetodid.

32. Replikatsioon. DNA replikatsiooni põhimõtted. Replikatsiooni etapid. Algatus. Replikatsioonikahvli moodustamisel osalevad valgud ja ensüümid.

33. Replikatsiooni pikenemine ja lõpetamine. Ensüümid. Asümmeetriline DNA süntees. Okazaki fragmendid. DNA ligaasi roll pidevate ja mahajäänud ahelate moodustamisel.

34. Kahjustused ja DNA parandamine. Kahjustuse liigid. Parandusmeetodid. Reparatsioonisüsteemide defektid ja pärilikud haigused.

35. Transkriptsioon RNA sünteesisüsteemi komponentide omadused. DNA-sõltuva RNA polümeraasi struktuur: subühikute roll (α2ββ′δ). Protsessi algatamine. Elongatsioon, transkriptsiooni lõpetamine.

36. Esmane ärakiri ja selle töötlemine. Ribosüümid kui nukleiinhapete katalüütilise aktiivsuse näide. Biorole.

37. Transkriptsiooni reguleerimine prokarüootides. Operoni teooria, reguleerimine induktsiooni ja repressiooniga (näited).

1. Operoni teooria

2. Valgusünteesi esilekutsumine. Lac operon

3. Valgusünteesi pärssimine. Trüptofaani ja histidiini operonid

39. Polüpeptiidahela kokkupanek ribosoomil. Initsiatsioonikompleksi moodustumine. Elongatsioon: peptiidsideme moodustumine (transpeptidatsioonireaktsioon). Translokatsioon. Translokaasi. Lõpetamine.

1. Initsiatsioon

2. Pikendamine

3. Lõpetamine

41. Valkude voltimine. Ensüümid. Tšaperoonide roll valkude voltimisel. Valgu molekuli voltimine chaperoniini süsteemi abil. Valkude voltimise häiretega seotud haigused on prioonhaigused.

42. Sekreteeritud valkude (näiteks kollageeni ja insuliini) sünteesi ja töötlemise tunnused.

43. Toitumise biokeemia. Inimtoidu põhikomponendid, nende bioroll, igapäevane vajadus nende järele. Olulised toidukomponendid.

44. Valgu toitumine. Valkude bioloogiline väärtus. Lämmastiku tasakaal. Valgu toitumise täielikkus, valgunormid toitumises, valgupuudus.

45. Valkude seedimine: seedetrakti proteaasid, nende aktivatsioon ja spetsiifilisus, pH optimum ja toimetulemus. Vesinikkloriidhappe teke ja roll maos. Rakkude kaitse proteaaside toime eest.

1. Vesinikkloriidhappe teke ja roll

2. Pepsiini aktiveerimise mehhanism

3. Valkude seedimise vanusega seotud tunnused maos

1. Pankrease ensüümide aktiveerimine

2. Proteaasi toime spetsiifilisus

47. Vitamiinid. Klassifikatsioon, nomenklatuur. Provitamiinid. Hüpo-, hüper- ja avitaminoos, põhjused. Vitamiinist sõltuvad ja vitamiiniresistentsed seisundid.

48. Toidu mineraalained, makro- ja mikroelemendid, bioloogiline roll. Piirkondlikud patoloogiad, mis on seotud mikroelementide puudumisega.

3. Membraanide voolavus

1. Membraani lipiidide struktuur ja omadused

51. Aine ülekandumise mehhanismid läbi membraanide: lihtne difusioon, passiivne sümport ja antiport, aktiivne transport, reguleeritud kanalid. Membraani retseptorid.

1. Esmane aktiivne transport

2. Sekundaarne aktiivne transport

Membraani retseptorid

3. Endergoonilised ja eksergoonilised reaktsioonid

4. Eksergooniliste ja endergooniliste protsesside sidumine organismis

2. ATP süntaasi ja ATP sünteesi struktuur

3. Oksüdatiivne fosforüülimise koefitsient

4. Hingamisteede kontroll

56. Reaktiivsete hapnikuliikide (singlethapnik, vesinikperoksiid, hüdroksüülradikaal, peroksünitriil) moodustumine. Tekkekoht, reaktsioonimustrid, nende füsioloogiline roll.

57. Reaktiivsete hapnikuliikide rakkudele kahjustava toime mehhanism (sugu, valkude ja nukleiinhapete oksüdatsioon). Näited reaktsioonidest.

1) Initsiatsioon: vabade radikaalide moodustumine (l)

2) Keti arendamine:

3) Lipiidide struktuuri hävimine

1. Püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi struktuur

2. Püruvaadi oksüdatiivne dekarboksüülimine

3. Püruvaadi ja cpe oksüdatiivse dekarboksüülimise seos

59. Sidrunhappe tsükkel: reaktsioonide jada ja ensüümide omadused. Tsükli roll ainevahetuses.

1. Tsitraaditsükli reaktsioonide järjestus

60. Sidrunhappe tsükkel, protsessiskeem. Tsükli side elektronide ja prootonite ülekandmiseks. Sidrunhappe tsükli reguleerimine. Tsitraaditsükli anaboolsed ja anaplerootilised funktsioonid.

61. Põhilised loomsed süsivesikud, bioloogiline roll. Süsivesikud toidus, süsivesikute seedimine. Seedimisproduktide imendumine.

Vere glükoosisisalduse määramise meetodid

63. Aeroobne glükolüüs. Püruvaadi moodustumiseni viivate reaktsioonide järjestus (aeroobne glükolüüs). Aeroobse glükolüüsi füsioloogiline tähtsus. Glükoosi kasutamine rasva sünteesiks.

1. Aeroobse glükolüüsi etapid

64. Anaeroobne glükolüüs. Glükolüütiline oksüdatsioonireaktsioon; substraadi fosforüülimine. Glükoosi anaeroobse lagunemise jaotus ja füsioloogiline tähtsus.

1. Anaeroobsed glükolüüsi reaktsioonid

66. Glükogeen, bioloogiline tähtsus. Glükogeeni biosüntees ja mobilisatsioon. Glükogeeni sünteesi ja lagunemise reguleerimine.

68. Pärilikud monosahhariidide ja disahhariidide metabolismi häired: galaktoseemia, fruktoosi ja disahhariidide talumatus. Glükogenoosid ja aglükogenoosid.

2. Aglükogenoosid

69. Lipiidid. Üldised omadused. Bioloogiline roll. Lipiidide klassifikatsioon Kõrgemad rasvhapped, struktuuri iseärasused. Polüeenrasvhapped. Triatsüülglütseroolid...

72. Rasvade ladestumine ja mobiliseerumine rasvkoes, nende protsesside füsioloogiline roll. Insuliini, adrenaliini ja glükagooni roll rasvade ainevahetuse reguleerimisel.

73. Rasvhapete lagunemine rakus. Rasvhapete aktiveerimine ja ülekandmine mitokondritesse. Rasvhapete B-oksüdatsioon, energeetiline toime.

74. Rasvhapete biosüntees. Protsessi peamised etapid. Rasvhapete metabolismi reguleerimine.

2. Rasvhapete sünteesi reguleerimine

76. Kolesterool. Kehast sisenemise, kasutamise ja väljutamise teed. Seerumi kolesterooli tase. Kolesterooli biosüntees, selle etapid. Sünteesi reguleerimine.

Kolesterooli kogum kehas, selle kasutamise ja kõrvaldamise viisid.

1. Reaktsioonimehhanism

2. Organispetsiifilised aminotransferaasid ant ja toimivad

3. Transaminatsiooni bioloogiline tähtsus

4. Aminotransferaasi määramise diagnostiline väärtus kliinilises praktikas

1. Oksüdatiivne deaminatsioon

81. Aminohapete kaudne deamineerimine. Protsessi skeem, substraadid, ensüümid, kofaktorid.

3. Mitteoksüdeeriv desamitroaat

110. Müofibrillide molekulaarstruktuur. Peamiste müofibrillvalkude müosiin, aktiin, tropomüosiin, troponiin struktuur ja talitlus. Müofibrillide peamised valgud

111. Lihaste kokkutõmbumise ja lõõgastumise biokeemilised mehhanismid. Kaltsiumiioonide ja teiste ioonide roll lihaste kontraktsioonide reguleerimisel.

Polüpeptiidahelate sünteesil, nende transportimisel läbi membraanide ja oligomeersete valkude kokkupanemisel tekivad vahepealsed ebastabiilsed konformatsioonid, mis on altid agregatsioonile. Äsja sünteesitud polüpeptiidis on palju hüdrofoobseid radikaale, mis on peidetud molekuli sees kolmemõõtmelises struktuuris. Seetõttu tuleb natiivse konformatsiooni moodustumisel mõne valgu reaktiivsed aminohappejäägid eraldada teiste valkude samadest rühmadest.

Kõigis teadaolevates organismides, alates prokarüootidest kuni kõrgemate eukarüootideni, on leitud valke, mis võivad seonduda valkudega, mis on agregatsioonile kalduvas ebastabiilses olekus. Nad suudavad stabiliseerida oma konformatsiooni, tagades valkude voltimise. Neid valke nimetatakse "chaperonideks".

1. Chaperonide klassifikatsioonid (III)

Molekulmassi järgi võib kõik chaperonid jagada 6 põhirühma:

kõrge molekulmassiga, molekulmassiga 100 kuni 110 kDa;

Sh-90 - molekulmassiga 83 kuni 90 kDa;

Sh-70 - molekulmassiga 66 kuni 78 kDa;

madala molekulmassiga chaperonid molekulmassiga 15 kuni 30 kDa.

Tšaperoonidest eristatakse: konstitutiivseid valke (mille kõrge basaalsüntees ei sõltu stressimõjudest keharakkudele) ja indutseeritavaid valke, mille süntees on tavatingimustes nõrk, kuid stressi mõjul suureneb järsult. raku peal. Indutseeritavad chaperoonid klassifitseeritakse "kuumašokiproteiinideks", mille kiiret sünteesi täheldatakse peaaegu kõigis rakkudes, mis puutuvad kokku igasuguse stressiga. Nimetus "kuumašokivalgud" tulenes asjaolust, et need valgud avastati esmakordselt rakkudest, mis puutusid kokku kõrgete temperatuuridega.

2. Tšaperoonide roll valkude voltimisel

Valgusünteesi käigus sünteesitakse polüpeptiidi N-terminaalne piirkond varem kui C-terminaalne piirkond. Valgu konformatsiooni moodustamiseks on vaja selle täielikku aminohappejärjestust. Seetõttu kaitseb ribosoomi valgusünteesi käigus reaktiivseid radikaale (eriti hüdrofoobseid) Sh-70.

Sh-70 on väga konserveerunud valkude klass, mis esineb raku kõigis osades: tsütoplasmas, tuumas, ER-s, mitokondrites. Tšaperoonide üksiku polüpeptiidahela karboksüülotsa piirkonnas on vao kujul aminohapperadikaalidest moodustatud piirkond. See on võimeline interakteeruma valgumolekulide lõikude ja 7-9 aminohappe pikkuste voldimata polüpeptiidahelatega, mis on rikastatud hüdrofoobsete radikaalidega. Sünteesitud polüpeptiidahelas esinevad sellised piirkonnad ligikaudu iga 16 aminohappe järel.

Paljude keeruka konformatsiooniga (näiteks domeenistruktuuriga) kõrgmolekulaarsete valkude voltimine toimub spetsiaalses Sh-60 moodustatud ruumis. Ш-60 toimib oligomeerse kompleksina, mis koosneb 14 subühikust (joon. 1-23).

Ш-60 moodustavad 2 rõngast, millest igaüks koosneb 7 omavahel ühendatud allüksusest. Subühik Ш-60 koosneb 3 domeenist: apikaalne (apikaalne), vahepealne ja ekvatoriaalne. Apikaalses domeenis on hulk hüdrofoobseid jääke, mis on suunatud subühikute moodustatud tsükli õõnsusele. Ekvatoriaaldomeenil on ATP sidumissait ja sellel on ATPaasi aktiivsus, st. on võimeline hüdrolüüsima ATP-d ADP-ks ja H3PO4-ks.

Tšaperoonikompleksil on kõrge afiinsus valkude suhtes, mille pinnal on voldimata molekulidele iseloomulikke elemente (peamiselt hüdrofoobsete radikaalidega rikastatud alad). Chaperone kompleksi õõnsusse sattudes seondub valk Sh-60 apikaalsete osade hüdrofoobsete radikaalidega. Selle õõnsuse spetsiifilises keskkonnas, isoleerituna raku teistest molekulidest, otsitakse võimalikke valgu konformatsioone, kuni leitakse üksainus, energeetiliselt soodsaim konformatsioon.

Moodustunud natiivse konformatsiooniga valgu vabanemisega kaasneb ATP hüdrolüüs ekvatoriaalses domeenis. Kui valk ei ole omandanud oma loomulikku konformatsiooni, siis satub see korduvasse kontakti chaperone kompleksiga. See chaperone-sõltuv valkude voltimine nõuab palju energiat.

Seega toimub valkude süntees ja voltimine erinevate chaperoonide rühmade osalusel, mis takistavad valkude soovimatuid interaktsioone teiste raku molekulidega ja saadavad neid kuni natiivse struktuuri lõpliku moodustumiseni.

4. Valkude väärvoltimisega seotud haigused

Arvutused on näidanud, et ainult väike osa teoreetiliselt võimalikest polüpeptiidahelate variantidest võib omandada ühe stabiilse ruumilise struktuuri. Enamik neist valkudest võib omandada palju konformatsioone ligikaudu sama Gibbsi energiaga, kuid erinevate omadustega. Enamiku teadaolevate evolutsiooni teel valitud valkude primaarstruktuur tagab ühe konformatsiooni erakordse stabiilsuse.

Kuid mõned vees lahustuvad valgud võivad tingimuste muutumisel omandada halvasti lahustuvate molekulide konformatsiooni, mis on võimelised agregeeruma, moodustades rakkudes fibrillaarseid ladestusi, mida nimetatakse amüloidiks (ladina keelest. amülum - tärklis). Nagu tärklis, tuvastatakse amüloidiladestused koe joodiga värvimisega. See võib juhtuda:

teatud valkude ületootmisega, mille tulemuseks on nende kontsentratsiooni suurenemine rakus;

kui valgud sisenevad rakkudesse või tekivad neis, mis võivad mõjutada teiste valgumolekulide konformatsiooni;

normaalsete kehavalkude proteolüüsi aktiveerimisel koos agregatsioonile kalduvate lahustumatute fragmentide moodustumisega;

valgu struktuuri punktmutatsioonide tulemusena.

Amüloidi ladestumise tagajärjel elundites ja kudedes häirub rakkude struktuur ja talitlus, täheldatakse nende degeneratiivseid muutusi ning sidekoe ehk gliiarakkude vohamist. Arenevad haigused, mida nimetatakse amüloidideks. Iga amüloidoosi tüüpi iseloomustab teatud tüüpi amüloid. Praegu on kirjeldatud enam kui 15 sellist haigust.

Alzheimeri tõbi

Alzheimeri tõbi on kõige sagedamini täheldatud närvisüsteemi amüloidoos, mis mõjutab tavaliselt eakaid inimesi ja mida iseloomustab progresseeruv mälukahjustus ja isiksuse täielik lagunemine. β-amüloid, valk, mis moodustab lahustumatud fibrillid, häirib närvirakkude struktuuri ja funktsiooni, ladestub ajukoesse. β-amüloid on inimkeha normaalsete valkude konformatsiooni muutuste produkt. See moodustub suuremast prekursorist osalise proteolüüsi teel ja sünteesitakse paljudes kudedes. α-amüloidil on erinevalt oma tavalisest eelkäijast, mis sisaldab palju α-spiraalseid sektsioone, sekundaarne α-volditud struktuur, see agregeerub lahustumatute fibrillide moodustamiseks ja on proteolüütiliste ensüümide toime suhtes vastupidav.

Natiivsete valkude voltimise katkemise põhjused ajukoes on veel selgitamata. Võimalik, et vanuse kasvades väheneb natiivsete valgukonformatsioonide moodustamises ja säilitamises osaleda võimeliste chaperoonide süntees või suureneb proteaaside aktiivsus, mis toob kaasa konformatsiooni muutumisele kalduvate valkude kontsentratsiooni suurenemise.

Prioonhaigused

Prioonid on nakkavate omadustega valkude eriklass. Inimkehasse sattudes või sinna spontaanselt tekkides võivad nad põhjustada kesknärvisüsteemi raskeid ravimatuid haigusi, mida nimetatakse prioonhaigusteks. Nimi "prioonid" pärineb ingliskeelse fraasi lühendist valguline nakkav osake- valgu nakkav osake.

Prioonvalku kodeerib sama valk, mis tema tavalist vastet, st. neil on identne esmane struktuur. Siiski on neil kahel valgul erinev konformatsioon: prioonvalku iseloomustab suur α-lehtede sisaldus, samas kui normaalsel valgul on palju α-spiraalseid piirkondi. Lisaks on prioonvalk resistentne proteaaside toimele ning ajukoesse sisenedes või seal spontaanselt moodustudes soodustab normaalse valgu muundumist prioonvalguks valk-valgu interaktsiooni tulemusena. Moodustub nn polümerisatsioonituum, mis koosneb agregeerunud prioonvalkudest, mille külge on võimelised kinnituma uued normaalsed valgumolekulid. Selle tulemusena toimuvad prioonvalkudele iseloomulikud konformatsioonilised ümberkorraldused nende ruumilises struktuuris.

On teada prioonhaiguste pärilike vormide juhtumeid, mis on põhjustatud selle valgu struktuuri mutatsioonidest. Siiski on võimalik, et inimene nakatub prioonvalkudega, mille tagajärjeks on haigus, mis viib patsiendi surmani. Seega on kuru Uus-Guinea põliselanike prioonhaigus, mille epideemiline iseloom on seotud nende hõimude traditsioonilise kannibalismi ja nakkusliku valgu ülekandumisega ühelt isendilt teisele. Nende elustiili muutuste tõttu on see haigus praktiliselt kadunud.

Bioloogiline keemia Lelevitš Vladimir Valerjanovitš

Kokkupandav

Valgu voltimine on polüpeptiidahela voltimise protsess õigesse ruumistruktuuri. Sel juhul viiakse polüpeptiidahela kauged aminohappejäägid üksteisele lähemale, mis viib natiivse struktuuri moodustumiseni. Sellel struktuuril on ainulaadne bioloogiline aktiivsus. Seetõttu on voltimine oluline etapp geneetilise informatsiooni transformeerimisel raku funktsioneerimise mehhanismideks.

Tšaperoonide struktuur ja funktsionaalne roll valkude voltimisel

Chaperonide klassifikatsioon (III)

Molekulmassi järgi võib kõik chaperonid jagada 6 põhirühma:

1. kõrge molekulmassiga, molekulmassiga 100 kuni 110 kDa;

2. Sh-90 – molekulmassiga 83 kuni 90 kDa;

3. Sh-70 – molekulmassiga 66 kuni 78 kDa;

6. Madala molekulmassiga šaperoonid molekulmassiga 15 kuni 30 kDa.

Tšaperoonidest eristatakse: konstitutiivseid valke (mille kõrge basaalsüntees ei sõltu stressimõjudest keharakkudele) ja indutseeritavaid valke, mille süntees on tavatingimustes nõrk, kuid stressi mõjul suureneb järsult. raku peal. Indutseeritavad chaperonid kuuluvad "kuumašoki valkude" hulka, mille kiiret sünteesi täheldatakse peaaegu kõigis rakkudes, mis puutuvad kokku igasuguse stressiga. Nimetus "kuumašokivalgud" tulenes asjaolust, et need valgud avastati esmakordselt rakkudes, mis puutusid kokku kõrgete temperatuuridega.

Tšaperoonide roll valkude voltimisel

Sh-70 on väga konserveerunud valkude klass, mis esineb raku kõigis osades: tsütoplasmas, tuumas, mitokondrites.

Paljude keeruka konformatsiooniga (näiteks domeenistruktuuriga) kõrgmolekulaarsete valkude voltimine toimub spetsiaalses Sh-60 moodustatud ruumis. Sh-60 toimib oligomeerse kompleksina, mis koosneb 14 subühikust.

Tšaperoonikompleksil on kõrge afiinsus valkude suhtes, mille pinnal on voldimata molekulidele iseloomulikke elemente (peamiselt hüdrofoobsete radikaalidega rikastatud alad). Chaperone kompleksi õõnsusse sattudes seondub valk Sh-60 apikaalsete osade hüdrofoobsete radikaalidega. Selle õõnsuse spetsiifilises keskkonnas, eraldatuna teistest raku molekulidest, toimub valik võimalikke valgu konformatsioone, kuni leitakse üks, energeetiliselt soodsaim konformatsioon.

Tšaperoonide roll rakuvalkude kaitsmisel denatureerivate stressimõjude eest

Nagu ülalpool mainitud, rakuvalkude kaitsmisel denatureerivate mõjude eest osalevad chaperonid klassifitseeritakse kuumašokivalkudeks (HSP) ja kirjanduses nimetatakse neid sageli HSP-deks (kuumašokivalgud).

Erinevate stressitegurite (kõrge temperatuur, hüpoksia, infektsioonid, ultraviolettkiirgus, keskkonna pH muutused, keskkonna molaarsuse muutused, toksiliste kemikaalide, raskmetallide jne mõju) mõjul sünteesitakse HSP-d rakkudes suurenevad. Omades kõrget afiinsust osaliselt denatureeritud valkude hüdrofoobsete piirkondade suhtes, võivad nad ära hoida nende täielikku denaturatsiooni ja taastada valkude natiivse konformatsiooni.

On kindlaks tehtud, et lühiajaline stress suurendab HSP tootmist ja suurendab organismi vastupanuvõimet pikaajalisele stressile. Seega suurendab lühiajaline südamelihase isheemia mõõduka treeninguga joostes oluliselt müokardi vastupanuvõimet pikaajalisele isheemiale. Praegu on meditsiinis paljulubavaks teadustööks farmakoloogiliste ja molekulaarbioloogiliste meetodite otsimine HSP sünteesi aktiveerimiseks rakkudes.

Valkude väärvoltimisega seotud haigused

Kuid mõned vees lahustuvad valgud võivad tingimuste muutumisel omandada halvasti lahustuvate molekulide konformatsiooni, mis on võimelised agregeeruma, moodustades rakkudes fibrillaarseid ladestusi, mida nimetatakse amüloidiks (ladina keelest amylum - tärklis). Nii nagu tärklis, tuvastatakse amüloidiladestused koe joodiga värvimisega.

See võib juhtuda:

1. teatud valkude ületootmisega, mille tagajärjel suureneb nende kontsentratsioon rakus;

2. kui rakkudesse sisenevad või neis tekivad valgud, mis võivad mõjutada teiste valgumolekulide konformatsiooni;

3. normaalsete kehavalkude proteolüüsi aktiveerimisel agregatsioonile kalduvate lahustumatute fragmentide moodustumisega;

4. valgu struktuuri punktmutatsioonide tulemusena.

Amüloidi ladestumise tagajärjel elundites ja kudedes häirub rakkude struktuur ja talitlus, täheldatakse nende degeneratiivseid muutusi ja sidekoerakkude proliferatsiooni. Arenevad haigused, mida nimetatakse amüloidoosiks. Iga amüloidoosi tüüpi iseloomustab teatud tüüpi amüloid. Praegu on kirjeldatud enam kui 15 sellist haigust.