Anfinsena dogma: proteīnu locīšanās princips un izņēmumi

Anfinsena dogma: proteīnu locīšanās princips, šaperonu loma un izņēmumi — prioni, amiloīdi (Alcheimera, Parkinsona) un modernās locīšanās atziņas.

Anfinsena dogma ir fundamentāla hipotēze molekulārajā bioloģijā, ko 1950.—1960. gados formulēja Kristians Anfinsens. Pamatsaka ir vienkārša: proteīna olbaltumvielas salocīšanās tās funkcionālā, «dabiskā» struktūrā ir noteikta galvenokārt ar proteīna aminoskābju sekvenci, un šī sekvence satur visu nepieciešamo informāciju, lai nonāktu pie vienas unikālas 3D konformācijas. Tomēr praksē šis princips attiecas tikai uz daļu proteīnu; daudziem citiem nepieciešama šūnas palīdzība — šaperoni — vai citi faktori, lai sasniegtu pareizo formu.

Anfinsena pierādījums un nozīmīgums

Anfinsens parāda šo ideju eksperimentāli, atjaunojot ribonukleāzes A aktivitāti pēc tās denaturācijas un pārliecinoties, ka izveidotā konformācija atbilst oriģinālajai. Par šo darbu 1972. gadā viņš saņēma Nobela prēmiju ķīmijā par pētījumiem, tostarp par fermenta ribonukleāzes A strukturālajām īpašībām. No teorētiska viedokļa dogma nozīmē, ka, ja apkārtējie apstākļi ir atbilstoši, proteīns sasniedz vienu unikālu, enerģētiski izdevīgāko stāvokli.

Anfinsena dogmas trīs nosacījumi

• Unikalitāte — sekvencei jānodrošina, ka nav citu konformāciju ar līdzvērtīgu brīvo enerģiju, tātad gala struktūra ir unikāla.
• Stabilitāte — nelielas izmaiņas apkārtējā vidē (temperatūra, jonu spēks u. tml.) neveicina pāreju uz citu minimālu konfigurāciju.
• Kinetiskā pieejamība — funkcionālo formu jābūt iespējai sasniegt bez nepieciešamības pārvarēt nepārvaramus enerģijas barjeras (piemēram, mezglu vai ļoti sarežģītu pārkārtojumu veidošanās).

Kā olbaltumviela iegūst savu formu — enerģijas ainava un Levintāla paradokss

Proteīnu locīšanās pētījumu laukā attīstījās arī koncepcija par enerģijas ainavu (folding funnel), kas palīdz izprast, kā sekvence orientējas daudzskaitlīgā konformāciju telpā. Lai gan kopējais iespējamību skaits ir milzīgs — par to runā proteīnu locīšanas pētījumi un radniecīgs jēdziens, ko dēvē par Levintāla paradoksu — proteīni parasti neizmeklē visas iespējamās konfigurācijas nejauši. Levintāla paradokss apraksta, ka tumša, brutāli liela skaita kombināciju dēļ tīri eksperimentālais «izmežģīšana visu un izvēlies labāko» būtu nereāla: pat salīdzinoši īsam proteīnam ar ~100 atlikumiem būtu nepieciešams astronomisks laiks, lai izpētītu visas iespējamās konformācijas (minētajos aprēķinos tiek norādīts, ka tas varētu pārsniegt Visuma vecumu).

Tas noved pie skaidrojuma, ka proteīni locās pa organizētiem ceļiem, kurus nosaka lokālās mijiedarbības (hidrofobās stiprības, ūdeņraža saites, joniskās mijiedarbības, disulfīdu saites u. c.) un enerģijas ainavas «slīpētais» profils, kas vērš tos pret gala stāvokli daudz efektīvāk nekā nejauša meklēšana. Tomēr eksistē arī kinetiski slazdi un starpprodukti, kas var novest pie nepareizas locīšanās vai agregācijas.

Šaperoni un citi asistentu mehānismi

Šūnā bieži vien proteīnu locīšanos atvieglo šaperoni (molekulārie palīgi), kas neievada informāciju par gala konformāciju, bet palīdz izvairīties no agregācijas un novērš lokālos kinetiskos slazdus. Galvenās grupas ir Hsp70, Hsp90 un lielās šaperonīnas (piemēram, GroEL/GroES), kas nodrošina izolētu vidi vai atkārtotu izmēģinājumu ciklus, lai proteīns varētu sasniegt pareizu konformāciju. Bez šiem palīgiem daudzi sarežģītāki vai aggregāciju pakļauti proteīni nekvalitatīvi locītos vai tiktu degradēti.

Tāpat daudzi proteīni prasa ko-faktorus, metāljonus, disulfīdu šķērssaites vai post-translacionālas modifikācijas (piem., glicosilēšana), kā arī membrānas un pievienošanos citiem proteīniem (oligomerizāciju), lai iegūtu funkcionālu struktūru. Šie faktori parāda, ka «sekvences determinisms» Anfinsena formulējumā ir patiesa tikai noteiktā kontekstā — vienkāršā, in vitro vidē bez šūnu sarežģītības.

Izņēmumi: prioni un amiloīdi

Prioni ir klasisks Anfinsena dogmas izņēmums. Tie ir proteīni, kuri var pastāvēt vairākās stabilās konformācijās, no kurām viena ir infekcioza un spēj inducēt līdzīgu pārlokalizāciju citos tā paša veida proteīnos. Tas nozīmē, ka viena proteīna «neparastā» konformācija var katalizēt citu molekulu transformāciju tajā pašā stabilā, bet nefunkcionālā formā. Rezultātā veidojas biezas, nešķīstošas amiloīdšķiedras, kas bojā audu struktūru.

Viens labi zināms piemērs ir Liellopu sūkļveidaencefalopātijas (govju trakumsērgas) process, kur prionam līdzīgas pārejas izraisa smadzeņu bojājumus un letālu iznākumu. Līdzīgi amiloīdveida nogulsnes ir iesaistītas arī citās neirodeģeneratīvās slimībās, piemēram, Alcheimera slimība un Parkinsona slimība, kur proteīnu nepareiza locīšanās un agregācijas sākotnējās stadijas noveda pie toksisku oligomēru un nogulšņu rašanās.

Praktiskie un medicīniskie aspekti

Izpratne par proteīnu locīšanos un tās izņēmumiem ir svarīga:

• biotehnoloģijā — lai ražotu funkcionālus rekombinantus proteīnus nepieciešams optimizēt izteiksmes apstākļus, izmantojot solu, chaperonus vai refolding procedūras;
• farmakoloģijā — mērķējot uz šaperoniem vai novēršot agregāciju, var rast ārstēšanas stratēģijas neirodeģeneratīvām slimībām;
• pamata pētniecībā — proteīnu locīšanās modeļu un enerģijas ainavu izpēte palīdz izprast strukturālo bioloģiju un attīstīt datormodeļus, kas paredz proteīnu struktūras pēc sekvences.

Kopsavilkums

Anfinsena dogma sniedz pamatprincipu: daudz vai daudzi proteīni var sasniegt savu naturālo konformāciju, pamatojoties galvenokārt uz aminoskābju sekvenci. Tomēr reālās šūnu vides sarežģītība, kinetiskie slazdi, nepieciešamība pēc šaperoniem, ko-faktoriem vai posttranslacionālām modifikācijām, kā arī īpaši gadījumi kā prioni un dažādas amiloīdveida slimības parāda, ka šī dogma ir spēcīga, bet nevis absolūta — tā darbojas kopā ar papildu mehānismiem, kas regulē proteīnu lokšanos un kvalitātes kontroli.

Jautājumi un atbildes

J: Kāda ir Anfinsena dogma?

J: Kādi ir trīs unikalitātes, stabilitātes un kinētiskās pieejamības nosacījumi?

J: Kas ir Levintāla paradokss?

Vai Anfinsena dogmai ir kādi izņēmumi?

J: Kā Kristians Anfinsens ieguva Nobela prēmiju?

J: Ar ko prioni atšķiras no dabiskā locījuma?

Meklēt pēc burta