Ақуыз молекуласының фолдингі.
Ақуыздың бірінші реттік құрылымының (полипептид тізбегі) оның әртүрлі фрагментгерінің екінші реттік құрылымын толықтай анықтайтынын жоғарыда айтқанбыз. Тап осы тұжырымды ақуыздың күрделі құрылымдары-үшінші, төртінші реттік құрылымдарына да жатқызуға әбден болады.
Мұны К.Анфинсен 1973 ж. рибонуклеазаға тәжірибелер жасап дәлелдеген.
Рибонуклеаза молекуласы 124 аминқышқылы болатын бір пептидтік тізбектен түрады. Аминқышқылдарының арасында, тізбектің әртүрлі жерлерінде орналасқан (26, 40, 58, 65, 72, 84, 95, 110), 8 цистеин қалдығы кездессді. Олар 4 жұп дисульфидтік байланыс пайда етеді. Теория күйінде 8 цистеин аминқышқылдары 105 түрлі өзара жұптасқан байланыстар туғыза алады, бірақ табиғи (нативтік) РНҚ-азада олардың тек біреуі ғана іске асады: 26-84; 40-95;
Ақуыз-лиганд әрекеттесулердің бірнеше түрлері белгілі:
1) Лиганд ақуызбен байланысып оның құрылымын тұрақтандырады, бірақ конформациясының өзгеруіне айтарлықтай әсер етпейді. Мысалы, лизоцимнің Са2+ ионымен байланысуы;
2) Лиганд ақуыздың III реттік құрылымын айтарлықтай өзгертеді және тек осы күйінде ол белсенді болады. Мысалы, кальмодулин Са2+ ионын байланыстырғаннан кейін белсенділік қасиетке ие болады.
3) Лиганд болмаған жағдайда ақуыз еріген шумақ (глобула), яғни ешқандай үшінші құрылымы қалыптаспаған күйінде болады, мысалы лактальбуминнің Са2+ ионымен байланысуы.
Са2+ ионы болмаған жағдайда лактальбуминнің II ретік құрылымы бүзылады.
4) Лигандсыз ақуыздың II реттік құрылымы толық калыптаспаған, ал Ш-реттік құрылымы мүлдем болмайды. Пептидтік тізбек ішінара созылған күйде болады.
5) Лигандсыз ақуыз молекуласы түгелдей созылған, яғни кездейсоқ шумақ күйде болады.
6) Лигандпен байланысу ақуыз домендерінің не субъединицаларының өте үлкен және күрделі қайтақұрылуларына алып келеді. Мысалы, гемоглобиннің оттегімен әрекеттесуі.
Ақуыз фолдингі лезде, бір сәтте, жүзеге аспай, бірнеше сатыларға созылатынын 1972 ж. О.Т.Птицин айтқан болатын. Ол сатылар төмендегідей:
1) Глобулалы ақуыздың бастапқы формасы-трансляцияның тікелей өнімі — кездейсоқ шумақ болып саналады. Ол майысып, ирелеңдеп созылған тізбек күйінде болады.
2) Әрі қарай а-ширатпа, р-құрылым және құрылымсыз учаскелерден тұратын ақуыздың II ретік құрылымы қалыптасады. Бұл үдерістің аяғында шумақтың сығылып қысылуы нәтижесінде еріген глобула түзіледі. Бұл құрылымның табиғи, нативті құрылымнан ерекшелігі аминқышқылдар радикалдары өздерінің түпкілікті серіктерін «таба» алмай, кез-келгенімен байланысады. Бұл кезде аминқышқылдар арасындағы байланыстар және ақуыз конформациясы тұрақсыз болады.
3)Бірақ, ақуыз ерте ме, кеш пе термодинамикалық ең тиімді құрылымын тауып, көптеген радикалдараралық байланыстар түзеді, яғни табиғи, нативті, формасына фолдингталады. Протеиндисульфидизомераза (ПДИ)
Бұл фермент ақуыз молекуласындағы дисульфидтік байланыстардың түзілуін не үзілуін катализдейді.
К.Анфинсен тәжірибесінде РНҚ-азада 8 цистеин қалдығы бар дедік, бұл жүптасқан 4 дисульфидтік байланыстардың 105 нұсқасының қалыптасуына мүмкіндік береді, олардың тек біреуі ғана «дұрыс» байланыстар.
ПДИ болмаған жағдайда, кез-келген цистеиндар арасында кездейсоқ 4 дисульфидтік байланыстың түзілуі пептидтік тізбекті, табиғи және энергетикалық тиімді формаға сай келмесе де, белгілі бір конформацияда біржолата тұрақтандырған болар еді.
К.Анфинсен өз тәжірибелерінде «бұрыс» дисульфидтік байланыстар арқылы ақуыздың «бұрыс» конформациясының тұрақтану мүмкіндігін көрсетті. Ол ортаға екі агентті-зәр қышқылын (әлсіз байланыстарды үзетін) және R -меркаптоэтанолды (дисульфидтік байланыстарды үзетін) енгізіп РНҚ-азаның денатурациялануын, ал бір мезгілде екі агентті алып тастау арқылы ренатурациялануын, яғни рефолдингтенуін бакылаған.
Алғаш текр-меркаптоэтолды алып тастап, дисульфидтік байланыстардың баяу түзілуі нәтижесінде осы байланыстардың 105 нұсқалары кездесетін ақуыз молекулаларының пайда болғанын байқаған. Осыдан кейін ортадан зәр қышқылын шығару ақуыз молекуласының конформациясын айтарлықтай өзгертпеген, себебі ол дисульфидтік байланыстар арқылы тұрақтанған. Бұл өнімнің РНҚ-азалық белсеңділігі 1/105ке, яғни 1%-ға тең болған.
Егер осы ортаға қайтадан р-меркаптоэтанолдың шамалы мөлшерін енгізсе фермент белсенділігі 100%-ға жеткен, яғни ол ақуыз молекуласының «бұрыс» дисульфидтік байланыстарының үзілуіне ықпал етіп, «дұрыс» байланыстардың түзілуіне кедергі келтірмеген. Бұл кездер-меркаптоэтанол ПДИ қызметін атқарған.
Сонымен, ПДИ қатынасуымен қалыптасып келе жатқан ақуыз молекуласында дисульфидтік байланыстардың құбылып өзгеруі (түзілуі не үзілуі) нәтижесінде, байланыстардың кездейсоқ сапырылысуы арқасында, ақуыздың ең тиімді энергетикалық және табиғи, нативті кұрылымы қалыптасады.
Ірі молекулалы ақуыздардың қалыпты фолдингі не рефолдингі үшін лигандтармен қатар кейбір фолдингтің қосымша ақуыздарының қажеттілігі анықталады. Оларды 2 топқа бөлуге болады:
а) фолдинг ферменттері (фолдазалар);
б) молекулалық шаперондар.
Жасушада ПДИ эндоплазмалық тор арнашықтарында кездеседі және ол мембранамен байланысқан рибосомаларда синтезделген «экспорттық», мембраналық және лизосомалық ақуыздардың қалыптасуына қатынасады.
көтерілгенде кездейсоқ анықтап тапқан. Олар жасушада барлық уақытта синтезделінеді, бірақ стресс жағдайларында дене температурасы көтерілген кезде, оның синтезделу қарқыны өсе түседі. Шаперондар көптеген маңызды қызметтер атқарады:
1) Жаңадан синтезделген ақуыздардың фолдингін қамтамасыз ету; -фолдинг үдерісінде «бұрыс» сыртқы әрекеттесулерді болдырмай, жаңадан синтезделген ақуыздарды агрегациялаудан сақтандыру; -«бұрыс» ішкі әрекеттесулерден сақтандыру; -«бұрыс» әлсіз байланыстарды құбылмалы (өзгермелі) ету;
2) Ақуыз рефолдингін бақылау, яғни бұрын синтезделінген және осыған дейін қалыпты қызмет атқарған ақуыздардың табиғи, нативті құрылымы бұзылған (сәулелену, оксвданттар және жоғары температура әсерлерінен) немесе толық, не ішінара денатурацияланған жағдайында, олардың қайтадан фолдингтануын қамтамасыз ету.
Приондар.
Жоғарыда келтірілген мәліметтер фолдазалардың және шапероңдардың қатынасуымен жүретін фоддинг-барлық уақытга полипептид тізбегінің энергетикалық және қызметтік тұрғыдан ең оптимальді құрылымының түзілуіне алып келеді деген ойды қалыптастыратыны сөзсіз. Бірақ, бұл барлық уақытта осылай бола бермейді. Белгілі бір ақуыздың занды түрде қайталанатын «бұрыс» фолдингі нәтижесінде дамитын өте зілді, бір топ неврологиялық аурулар белгілі. Осы ақуызды, егер ол қалыпты конформацияда болатын болса, приондық ақуыз Pr Р0 (prion protein constitutive) деп атайды. Ол мида табылған, оның қызметі белгісіз.
Кейбір ауру адамдарда осы полипептид басқа конформацияда, яғни құрамында табиғи құрылымында болмайтын р — учаскелері көптеп кездесетін және агрегациялануға ынталы формада болады. Мұндай, өзгерген ақуызды прион (proteinaceous infection particle) деп атайды және ол Рг Р* деп бейнеленеді.