Лабильность пространственной структуры белков и их денатурация. Факторы вызывающие денатурацию. Понятие о фолдинге и рефолдинге

Лабильность пространственной структуры белков (конформационная лабильность) - свойство белков незначительно изменять конформацию посред­ством разрыва одних и образования других слабых связей без потери биологи­ческой активности.

Связи, участвующие в формировании трехмерной пространственной струк­туры (конформации) и четвертичной структуры олигомерных белков относятся к числу слабых: энергия водородных, ионных и гидрофобных связей при ком­натной температуре сопоставима с энергией теплового движения атомов. Теп­ловое движение атомов, входящих в состав белка, вызывает разрыв одних и об­разование других слабых связей, что приводит к небольшим сдвигам отдельных участков полипептидной цепи, не приводящим к нарушению биологической функции белка. Конформация белка может незначительно изменяться в некото­ром диапазоне физических (температура, давление), химических (рН, концен­трация ионов) параметров, при взаимодействии с другими молекулами.

При экстремальных значениях рН, высоких температурах или под действи­ем денатурирующих факторов происходит разрыв слабых связей, утрачивает­ся биологическая функция белков. Наступает денатурация белков - изменение нативной конформации белков, сопровождающаяся потерей его биологической активности. Разрушается активный центр белка. Изменяется трехмерная струк­тура белка, но первичная структура не нарушается, пептидные связи не раз­рываются. Изменяются физико-химические свойства, в частности, снижается растворимость. Гидрофобные радикалы, упакованные внутри гидрофобного яд­ра нативной молекулы белка, при денатурации оказываются доступными для межмолекулярного взаимодействия. Молекулы белков объединяются друг с другом с участием значительно большего числа связей, растворимость утрачи­вается, а образовавшиеся агрегаты белка выпадают в осадок. Осаждение в оса­док агрегатов денатурированного белка объясняется тем, что белковый агрегат заключает внутри себя большее число связей, в том числе тех, которые в нативных молекулах белка были локализованы на поверхности белковых глобул и участвовали в создании гидратной оболочки. Белковый агрегат не располагает необходимым количеством групп (ионных и гидроксильных), локализованных на его периферии, способных взаимодействовать с молекулами воды, не спосо­бен создать необходимую гидратную оболочку и выпадает в осадок.

К факторам, вызывающим денатурацию, относятся: высокая температу­ра - свыше 60°С (разрушает слабые связи, используется в медицине для стерили­зации инструментов и материала); кислоты и щелочи (изменяют ионизацию, разрывают ионные и водородные связи); мочевина и гуанидинхлорид (разрыва­ют и замыкают на себя водородные связи). Спирт и фенол разрушают гидро­фобные и водородные связи, используются в медицине в качестве антисептиков, как и хлорамин, который действует как окислитель. Соли тяжелых металлов об­разуют нерастворимые соли белков и этих металлов.

Фолдинг белков - процесс свертывания полипептидной цепи в трехмерную пространственную биологически активную структуру, т.е. процесс, в ходе кото­рого белок приобретает вторичную, третичную и, в некоторых случаях, четвер­тичную структуру. В процессе биосинтеза белка в клетке укладка полипептид­ных цепей в глобулы занимает нескольких минут. Согласно проведенным оцен­кам при случайном переборе всех допустимых конформаций белковой цепи это заняло бы ~10²⁰⁰ лет.

В фолдинге участвуют два вида белков - ферменты и шапероны. Фолдинг белков представляет собой высококооперативный процесс. Полипептидные це­пи, имеющие одинаковую аминокислотную последовательность, при одинаковых условиях в клетке приобретают одинаковую конформацию, которая обеспе­чивает выполнение их специфической функции.

Процесс денатурации заключается в утрате всех видов структурной органи­зации белка, кроме первичной. Особенностью денатурации является положи­тельный кооперативный эффект, характерный для всех видов слабых взаимо­действий, стабилизирующих белковые молекулы. При разрушении определен­ной части слабых связей молекула белка сразу же, практически мгновенно теря­ет нативную структуру.

При возврате условий к первоначальным возможен процесс восстановления нативной конформации белковой молекулы, называемый рефолдингом. Эффек­тивность спонтанного рефолдинга чрезвычайно низкая и не превышает 1-2%.