Шапероны - класс белков, защищающий другие белки от денатурации в условиях клетки и облегчающий формирование их нативнои конформации. Прионы

Шапероны - класс белков, защищающих другие белки от денатурации в условиях клетки и облегчающих формирование их нативной коиформации

В каждой клетке присутствуют белки - шапероны, обладающие высоким сродством к экспонированным гидрофобным участкам полипептидной цепи и способные связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. В зависимости от массы, шапероны делят на 6 классов, например Ш-70 имеют массу от 66 до 90 кДа.

Шапероны подразделяются на конститутивные, синтез которых в клетке постоянен и не зависит от внешних факторов, и индуцибельные (белки теплово­го шока - их впервые выделили из клеток, подвергшихся воздействию высокой температуры), синтез которых в интактной клетке идет слабо, но при стрессо­вых воздействиях резко возрастает.

Пептидная цепь, растущая в процессе трансляции, формирует конформацию в результате многоступенчатого процесса, развернутого во времени. Для образования нативной конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в процессе синтеза белка на рибосоме защиту пептида, еще не имеющего возможность сформировать правильную конформа-нию, выполняют специальные белки - шапероны Ш-70. Они сопровождают бел­ки после трансляции в различные отсеки клетки и к месту образования макромолекулярных комплексов, что защищает белки от спонтанной агрегации.За направление синтезированных пептидов в различные клеточные компартменты (ядро, митохондрии, на поверхность клеточной мембраны, что характерно для многих рецепторных белков и т.д.) отвечает лидерная последовательность син­тезированного пептида, которая также распознается шаперонами. После достав­ки пептида в нужный компартмент клетки лидерная последовательность отщеп­ляется.

Фолдинг высокомолекулярных белков, имеющих сложную пространствен­ную структуру, происходит при участии шаперонов другого класса- Ш-60, функционирующих в составе олигомерного комплекса. Шапероновый комплекс включает 14 субъединиц, каждая из которых состоит из трех доменов (один из них обладает АТФ-азной активностью). Белок, на поверхности которого экспо­нированы гидрофобные радикалы, попадает в полость шаперонового комплекса, где формируется энергетически наиболее выгодная (с минимальной свободной энергией) нативная конформация белка. Высвобождение готового белка требует расхода энергии, получаемого в результате гидролиза АТФ.

При действии различных стрессовых факторов (высокая температура, изме­нении рН, действие токсических веществ, гипоксия и т.д.), вызывающих денату­рацию белков, в клетке усиливается синтез шаперонов - белков теплового шока, Самопроизвольный процесс восстановления конформации и функции частично денатурированных белков (ренативация) затруднен из-за их склонности к агре­гации. Шапероны, обладая высоким сродством к гидрофобным участкам поврежденных белков, предотвращают их полную денатурацию и восстанавливают нативную конформацию белковой молекулы.

Роль шаперонов состоит в контроле за конформационным состоянием внутриклеточных белков. При невозможности исправить массивные поврежде­ния белков клетки, вызванные неблагоприятными факторами среды, шапероны запускают процесс апоптоза (программированной клеточной гибели).

Апоптоз. Программированная клеточная гибель (апоптоз) представляет собой процесс поглощения одной клетки другими клетками, который происходит без разрыва плазматической мембраны (как при некрозе) и не сопровождается вос­палением. Апоптоз сложный активный многокомпонентный процесс, включаю­щий в себя:

1. получение сигнала через поверхностные рецепторы плазматической мем­браны или от внутриклеточных структур;

2. преобразование сигнала программированной клеточной гибели в активацию цитозольных протеаз со специфичностью Цистеин-Аспартат (Суs-Asp), по­лучивших название каспаз;

3. активацию внутриклеточных нуклеаз и протеаз под влиянием каспаз, веду­щих нуклеосомальную фрагментацию ядерной ДНК и белков клетки;

4. экспрессию рецепторов фагоцитоза на герметизированной плазматической мембране;

5. фрагментацию клетки на мембранные везикулы, внутри которых продол­жаются гидролитические процессы распада белков и ДНК;

6. поглощение везикул соседними клетками (макрофагами и другими клетка­ми с фагоцитарной активностью).

Благодаря апоптозу поддерживается тканевой гомеостаз, а его нарушения лежат в основе многих заболеваний. Нарушения апоптоза либо приводят к забо­леваниям, либо являются главным патологическим фактором, вызывающим утя­желение заболеваний и развитие осложнений. Апоптоз играет важную роль во многих физиологических процессах и, особенно, в иммунной системе. Недостаточность апоптоза обнаружена при опухолевых и аутоиммунных процессах, а его явная избыточность в лимфоцитах человека сопровождает СПИД.

Апоптоз активируют различные виды излучения (гамма- и ультрафиолетовое), препараты химеотерапии и другие неблагоприятные воздействия. На ранних эта­пах программированной клеточной гибели происходит инверсия плазматической мембраны, связанная с пероксидным окислением фосфатидилсерина и выходом окисленных продуктов на её наружную поверхность. Затем цитоплазма клетки дробится на большое число везикул, клеточное ядро распадается на фрагменты, хроматин конденсируется, а ДНК подвергается интенсивной деградации. В за­ключительной стадии апоптоза гибнущая по этому механизму клетка подверга­ется фагоцитозу.

Первый путь внутриклеточной инициации апоптоза имеет митохондриаль-ное происхождение и включается при нарушении процесса нормального двух-электронного переноса на кислород - инициируется цитохромом С, который по­ступает из митохондрий в цитозоль. Второй путь инициируется конститутивны­ми и индуцибельными шаперонами (белками теплового шока) и связан с утратой клеточного контроля над конформационным состоянием цитоплазматических белков.

Прионы. Класс белков, обладающих инфекционными свойствами, называется прионами. (от англ. proteinaceous infectious particle- белковая инфекционная частица).

Прионы- новейший класс инфекционных агентов (расшифровка их природы от­носится к началу 80-х годов) - мельчайшие белковые структуры, лишенные нук­леиновых кислот, способные при определенных условиях трансформироваться и, в свою очередь, трансформировать сходные белки. Прионы могут приобре­тать высокую устойчивость к действию ферментов, физических и химических факторов и проявляют свои инфекционные свойства, повреждая нервную ткань с образованием так называемых губчатых структур (амилоида) без классической воспалительной реакции. Они являются причиной особых "медленных инфек­ций" (очень длительный инкубационный период - месяцы, годы; прогрессирующее течение; необычность поражения тканей и неизбежный смертельный исход). У людей описано четыре прионовых заболевания. Наиболее известны:

- болезнь куру - прионовая болезнь аборигенов Новой Гвинеи, ее эпидемический характер обусловлен традицией каннибализма (в настоящее время практически исчезла).

- болезнь Кройтцфельдта-Якоба. Считалось, что прионы, от которых заболевают представители одного вида, могут оказаться для представителей другого вида совершенно безобидными (прионы овец и коров различаются по семи амино­кислотным остаткам, между прионами коровы и человека значительно больше различий - в тридцати аминокислотах), однако встречаются примеры прорыва через этот "межвидовой барьер", например болезнь Кройтцфельдта-Якоба, ко­торой заражались люди, употреблявшие в пищу мясо коров - носителей при-онов, вызывающих "коровье бешенство".

- болезнь Герстманна-Штройсслера-Шейнкера (Gerstmann-Stranssler-Scheinker),

- фатальная семейная инсомния (нарушение сна, бессонница).

Прионовые заболевания - группа быстро прогрессирущих заболеваний, ха­рактеризующихся спектром клинических симптомов, включающих нарушения когнитивных функций, атаксию, миоклонии, нарушение зрения, пирамидную и экстрапирамидную симптоматику. Им в свое время давали название медленных инфекций нервной системы, однако инфекционный фактор обнаружен не был. Прионовые заболевания характеризуются вакуолярной дегенерацией нейронов и формированием вариабельных амилоидных бляшек головного мозга.

В основе заболеваний, вызываемых ими, лежат нарушения фолдинга прионового белка. Все млекопитающие, включая и человека, продуцируют прионовый белок (prion protein - PrP). У больных людей и млекопитающих животных обна­руживается этот же белок в иной патологической конформации (misfolded state -PrPsc - иногда его называют так, что означает - прионовый белок в скрепи фор­ме, sc = scrapie). Скрепи - прионовое заболевание овец - было выявлено одним из первых в 80 годах 20 в.

Нативная форма прионового белка (РгР) отличается от его патологической формы (PrPsc) своей пространственной структурой - конформацией).

Нормальный нативный прионовый белок человека (РгР) имеет много а-спиральных участков, а патологический характеризуется высоким содержа­ние Р-слоев. Особенность нативного прионового белка заключена в его кон-формации, которая характеризуется наличием спиральных участков и значи­тельных (около половины) участков с нерегулярной структурой. Это делает нативный прионовый белок нестабильным. Под влиянием прионовых белков. в инфекционной форме или иных неблагоприятных факторов он переходит в патологическую конформацию (PrPsc), которая характеризуется повышенным содержанием Р-слоев, очень стабильна и является инфекционной. Обратный конформационный переход от PrPsc к РгР невозможен. Контактное взаимо­действие инфекционной формы (PrPsc) с нативным прионовым белком (РгР) вызывает обязательный переход нативного белка в инфекционную форму.

Прионовые белки в инфекционной форме склонны к агрегации и форми­руют внутриклеточную структуру амилоида, не поддающегося расщеплению протеолитическими ферментами, выдерживают длительно нагревание (кипя­чение) и нарушают функционирование нейронов.

В настоящее время механизм, запускающий начальную (инициальную), но достаточно редкую конформацию (PrPsc), неизвестен. Полагают, что под действием неблагоприятных факторов среды, в том числе банальных инфек­ций, в организме могут возникать инфекционные прионовые белки.

Иньекция PrPsc генетически измененным мышам, которые не способны продуцировать свой собственный РгР белок заболевания не вызывает.