Фолдинг белка
Белки выполняют почти всю тяжелую работу в живом организме, от активизации клеточного метаболизма до соединения тканей в теле. Эти функции требуют сворачивания (фолдинг) аминокислотных цепочек в определенные трехмерные формы, но попытки понять этот процесс оказались самой сложной проблемой молекулярной биологии после открытия генетического кода.
Американский химик Лайнус Полинг получил две Нобелевские премии и мог бы стать единственным обладателем трех, опереди он Уотсона и Крика в определении структуры ДНК. Первую Нобелевскую премию, по химии (второй была премия мира), он получил за изучение квантовой природы химических связей в сложных веществах, в том числе и в белках. Будучи приглашенным профессором в Оксфорде в 1948 году, Полинг простудился и вынужден был валяться в постели. Детективы ему быстро наскучили, и он развлекался, складывая из бумаги модели молекул. Через несколько часов он сложил спираль, удерживаемую водородными связями, с регулярными интервалами по всей длине цепочки. Вернувшись в Калифорнийский технологический институт, он совместно со специалистом по кристаллографии Робертом Кори и физиком Германом Брэнсоном убедился в правильности своей догадки и в 1951 году представил миру свое новое открытие — альфа-спираль.
Структура
Основа структуры белка — аминокислотная последовательность, она же «полипептидная цепь», которая сгибается и скручивается во вторичную структуру — альфа-спираль, бета-лист или складку. Белок формируется при переходе к трехмерной третичной структуре. Она может существовать самостоятельно или быть частью еще более сложной четвертичной структуры (как у гемоглобина, который состоит из четырех элементов). Белки могут быть глобулярными (сферическими), входить в состав мембран или образовывать волокна. Соединительная ткань, удерживающая клетки организма вместе, — коллаген — составляет примерно треть человеческого тела.
«Если вы хотите получить хорошую идею, вам нужно много идей. Большая часть из них окажутся ложными, и вам нужно научиться отбрасывать лишнее» Лайнус Полинг
Первую трехмерную структуру белка в 1958 году представил британский кристаллограф Джон Кендрю, который продемонстрировал научному сообществу длинную, изгибающуюся, напоминающую связку сосисок модель миоглобина — молекулы, переносящей кислород в мышечной ткани. Сам он описывал ее так: «Это трехмерная структура молекулы белка во всей ее сложности... очевидно, что простой геометрический порядок, наличие которого предполагалось многими ранними теориями строения белковой молекулы, в действительности не существует». Это открытие заставило биологов задуматься над несколькими новыми проблемами. Как аминокислотная последовательность определяет строение белка? Что позволяет белкам формироваться с такой скоростью? Что обеспечивает устойчивость этой структуры? И можно ли, зная последовательность, предсказать форму молекулы? Все вместе эти вопросы составляют проблему структуры белка.
Белковый код
Когда-то ученые надеялись, что загадку фолдинга белка удастся разрешить простой расшифровкой некоего кода — как в случае со структурой ДНК. Но не все так просто: Protein Data Bank (банк данных белков), онлайн-база, созданная в 1971 году и ныне содержащая 100 000 структур, разобранных до атома, описывает водородные связи и силы Ван дер Ваальса, действующие на малых расстояниях, углы в полипептидных цепочках, электростатические и гидрофобные взаимодействия аминокислот. Понимание всех этих взаимодействий позволило бы сформулировать некий свод правил.
В 1960-х американский биохимик Кристиан Анфинсен изучал малый каталитический белок рибонуклеазу. Как у всех ферментов, его «активный центр» содержит атомы, взаимодействующие с определенными молекулами и ускоряющие химические реакции. Реагенты присоединяются к активному центру, фермент меняет конформацию (форму) и выделяет продукт реакции. В 1961 году, изменив состав так, чтобы фермент денатурировал (приобрел форму, в которой он не активен), Анфинсен доказал, что белок может быть развернут обратно в свое изначальное состояние. Это заставило его предположить, что вся информация, необходимая для синтеза полноценного белка, содержится в полипептидной цепи. В 1973-м Анфинсен сформулировал постулат, позже названный его именем: «Естественная конформация определяется по совокупности межатомных взаимодействий и, следовательно, аминокислотной последовательностью».
Изначально это предположение называлось «термодинамической гипотезой». В общих чертах: белок при формировании стремится к состоянию с наименьшей энергией, то есть к термодинамически стабильной молекуле. Ученые представляют путь к этому состоянию как «энергетический рельеф» в форме воронки: полипептид может принимать разные формы, но по мере сужения воронки количество возможных форм уменьшается. Это помогает представить общую идею, но не сам процесс.
Быстрый фолдинг
В 1969 году американский молекулярный биолог Сайрус Левинталь прочел лекцию «Как сворачиваться изящно» — о воздействии температуры на денатурацию и ренатурацию ферментов, он привел уравнения для вычисления количества возможных форм белка. Оказалось, что хотя полипептидная цепь теоретически может иметь гигантское число форм, но в природе «находит» нужную практически мгновенно, иногда за несколько микросекунд. Одно из решений «парадокса Левинталя» предполагает, что сначала формируются локальные вторичные структуры, значительно сокращая число доступных форм. С 1980-х известно также, что в клетках содержатся «молекулярные шапероны», способствующие правильному формированию белка.
Предсказание структур
При наличии компьютерного алгоритма, способного по полипептидной цепи предсказать структуру белка, можно было бы избежать долгих и затратных лабораторных экспериментов, ускорив тем самым разработку новых лекарств и новых белков. Некоторого успеха на этом поприще добился биолог Дэвид Шоу. В 2011 году его симуляции успешно воссоздали структуру двенадцати малых белков, некоторые из которых являются ключевыми составными частями (доменами) более крупных молекул. Поиск структуры ДНК и расшифровка генетического кода напоминали гонку, в которой участвовало несколько лабораторий, проблема же структуры белка привлекла внимание гораздо большего числа исследователей. С 1994-го каждые два года проводится критическая оценка предсказания белковых структур (Critical Assessment of protein Structure Prediction, CASP), своего рода конкурс, в котором ученые испытывают свои программы и симуляции на более чем ста новооткрытых полипептидных цепях. Участвует и широкая публика. В видеоигре Foldit игроки зарабатывают очки, пытаясь улучшить существующие структуры. В 2011 году ученые сообщили, что геймеры открыли структуру виральной протеазы — фермента, над которым ученые безрезультатно бились 15 лет, — за три недели. Креативный подход? Лайнус Полинг наверняка одобрил бы.
Метаболизм
Белки выполняют множество функций, но, возможно, важнейшая из них - ферментативная: белки служат катализаторами в метаболических процессах, из которых состоит сама жизнь. Метаболизм - это тысячи биохимических процессов. Анаболические реакции подразумевают создание новых структур, например синтез жирных кислот из сахаров. Катаболические - распад, например разложение крахмала на сахара. Мутации в генах, кодирующих ферменты, приводят к заболеваниям, как впервые показал британский медик Арчибалд Гэррод. В 1908 году он предположил, что алкаптонурия, редкое наследственное заболевание, среди симптомов которого - темная моча и боль в суставах у людей среднего возраста, является результатом неспособности разорвать химическую связь в гомогентизиновой кислоте, что, в свою очередь, есть следствие неправильной работы одного фермента. Позже Гэррод классифицировал алкаптонурию и подобные ей заболевания как «врожденные ошибки метаболизма», впервые связав наследственность с белками.
Миоглобин
Миоглобин - это глобулярный (сферический) белок, встречающийся в организмах позвоночных. Он родствен гемоглобину, но переносит кислород в мышечной ткани, а не в кровяных клетках. Его структура состоит из восьми альфа-спиралей, связанных петлями, в центре которой находится богатый железом «гем», он и придает мясу красный цвет.