Что такое нативный белок?

Нативная структура белка играет важнейшую роль в его функционировании. Она определяет возможность белка связываться с другими молекулами и выполнять функции, необходимые для нормальной жизнедеятельности организма. Изучение такой структуры позволяет лучше понять назначение белка, разрабатывать инновационные лекарства, синтезировать новые катализаторы для химических реакций или разрабатывать биоматериалы с заданными свойствами.

Термин один, а смыслы разные

Судьба понятия «нативный белок» сложилась необычно. Такой термин широко употребляется и в СМИ для населения, и в научно-медицинской литературе. Там и тут он обозначает одну и ту же главную особенность белка – его полноценность, но в которую заложены разные смыслы.

В результате в понимании населения нативный белок – это молекула, содержащая все 9 незаменимых аминокислот. СМИ для населения сообщают, что самыми распространенными источниками полноценного для пищевого потребления нативного белка являются белки животного происхождения, которые содержатся в мясе, птице, рыбе, молочных продуктах и др.  И в мире есть лишь несколько растений, включая киноа, гречку, семена конопли, сине-зеленые водоросли и соевые бобы, которые являются единственными источниками полноценного нативного белка для вегетарианцев.

Совершенно иное понятие вкладывают в термин «нативный белок» ученые¹.

Но начнем с того, что белки – это один из основных классов биологических молекул, решающих самые разные задачи в организме. Нативная структура белка (НСБ) – это первоначальная и максимально стабильная трехмерная конформация белка, обладающая энергетически наиболее выгодной и стабильной укладкой своих аминокислотных остатков, в которой белок существует в клетке и способен выполнять свои функции¹.

Нативным называется белок, полноценный в том, что он сохраняет  свою генетически запрограммированную структуру, а потому способен к нормальной и продуктивной «работе».

Без правильной нативной структуры белок не способен выполнять свои функции. Любое нарушение НСБ может привести к дефектам или потере «работоспособности» белка, переставшего быть полноценным, что может иметь серьезные последствия для организма¹.

Четыре уровня структуры белка

На сегодня известно четыре уровня построения НСБ¹.

Первичная структура белка¹

Первичной структурой белков называется линейная полипептидная цепь из аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Это простейший уровень структурной организации такой молекулы. Высокую стабильность ей придают ковалентные пептидные связи между α-аминогруппой одной аминокислоты и α-карбоксильной группой другой аминокислоты.

Вторичная структура белка²

Вторичная структура белка – конфигурация полипептидной цепи, т. е. способ укладки полипептидной цепи в определенную конформацию. Процесс этот протекает в соответствии с первичной структурой белка.

Вторичная структура поддерживается водородными связями, а также пептидными и дисульфидными ковалентными связями. Наиболее вероятным типом вторичной структуры белков является α-спираль. Закручивание полипептидной цепи в спираль происходит по часовой стрелке. Для каждого белка характерна определенная степень спирализации. Так, полипептидные цепи гемоглобина спирализованы на 75%, а молекула пепсина – на 30%.

Спирали могут иметь различные формы, такие как сферическая, пружинистая, волнистая и т. д. Каждая из них способствует выполнению определенных задач данной молекулы. Например, спираль гемоглобина имеет форму сферы, что улучшает его способность переносить кислород. Коллаген имеет пружинистую структуру, что обеспечивает ему высокую прочность и эластичность, необходимые для поддержания упругости, например, хряща.

Другой тип вторичной структуры белка – так называемая β-структура. Здесь сегменты пептидной цепи располагаются в один слой, образуя фигуру, подобную листу, сложенному в гармошку. Пример белков, содержащих преимущественно β-структуры, это иммуноглобулины и мышечные белки.

Третичная структура белка¹

Третичная структура белка – трехмерная пространственная ориентация полипептидной спирали или способ укладки полипептидной цепи в определенном объеме (рисунок 1). В стабилизации пространственной структуры белков помимо ковалентных связей основная роль принадлежит связям нековалентным (межмолекулярные ван-дер-ваальсовы силы, водородные связи, гидрофобные взаимодействия и др.).

По форме третичной структуры белки делятся на глобулярные и фибриллярные. Первые белки чаще всего имеют эллипсовидную форму, а вторые – вытянутую, то есть форму палочки или веретена.

После окончания синтеза белка его третичная структура формируется самопроизвольно. Такой процесс называется фолдингом. В клетках существуют белки, названные шаперонами. Их основная функция – «ремонт» белков, потерявших под влиянием каких-то повреждающих воздействий свою третичную структуру².

Примечательно, что другое название шаперонов – белки теплового шока. Потому что они сами и их усиленный синтез в клетках с целью восстановления поврежденных белков были обнаружены сначала именно при гипертермическом воздействии. Но потом и более чем при 100 других вредоносных для организма событиях.

Если протективная работа шапероновой системы в мозге почему-то ухудшается (самая понятная пока причина – недостаточная экспрессия генов, кодирующих такие белки), то нефункционирующие белки или токсичные белковые продукты (наиболее знакомый неврологам – β-амилоид) начинают откладываться в нейронах. С этого, собственно, и начинается болезнь Альцгеймера².

Что такое шапероны

Синтез шаперонов резко возрастает во время быстрого сна. И сегодня считается доказанным, что шапероновая система – это как бы «ночной работник», который только в это время суток «ремонтирует» белки и удаляет из мозга их обломки, накопившиеся за день во время бодрствования. Так белок β-амилоид может образовываться во время бодрствования и в здоровом мозге. Но после пробуждения уровень этих опасных молекул падает. Потому и низок риск образования бета-амилоидных бляшек.

На фоне же инсомнии, даже после одной бессонной ночи, когда «ночные работники» не могут заниматься своим делом, уровень β-амилоида в мозге возрастает. Нейрохимики предполагают, что для шаперонов настолько важно работать именно во время сна, что они умеют погружать в него человека, выступая в роли гипнотиков.

Уже доказано на животных, что введение в мозг таких белков оказывает выраженный сомногенный эффект. Работы в этом направлении продолжаются. Возможно, их итогом станет появление нового класса мощных снотворных препаратов².

Четвертичная структура белка

Четвертичная структура белка – укладка отдельных полипептидных цепей, уже обладающих третичной структурой, в пространстве и формирование единого в структурном и функциональном отношениях макромолекулярного образования (рисунок 1).

Белок, состоящий из нескольких полипептидных цепей, называют олигомером. Олигомерные белки, как правило, состоят из четного числа субъединиц. Например, молекула гемоглобина построена из четырех полипептидных цепей¹.

Четвертичную структуру имеют около 5% белков. Кроме гемоглобина это, в частности, ферритин – сложный белковый комплекс (железопротеид), выполняющий роль основного внутриклеточного депо железа у млекопитающих. Четвертичное строение свойственно и тем ферментам, которые выполняют достаточно сложные функции. Так, почти все ДНК- и РНК-полимеразы имеют четвертичную структуру.

Полипептидные цепи, входящие в состав белка с четвертичной структурой, образуются на рибосомах по отдельности. Только после завершения синтеза происходит их объединение в надмолекулярную структуру. Биологическую активность такой белок приобретает только на уровне нативной для него четвертичной структуры¹.

Девять функций нативных белков

НСБ играет ключевую роль в биологических процессах. Ведь именно она определяет способность белка связываться с другими молекулами и участвовать в множестве клеточных реакций, среди которых важнейшими считаются следующие^3,4.

Структурная функция. В комплексе с липидами белки участвуют в образовании биомембран клеток. Структурные белки цитоскелета придают форму клеткам и многим органоидам. Примерами структурных белков являются коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, коже, ногтях.

Сократительная (двигательная) функция. Сократительную функцию выполняют мышечные белки актин и миозин. Также белки цитоскелета необходимы для расхождения хромосом в процессе митоза.

Питательная (резервная) функция. Овальбумины – белки яйца – источники питания для плода. Казеин – белок молока – также выполняет питательную функцию.

Каталитическая функция. Большинство известных ферментов является белками.

Транспортная функция. Белок эритроцитов гемоглобин переносит кислород и углекислый газ, выполняя дыхательную функцию. Альбумины сыворотки крови участвуют в транспорте липидов.

Защитная функция. В ответ на поступление в организм вредоносных агентов образуются защитные белки – антитела. Также специфические белки плазмы крови способствуют ее свертыванию, что предохраняет от кровопотери при кровотечениях (физическая защита).

Рецепторная функция. Клеточные белки образуют тысячи видов различных рецепторов, участвуя в передаче сигналов.

Гормональная функция. Почти все гормоны нашего тела являются белками или полипептидами. Как например, гормон гипофиза вазопрессин.

Буферная функция. Белки крови, лимфы и межклеточной жидкости поддерживают их рН в пределах физиологической нормы^3,4.

Как рассчитать вес белка в ткани    

В организме людей и животных содержание белка значительно выше, чем у растений. В мышцах, легких, селезенке, почках на долю белка приходится более 70–80% сухой массы, в печени – 57%, в мозге – 45%. Зато в костях и зубах содержание белка достаточно низкое  – 20 и 18%^5,6.

Неодинаково содержание белка и в разных клеточных органеллах. Больше белка в гиалоплазме (внутриклеточный сок). Если принять общий белок клетки за 100%, то на гиалоплазму приходится 40%. Митохондрии и микросомы содержат по 20%, ядро – 12%, лизосомы – 2%, пероксисомы – 2,5%, а плазматическая мембрана включает уже совсем немного белка – всего 1,5%.

Содержание химических элементов в белке (в % от сухой массы) таково: углерод – 51–55%, кислород – 21–28%; азот – 15–18%; водород – 6-7%; сера – 0,3–2,5%. В состав некоторых белков входят фосфор (0,2–2%), железо и другие элементы.

Наиболее постоянным для белков животного, растительного и микробного происхождения является содержание азота – в среднем 16%. На этой основе по содержанию азота можно рассчитать и вес белка в данной ткани. Для этого массу азота, установленную специальным анализом, умножают на коэффициент 6,25.

Размер белковых молекул лежит в пределах от 1 мкм до 1 нм^5,6.

Факторы, влияющие на НСБ

Подобная структура может быть подвержена различным разрушительным воздействиям. Понимание этих факторов и их влияния на белковую структуру имеет важное значение для развития методов ее восстановления и разработки лекарственных приемов, направленных на устранение дефектов в нативной конформации белков с целью борьбы с какими-то заболеваниями человека⁷.

Успеем назвать лишь наиболее изученные из этих повреждающих факторов.

1. Температура

Температура играет важную роль в стабильности НСБ. При повышении температуры белки могут ее потерять, что приводит к денатурации и потере функциональности. Это объясняется тем, что высокие температуры нарушают слабые взаимодействия, например водородные связи и гидрофобные взаимодействия, сохраняющие НСБ⁷.

2. Кислотность биологических жидкостей

Кислотность или щелочность среды (pH) также может повлиять на НСБ. Изменение pH способно нарушать зарядовые взаимодействия в белке и приводить к его денатурации. В связи с этим белки имеют оптимальный pH-диапазон, в котором они сберегают свою структуру и функционал⁷.

3. Растворители и химические вещества

Растворители и химические вещества также могут оказывать влияние на НСБ. Например, органические растворители, такие как мочевина, способны денатурировать белок и нарушить его конформацию. Также некоторые химические вещества изменяют зарядовые свойства аминокислотных остатков, внося изменения в интермолекулярные взаимодействия, необходимые для стабильности нативной структуры⁷.

4. Генетические мутации

Они способны вызывать в том числе и грубые изменения в последовательности аминокислотных остатков, что ведет к дестабилизации НСБ⁷.

Почему важно понимать структуру белка

Понимание этой структуры является важным шагом в области протеомики (науки о белках) и имеет большое значение для многих сфер науки, медицины, биотехнологии⁷.

• НСБ может служить основой для разработки инновационных материалов и биотехнологий. Например, с использованием хорошо изученных белковых структур можно создавать новые катализаторы для химических реакций или инновационные биоматериалы с заданными свойствами.
• Понимание подобной структуры является основой для создания новых лекарств. Некоторые заболевания вызваны дефектными или измененными белками, и разработка препаратов, которые могут воздействовать на НСБ, является важной фармакологической задачей⁷.
• Знание структуры белка позволяет лучше понять не только его функцию, но и принципы сохранения и эволюции НСБ в живых организмах. Анализ схожих белковых структур у человека и представителей живой природы на всем протяжении эволюционной лестницы может раскрыть, какие изменения этих молекул произошли в процессе эволюции и какие адаптационные процессы имели место для повышения функциональности белков⁷.

Как изучают НСБ

Из всех применяемых сегодня методов приведем для примера лишь некоторые, используемые для определения белковой структуры⁸.

X-лучевая кристаллография. Метод основан на измерении дифракции рентгеновских лучей, проходящих через кристалл белка. Результаты дифракции позволяют реконструировать трехмерную карту электронной плотности белка. Это дает возможность определить его структуру с высокой точностью⁸.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Метод основан на изучении взаимодействия атомных ядер с магнитным полем. Путем анализа спектров ЯМР можно определить расстояния и углы между атомами в белке, что позволяет реконструировать его структуру⁸.

Криоэлектронная микроскопия. В  основе метода – использование электронного микроскопа для исследования НСБ. Белок замораживается в специальной среде и изображается с помощью электронных лучей. Путем анализа полученных изображений можно получить информацию о его структуре⁸.

Рассеяние малого угла (SAXS). Этот метод основан на анализе рассеяния рентгеновских или нейтронных лучей на макромолекулах. Исходя из рассеянного сигнала, можно определить размеры и форму белка, что помогает в реконструкции его структуры⁸.

Каждый из этих приемов имеет свои достоинства и ограничения. И часто их комбинируют для получения наиболее полной информации. Решение этой задачи чаще всего требует сотрудничества различных научных дисциплин и использования разнообразного оборудования и методологий⁸.

Молекулярное моделирование структуры белка

К концу первой четверти XXI века методы протеомики шагнули вперед настолько далеко, что уже стало возможным молекулярное моделирование НСБ. Оно позволяет предсказать вторичную, третичную и четвертичную структуры белка, основываясь на знаниях главным образом о его аминокислотной последовательности, а также на компьютерных программах⁹.

Начиная с 1994 года в протеомике проходит масштабный эксперимент по предсказанию белковых структур. Он называется CASP (от англ. Critical Assessment of protein Structure Prediction – критическая оценка предсказания белковых структур). Основная цель проекта – помочь ученым в улучшении методов определения трехмерной структуры белков из их аминокислотных последовательностей. Периодичность эксперимента – один «мозговой штурм» раз в два года.

CASP объективно тестирует методы предсказания белковых структур и предоставляет независимую оценку структурного моделирования. Более 100 исследовательских групп всего мира участвуют в проекте на постоянной основе.

Главный принцип CASP – отсутствие у участников предварительной информации о белке, кроме аминокислотной последовательности. По этой причине в CASP используется двойной слепой метод. Ни организаторы, ни эксперты, ни участники не знают структуры тестируемых белков до окончания стадии предсказаний. Тестируемые белки – чаще всего  структуры, полученные методами рентгеноструктурного анализа и ЯМР, информация о которых еще не появилась в открытой печати.

Данное мероприятие помогает сравнить передовые методы предсказания структур белков и продолжать поиск «идеального» алгоритма, который лишь по аминокислотной последовательности сможет предсказывать третичную структуру белка⁹.

На CASP-13 (состоялась в 2019 году) победила команда, которая использовала нейронную сеть. С тех пор этот метод все активнее применяется в данном направлении протеомики⁹.

Как ученые играют в белки

Среди ученых по направлению протеомики популярна игра «Фолдит». Так называется онлайн-головоломка об укладке белка. Игра является частью исследовательского проекта, созданного в Вашингтонском университете¹⁰.

Задача участников – наилучшим образом свернуть структуру выбранных белков. Лучшие решения затем анализируются учеными, которые стремятся с их помощью найти решение реальных научных проблем, связанных с поиском вакцин и биологическими инновациями. Удивительно, но факт: большинство из лучших игроков «Фолдита» не имеют биохимического образования!

Целью данной игры является предсказание трехмерной структуры определенного белка с энергетически наиболее выгодной и стабильной укладкой или же самым низким уровнем свободной энергии. Каждое задание публикуется на сайте на определенный срок, в течение которого игроки соревнуются между собой.

В процессе игры ее участники интерактивно манипулируют молекулой, меняя углы остова белка, расположение радикалов аминокислот и так далее. Каждый пользователь оперативно получает оценочную информацию в форме баллов о том, насколько хорошо ему удается сворачивать белок. Сайт также позволяет участникам делиться друг с другом вариантами решений и обсуждать их¹⁰.

Список литературы

1. Protein folding. Article. From Wikipedia, the free encyclopedia.  https://en.wikipedia.org/wiki/Protein_folding. (дата обращения: 04.12.2023).
2. Lee S. et al. (2005). Molecular chaperones in protein quality control. Journal of Biochemistry and Molecular Biology. 38 (3): 259–265. Doi:10.5483/BMBRep.2005.38.3.259. PMID 15943899.
3. Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. Москва: Просвещение, 1987. С. 24–26.
4. Коничев А.С. Молекулярная биология. М.: Академия, 2003.
5. Hermann J.R. (April 2021). Protein and the Body (PDF). Oklahoma Cooperative Extension Service, Division of Agricultural Sciences and Natural Resources • Oklahoma State University.
6. Dietary Reference Intakes for Energy, Carbohydrate, Fiber, Fat, Fatty Acids, Cholesterol, Protein and Amino Acids, Institute of Medicine. National Academy Press, 2005. Doi:10.17226/10490, ISBN 978-0-309-08525-0.
7. Greenfield Norma J. Biomacromolecular Applications of Circular Dichroism and ORD. From: Fluorine in Life Sciences: Pharmaceuticals, Medicinal Diagnostics, and Agrochemicals, 2019.  https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/native-protein. Дата обращения: 11.01.2024.
8. Daniel M. et al. (1996.) Protein Methods, 2 ed., Wiley Publishers. ISBN 0-471-11837-0.
9. Moult, J., et al. Critical assessment of methods of protein structure prediction – Round VII // Proteins: journal. 2007. Vol. 69, no. Suppl 8. P. 3–9. Doi:10.1002/prot.21767. PMID 17918729.
10. Cooper S. et al. Players F. Predicting protein structures with a multiplayer online game (англ.) // Nature: journal. 2010. Vol. 466. P. 756– Doi:10.1038/nature09304.