Роль первичной структуры

Первичная структура белка полностью определяет вторичную структуру различных его фрагментов. То же самое можно сказать и в отношении более высоких структур — третичной и четвертичной.
Это было показано К. Анфинсеном в 1973 г. в классическом эксперименте с рибонуклеазой.
Данная РНКаза состоит из одной пептидной цепи, включающей 124 аминокислотных остатка. Среди последних — 8 остатков цистеина (Цис), образующих попарно 4 дисульфидные связи.
Принципиальный момент: всего может быть 105 комбинаций таких попарных взаимодействий; в каждой из них п = 8 остатков Цис образуют друг с другом 4 дисульфидные связи. (Согласно комбинаторике, количество этих комбинаций рассчитывается как произведение нечетных чисел до п: в данном случае 3x5x7 105.)
Из всех комбинаций в нативной РНКазе реализуется только одна — и строго определенная: 26-84, 40 95, 58 110, 65 72 (цифры указывают положение остатков Цис в вытянутой полипептидной цепи). Как видно, в большинстве случаев взаимодействующие радикалы Цис находятся в пептидной цепи достаточно далеко друг от друга.
Кроме дисульфидных, в третичной структуре РНКазы имеются и другие связи — в частности, водородные.
Так вот, на первой стадии эксперимента в среду с РНКазой вносили два компонента:
— мочевину, которая разрывает водородные и, возможно, другие слабые связи,
— а также агент (Р-меркаптоэтанол), обратимо разрывающий дисульфидные связи.
При этом нативная структура РНКазы разрушалась и пептидная цепь начинала образовывать случайный I клубок. Ферментативная активность I исчезала в связи с разрушением актив-I ного центра. Таким образом, белок был
приведен в примерно такое состояние, какое он имел сразу после трансляции, т. е. до фолдинга.
На второй стадии эксперимента оба названных агента из среды удаляли (путем диализа). И с течением времени у белка вновь появлялась ферментативная (т. е. РНКазная) активность.
Следовательно, восстанавливалась нативная структура белка: опять замыкались дисульфидные связи, причем между теми же парами радикалов Цис; и опять образовывались слабые связи. Если пользоваться современным языком, происходил ре-фолдинг РНКазы.
Этот результат произвел глубокое впечатление и на автора эксперимента, и на научное сообщество. Было сделано два ключевых заключения.
1) Вся информация о третичной структуре белка (по крайней мере, если он не имеет небелкового компонента) заключена в его первичной структуре, т. е. в последовательности аминокислот в пептидной цепи.
Сейчас это кажется само собой разумеющимся, но, вообще говоря, могло быть и иначе. Могли существовать специальные инструктивные молекулы, которые, накладываясь на случайный клубок (как на восковую заготовку), всецело определяли бы пространственную структуру белка.
Данная идея долгое время лежала в основе одной из гипотез иммуногенеза, которая так и называлась — инструктивной. Имелось в виду, что антигены таким образом приводят к появлению специфичных к ним антител.
Эксперименты же Анфинсена показали, что белок принимает строго определенную конфигурацию без каких-либо «инструкторов» — на основе только физико-химических взаимодействий своих химических групп.
Но и идея об инструктивной роли других веществ также нашла свое подтверждение! Только не в изначальном, а в существенно модифицированном виде. Имеется в виду уже упоминавшийся факт, что на третичную структуру белка могут влиять его лиганды, а также химическая модификация.
В связи с этим можно упомянуть популярную теорию индуцированного соответствия. Согласно ей, в отсутствие субстрата активный центр фермента еще не до конца сформирован. Субстрат же в процессе связывания индуцирует такие перемещения радикалов активного центра, которые как бы «подгоняют» структуру этого центра под структуру субстрата.
2) Второй вывод, следовавший из опытов Анфинсена, состоял в том, что белок не только «знает», какую третичную конформацию принять, но и делает это вполне самостоятельно. Действительно, восстановление нативной структуры РНКазы происходило в отсутствие каких-либо агентов, т. е. самопроизвольно.
Этот вывод был распространен на все белки и долгое время тоже считался вполне очевидным.
И лишь не так давно стало выясняться, что он справедлив, пожалуй, только для небольших белков, к которым, в частности, относится и рибонуклеаза Анфинсена.
Для фолдинга же крупных белков необходимы специальные белки — шапероны и ферменты фолдазы. Они не определяют то, какой должна быть пространственная конфигурация белка (т. е. не являются «инструкторами»), но создают возможность для быстрого ее формировани
Таким образом, первичная структура пептидной цепи, конечно, играет определяющую роль в фолдинге этой цепи, но она не всегда оказывается достаточной для обеспечения фолдинга или (и) его окончательного завершения.