Промежуточные взаимодействия во время сворачивания РНК

Эта статья — часть материалов: проекта RNAInSpace


Сворачивание иерархично, но не совсемПравить

Указывается, что „согласно современным представлениям, процесс сворачивания имеет иерархическую природу“ [1]. И далее, „Однако, описанный здесь иерархический принцип сворачивания нельзя считать догмой. Например, Финкельштейн говорит: «Все спекуляции о специфических (например, иерархический) принципах сворачивания белка (которые выглядели так привлекательно и сулили существенно упростить поиск нативной структуры) оказались неверными». Так что если вы найдете какую-то другую теорию, мы с удовольствием обсудим ее на семинаре.“


  • Hierarchical model (или Sequential model). Имеет два подвида: (1) Framework model (Anfinsen 1972, Ptitsyn et al. 1972) [2] и (2) Modular assembly model (Ptitsyn and Rashin 1973).)
    • Согласно Framework model вначале начинают формироваться элементы вторичной структуры в развернутой цепи. Modular assembly model предполагает что процесс сворачивания начинается с независимого сворачивания отдельных частей молекулы белка. Но в обеих моделях, вторичным структурам отводят центральную роль в определении пути сворачивания. Вместе эти две модели предполагают, что квазинезависимые области или подобласти белка могут свернуться в разное время, но каждое сворачивание запускает формирование вторичных структур (Ptitsyn 1987). Согласно Framework model сворачивание белка происходит в три гипотетических шага: (1) формирование вторичных структур локальными взаимодействиями при колебании развернутой цепи, (2) коллапс вторичных структур в компактную структуру при взаимодействий дальних групп с окружением среды, (3) перестановка уже компактных структур в уникальную нативную структуру.
    • Особенность Framework model состоит в том, что белок стабилизируется тремя различными видами взаимодействий. На первом шаге стабилизируются вторичные структуры водородными связями, на втором шаге гидрофобным взаимодействием, и в последнем третьем шаге, нативной шаровидной структурой при взаимодействии сил Ван дер Вальса (Ptitsyn 1987).
  • Diffusion-collision model
  • Nuclear Condensation model (уплотнение ядра) [3]
    • Из начального состояния свернутые вторичные структуры формируются начиная с образования ядра до полного процесса сворачивания. Формирование вторичной структуры соединено с третичным формированием третичной структуры и нет никаких промежуточных звеньев на пути сворачивания.
  • Hydrophobic Collapse model
    • Согласно Hydrophobic Collapse model, у глобулярных белков есть ’гидрофобное ядро’, которое приводит к структурному коллапсу развернутой цепи. Коллапсированная структура, названная molten globule (расплавленная глобула), представляет частично свернутое состояние и его энергия ниже чем у развернутого состояния, но выше чем нативного состояния. В отличие от Hierarchical model, гидрофобный коллапса происходит сначала и затем формируются вторичные структуры и дальнодействующие взаимодействия (Radford 2000, Schellman 1955).
  • Simulation-based simple models (Karplus & SÏ ali, 1995; Dill et al., 1995; Shakhnovich, 1996; Thirumalai et al., 1997)
    • Один из подвидов этой модели Langevin model [4]
      • Модель Шахновича предполагает, что переходное состояние сворачивания белка зависит от формирования определенного подмножества нативной структуры, названной ядром сворачивания белка. Рост ядра необходимое условие для последующего быстрого сворачивания в нативное состояние. Поиск ядра сворачивания белка занимает большое количество времени, чтобы преодолеть главный свободный энергетический барьер.
      • Ядро сворачивания белка - ограниченный фундамент, образованный из 8 - 40 контактов рассеянных вдоль последовательности белка. Это показывает, контакты ядра оба дальнего действия, так же как малая дальность (Shakhnovich 1997). Модель Шахновича признает роль двух видов остатков: 1) критические остатки, которые устанавливают большинство контактов в переходное состояние, и 2) те, которые только формируют контакты при достижении нативного состояния. Мутации критических остатков могут затронуть стабильность переходного состояния. Именно поэтому предполагается критические остатки сохраняются эволюционно (Шахнович и др. 1996). В последующих исследованиях было показано, что переходное состояние содержит определенные взаимодействия, которые не найдены в стабильном состоянии. Эти неродные контакты замедляют процесс сворачивания, не затрагивая стабильность нативного состояния.

В 1994 было показано, на примере белка chymotrypsin inhibitor 2 (CI2), что вторичные и третичные структуры формируются параллельно [5]. Сворачивание этого белка противоречит парадоксу Левинталя: CI2 в состоянии свернуться из неструктурированного состояния без накопления промежуточных звеньев или пошагового формирования вторичных и третичных структур.

Управление сворачиваниемПравить

Спираль может закручиваться справа-на-лева и слева-на-право. Но что заставляет ее закручиваться только в определенном направлении.

Две спирали должны быть близки между собой, но что удерживает их вместе, рядом друг с другом.

Две спирали могут подходит друг к другу различными способами, так что возникают более вероятные и менее вероятные виды закручивания. Что заставляет их сворачиваться по менее вероятным путям закручивания.

Ответ один: специальная организация водородных связей. Но остается вопрос в каком порядке они соединяются. Или вначале водородные связи вторичных структур, или водородные связи ядра (связи между спиралями).

Водородные связи образуются в порядке роста РНК. Но если в образованной спирали, в петле нуклеотид, который должен соединять спирали, занял положение ("встал") неправильно, а правильно он "встать" не может, так как вначале образуются водородные связи связи спирали, и петлю ничто еще не удерживает. То затем это нуклеотид не сможет свободно провернуться, так как будет удерживаться в определенном положении водородными связями уже образованной спирали. А той степени свободы которая у него остается может не хватить.

Физические и биологические свойства водыПравить

  На поверхности биологических образований молекулы Н2О претерпевают структурно-ориентационную упорядоченность, образуя так называемую клатратную пленку, которая представляет собой кристаллогидрат со строго ориентированными дипольными моментами молекул воды. Толщина этой кристаллогидратной пленки составляет всего от 3 до 12 ангстрем. Оказалось, что необходимым условием и первоосновой нормальной жизни клеток является этот клатратный слой. И уже на расстоянии 12-13 ангстрем, т.е. чуть далее 4-5 слоев молекул Н2О, их ориентация, например, фосфолипидной поверхностью не проявляется: на этих расстояниях вода ничем не отличается от обычной воды. Оказалось, что в самой клатратной пленке, расположенной, например, на поверхности клеточной мембраны, обменные процессы между молекулами воды осуществляются с частотой 10000 в секунду, в то время как с окружающей объемной водой молекулы Н2О меняются местами с частотой на два порядка меньше.  
  способность к образованию коллоидных структур. Молекулы воды образуют вокруг нерастворимых молекул некоторых веществ оболочку, препятствующую образованию крупных частиц. Такое состояние этих молекул называется дисперсным (рассеянным). Мельчайшие частицы веществ, окруженные молекулами воды, образуют коллоидные растворы (цитоплазма, межклеточные жидкости).  

Растворимые Белки (протеины) — гидрофильные коллоиды, активно связывающие воду; их растворы обладают значительной вязкостью [6]

Коллоидно-химическая физиология человека – это раздел науки, изучающий функционирование систем организма человека, образующих коллоидные соединения. Ядро: коллоидная среда ядра обеспечивает процессы репликации ДНК и биосинтеза белка – работу информационных и транспортных РНК (диффузный и конденсированный хроматин), процессы сборки белковых молекул на и-РНК и формирование структур белковых молекул. Процесс репликации клеточной ДНК во время митоза возможен только в определенной динамически меняющейся среде, обеспечиваемой свойствами коллоидов.

См. такжеПравить

СсылкиПравить

ПримечанияПравить

  1. Кожевникова О.В., Учебник для студентов четвертого курса факультета медицинской биотехнологии УдГУ, 2003
  2. (Птицын О.Б. Стадийный механизм самоорганизации белковых молекул. // Докл. АН СССР, 1973. Т.210
  3. Fersht, A.R. (1997) Nucleation mechanisms in protein folding. Curr. Opin. Struct. Biol. 7, 3–9
  4. Berriz, G. F., Gutin, A. M., Shakhnovich, E. I., Langevin model of protein folding: cooperativity and stability. J. Chem. Phys. 106, 9276-9285, 1997
  5. Otzen DE, Itzhaki LS, Elmasry NF, Jackson SE, Fersht AR: Structure of the transition state for the folding/unfolding of the barley chymotrypsin inhibitor 2 and its implications for mechanisms of protein folding. Proc Nat/Acad Sci USA 1994, 91:10422-10425.
  6. БСЭ