Anfinseno dogma: baltymų sulankstymo hipotezė ir išimtys (prionai)

Anfinseno dogma: kaip aminorūgščių seka lemia baltymų sulankstymą, kodėl šaperonai būtini ir kaip prionai bei amiloidinės ligos (Alzheimeris, Parkinsonas) laužo taisykles.

Anfinseno dogma – tai Kristiano Anfinseno pasiūlyta molekulinės biologijos hipotezė, kurios pagrindinė mintis yra ta, kad baltymo sulankstymas į prigimtinę struktūrą vyksta savaime ir yra nustatytas baltymo aminorūgščių sekos. Ši idėja daugiausia grindžiama klasikiniu Anfinseno eksperimentu: baltymas, po visiško denatūravimo ir vėlesnio grąžinimo į natūralią cheminę terpę, sugeba atgauti savo biologinį aktyvumą, taigi informacija apie tikslią 3D struktūrą yra užkoduota pirminėje sekoje. Tačiau praktikoje tai galioja ne visiems baltymams – daugeliui reikalingi specialūs pagalbiniai veiksniai, vadinami šaperonais.

Eksperimentinis pagrindas

Anfinsenas pasidalijo 1972 m. Nobelio chemijos premiją už darbą, susijusį su fermento ribonukleazės A struktūra. Savo tyrimuose jis parodė, kad izoliavus ribonukleazę A, ją visiškai denatūravus (pvz., naudojant ureasą ir reduktorių, kad būtų sutraumuotos disulfidinės jungtys) ir vėliau leidus pamažu atsinaujinti sąlygoms, fermentas spontaniškai susiformuoja į aktyvią konformaciją. Iš to jis išvedė principą, kad pirminė seka gali nulemti galutinę erdvinę struktūrą.

Taisyklės: unikalumas, stabilumas ir kinetinis prieinamumas

• Unikalumas: baltymo seka turi turėti vieną dominantinę konfigūraciją, kurios laisvosios energijos minimumas yra aiškiai išreikštas, t. y. nėra daug kitų panašaus energijos lygio konformacijų.
• Stabilumas: galutinė struktūra privalo būti termodinamiškai stabili tam tikromis fiziologinėmis sąlygomis – nedideli aplinkos pasikeitimai (pH, joninė jėga, temperatūra) neturi lengvai perstumti baltymo į kitą konformaciją.
• Kinetinis prieinamumas: prigimtinė forma turi būti pasiekiama per įmanomą kinetinį kelią be būtinybės atlikti itin sudėtingų ar itin lėtų pertvarkymų (pvz., nutraukant mazgus ar įveikiant didelius energinius barjerus).

Šios sąlygos – ypač kartu – apibrėžia, kada Anfinseno dogma gali būti taikoma. Realūs biologiniai baltymai dažnai susiduria su papildomomis kliūtimis: dideli molekuliniai surūgimai, greitas sintezės greitis, ląstelės vidinė terpė ir slėginiai energiniai barjerai gali blokuoti tiesioginį refoldingo kelią.

Levintalio paradoksas ir lankstymo „funnel“ (kanjono) idėja

Kaip baltymas suranda savo teisingą struktūrą, yra baltymų lankstymo srities centrinis klausimas. Levinthalio paradoksas pabrėžia, kad jei baltymas tik „išbandytų“ visas įmanomas konformacijas atsitiktine tvarka, laikas būtų astronominis – net nedideliam 100 aminorūgščių baltymui visų konformacijų patikrinimas būtų praktiškai neįmanomas. Šią problemą sprendžia energijos peizažo (energy landscape) ir lankstymo „funnel“ modeliai: baltymai neturi eiti per visą kombinacinį erdvę, o ženkliai nukreipti energijos gradientai ir tarpinės struktūros lemia greitą judėjimą link vietinio ar globalinio energijos minimo, išvengiant daugumos galimų konformacijų.

Vis dėlto gali atsirasti kinetiniai spąstai – vietiniai energijos minima, iš kurių išeiti reikia didelio energetinio stimuluso ar šaperonų pagalbos. Tai paaiškina, kodėl kai kurie baltymai refoldingu atgal negrįžta be papildomos pagalbos arba kodavimo pokyčių.

Išimtys: prionai ir amiloidinės ligos

Prionai yra viena ryškiausių Anfinseno dogmos išimčių. Prionai yra baltymai, kurie gali egzistuoti bent dviejose stabiliose, tačiau skirtingose konformacijose: „normalioje“ funkcinei būsnei ir patologinėje, dėl kurios baltymas ima formuoti kryžmai susišakojančius amiloidinius siūlus. Sergant galvijų spongiformine encefalopatija (BSE, „pasiutulio“ tipo ligos atmaina), normali vietinė forma persiformuoja į prioninę konformaciją, kuri veikia kaip templatas – ji katalizuoja kitų tos pačios molekulės egzempliorių persiformavimą, sukeldama mirtiną amiloidų sankaupą.

Kitos amiloidinės ligos, įskaitant Alzheimerio ir Parkinsono ligas, taip pat rodo, kad baltymai gali pereiti į alternatyvias, patologines agreguotų struktūrų būsenas. Skirtumas nuo tipinio Anfinseno scenarijaus yra tas, kad pirminė seka gali leisti kelias energetiškai palankias būsenas arba aplinkos pokyčiai bei posttransliacinės modifikacijos lemia kitaip stabilizuotą konformaciją.

Šaperonų ir ląstelių veiksnių reikšmė

Daugelis baltymų ląstelėje sulankstosi ko-transliaciniu būdu (kol sintezė vyks ant ribosomos) arba su šaperonų pagalba. Šaperonai (pvz., Hsp70, GroEL/GroES) nesuteikia struktūros tiesiogiai, bet apsaugo polipeptido grandinę nuo neteisingo sąveikavimo, mažina agregaciją ir padeda įveikti kinetinius barjerus. Kai kuriems baltymams taip pat reikalingi disulfidų izomerazės, glikozilinimo ar kitokios posttransliacinės modifikacijos, kad būtų pasiekta funkcionali konformacija.

Praktinės pasekmės ir ribotumai

Anfinseno dogma turi didelę teoretinę ir praktinę reikšmę: ji suteikė pagrindą bandyti prognozuoti baltymų struktūras iš sekų (jų logika pamato sėkmę daugelyje atvejų), taikoma baltymų inžinerijoje ir medikamentų kūrime. Tačiau dogma turi savo ribas: negali paaiškinti ko-transliacinio lankstymo, šaperonų įtakos, disulfidų formavimo ląstelės vidaus terpėje ar patologinių persiformavimų (prionai, amiloidai). Naujai sukurtos skaičiavimo priemonės (pvz., gilaus mokymosi modeliai) žymiai pagerino struktūrų prognozę, bet vis dar susiduria su dinamikos, lygiavertžių konformacijų ir agregacijos problemomis.

Išvados

Anfinseno dogma išlieka svarbi hipotezė – ji gerai paaiškina daugelio mažų ir vidutinio sudėtingumo baltymų elgseną in vitro. Tačiau biologinė realybė yra kompleksiška: ląstelės terpė, šaperonai, ko-transliaciniai mechanizmai ir specifinės cheminės sąlygos reiškia, kad ne visos baltymų struktūros yra vienareikšmiškai nulem tos pirminės sekos. Prionai ir amiloidiniai agregatai yra aiškūs pavyzdžiai, kada alternatyvios, liga sukeliančios konformacijos gali būti tiek stabilios, tiek „užkrečiamos“ ir todėl prieštarauja paprastai suprantamai Anfinseno idėjai.

Klausimai ir atsakymai

Klausimas: Kokia yra Anfinseno dogma?

K: Kokios yra trys unikalumo, stabilumo ir kinetinio prieinamumo sąlygos?

K: Kas yra Levintalio paradoksas?

Klausimas: Ar yra kokių nors Anfinseno dogmos išimčių?

K.: Kaip Kristianas Anfinsenas gavo Nobelio premiją?

K: Kuo prionai skiriasi nuo prigimtinės sulankstymo būsenos?

Paieška pagal raidę