Фолдинг

Учебные материалы по биологии / Проблемы моделирования трехмерной структуры белков. Методы их решения / Фолдинг

Фолдинг - сворачивание белков (и других биомакромолекул) из развёрнутой конформации в «нативную» форму - физико-химический процесс, в результате которого белки в своей естественной среде (растворе, цитоплазме или мембране) приобретают характерные только для них пространственную укладку и функции. С термодинамической точки зрения самосворачивание белка является переходом белковой молекулы в наиболее статистически вероятную конформацию (что практически можно приравнять к конформации с наименьшей потенциальной энергией). С кинетикой же фолдинга связывают так называемый парадокс Левинталя, согласно которому, если бы молекула белкá длиной хотя бы в 100 аминокислотных остатков «перебирала» все возможные конформации, прежде чем свернуться в нативную форму, этот процесс потребовал бы времени, превышающего время существования Вселенной. Однако из практики известно, что максимальное время сворачивания ограничивается минутами, типичное время - порядка миллисекунд, а кратчайший требуемый срок, зарегистрированный для трёхлистового β-слоя - всего 140 нс.

Решение парадокса Левинталя заключается в том, что молекула никогда не принимает подавляющего большинства теоретически возможных конформаций. Кооперативные эффекты фолдинга - одновременное формирование «зародышей» вторичной структуры, являющихся энергетически стабильными и уже не изменяющимися в процессе дальнейшего сворачивания - приводят к тому, что молекула белка находит «кратчайший путь» на воображаемой гиперплоскости потенциальной энергии к точке, соответствующей нативной конформации белка. Нативная конформация при этом отделена заметным энергетическим промежутком (potential energy gap) от подавляющего числа несвёрнутых форм, а ближайшая её окрестность определяет естественную конформационную подвижность молекулы.

Ограниченность понимания механизмов фолдинга связана ещё и с тем, что его сложно наблюдать экспериментально: это достаточно быстрый динамический процесс.