Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Белок из сотни аминокислот может складываться множеством способов, так что количество различных структур составляет от 2 100до 10 100возможных конформаций. Чтобы испробовать все возможные конформации для каждого белка, понадобилось бы примерно 10 миллиардов лет. Но в линейную последовательность белкового текста встроены инструкции по складыванию, которые в свою очередь определены линейным генетическим текстом. В результате с помощью броуновского движения – постоянного движения молекул, вызываемого тепловой энергией, – эти процессы происходят очень быстро – за несколько тысячных секунды. Это обеспечивается тем, что правильно сложившийся белок имеет самую низкую возможную свободную энергию. И так же, как вода стекает в самую нижнюю точку, белок естественно принимает свою предпочтительную форму.

Правильно сложенная конформация – та, которая гарантирует, что фермент может правильно работать, – включает переход от высокой степени энтропии и свободной энергии к термодинамически стабильному состоянию сниженной энтропии и свободной энергии. У белка, называемого виллин, этот процесс можно даже наблюдать благодаря компьютерной симуляции {70} 70 Видео про складывание белка можно посмотреть на http://www.youtube.com/watch?v =sD6vyfTtE4U&feature=youtu.be. См. также http://www.ks.uiuc.edu/Research/folding/ . Растягивая действие реальной продолжительностью в шесть миллионных секунды до нескольких секунд, симуляция показывает, как тепловая энергия заставляет трястись исходную линейную цепочку из восьмидесяти семи аминокислот; линейный белок дергается туда-сюда и всего за шесть микросекунд проходит через множество разных конформаций на пути к окончательной форме. Представьте, сколько актов эволюционного отбора ушло на этот дерганый танец, учитывая, что аминокислотная последовательность белка определяет не только тип его свертывания, но и его окончательную структуру – и, следовательно, его функцию.

Соревнование между «правильными» и потенциально вредными вариантами складывания белков довольно быстро привело к появлению «контроля качества» клеточных белков в виде другой группы специализированных молекулярных машин. Эти «молекулярные дуэньи» – шапероны – помогают белкам складываться и препятствуют образованию вредных агрегаций, а также разбирают агрегации, которые уже сформировались. Так, например, шапероны Hsp70 и Hsp100 разбирают агрегации, а Hsp60 состоит из разных белков, которые образуют что-то вроде бочонка с крышкой, чтобы, находясь внутри, несложившийся белок мог принять правильную форму. Неудивительно, что нарушение функционирования шаперонов лежит в основе многих нейродегенеративных заболеваний и форм рака.

Самая частая у европеоидов наследственная болезнь из тех, что определяются одним геном (в США она поражает одного новорожденного из 3500), – муковисцидоз, пример неправильно складывающегося, неверно ведущего себя белка. Он вызывается дефектом в гене, который отвечает за белок, называемый муковисцидозный трансмембранный регулятор проводимости ( CFTR ). Этот белок регулирует транспорт хлорид-иона сквозь клеточную мембрану; его изъяны приводят к разнообразным симптомам. Например, дисбаланс воды и соли у пациентов с муковисцидозом приводит к тому, что их легкие забивает липкая слизь, которая к тому же становится средой для роста болезнетворных бактерий. Повреждение легких из-за постоянных инфекций – главная причина смерти людей с этой болезнью. Не так давно ученые показали {71} 71 Sun, Fei, Zhibao Mi, Steven B. Condliffe, Carol A. Bertrand, Xiaoyan Gong, Xiaoli Lu, Ruilin Zhang, Joseph D. Latoche, Joseph M. Pilewski, Paul D. Robbins, and Raymond A. Frizzell. “Chaperone displacement from mutant cystic fibrosis transmembrane conductance regulator restores its function in human airway epithelia.” The FASEB Journal , Vol. 22, № 9, стр. 3255–3263. 2 сентября 2008. , что по большей части в основе муковисцидоза лежит самая обычная мутация, мешающая отделению транспортного белка от одного из его шаперонов. В результате последние этапы нормального складывания не проходят, и активный белок не производится в должном количестве.

Разрушение скоплений белка и белковых фрагментов жизненно важно, потому что эти субстанции могут образовывать пробки или бляшки, которые очень токсичны. Когда при забастовке мусорщиков прекращается вывоз отходов, на улицах растут горы зловонных отбросов, уличное движение замедляется, растет риск болезней, и город быстро выходит из строя. То же верно для клеток и органов. Болезнь Альцгеймера, дрожь паркинсоника и неотвратимое ухудшение при болезни Крёйцфельда-Якоба (человеческая форма коровьего бешенства) – все это происходит из-за накопления токсичных нерастворимых белковых агрегаций.

Некоторые белковые машины приспособлены для исправления ошибок при синтезе и сборке белков. Протеасомы отвечают за ликвидацию ненормальных белков путем протеолиза – реакции разрывания белковых связей, выполняемой ферментами протеиназами. Эта машина представляет собой цилиндрический комплекс, средняя часть которого состоит из четырех колец, подобно стопке бубликов, каждый бублик сделан из семи белковых молекул. Предназначенные для ликвидации в протеасоме белки-мишени помечаются молекулами убиквитина – маленького белка, присутствующего по всей клетке. Примерно тридцать лет назад этот базовый механизм избавления клетки от отходов был выявлен тремя учеными: Аароном Чехановером, Аврамом Хершко и Ирвином А. Роузом; в 2004 году они получили за это Нобелевскую премию.

Продолжительность жизни каждого белкового робота в клетке генетически запрограммирована. Действие этой программы слегка отличается в разных ветвях жизни. Например, и E. coli, и дрожжевые клетки содержат фермент бета-галактозидазу, которая помогает расщеплять сложные сахара; однако период полураспада этого фермента сильно зависит от аминокислоты на конце белка ( N -концевой аминокислоты). Когда на N -конце бета-галактозидазы стоит аргинин, лизин или триптофан, время полураспада белка составляет 120 секунд у E. coli и 180 секунд у дрожжей. Если на том же месте стоит серин, валин или метионин, время полураспада значительно возрастает – более 10 часов у E. coli и более 30 часов у дрожжей. Это называется N -концевым правилом {72} 72 Varshavsky, Alexander (1997). “The N-end rule pathway of protein degradation.” Genes to Cells 2 (1), стр. 13–28. пути деградации белка.

Нестабильность и недолговечность белков показывают, что и жизнь самих клеток была бы очень короткой, если бы клетки были просто мембранными мешочками – пузырьками – с белками, но без генетического материала. Все клетки умрут, если не смогут постоянно делать новые белки для замещения тех, что повреждены или неправильно сложены. Бактериальная клетка должна заново сделать все свои белки или умереть в течение часа или даже меньше. Это верно и для клеточных структур, таких как мембрана: круговорот фосфолипидных молекул и мембранных транспортеров таков, что, если они не будут постоянно пополняться новыми, мембрана лопнет и все содержимое клетки вытечет. При культивировании клеток в лаборатории применяют простой тест на жизнеспособность: определить, протекает ли их мембрана настолько, чтобы пропустить внутрь крупные частицы красителя. Если они могут проникнуть в клетки, те явно мертвы.