Уникальные свойства белков определяются наличием у них упорядоченной трехмерной структуры. Заново синтезированные в клетке молекулы белка приобретают ее в процессе фолдинга — спонтанного сворачивания полипептидной цепи в особенную пространственную структуру. Фолдинг уже многие годы является объектом внимания ученых: исследователи пытаются выяснить причины высокой скорости этого процесса, а также определить оптимальные условия для «сворачивания» белков, чтобы усилить эффективность их действия в составе лекарственных препаратов.
Сотрудники научно-исследовательской лаборатории сверхбыстрой калориметрии кафедры физической химии Химического института имени А. М. Бутлерова подведомственного Минобрнауки России Казанского федерального университета (КФУ) применили новейший метод сверхбыстрой сканирующей калориметрии для того, чтобы изучить свойства неравновесного белкового ансамбля, образующегося в процессе фолдинга.
По словам Тимура Мухаметзянова, доцента кафедры физической химии Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ, экспериментальные исследования фолдинга до сих пор остаются достаточно сложной задачей и чаще всего проводятся с использованием спектроскопических методов. Эти методы помогают увидеть структурные изменения белковых молекул в ходе «сворачивания», однако не позволяют приблизиться к пониманию энергетических особенностей этого процесса.
«Для изучения состояния белкового ансамбля в процессе фолдинга мы применили метод сверхбыстрой калориметрии, который позволяет нагревать и охлаждать образцы микрометрового размера со скоростями до 1 миллиона градусов в секунду. Крайне малые размеры образца исключают работу с летучими растворителями и водой, поэтому был приготовлен раствор модельного белка лизоцима в глицерине. Ранее было показано, что в глицерине этот белок сворачивается в компактную структуру», — объяснил химик.
Исследование проводилось в два этапа. В процессе первичного нагрева раствора белка его упорядоченная структура разрушилась, и ученые смогли зарегистрировать тепловой эффект от денатурации. Затем возможности сверхбыстрой калориметрии позволили научному коллективу очень быстро охладить образец до температуры, при которой упорядоченная структура снова становится стабильной, но молекулы белка еще не успевают «свернуться». Спустя некоторое время ученые повторили нагрев, зарегистрировали тепловые эффекты, которые позволили им оценить свойства ансамбля молекул белка, образующегося уже в процессе фолдинга.
В ходе экспериментов скорости нагрева и охлаждения составляли от 50 до 4000 градусов в секунду. Меняя температуру и длительность промежуточной стадии между нагревами, исследователи изучили свойства неравновесного белкового ансамбля.
«В результате исследований нами было установлено наличие интермедиата фолдинга, то есть метастабильной частично свернутой структуры. Это состояние белка уже является достаточно упорядоченным, но все еще менее стабильно, чем полностью свернутое. Кроме того, мы выяснили, что неравновесный белковый ансамбль состоит только из неупорядоченных молекул, интермедиата и полностью свернутого белка, то есть скорость процесса сворачивания определяется величинами энергетических барьеров между формами белка. Таким образом, в процессе сворачивания белковая цепь вначале должна преодолеть силы отталкивания между сегментами, но, когда этот барьер пройден, сворачивание происходит быстро», — пояснил Тимур Мухаметзянов.
Ученый подчеркнул, что исследования фолдинга обладают высокой практической значимостью для медицины. Во-первых, часто в препаратах белки находятся в «развернутом» виде. Для того, чтобы использовать белки, нужно, чтобы они приобрели «правильную» конформацию. В связи с этим становится необходимым определить оптимальные условия для их «сворачивания». Во-вторых, существует ряд болезней, причиной которых является неправильное сворачивание некоторых белков. Чтобы понять, почему это происходит, необходимо выяснить закономерности фолдинга.
Эксперименты выполняла аспирантка кафедры физической химии Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ Алиса Фатхутдинова, которая работает под руководством Тимура Мухаметзянова. Исследование проводились в единственной в России лаборатории сверхбыстрой калориметрии, открытой в 2017 году на кафедре физической химии Химического института имени А. М. Бутлерова КФУ в рамках программы мегагрантов.
Программа мегагрантов реализуется Минобрнауки России в рамках национального проекта «Наука и университеты» и предусматривает поддержку научных исследований, проводимых под руководством ведущих ученых мирового уровня в российских вузах и научных центрах.