Vanduo išsprendžia baltymų lankstymo problemą

Vienas iš didžiausių iššūkių molekulinėje biologijoje yra suprasti, kaip baltymai susilanksto į sudėtingas 3D formas.

Baltymai yra aminorūgščių grandinės, kurias ląstelėse gamina įvairios molekulinės mašinos. Kai baltymai susidaro pirmą kartą, jie yra atsitiktinės ritės. Esant tokiai būsenai, jie geriausiu atveju yra gerybiniai, o blogiausiu – toksiški – prionai, sukeliantys tokias problemas kaip karvių proto liga, yra netinkamai suformuoti baltymai.

Tačiau netrukus po to įvyksta mažas stebuklas. Šios didžiulės molekulinės grandinės greitai savaime susijungia į sudėtingas 3D formas, leidžiančias joms atlikti savo darbą korinio ryšio mechanizmuose.

Šis spektaklis toks stulbinantis, kad verta pasilikti.

Kai susijungia dvi aminorūgštys, jos gali įgauti vieną iš maždaug dešimties skirtingų orientacijų viena į kitą. Taigi 3 aminorūgščių grandinė gali būti 10^3 skirtingų formų.

Greičiausiai iki šiol atrastas sulankstomas baltymas yra struktūra, vadinama 3 grandžių beta lakštu. Kaip rodo pavadinimas, tai paviršius, sudarytas iš trijų baltymų gijų, kurios jungiasi kartu. Iš viso šiuose lapuose yra iki 90 aminorūgščių, todėl teoriškai jie gali įgauti bet kurią iš 10^90 skirtingų formų.

Jei šios formos būtų išbandytos 100 milijardų per sekundę greičiu, tai užtruktų ilgiau nei Visatos amžius, kad būtų galima rasti tinkamą raukšlę. Tačiau 3 gijų beta lapas susiformuoja vos per 140 nanosekundžių.

Mažiau nustebtų, jei kieme paliktumėte keletą metalo ir plastiko luitų ir kitą rytą sužinotumėte, kad jis savaime susirinko į nešiojamąjį kompiuterį.

Yra įvairių pasiūlymų, kaip baltymų lankstymas daro savo magiją. Viena perspektyviausių – mintis, kad evoliucija atrinko tik tuos baltymus, kurie natūraliai subyra į reikiamą formą. Norėdami tai padaryti, galutinės formos energija turi būti mažesnė už pradinę energiją ir visus veiksmus tarp jų.

Tai reiškia, kad šios sistemos energetinis kraštovaizdis turi būti piltuvo formos. Pagal tokį mąstymą baltymų lankstymas veikia, nes tyrinėjant galimų formų erdvę struktūra patenka per šį piltuvą.

Tačiau yra problema. Jei tai būtų visa istorija, baltymai turėtų būti stabilesni žemesnėje temperatūroje. Bet jie nėra. Gerai žinoma daugelio baltymų savybė yra ta, kad jų struktūra suyra, kai temperatūra nukrenta. Taigi bet koks baltymų lankstymo modelis taip pat turi atsižvelgti į tai.

Šiandien Olivier Collet iš Nensi universiteto Prancūzijoje išsiaiškino, kas vyksta, o svarbiausia, jo teigimu, yra vanduo.

Jis nurodo, kad baltymų lankstymas vyksta ne atskirai, o tirpale. Taigi aminorūgščių grandinė yra apsupta vandens molekulių. Iš arti jie sudaro apvalkalą aplink baltymų grandinę. Collet ištyrė vandens molekulių elgesį šiame pirmame apvalkale.

Collet teigia, kad vandens molekulės sudaro vandenilio ryšius su aminorūgštimis. Kol temperatūra išlieka gana aukšta, vandeniliniai ryšiai nuolat nutrūksta ir vėl formuojasi, o lankstymas vyksta paprastai greitai.

Tačiau jei temperatūra nukrenta, vandenilio ryšiai tampa nuolatiniai, todėl baltymai gali įgyti naujas mažai energijos vartojančias konfigūracijas. Tai dramatiškai pakeičia energetinį kraštovaizdį, sukuriant papildomus slėnius, atitinkančius šias naujas mažai energijos suvartojančias formas. Taigi, užuot iškritęs per energijos piltuvą, baltymas įstringa kitame slėnyje, kuris atitinka neteisingą formą.

Tai naudinga idėja. Tai puikiai paaiškina temperatūros problemą esamoje teorijoje.

Tai taip pat rodo, kad naujas galingas baltymų lankstymo supratimas galėtų atsirasti geriau supratus vandens savybes šiose mažose svarstyklėse.

Kaip matėme praėjusią savaitę, tokio masto vandens molekulių ryšių tinklas daro didelį poveikį jo elgesiui. Gali būti, kad su šiomis jungtimis susijusi kvantinė darna, kuri iš karto siūlo naują būdą, kaip išspręsti šią problemą – traktuoti ją kaip savotišką kvantinį skaičiavimą.

Tai gali atverti visiškai naują darbo kelią, ir mes stebėsime. Įspūdingi dalykai!

Nuoroda: arxiv.org/abs/1101.5502 : Kaip pirmasis vandens lukštas taip greitai sulanksto baltymus?

paslėpti