Большинство процессов в живых организмах происходят при участии белков. Но до сих пор есть много неясного в том, как они работают. О достижениях ученых, изучающих свойства таких макромолекул и выявляющих их необычные способности, рассказал заместитель директора по научной работе Казанского института биохимии и биофизики КНЦ РАН доктор химических наук Юрий ЗУЕВ.
— В основе “работы” любого белка, — говорит Юрий Федорович, — лежит способность к избирательному взаимодействию с другим веществом — его называют лигандом (от латинского ligare — “связывать”). Им может быть атом, ион, макромолекула, в том числе другой белок. Функции белковых лигандов очень разнообразны, и каждый день ученые узнают о них что-нибудь новое и интересное.
Лиганд присоединяется к центру связывания — определенному участку на поверхности белковой молекулы, которых, в принципе, может быть и несколько. Нас в первую очередь интересуют два аспекта: избирательность (специфичность) межмолекулярного распознавания партнеров и ответная реакция белковой макромолекулы на взаимодействие.
Считается, что специфичность межмолекулярного распознавания определяется химическим и геометрическим соответствием центров связывания взаимодействующих соединений. Но нужно иметь в виду, что любая пара белок — лиганд формируется в живой системе в определенном микроокружении и фактор комплементарности (взаимного соответствия структур) “включается” только на заключительном этапе образования комплекса. Один из примеров — присоединение кислорода к атому железа в миоглобине или гемоглобине. Специфичность в значительной мере зависит от строения “кусочка” белковой молекулы, окружающей атом железа. А в других белках, например цитохромах, такой же атом железа, но находящийся в другом окружении, функционирует совершенно иначе — он служит переносчиком электронов, получая их от одних веществ и передавая другим.
Центр связывания лиганда на молекуле белка формируется из аминокислотных остатков, которые обычно располагаются далеко друг от друга в пептидной цепи. В одном месте они оказываются в результате образования вторичной и третичной структуры белка, после того как аминокислотная цепочка свернется в уникальную пространственную структуру. Характер взаимодействия белка с лигандом зависит, в первую очередь, от их химического строения, пространственного расположения атомов и электрических зарядов. При этом нельзя пренебрегать влиянием соседних соединений и структур. Распознавание молекул в биосистемах можно сравнить с сочетанием “запахов”, по которым взаимодействующие партнеры узнают друг друга, выбирают взаимную ориентацию и образуют единый комплекс.
Мы исследовали процесс образования фермент-субстратного комплекса вблизи поверхности искусственной мембраны. Оказалось, что еще на достаточно большом расстоянии молекула субстрата занимает определенную пространственную ориентацию относительно активного центра. Она словно бы заранее подготавливается к предстоящей встрече. Меняя знак заряда на поверхности мембраны, мы научились разворачивать субстрат и, таким образом, влиять на скорость реакции, создавая “нужную” вероятность формирования комплекса. Это явление можно наблюдать экспериментально.
— Что лежит в основе ваших исследований?
— Мы изучаем взаимодействие белков с “классическими” и “искусственными” лигандами. К числу первых относятся белковые макромолекулы, ферментные субстраты, ингибиторы (вещества, которые тормозят работу ферментов), сигнальные молекулы. Нас интересуют места связывания лиганда и свойства образовавшегося комплекса. Выясняем, что происходит с белком и как изменяется его структура в случае присоединения связываемого вещества. В зависимости от конкретной задачи выбираем разные белковые системы и исследовательские подходы.
Большой цикл наших работ посвящен интересным свойствам одного из самых распространенных молочных белков — бета-казеина. Оказалось, что он помимо своих “молочных” функций может выполнять и другие. Например, помогает восстановить сложную трехмерную структуру ряда белков, которую они теряют в результате химического или температурного воздействия. Механизм помощи основан на способности бета-казеина подстраиваться под структуру частично поврежденной молекулы.
Для исследования межмолекулярных взаимодействий бета-казеина с лигандами мы контролируем размеры белковых комплексов, используя динамическое светорассеяние. Это позволяет определить сам факт образования комплекса и его свойства при различных внешних условиях. А применяя спектроскопические методы, оцениваем структурные изменения взаимодействующих молекул.
Другой исследуемый класс белковых лигандов — различные синтетические молекулы. В Казани существуют давние традиции исследования проблем химического синтеза, и от наших коллег-химиков постоянно поступают предложения проверить то или иное новое соединение на биологическую активность. Мы получаем вещества, которые могут как подавлять биохимические процессы, так и многократно ускорять их. Нас, прежде всего, интересуют лиганды с пространственно разнесенными полярными и неполярными участками. Важно изучить, какой участок своей поверхности белковая макромолекула использует в качестве места связывания различных лигандов. Мы также пытаемся понять, какими свойствами обладает образующийся комплекс. Если это удается сделать, то исследуем изменение функциональных свойств белка.
Кроме упомянутых методов в своей работе используем возможности ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, позволяющие определить точную атомарную структуру комплекса белок — лиганд (по крайней мере, в области центра связывания). А с помощью компьютерного моделирования выясняем геометрию наиболее вероятных комплексов и их термодинамические свойства. Компьютерное моделирование дает удобную визуализацию комплексов, но предлагает много вариантов, число которых приходится минимизировать на основе данных, полученных на приборах ядерного магнитного резонанса и других спектроскопических установках. В отдельных случаях для расчета комплексов пользуемся методами квантовой химии.
Есть у наших исследований и другая составляющая. Мы стараемся выяснить, что происходит с самой молекулой белка, как она реагирует на образование комплекса. Вот, скажем, есть такие белки, галектины, связывающие остатки сахаров, входящих в состав сложных органических соединений. А начинается эта работа со связывания определенным участком белка молекулы сахара или сахарного остатка. С помощью метода молекулярной динамики мы показали, что при связывании определенным доменом галектина-7 молекулы сахара (лактозы) происходит анизотропное изменение взаимодействий между аминокислотными остатками. Это вызывает реорганизацию структуры на другом участке белка. Иными словами, мы обнаружили внутримолекулярную передачу сигнала по структуре белка, в результате чего его разные части начинают действовать согласованно.
С процессом “отклика” структуры белка на образование комплекса белок — лиганд связан еще один интересный результат наших исследований. В некоторых случаях перед реакцией субстрат воздействует на активный центр белка-фермента, подстраивая его к предстоящему соединению. Образование комплекса как бы готовит белкового партнера к химической реакции.
Проблема изучения внутримолекулярной передачи сигнала тесно связана с механизмами управления работой большинства белков. Фактически любой элементарный акт взаимодействия белка с лигандом выступает в качестве пусковой “кнопки”, запускающей целый каскад структурных и химических превращений. И здесь мы подходим к основной цели нашей работы — поиску молекулярных механизмов функционирования белков. Конечно, это не определение некоего универсального принципа работы всех белков. Наша цель — найти некоторые закономерности в изменении структуры и динамики наиболее типичных представителей белкового сообщества при образовании комплексов белок — лиганд. Если получится, то в руках исследователей окажется новый инструмент воздействия на структуру и функциональную активность ферментов. Это важно не только в фундаментальном плане, но и может стать основой различных медицинских и биотехнологических разработок.
— А с чего начинались исследования?
— Мы достаточно долго шли к нашим сегодняшним результатам. 30 лет назад наш коллектив возглавил профессор Владимир Дмитриевич Федотов (к сожалению, в 2012 году его не стало). Новое научное направление он описывал тремя терминами “структура — динамика — функция”. И тут же добавлял, что до третьей стадии мы не доживем. Но наш дорогой учитель, к счастью, ошибся. Мы, ученики Владимира Дмитриевича, сделали то, о чем он мечтал. И сегодня к исследователям России и других стран приходит понимание того, как на субмолекулярном уровне работают белки. Наши результаты в этой области включены в число важнейших научных достижений Российской академии наук.
Беседовал
Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлено Ю.Зуевым
Нет комментариев