Исследование показывает, что гидрофобные части белков не «ненавидят» воду

Белки выполняют множество функций в клетках нашего организма. Все достижения в биологии и фармацевтике зависят от фундаментального понимания того, как работают белки. Более полувека ключевой теорией, объясняющей механизм сворачивания белков, была классическая теория. Однако теперь учёные из Университета Окаямы и Университета Рицумэйкан в Японии её опровергли. Результаты опубликованы в журнале Protein Science.

В клетках белки сначала образуются как цепь аминокислот. Части этой цепи «гидрофильны» (растворимы в воде). Другие части до сих пор считались «гидрофобными» (отталкивающими воду). Именно эта гидрофобность поставлена под сомнение японскими исследователями.

Взаимодействия между аминокислотами и с водой заставляют белок последовательно сворачиваться. Свёрнутые структуры позволяют выполнять специфические функции. Неправильное сворачивание белков может приводить к таким заболеваниям, как болезнь Альцгеймера, муковисцидоз или аллергии.

Пересмотр классической теории

В 1959 году была предложена теория механизма сворачивания. Она постулирует, что «ненависть» к воде (контакт гидрофобных частей с водой) энергетически невыгодна. Это заставляет белки сворачиваться так, чтобы спрятать гидрофобные части внутрь структуры. Таким образом, гидрофобное отталкивание стабилизирует свёрнутую структуру. Позже теорию уточнили, включив в неё силу притяжения между гидрофобными частями (силу Ван-дер-Ваальса). Однако гидрофобное отталкивание продолжало считаться основной движущей силой сворачивания.

По мнению учёных, доктора Томонари Суми и доктора Хироши Имамуры, эта теория игнорирует другой ключевой вклад — энергию образования полости (энергию, необходимую для создания пространства внутри белка).

Новый вычислительный подход

Чтобы раскрыть вклад всех взаимодействий в стабильность сворачивания, учёные провели теоретические расчёты, используя новый вычислительный метод — модифицированную теорию функционала плотности. В качестве модели они использовали типичный белок GCN4-p1, который сворачивается в двухслойную структуру, называемую «лейциновой застёжкой». Исследователи изучили энергии, необходимые для процессов сворачивания и разворачивания.

Неожиданные результаты

Результаты оказались неожиданными. Доктор Суми объясняет: «Наше исследование показывает, что когда белки развёрнуты, взаимодействие гидрофобных частей с водой (сила Ван-дер-Ваальса) фактически стабилизирует развёрнутую структуру. Таким образом, классический взгляд на гидрофобные группы как «ненавидящие» воду и поэтому вызывающие сворачивание белка, не является корректным».

Новый механизм

Вместо этого выяснилось, что сила Ван-дер-Ваальса между гидрофобными частями сильнее, чем «эффективная» опосредованная водой сила отталкивания между ними. Именно поэтому белки сворачиваются.

• Причина сворачивания: прямое притяжение между молекулами, а не отталкивание от воды.
• Стабилизирующая сила в свёрнутой структуре: внутримолекулярная сила Ван-дер-Ваальса.

Доктор Имамура отмечает: «В наших результатах «видимое» явление — то, что белки сворачиваются, стабильно упаковывая гидрофобные группы в ядро структуры, — остаётся тем же. Но наше понимание лежащего в основе механизма должно измениться».

Учёные надеются, что эти выводы побудят к дальнейшим исследованиям и пересмотру науки, основанной на классической теории. Они также надеются, что это повлияет на базовое образование, и объяснения в учебниках изменятся. Принятие этих результатов может иметь положительные последствия для инженерии и фармацевтических применений.