Чем белку грозят экстремальные физико-химические условия и что такое денатурация, можно узнать, если посмотреть на сваренное вкрутую яйцо. Естественно, в таком состоянии белки функционировать не могут, и организм, их содержащий, гибнет. Чтобы избежать этой участи, живые организмы синтезируют шапероны — класс белков, главным назначением которых является восстановление «правильной» третичной структуры повреждённых белков, а также образование и диссоциация молекулярных комплексов. Кроме шаперонов с транскрипционной регуляцией (таких, которые синтезируются в ответ на возникновение стресса), существуют шапероны, регулируемые посттрансляционно (то есть, готовые при появлении стресса начать работу немедленно, без временнóй задержки, необходимой для синтеза белков). Большинство известных шаперонов функционируют в составе мультимолекулярных комплексов (иногда включающих шаперонины [1]) и для работы потребляют энергию АТФ. (В частности, Hsp33 активируется при окислительном стрессе, а Hsp26 — при температурном шоке.)

«Быстрый старт» работы шаперонов важен в тех случаях, когда повреждающий фактор может убить клетку за очень короткое время, —  как, например, при попадании в условия повышенной кислотности. Кислотность желудочного сока млекопитающих (pH 1–3) сама по себе смертельна для микроорганизмов: ведь, несмотря на способность цитоплазматических ферментов глутамат- и аргининзависимой декарбоксилаз поддерживать pH цитоплазмы на нейтральном уровне, белки периплазмы и плазматической мембраны бактерий денатурируют в условиях повышенной кислотности. Однако некоторые бактерии, такие как, например, кишечная палочка Escherichia coli, синтезируют маленький (89 аминокислотных остатков, 9.7 кДа) белок HdeA, который в условиях высокой кислотности (pH<3) начинает вести себя подобно шаперону. При этом, в отличие от других известных шаперонов, он работает в форме мономера и не требует затрат энергии (то есть, позволяет бактерии находиться в кислой среде неограниченно долго).

При физиологических значениях pH HdeA существует в форме димера (см. на картинке в заглавии), межмолекулярный интерфейс которого образован гидрофобными остатками. При повышении кислотности среды взаимодействие протонов из окружающего раствора с заряженной частью молекулы приводит к разрушению димера, и мономерный белок, приобретая способность защищать другие белки от ацидолиза, теряет выраженную структуру и переходит в слабо упорядоченную форму (!). Само по себе это достаточно удивительно, потому что, согласно традиционным представлениям о строении и функциях белков, чётко заданная структура является обязательным условием для какой-то определённой функции.

В работе американских учёных, использовавших для изучения этого белкá регистрацию резонансного переноса энергии (FRET), удалось установить, что HdeA теряет структуру не полностью: этому препятствует внутримолекулярная дисульфидная связь [2]. При этом гидрофобные домены, являющиеся ядром белкá в димерной форме и участвующие в образовании интерфейса между мономерами, экспонируются на поверхность молекулы, образуя сайты связывания с другими белкáми, которые «защищает» этот шаперон. Подобные взаимодействия экранируют белки от кислой среды и позволяют им сохранять нативную структуру.

Самым интересным стало то, что HdeA, будучи в неактивной форме димером с чёткой пространственной структурой, в функциональном состоянии является почти неупорядоченной молекулой. Предположительно, именно это позволяет ему защищать самый широкий класс бактериальных белков от денатурации; в работе показано, что при взаимодействии с разными субстратами стабилизируются различные конформации этого шаперона [2]. По-видимому, существует достаточно широкий класс белков (не только шаперонов), функциональной формой которых является именно недоупорядоченное состояние, что позволяет им регулироваться с помощью более тонких механизмов и иметь сродство к широкому кругу других белков-субстратов [3].

«Так же, как пластиковый фантик предотвращает слипание чупа-чупсов в банке, HdeA не позволяет белкáм агрегировать в условиях повышенной кислотности», — объясняет суть открытия Джеймс Бардвелл (James Bardwell), руководитель исследования и профессор медицинского института имени Ховарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute). Соавтор работы Тим Тэпли (Tim Tapley) так комментирует механизм работы этого шаперона: «HdeA чувствует кислую среду напрямую и переходит из неактивного в функциональное состояние за доли секунды» [4].

Литература

1. биомолекула: «Канал эукариотического шаперонина открывается подобно диафрагме фотоаппарата»;
   
2. Tapley T.L., Körner J.L., Barge M.T., Hupfeld J., Schauerte J.A., Gafni A., Jakob U., Bardwell J.C.A. (2009). Structural plasticity of an acid-activated chaperone allows promiscuous substrate binding. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. doi: 10.1073/pnas.0811811106;
   
3. биомолекула: «Недоупорядоченные белки»;
   
4. ScienceDaily: “Plastic Protein Protects Bacteria From Stomach Acid’s Unfolding Power”.