Сотрудники научно-исследовательской Лаборатории сверхбыстрой калориметрии кафедры физической химии Химического института им. А.М.Бутлерова Казанского федерального университета исследовали фолдинг лизоцима в глицерине.

Для этого был использован новейший метод сверхбыстрой сканирующей калориметрии, позволяющий получать уникальную информацию о процессах в веществе в ходе быстрого нагрева и охлаждения. 

«Уникальные свойства белков определяются наличием у них упорядоченной трехмерной структуры. Вместе с тем заново синтезированные в клетке молекулы белка такой структурой не обладают, а приобретают ее в процессе фолдинга – спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную пространственную структуру, – рассказывает доцент кафедры физической химии Химического института им. А.М.Бутлерова КФУ Тимур Мухаметзянов. – Этот процесс уже многие годы является объектом исследования ученых. Мы применили уникальную калориметрическую методику для того, чтобы исследовать неравновесный белковый ансамбль, образующийся в процессе фолдинга».

Экспериментальные исследования фолдинга, по словам ученого, до сих пор остаются достаточно сложной задачей и чаще всего проводятся с использованием спектроскопических методов, которые позволяют увидеть структурные изменения белковых молекул в ходе сворачивания, однако оставляют за бортом энергетику 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.

Эксперименты выполнила аспирантка кафедры физической химии Химического института им. А.М.Бутлерова КФУ Алиса Фатхутдинова, которая работает под руководством Т.Мухаметзянова.

Методика исследования включает два последовательных нагрева раствора белка.

«В процессе первичного нагрева упорядоченная структура белка разрушается и можно зарегистрировать тепловой эффект денатурации. Возможности сверхбыстрой калориметрии позволяют затем очень быстро охладить образец до температуры, при которой упорядоченная структура снова становится стабильной, но молекулы белка еще не успевают "свернуться". Спустя некоторое время нагрев повторяется и регистрируются тепловые эффекты, которые позволяют оценить свойства ансамбля молекул белка, образующегося в ходе фолдинга», – рассказала А.Фатхутдинова.

Во время выполнения экспериментов скорости нагрева и охлаждения составляли от 50 до 4 000 градусов в секунду. Меняя температуру и длительность промежуточной стадии между нагревами, ученые изучили свойства неравновесного белкового ансамбля.

«В результате исследований нами было установлено наличие интермедиата фолдинга, то есть метастабильной частично свернутой структуры. 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», – сообщил Тимур Мухаметзянов.

Также учеными КФУ были исследованы термодинамические свойства интермедиата фолдинга. Полученные в ходе экспериментов данные представлены в статье, опубликованной в   «Международном журнале молекулярных наук». 

«Исследование фолдинга, то есть "сворачивания" белка, решает несколько задач. Во-первых, мы уточняем механизм этого процесса. Белки сворачиваются очень быстро, намного быстрее, чем можно было бы ожидать, если бы этот процесс был случайным; поэтому хочется понять, за счет чего достигается такая высокая скорость. Во-вторых, наши исследования имеют практическую значимость. Очень часто белки в белковых препаратах находятся в "развернутом" виде. Для того чтобы использовать белки, нужно, чтобы они приобрели "правильную" конформацию. В связи с этим нужно определить оптимальные условия для фолдинга. В-третьих, существует ряд болезней, причиной которых является неправильное сворачивание некоторых белков. Чтобы понять, почему это происходит, необходимо выяснить закономерности фолдинга», – подытожил Тимур Мухаметзянов.

В дальнейшем ученые КФУ планируют проводить исследования, направленные на уточнение механизма сворачивания белка.