Białka są długimi łańcuchami złożonymi z kilkudziesięciu lub nawet kilkuset aminokwasów. W żywych komórkach powstają w wyspecjalizowanych organellach - rybosomach, gdzie tworzone są w formie liniowych, przypominających nici struktur. Nici te skręcają się na różne sposoby, formując proste struktury trójwymiarowe (pętle, wstęgi i helisy), które z kolei zwijają się w kłęby o złożonej konfiguracji przestrzennej.

„Szczególnie interesującą cechą białek jest to, że w większości przypadków stają się aktywne biologicznie tylko po zwinięciu w ściśle określony kształt” - zauważa dr Joanna Sułkowska (Instytut Fizyki PAN, University of California San Diego).

Mechanizm przekształcania pierwotnej, liniowej struktury białkowej (nici) w przestrzennie złożoną formę - zawsze o tym samym kształcie (kłąb) - nie został jeszcze dokładnie poznany.

Sytuacja skomplikowała się dodatkowo kilka lat temu, gdy komputerowej analizie poddano trójwymiarowe struktury proteinowe zawarte w internetowym Banku Danych Białkowych (Protein Data Bank, PDB) - dodaje rzecznik IPJ. Okazało się bowiem, że spośród kilkudziesięciu tysięcy białek ok. 1 proc. zawiera węzły. Skąd się wzięły?

„Dość trudno sobie wyobrazić, żeby w procesie zwijania łańcucha najpierw utworzyła się pętla, a potem by przez nią precyzyjnie przeszła końcówka łańcucha białkowego” - uważa dr Piotr Sułkowski (IPJ, Caltech).

Sułkowski na co dzień zajmuje się teorią strun, potencjalną teorią kwantowej grawitacji, która ma głębokie związki z matematyczną teorią węzłów. Dzięki temu można było wykorzystać wiedzę fizyka-teoretyka do rozwiązania konkretnego problemu biofizycznego: zagadki powstawania węzłów w białkach.

Węzły w matematyce są klasyfikowane za pomocą liczby skrzyżowań, widocznych, gdy dany węzeł zrzutuje się na płaszczyznę. „Rzuty można zrobić na wiele sposobów, lecz zawsze da się znaleźć taki, gdzie liczba przecięć jest najmniejsza” - mówi dr Sułkowski.

Jak tłumaczy, najprostszym węzłem jest linia przypominająca okrąg: liczba skrzyżowań wynosi wówczas zero. Drugi pod względem złożoności jest klasyczny „supełek” - pętla z przeprowadzonym przez nią końcem, nosząca oznaczenie 3-1 (pierwsza liczba oznacza minimalną liczbę przecięć, druga numeruje rodzaj węzła). Istnieje tylko jeden węzeł z trzema przecięciami (3-1), jeden z czterema (4-1), dwa z pięcioma (5-1, 5-2) itd. - im więcej skrzyżowań, tym większa liczba węzłów. Najbardziej skomplikowany węzeł, jaki do tej poryudało się znaleźć w białkach, ma sześć skrzyżowań (6-1).

Jak informuje dr Pawłowski, polscy naukowcy zaproponowali prosty mechanizm wiązania węzłów na białkach, który następnie sprawdzono za pomocą symulacji przeprowadzonych na klastrach komputerowych Instytutu Fizyki PAN i University of California San Diego.

"Przyjęto założenie - opisuje rzecznik IPJ - że najpierw powstaje pętla, która ulega skręceniu, po czym przez jej oczko zostaje przełożona końcówka łańcucha białkowego. Jeśli pętlę skręcimy o 180 stopni i wykonamy przełożenie przez oczko, otrzymamy węzeł 3-1; jeśli wykonamy pełny obrót: 4-1, jeśli dwa obroty: 5-2, przy trzech: 6-1".

„Są to dokładnie te węzły, które obserwujemy w białkach” - mówi dr Joanna Sułkowska. „Przy okazji wyjaśniliśmy, dlaczego nie widać węzłów typu 5-1. Wymagają one dwóch przełożeń końcówki przez oczko, co jest bardzo mało prawdopodobne” - dodaje.

Symulacje pozwoliły również zrozumieć, w jaki sposób dochodzi do przetknięcia końcówki łańcucha przez oczko pętli. Proces okazał się dwuetapowy. Najpierw przez pierwotną pętlę przechodzi druga, tymczasowa pętla, co prowadzi do powstania pseudowęzła podobnego do stosowanego przy zawiązywaniu sznurowadeł. Dopiero w drugiej fazie końcówka łańcucha przeciska się przez pętlę pierwotną i formuje właściwy węzeł.

„Wszystkie te efekty udało się nam odtworzyć stosując prosty model, uwzględniający tylko oddziaływania istniejące w danym białku w stanie natywnym. Dzięki temu u nas białka zwijają się same, bez pomocy innych białek” - podkreśla dr Sułkowska.

Rzecznik IPJ zwraca uwagę, że ponieważ węzły w wyraźny sposób ograniczają ruchy łańcucha, badania nad ich powstawaniem mają istotne znaczenie dla poznania mechanizmów zwijania i rozwijania struktur białkowych.

Ponadto, jak dodaje, wiele białek z węzłami to enzymy, w większości przypadków o nieznanej roli w organizmie. Wiadomo jednak, że jedno z białek z węzłem z pięcioma przecięciami prowadzi inne białka do degradacji.

Zrozumienie roli węzłów w tym procesie może mieć więc szczególne znaczenie przy zwalczaniu chorób, w których kluczową rolę odgrywają agregaty białkowe (np. choroba Alzheimera). Z kolei fakt, iż przy rozciąganiu pewne białka z węzłami stwarzają większy opór mechaniczny niż pozostałe sugeruje, że mogą one znaleźć praktyczne zastosowania - dodaje dr Pawłowski.

Współpracownikami w badaniach nad węzłami w białkach są: prof. Marek Cieplak (Instytut Fizyki PAN), dr Piotr Szymczak (Wydział Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego) oraz prof. Jose Onuchic (University of California San Diego).

Seria publikacji na ten temat zamieszczono w jednych z najbardziej prestiżowych czasopism naukowych: „Physical Review Letters” oraz „PNAS”(„Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA”). LT

PAP - Nauka w Polsce

agt/ kap/