Anfinseni dogma — valkude voldumine, Levinthali paradoks ja prioonid

Anfinseni dogma, valkude voldumine, Levinthali paradoks ja prioonid — miks mõned valgud voldivad valesti ja kuidas see põhjustab amüloidi ning neurodegeneratiivseid haigusi.

Anfinseni dogma on Christian Anfinseni poolt välja pakutud hüpotees molekulaarbioloogias. Selle põhisõnum on lihtne: valgu voldumise lõplik, funktsionaalne (natiivne) struktuur on määratud üksnes valgu aminohapete järjestusega. Anfinsen näitas seda klassikalisel näitel: tema uuritud ensüümi ribonukleaas A sai pärast tugevast denaturatsioonist ja disulfiidsidemeid lõhkunud seisundist taastades tagasi oma algse aktiivsuse — mis viitas, et õiged sidemed ja kolmtaoline kuju taastuvad aminohapete järjestuse juhitud termodünaamilisel teel. Selle töö eest jagas Anfinsen 1972. aasta Nobeli keemiapreemiat.

Põhimõtted — mida Anfinseni dogma eeldab

• Unikaalsus. Eeldus, et antud järjestuse jaoks on olemas üks vaba energia globaalne miinimum, ehk ei ole teist sama madala energiaga konkurentsivat konfiguratsiooni.
• Stabiilsus. Väikesed muutused keskkonnas (temperatuur, ioonjõud) ei vii natiivset struktuuri kergesti ümber — natiivne olek on termodünaamiliselt soodsam kui enamik valevoldtisi.
• Kineetiline ligipääsetavus. Lõplikku kuju saab saavutada mõistlikul aja skaalal ilma et valk peaks juhuslikult läbi käima kõiki võimalikke konfiguratsioone (st ei ole vaja väga keerukaid sõlme või pikaajalisi jahutusi).

Anfinseni eksperimendid — oluline tähelepanek

Anfinseni renatureerimise katsed näitasid, et paljudel väikestel, ühe domeeniga valkudel piisab lihtsalt denatureeriva aine eemaldamisest, et nad enesest taastuksid funktsionaalseks. Tema töö rõhutas, et primaarstruktuur kannab informatsiooni nii lähedaste paiksete sidemete kui ka kaugete interaktsioonide tekkeks, mis juhivad voldimisprotsessi termodünaamiliselt soodsasse olekusse. Samas oli oluline, et tema katsed toimusid in vitro tingimustes ja suhteliselt väikesel ensüümil.

Levinthali paradoks ja voltimise mehhanism

Levinthali paradoks kirjeldab näiliselt vastuolulist olukorda: võimalike valgu konformatsioonide arv on astronomiliselt suur, nii et juhuslik uurimine kõigist konfiguratsioonidest võtab kauem aega kui universumi vanus. See näitas, et proteinsid ei saa voldivad juhuslikult läbi kõikide võimalike asendite.

Paradoksi lahendus ja kaasaegne arusaam tulenevad energiaaluste (folding funnel) ehk voltimismaastiku kontseptsioonist. Voltimise käigus juhivad lokaalsed sidemed ja energiaerinevused valku kiirelt «alla» energianõlva suunas, mis suunab protsessi kindlateks voldimisradadeks. Sellega kaasnevad vahel lühiajalised vahe-olekud (intermediaadid), nukleatsiooni sammud ja kiirust piiravad protsessid (nt proliini isomeerimine või mõne võtmetähtsusega sideme tekkimine).

Millal Anfinseni dogma ei kehti — chaperonid ja teised erandid

Kuigi dogma kehtib paljude väikeste ja lihtsate valkude kohta in vitro, esineb rakkudes palju olukordi, kus valgud vajavad abimehi. Chaperoneid (molekulaarsed võlurid nagu Hsp70, Hsp90, GroEL/GroES jpt) aitavad vältida valeaglomeerumist, annavad voltimisruumi või võimaldavad valgul õigeid vaheolekuid saavutada. Mõnel puhul on voltimine hidrolüütiliselt kontrollitud või nõuab ATP-d; need näited näitavad, et in vivo voldumine ei ole alati pelgalt spontaanne termodünaamiline protsess.

Prionid ja amüloidid — nakkav valguvalkude ümberkülvamine

Prionid esindavad oluliselt teistsugust fenomeni: tegemist on valkude konformatsiooniliste haigustega, kus ebatavaline stabiilne väärkuju (mis ei pruugi olla natiivne) toimib mallitena, mis sunnivad normaalseid sama järjestusega valke ümber volduma samasuguseks väärkujudeks. See mallitamine võib levida seeläbi, et kogunenud ebatavaliselt voldunud valk moodustab amüloidsed kiud, mis on väga stabiilsed ja vastupidavad proteolüütilisele lagundamisele.

Kuulus näide on veiste spongioosseentsefalopaatia (BSE ehk hullu lehma tõbi), kus prionivorm põhjustab närvikudede kahjustust ja surmaga lõppevat haigusprotsessi. Prionhaigused võivad olla nakkavad, pärilikud või sporaatsed, sõltuvalt sellest, kuidas väärkuju levik algab.

Samuti on teatud amüloidhaigused, nagu Alzheimeri tõbi ja Parkinsoni tõbi, seotud valkude väärvoldumise ja agregaatidega (nt beeta-amüloid, tau, α-sünukleiin). Kuigi need haigused ei ole klassikalised nakkushaigused nagu prionid, on viimastel aastatel leidunud tõendeid, et valguagregaatide «seederiv» käitumine (templated seeding) võib soodustada patoloogilise kogunemise levikut rakkude ja ajupiirkondade vahel.

Kliiniline ja teaduslik tähtsus

Anfinseni dogma andis aluse mõistmaks, kuidas sekventsid informatsioon valgukollektsioonides kujuneb kolmtaoliseks struktuuriks. Kuid praktilises rakulises kontekstis on oluline arvestada keerukate proteostaasi mehhanismide (nt ubiquitin-proteasoomi ja autofaagia süsteemid), molekulaarsete chaperonide rolli ning haigustega seotud väärvoldumistega. Kõik see mõjutab nii põhiteadusuuringuid (voltimismehhanismide modelleerimine, energiaaluse kartograafia) kui ka rakendusi (haiguste diagnoos, prionide ja amüloidide vastu suunatud ravistrateegiad).

Kokkuvõtlikult: Anfinseni dogma — et primaarse järjestuse põhjal on määratud valgu lõplik kuju — kehtib paljudel juhtudel, kuid reaalses bioloogias tuleb arvestada ka kineetika, mobiilsuse, abiproteiinide ja mõnel juhul patoloogilise ümbervoldumisega, mis muudavad olukorra oluliselt keerukamaks.

Küsimused ja vastused

K: Mis on Anfinseni dogma?

K: Millised on kolm tingimust unikaalsuse, stabiilsuse ja kineetilise ligipääsetavuse kohta?

K: Mis on Levinthali paradoks?

K: Kas Anfinseni dogma suhtes on erandeid?

K: Kuidas sai Christian Anfinsen oma Nobeli preemia?

K: Mille poolest erinevad prioonid natiivse voldimise olekust?

Otsing