Путешествие в каменный век. Среди племен Новой Гвинеи
Шрифт:
2.1. Прионы — нормальные белки в нормальных клетках
Первоначально введенный С. Прузинером термин «прион», как мы уже видели, относился именно к инфекционной частице. Позже оказалось, что собственно инфекционная частица является широко распространенным в клетках белком, однако с измененной вторичной структурой. И, поэтому, термин дифференцировали на два, согласно чувствительности к обработке протеолитическими ферментами: PrPsen — нормальный прион (чувствительный к протеазам), и PrPres — инфекционный, измененный прион, резистентный к протеазам [3, 4].
Чем же они отличаются? Сначала надо вспомнить школьный курс биологии старших классов, а именно: структуру белка.
Молекулы белка представляют собой длинные цепочки из остатков аминокислот, соединенных пептидной связью; они имеют определенную пространственную организацию. Различают четыре уровня такой организации.
Первичная структура белка — это его аминокислотная последовательность, т. е. порядок чередования аминокислотных остатков в молекуле.
Вторичная структура белка отражает конформацию молекулы: скручивание в пространстве. Одна из наиболее распространенных форм — a-спираль. Это спираль, удерживаемая водородными связями между витками (по 3,7 аминокислоты на виток). Помимо этого в молекуле встречаются участки с жесткими β-структурами (или β-слоями), также характеризующиеся образованием связей между остатками аминокислот. Представить себе в воображении, как формируются β-структуры, трудно и не нужно. Скажем только, что такие структуры («параллельные» и «антипараллельные» слои) ответственны за изгибы и жесткость молекулы.
Третичная структура белка связана с трехмерной конфигурацией уже скрученной (спирализованной) молекулы в пространстве. Она обусловлена связями между находящимися вдали друг от друга остатками аминокислот и формирует доменную структуру (все те же спирали, но изогнутые или запутанные на еще более высоком уровне).
Четвертичная структура белка образуется за счет взаимодействия между разными молекулами, являющимися частями белка (его субъединицами) и характерна для сложных больших белков — гемоглобина, альбумина и др.
Каждый белок имеет свою постоянную неизменную структуру [7].
Нормальный прион есть нормальный белок клеток. Это гликопротеин (т. е., с фрагментом углевода). Идентифицированы и кодирующие его гены, причем для самых разных биологических объектов — от мышей до человека. PrPsen обнаружен во многих тканях организма [3, 4, 8, 9]. Однако нормальная функция его так до конца и не известна. Предполагают следующее:
1) Участии в транспорте и депонировании ионов меди (кофакторов ряда ферментов), поскольку прион имеет связывающий участок для Cu2+. У мышей с делецией в соответствующем гене (иными словами, с дырой в ДНК в месте гена приона) наблюдается снижение уровня меди в организме [3].
2) На культурах клеток (in vitro) показано, что прион может участвовать в регуляции и уровня кальция [8, 9].
3) Множество молекул прионов находится на поверхности нервных клеток и есть гипотеза, что прионы необходимы для выполнения указанными клетками своих функций.
Данные литературы, однако, на этот счет противоречивы. Так, в одной из работ при исследовании линии мышей с заблокированным геном приона (то есть, у которых не вырабатывается этот белок) никаких отклонений от нормы при развитии животных не обнаружено [3]. Это научное исследование 1998 г. В другом же источнике (из Сети) указывается, что у мышей, дефицитных по гену приона, наблюдается гибель клеток Пуркинье в мозжечке, гибель нейронов и, соответственно, нарушение координации и нервные патологии [10].
Сразу скажем, что изучение особенностей выведенных линий мышей, которые дефицитны по тому или иному гену, ныне — обычный подход при изучении функций кодируемого этими генами белка. И то, что мыши способны нормально развиваться без синтеза кодируемого белка отнюдь не значит, конечно, что белок «не нужен» организму. Просто термин «нормальное развитие» не совсем верен. Надо говорить «нормальное» по таким-то использованным критериям (все учесть невозможно). Однако если бы у мышей, дефицитных по гену приона, действительно отмирал бы мозжечок, то, конечно, это не укрылось бы от внимания ни одного исследователя. И нам, все-таки, остается более доверять работе [3], чем сведениям, полученным на сайте интернета [10].
Исходя из изложенного, делаем следующие выводы:
1) Прионы присутствуют во многих клетках организма и в особенности распространены в нервных тканях;
2) Функция нормальных прионов не ясна.
Поговорим о свойствах нормального приона. Есть ли отличия от других клеточных белков? Нет, он ничем не замечателен. Прион гидролизуется протеазами (ферментами, переваривающими белки), денатурирует при нагревании, инактивируется глутаровым альдегидом, формалином и т. п. Пространственная конфигурация молекулы приона на 42 % представлена нормальной a-спиралью и только на 3 % — β-структурами (изогнутые зигзагообразные участки молекулы). Наличие значительного количества участков с a-структурами делает прион (как и подавляющее большинство других белков) легко растворимым в водной среде (коей и является среда клетки) [3, 4, 8, 11].
2.2. Инфекционный прион
Молекула такого приона, ничем не отличаясь от нормальной по аминокислотной последовательности (т. е., по первичной структуре), характеризуется аномальной конформацией. В ней несколько меньше участков с a-спиралью — не 42 %, а 30 %, но много больше β-структур — не 3 %, а целых 43 % [3, 8, 11].
Такая конформация белковой молекулы ведет к приобретению прионом совершенно чудовищных свойств, если сравнивать его с другими биологическими молекулами. PrPres нерастворим, резистентен к гидролизу протеазами, не поддается ни формалину, ни глутаровому альдегиду, не инактивируется ни ультрафиолетом, ни ионизирующей радиацией в больших дозах [3, 4, 8, 12]. Кажется удивительным, но аномальный прион не инактивируется в течение 4-х месяцев и более в 20 % растворе формалина [13].
Но самое ужасное — крайне аномальная термостабильность. Подавляющее большинство белков организма денатурируют не более чем при 60 °C в течение нескольких минут. Прион же с измененной конформацией сохраняет инфекционность при 110 °C, причем сообщали, что удалось воспроизводить заболевание у подопытных животных, которым инъецировали зараженные ткани, подвергавшиеся обработке при очень высоких температурах (300 °C и более) [13]. Как сохраняется белок-прион в подобных условиях — загадка. Лично мне, все-таки, в 300 °C не сильно верится, но в намного больше чем 100 °C поверить можно.
Вот почему столь страшны прионные патологии: чтобы обеззаразить тушу, необходима, как отмечалось, обработка при очень высоких температурах. Собственно, никто и не пытается обеззараживать тушу павшей от «бешенства» коровы, чтобы использовать ее по назначению. Никто не хочет рисковать, и тушу просто сжигают при температурах порядка 1000–1200 °C [14, 15].
2.3. Что происходит, если в клетке появляется аномальный прион
С этим, собственно, и связан основной молекулярный механизм прионных заболеваний. Происходит страшное: постепенно все нормальные прионы внутри клетки превращаются в аномальные. Иными словами, их конформация изменяется так, что появляются столь же значительные участки β-структур, как и у инфекционного приона [3, 4, 16]. Как это происходит, до сих пор до конца не выяснено. Имеются следующие предположения [3]: