Амилоидные частицы, окрашенные раствором йода в серной кислоте.
Слово прижилось и по сей день, хотя структуры, открырые Вирховом, состоят не из крахмала, а из белка. Как известно, белки нередко имеют уникальную третичную структуру (или набор структур). С энергетической точки зрения эти структуры, несомненно, находится в недалеко от локального энергетическом минимума. Но этот минимум необязательно единственный. Мы все знаем, что, если сварить яйцо, его белок из очень растворимой формы необратимо превращается в практически нерастворимую.
Некоторые белки могут осуществить такой переход и при низких температурах. Помимо их естественной нативной структуры, они в принципе могут перейти в другую конформацию, так называемые β-sheets: очень стабильную, сильно упорядоченную, почти кристаллическую структуру, поддерживаемую множеством водородных связей.
Для того, чтобы образовывалась новая конформация, нужна затравка из молекул белка, уже находящихся в этой конформации. Тогда они как бы обучают имеющиеся молекулы белка этой конформации, из из них начинает формироваться периодические, почти кристаллические структуры, как правило, плохо растворимые в воде.
В некоторых ситуациях затравка должна прийти извне. Когда-то давно я кое-что об этом писал. А еще гораздо раньше, в конце 1970 гг., в курсе вирусологии В.И.Агол рассказывал о некоторых экзотических возбудителях болезней, которые не РНК или ДНК-содержащие вирусы, а исключительно белки, но при этом могут передавать болезнь.
В те времена было совсем непонятно, как такое может быть. Через несколько лет такие белковые инфекционные агентам назвали прионами (от protein infection).
Агол рассказывал нам о двух таких болезнях: овецьей болезни scrapie (чесотка) и человеческой “куру”. В обоих случаях болезнь имела очень длинный инкубационный период (у человека - до 20 лет) и была связана с поеданием каких-то частей больного организма без термической обработки. Овцы, когда одна из них рожала, набрасывались и съедали плаценту. Люди - это был народ Фара в Новой Гвинее - съедали в сыром виде мозг умершего предка. Они, правда, соблюдали правила гигиены и не ели умерших от болезней. Но "куру" у них считалась не болезнью, а следствием колдовства, что и не удивительно при 20-летнем инкубационном периоде.
С середины 1980 гг к этим болезням прибавилась еще болезнь "бешеной коровы": кто-то придумал скармливать коровам перемолотые мясо и кости без термической обработки. При недостаточной термической обработке болезнь могла передаться и людям.
В других ситуациях такие затравки могут образоваться и спонтанно с очень маленькой скоростью. Образовашись, они способствуют тому, что и новые молекулы присоединяются к вновь созданной структуре.
Амилоиды могут вырасти в довольно большие упорядоченные нити. Именно благодаря упорядоченности они окрашиваются некоторыми красителями, которые так или иначе встраиваются в упорядоченную структуру.
Электронная фотография амилоидных нитей
Окрашивание амилоидных отложений в сердечной ткани красителем Congo Red (нижняя картинка - флюоресценция в поляризованном свете)
Если такие структуры выпадают в осадок какой-то ткани, это может вызвать повреждение этой ткани. Список болезней, связанных с образованием амилоидов, непрерывно растет. Несколько лет назад говорили о болезни Альцгеймера и Паркинсона, а сегодня статья в Википедии перечисляет >30 разных болезней, в том числе такие популярные, как диабет II типа, на котором остановлюсь подробнее.
При диабете II типа β-клетки производят все больше и больше инсулина, который все слабее и слабее действует на органы, на которые он должен действовать. Организм отвечает на это тем, что островки Лангерганса разрастаются, пока в конце концов все не идет вразнос, и β -клетки становятся неспособны производить инсулин, а то и умирают. Одна из причин неспособности производить инсулин - отложение в β-клетках амилоида.
Он состоит из другого гормона, IAPP (islet amyloid polypeptide). В нормальной жизни -клетки одновременно с инсулином секретируют этот гормон, в количестве, примерно в 100 раз меньшем, чем инсулин. Он отвечает, в частности, за чувство сытости. А при диабете, когда β-клетки производят больше инсулина, они производят и больше IAPP. А он, оказывается, склонен и созданию амилоидных структур (у людей, но не у мышей или крыс).
Поэтому в островки Лангерганса у больных диабетом заполнены амилоидом, состоящим из IAPP, в то время как у здоровых - ничего такого нет. Говорят, что на неспособность к секреции инсулина влияют не столько амилоидные фибрилы, сколько их затравки.
Слева - островок Лангерганса у не-диабетика, справа - у диабетика. Амилоиды IAPP покрашены зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.
Но что мы все о болезнях?.. Поговорим лучше о еще двух аспектах.
В некоторых случаях способность изменить конформацию, и превратить белок из растворимого в совершенно нерастворимые почти кристаллические нити - это благо. В первую очередь это касается нитей шелка или паутины. В железе у паука или шелкопряда, они находятся в очень густом растворе. А при выходе из железы, за счет очень небольших изменений внешней среды, белок меняет конформацию и становится очень похож на амилоидную структуру. Только в данном случае изменение происходит мгновенно. Почти кристаллическое устройство β-sheets обеспечивает прочность паутины, а чередование кристаллических участков с аморфными - высокую эластичность [3].
Нити паутины покрашены зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.
И еще один аспект. В наше время нередко делают рекомбинантные белки в бактериях. То есть встраивают внутрь бактерии специфический ген интересующего нас белка, и бактерия производит его в огромныц количествах, иногда до 30-40 % всего белка в клетке. Нам этот белок нужен, естественно, в работающей конформации. И, с тех пор, как биологи стали производить рекомбинантные белки, они сталкивались с неудобством: Если клетка производит очень много ненужного ей белка, он меняет конформацию и оказывается в виде нерастворимых inclusion bodies. Считалось, что это денатурированные агрегаты.
Но чем дальше, тем стало понятнее, что inclusion bodies - не случайные агрегаты, а нечто вроде амилоидных структур. Белок внутри inclusion bodies находится в высокоструктурированном виде, и он там почти чистый. А нерастворимые inclusion bodies отделить от всего остального, что есть в бактерии, нередко проще, чем очистить растворимый белок. Он, конечно, в неправильной конформации, но, если белок небольшой, его нередко можно растворить в денатурирующих условиях, а затем аккуратно перевести в правильную конформацию. Значительная часть белков, производимых в бактериях в наше время, производится в виде inclusion bodies [4]
Сверху - бактерии, не содержащие inclusion bodies, снизу - бактерии с inclusion bodies. Слева - фазовый контраст, справа - покрашено зеленым флюоресцентным красителем, специфичным к амилоидам.
- Roesti ES et al. (2020) Vaccination Against Amyloidogenic Aggregates in Pancreatic Islets Prevents Development of Type 2 Diabetes Mellitus Vaccines (Basel) 8: E116.
- Kanatsuka A et al. (2018) IAPP/amylin and β-cell failure: implication of the risk factors of type 2 diabetes. Diabetol Int. 9:143-157.
- Kenney JM et al. (2002) Amyloidogenic nature of spider silk Eur J Biochem. 269:4159-63
- de Groot NS et al. (2009) Amyloids in bacterial inclusion bodies Trends Biochem Sci. 34:408-16
- Chiti F, and Dobson CM (2017) Protein Misfolding, Amyloid Formation, and Human Disease: A Summary of Progress Over the Last Decade Annu Rev Biochem. 86:27-68