Образование конформационно модифицированных наноамилоидов с разной архитектурой

He менее важным для нейронов является процесс постреакционного сворачивания фрагмента белковой молекулы Aβ с участием системы шаперонов в конформационную архитектуру нативной молекулы белка, которая только в таком состоянии может выполнять свои уникальные функции. В нормальных физиологических условиях все молекулы Aβ при участии шаперонов приобретают физиологическую (нормальную) конформацию, выполняют свои функции и по принципу обратной связи поддерживают (на одном уровне) или активируют синтез АРР, а затем в ликворе и крови последовательно расщепляются протеолитическими ферментами.

На основе экспериментального анализа пусковых факторов амилоидоза Aβ мы считаем, что при сложившейся ситуации процесс биосинтеза белка выходит из-под контроля нейрона. В результате происходит повышение концентрации постреакционных фрагментов, а затем Аβ-пептидов, которые стимулируют (по закону обратной связи) в нейроне синтез белка предшественника АРР, и последующему β-, γ-процессингу подвергается большее количество APP Если процесс наращивания в нейроне синтеза APP и количества Аβ-пептидов перестал регулироваться, то это приводит к гиперконцентрации постреакционных Aβ-фрагментов. Основная часть образованных Aβ-фрагментов взаимодействует с системой шаперонов и приобретает физиологически нормальную конформацию Аβ-пептидов. Однако физиологический уровень шаперонов в нейронах, необходимый для эффективного контроля и коррекции сворачивания образованных de novo Аβ-фрагментов, не справляется с высокой концентрацией образующихся постреакционных фрагментов. Поэтому другая часть Аβ-фрагментов, которая осталась «не охваченной шаперонами», приобретает конформацию, устойчивую к окружающей среде: Аβ-фрагменты расплетаются частично или полностью (обратимая денатурация). Затем под влиянием взаимодействия аминокислотных остатков в расплетенных Аβ-фрагментах, pH и ионного состава окружающей среды, концентрации фрагментов Aβ в реакционном пространстве формируется вторичная структура, а затем образуются мономерные конформационно модифицированные пептиды — нано-Аβ.

Известно, что кроме нейронов в некоторых других дифференцированных клетках при определенных условиях конформационно неустойчивые фрагменты или молекулы белков с небольшой молекулярной массой, растворимые в водной среде и выполняющие транспортные или регуляторные функции, могут приобретать необычную, ненативную конформацию. При взаимодействии молекул таких белков с диполями воды вокруг белковой молекулы формируется «крепкая» гидратная оболочка. В результате формируются наномасштабированные биочастицы, устойчивые к биохимическим и иммунологическим атакам клеток и организма. Образуется особый класс: наночастицы биологического происхождения — бионаночастицы. Для некоторых нейронов это событие может послужить пусковым фактором гибели нейронов от амилоидоза. Мономерные нано-Аβ плохо растворимы в водных растворах, имеют в своем составе преимущественно β-структурную конформацию и гидрофобные участки. При этом молекулы меняют свои свойства, они выходят из-под контроля нейронов и организма и становятся самостоятельными объектами нано-Аβ (размером 1,2-1,5 и более нанометров), которые обладают патогенными функциями по отношению к нейронам. В определенной концентрации нано-Аβ включают каскад событий, приводящий к амилоидозу нейронов и их гибели. Наиболее известными являются конформационно модифицированные β-амилоиды и прионы — скрепи, которые обладают кроме способности к фибрилообразованию инфекционными свойствами и могут передавать информацию о своей форме другим белкам (самовозобновляться) в организме у инфицированных животных — белковая наследственность. Эти объекты можно объединить как биогенные наночастицы, так как они имеют общие специфические особенности и закономерности: 1) без внешнего участия образуют олигомерные наночастицы больших размеров различной архитектуры: округлые, замкнутые, растворимые в биологических жидкостях (рис. 2а), и линейные (рис. 2б), плохо растворимые — предфибриллярной и фибриллярной (нерастворимые) структуры; 2) обладают пространственной памятью или «конформационной наследственностью»; 3) не гидролизуются эндогенными ферментами.

Анализ собственных и опубликованных результатов других исследователей показал, что в каскаде молекулярно-клеточных событий, ведущих к повреждению нервных клеток, развитию амилоидоза и патогенеза БА, участвуют наночастицы, образованные из конформационно модифицированных Aβ и других белков, а также клеточные структуры с нарушенными функциями. Их участие в развитии амилоидоза нейронов и патогенеза нейродегенеративных заболеваний (НДЗ) осуществляется посредством активации амилоидогенных ферментных систем, конформационных перестроек и межмолекулярных взаимодействий между различными наночастицами некоторых конформационно модифицированных маркерных белков, характерных для НДЗ.

Склонность к конформационной модификации таких специфических белков проявляется при наличии хотя бы одного из условий: 1. Повышение локальной концентрации Aβ вследствие спорадически или генетически обусловленного избытка синтеза или усиления процессинга предшественника (АРР). 2. Мутации, вызывающие аминокислотные замены в пептидной цепи низкомолекулярных белков, которые увеличивают их склонность к агрегации. 3. Функциональная недостаточность в нейронах системы шаперонов и механизма убиквитин-протеасомной деградации белков с аномальной конформацией.

Таким образом, начинается процесс амилоидоза. Локальное образование высокой концентрации гидрофобных мономерных нано-Аβ рядом с мембраной нейрона вносит коррективы в основные функции мембраны: полупроницаемость, избирательность в поглощении веществ из среды, осмотическую стабильность и способность генерировать электрические потенциалы (влияя на транспорт ионов Ca2+). Благодаря изменению электронной плотности на функциональных группах нано-Ар изменяется характер их взаимодействия с водой, с ионами и другими веществами. В одном состоянии карбоксильные группы нано-Аβ селективно связывают ионы K+, в другом — Na+ и ионы других металлов. Нано-Аβ активно связываются с двухвалентными металлами, которые участвуют в окислительном стрессе нейронов. При этом следует отметить, что многие работы указывают на то, что ионы Zn2+ ускоряют образование амилоидных фибрилл, так как уменьшается суммарный заряд нано-Аβ, увеличивается его гидрофобность и агрегационные свойства. Также было показано, что ионы Zn2+ способствуют агрегации Аβ, когда пептид из α-спиральной конформации переходит в β-амилоидную структуру. Также была изучена реакция образования координационной связи с ионами меди Cu2+ для фрагмента Aβ и было показано методом 1H ЯМР и методом спектроскопии, что His6, His 13, Hisl4, TyrlO образуют координационные связи с ионом меди. Эти события угнетают функциональное состояние нейронов, которое характеризуется изменением ряда параметров гомеостаза нейронов, их индукцией к дедифференцировке нейронов и вхождение в аберрантный, нескоординированный, летальный цикл в стадии G-2. В первую очередь происходит резкое уменьшение синаптических контактов и уменьшение синапсов у нейронов.

Это приводит к образованию такого большого количества фрагментов молекул Аβ, при котором система сворачивания молекул Aβ в физиологическую конформацию с помощью шаперонов не справляется со своей задачей. Часть молекул Aβ минует встречу с шаперонами, оказывается в «свободном плавании», и сворачивание пептида происходит не по клеточному сценарию, а «диким» образом, по законам термодинамики и биохимии, в зависимости от состава окружающей среды, температуры и аминокислотного состава белковой молекулы. Экспериментально показано, что в условиях обратимой денатурации белковая молекула в зависимости от состава окружающей среды (инкубационной среды) и температуры может принимать широкий спектр кратковременных и устойчивых конформационных состояний. Таким образом, образуются конформационно модифицированные «молекулы-частицы наноамилоиды» (нано-Аβ). В структуре у этих нано-Аβ преобладают гидрофобные участки. В связи с этим они плохо растворимы в водных растворах и как следствие — обладают высокой агрессивностью к взаимодействию с другими молекулами, органеллами и мембранами, и предрасположены к образованию олигомеров нано-Аβ с разной архитектурой. Они не контролируются нейронами и организмом, и с полным основанием их можно считать частицами нано-Аβ. Находясь рядом с мембранами нейронов, нано-Аβ подавляют их физиологические функции, ингибируют работу синапсов и мембранных каналов, угнетают активность митохондрий и других внутриклеточных систем, способствуют развитию окислительного стресса. Эта ситуация может привести к амилоидозу нейрона, а при условии отсутствия периода покоя, в котором происходит восстановление функций всех клеточных систем, не исключена и гибель нейрона. Плохо растворимые мономеры нано-Аβ обладают высокой активностью к образованию олигомеров нано-Аβ разной архитектуры. После образования олигомеров нано-Аβ их агрессивность по отношению к окружающим молекулам, органеллам и клеткам пропадает. Олигомеры нано-Аβ фибриллярной конфигурации (архитектуры) нерастворимы и образуют предфибриллярные образования, а затем из них формируются синильные бляшки и фибриллы. Олигомеры нано-Аβ с округлой (шаровидной) архитектурой растворимы в водной среде и мигрируют в ликвор, а затем в кровь.

Экспериментально показано, что разрушенные аксоны, особенно в острой стадии, могут служить источниками резко повышенного локально уровня АРР, что неминуемо сопровождается отщеплением из него Аβ-пептида. Однако существуют данные, что APP может играть нейропротекторную и нейротрофическую роль, а также защищать нейроны от эксайтотоксичности.