Складная воронка - Folding funnel

На диаграмме показано, как белки складываются в свои естественные структуры за счет минимизации их свободной энергии.

В складная воронка гипотеза - это конкретная версия теория энергетического ландшафта из сворачивание белка, что предполагает, что белок с родное государство соответствует минимуму его свободной энергии в условиях решения, обычно встречающихся в клетки. Хотя энергетические ландшафты могут быть «грубыми», многие из них локальные минимумы в которых могут быть захвачены частично свернутые белки, гипотеза складчатой ​​воронки предполагает, что нативное состояние является глубоким свободная энергия минимум с отвесными стенами, соответствующий одному четко выраженному третичная структура. Термин был введен Кен А. Дилл в статье 1987 года, в которой обсуждается стабильность глобулярных белков.[1]

Гипотеза сворачивающейся воронки тесно связана с гидрофобный коллапс гипотеза, согласно которой движущей силой сворачивания белка является стабилизация, связанная с секвестрацией гидрофобный аминокислота боковые цепи внутри сложенный белок. Это позволяет водному растворителю максимизировать свою энтропию, снижая общую свободную энергию. На стороне белка свободная энергия дополнительно снижается за счет благоприятных энергетических контактов: изоляции электростатически заряженных боковых цепей на доступная для растворителя поверхность белка и нейтрализация соляные мосты в ядре белка. В расплавленная глобула состояние, предсказываемое теорией сворачивания воронки как совокупность промежуточных продуктов сворачивания, таким образом, соответствует белку, в котором произошел гидрофобный коллапс, но многие родные контакты или тесные взаимодействия остаток-остаток, представленные в нативном состоянии, еще не сформировались.[нужна цитата ]

В каноническом изображении складчатой ​​воронки глубина скважины представляет собой энергетическую стабилизацию исходного состояния по сравнению с денатурированный состояние, а ширина колодца представляет конформационная энтропия системы. Поверхность за пределами скважины показана как относительно плоская, чтобы представить неоднородность скважины. случайный катушки государственный. Название теории происходит от аналогии между формой колодца и физическим воронка, в котором диспергированная жидкость концентрируется в единой узкой области.

Фон

В сворачивание белка проблема связана с тремя вопросами, как указано Кен А. Дилл и Джастин Л. МакКаллум: (i) Как аминокислота последовательность определить 3D родная структура из белок ? (ii) Как белок может сворачиваться так быстро, несмотря на огромное количество возможных конформаций ( Парадокс Левинталя )? Как белок узнает, какие конформации не искать? И (iii) возможно ли создать компьютерный алгоритм для предсказания нативной структуры белка на основе только его аминокислотной последовательности?[2] Вспомогательные факторы внутри живой клетки, такие как катализаторы сворачивания и шапероны помогают в процессе сворачивания, но не определяют нативную структуру белка.[3] Исследования 1980-х годов были сосредоточены на моделях, которые могли объяснить форму энергетический ландшафт, математическая функция, описывающая свободная энергия белка в зависимости от микроскопических степеней свободы.[4]

После введения этого термина в 1987 г. Кен А. Дилл исследовал теорию полимеров в сворачивание белка, в котором рассматриваются две головоломки, первая из которых Слепой часовщик Парадокс, в котором биологические белки не могут происходить из случайных последовательностей, а второй Парадокс Левинталя который сворачивание белка не может произойти случайно.[5] Дилл взял идею из слепой часовщик в его метафору кинетики сворачивания белков. Нативное состояние белка может быть достигнуто посредством процесса сворачивания, включающего небольшое смещение и случайный выбор для ускорения времени поиска. Это означало бы, что даже остатки на очень разных позициях в аминокислотная последовательность смогут контактировать друг с другом. Тем не менее, смещение во время процесса складывания может изменить время складывания на десятки и сотни порядков.[5]

В качестве сворачивание белка процесс проходит через стохастический поиск конформаций до достижения своего конечного пункта назначения,[3] огромное количество возможных конформаций считается несущественным, в то время как кинетические ловушки начинают играть роль.[5] Стохастическая идея промежуточных конформаций белков раскрывает концепцию «энергетический ландшафт " или же "складная воронка "в котором свойства складывания связаны с свободная энергия и что доступные конформации белка уменьшаются по мере приближения к нативной структуре.[3] Ось ординат воронки представляет «внутреннюю свободную энергию» белка: сумму водородные связи, ионные пары, энергии торсионных углов, гидрофобный и энергии спасения свободные. Многие оси x представляют конформационные структуры, а те, которые геометрически похожи друг на друга, близки друг к другу в энергетический ландшафт.[6] Теория складной воронки также подтверждается Питер Дж. Волинс, Зайда Люти-Шультен и Хосе Онучич, что кинетику складывания следует рассматривать как прогрессивную организацию частично свернутых структур в ансамбль (воронку), а не как последовательный линейный путь промежуточных соединений.[7]

Показано, что нативные состояния белков представляют собой термодинамически стабильные структуры, существующие в физиологических условиях.[3] и доказаны в экспериментах с рибонуклеазой Кристиан Б. Анфинсен (видеть Догма Анфинсена ). Предполагается, что, поскольку ландшафт кодируется аминокислотной последовательностью, естественный отбор позволил белкам эволюционировать, чтобы они могли быстро и эффективно сворачиваться.[8] В естественной низкоэнергетической структуре нет конкуренции между конфликтующими энергетическими вкладами, что приводит к минимальному разочарованию. Это понятие фрустрации далее количественно измеряется в спиновых стеклах, в которых температура сворачивания Tж сравнивается с температурой стеклования Tграмм. Тж представляет естественные взаимодействия в сложенной структуре, а Tграмм представляет силу неродных взаимодействий в других конфигурациях. Высокий Tж/ Тграмм соотношение указывает на более высокую скорость сворачивания в белке и меньшее количество промежуточных продуктов по сравнению с другими. В системе с высокой степенью сбоя небольшая разница в термодинамических условиях может привести к различным кинетическим ловушкам и неровностям ландшафта.[9]

Предлагаемые модели воронки

Энергетический ландшафт в форме воронки

Дорожка для гольфа в сравнении с изрезанной дорожкой для гольфа в кинетике сворачивания белка

Кен А. Дилл и Хюэ Сунь Чан (1997) проиллюстрировал дизайн складывающейся дорожки на основе Парадокс Левинталя, названный ландшафтом «поля для гольфа», где случайный поиск местных штатов окажется невозможным из-за гипотетически «плоского игрового поля», поскольку белковый «мяч» потребует очень много времени, чтобы найти попадание в местность. "дыра". Однако неровный путь, отклоненный от начального гладкого поля для гольфа, создает направленный туннель, через который денатурированный белок проходит, чтобы достичь своей нативной структуры, и могут существовать долины (промежуточные состояния) или холмы (переходные состояния), протянувшиеся вдоль пути к белку. родное состояние. Тем не менее, этот предложенный путь дает контраст между зависимостью от пути и независимостью пути, или дихотомией Левинталя, и подчеркивает одномерный путь конформации.

Другой подход к сворачиванию белка исключает термин «путь» и заменяет его термином «воронки», когда речь идет о параллельных процессах, ансамблях и множественных измерениях вместо последовательности структур, через которые должен пройти белок. Таким образом, идеальная воронка состоит из гладкого многомерного энергетического ландшафта, где увеличение межцепочечных контактов коррелирует с уменьшением степени свободы и, в конечном итоге, достижением естественного состояния.[6]

Слева направо: предлагаемый энергетический ландшафт в форме воронки: идеализированная гладкая воронка, прочная воронка, воронка для рва и воронка для бокала шампанского.

В отличие от идеализированной гладкой воронки, прочная воронка демонстрирует кинетические ловушки, энергетические барьеры и некоторые узкие пути перехода к естественному состоянию. Это также объясняет накопление неправильно свернутых промежуточных продуктов, когда кинетические ловушки не позволяют белковым промежуточным продуктам достичь своей конечной конформации. Тем, кто застрял в этой ловушке, придется разорвать благоприятные контакты, которые не приводят к их родному состоянию, до достижения исходной отправной точки и найти другой поиск под гору.[6] Пейзаж рва, с другой стороны, иллюстрирует идею вариации маршрутов, включая обязательный путь кинетической ловушки, по которому белковые цепи достигают своего естественного состояния. Этот энергетический ландшафт основан на исследовании Кристофер Добсон и его коллеги о лизоциме куриного яичного белка, в котором половина его популяции претерпевает нормальное быстрое сворачивание, а другая половина сначала образует α-спирали домен быстро тогда β-лист один медленно.[6] Он отличается от сурового ландшафта, поскольку здесь нет случайных кинетических ловушек, а есть целевые ловушки, необходимые для прохождения порций белка до достижения конечного состояния. И неровный ландшафт, и ландшафт Рва, тем не менее, представляют одну и ту же концепцию, в которой белковые конфигурации могут наталкиваться на кинетические ловушки в процессе их складывания. С другой стороны, пейзаж бокалов для шампанского включает в себя барьеры свободной энергии из-за конформационных энтропия это отчасти напоминает случайный путь на поле для гольфа, в котором конфигурация белковой цепи теряется, и ему приходится тратить время на поиск пути вниз. Эта ситуация может быть применена к конформационному поиску полярных остатков, которые в конечном итоге соединят два гидрофобных кластера.[6]

Модель воронки в форме вулкана Фолдона

В другом исследовании Rollins and Dill (2014) вводят модель воронки Фолдона, новое дополнение к предыдущим воронкам складывания, в которой вторичные структуры образуются последовательно вдоль пути складывания и стабилизируются за счет третичные взаимодействия. Модель предсказывает, что ландшафт свободной энергии имеет форму вулкана вместо простой воронки, упомянутой ранее, в которой внешний ландшафт наклонен вверх, потому что вторичные структуры белков нестабильны. Эти второстепенные конструкции тогда стабилизируются третичные взаимодействия, которые, несмотря на их все более нативные структуры, также увеличиваются в свободная энергия до предпоследней ступени, которая ведет к снижению свободной энергии. Наивысшая свободная энергия в вулканическом ландшафте находится на ступеньке структуры непосредственно перед естественным состоянием. Это предсказание энергетического ландшафта согласуется с экспериментами, показывающими, что большинство вторичных структур белка нестабильны сами по себе и с измеренным содержанием белка. равновесие сотрудничество. Таким образом, все предыдущие шаги до достижения естественного состояния находятся в предварительном равновесии. Несмотря на то, что ее модель отличалась от предыдущих моделей, модель воронки Фолдона по-прежнему разделяет конформационное пространство на два кинетических состояния: естественное и все остальные.[10]

Заявление

Складная воронка Теория имеет как качественное, так и количественное применение. Визуализация воронок создает инструмент связи между статистическими механическими свойствами белков и кинетикой их складывания.[4] Это предполагает стабильность процесса сворачивания, которую было бы трудно разрушить мутацией при сохранении стабильности. Чтобы быть более конкретным, мутация может произойти, что приведет к блокировке маршрута к исходному состоянию, но другой маршрут может занять место при условии, что он достигнет окончательной структуры.[9]

Стабильность белка увеличивается по мере приближения к своему нативному состоянию за счет частично свернутой конфигурации. Местные структуры, такие как спирали и сначала происходят очереди, а затем глобальная сборка. Несмотря на процесс проб и ошибок, сворачивание белков может быть быстрым, потому что белки достигают своей нативной структуры посредством этого процесса «разделяй и властвуй», от локального к глобальному.[2] Идея складной воронки помогает рационализировать цель шапероны, в котором процесс повторной сворачивания белка может катализироваться шапероны разорвав его на части и перенеся в высокоэнергетический ландшафт, позвольте ему снова сложиться случайным образом из проб и ошибок.[6] Воронкообразные ландшафты предполагают, что разные отдельные молекулы одной и той же белковой последовательности могут использовать микроскопически разные маршруты для достижения одного и того же пункта назначения. Некоторые пути будут заполнены больше, чем другие.[2]

Воронки различают основы сворачивания и аналогии с простыми классическими химическими реакциями. Химическая реакция начинается с его реагента А и проходит через изменение структуры, чтобы достичь продукта Б. С другой стороны, складывание - это переход от беспорядка к порядку, а не только от структуры к структуре. Простой одномерный путь реакции не фиксирует уменьшение сворачивания белка при конформационной вырожденности.[4] Другими словами, складывающиеся воронки представляют собой микроскопическую основу для кинетики складывания. Кинетика складывания описывается простой массовое действие модели, D-I-N (промежуточное звено I на пути между денатурированным D и естественным N) или X-D-N (промежуточное соединение X вне пути), и называется макроскопической структурой складывания.[4] Последовательное представление Micropath представляет модель действия массы и объясняет кинетику сворачивания с точки зрения путей, переходных состояний, промежуточных соединений на пути и вне пути и того, что можно увидеть в экспериментах, и не касается активности молекулы или состояния мономера. последовательность в конкретном макроскопическом переходном состоянии. Его проблема связана с парадоксом Левинталя или проблемой поиска.[5] Напротив, модели воронки стремятся объяснить кинетику с точки зрения основных физических сил, чтобы предсказать состав микросостояний этих макросостояний.

Тем не менее, для компьютерного моделирования (энергетический ландшафт) оказывается сложной задачей согласовать «макроскопический» взгляд на модели действия массы с «микроскопическим» пониманием изменений конформации белка во время процесса сворачивания. Информации из воронок недостаточно для улучшения методов компьютерного поиска. Гладкий и воронкообразный ландшафт в глобальном масштабе может казаться грубым в локальном масштабе при компьютерном моделировании.[2]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Дилл, Кен А. (1987). Oxender, DL; Фокс, CF (ред.). «Стабильность глобулярных белков». Белковая инженерия. Нью-Йорк: Алан Р. Лисс, Inc.: 187–192.
  2. ^ а б c d Дилл К.А., МакКаллум Дж.Л. (ноябрь 2012 г.). «Проблема сворачивания белка, 50 лет спустя». Наука. 338 (6110): 1042–6. Bibcode:2012Sci ... 338.1042D. Дои:10.1126 / science.1219021. PMID  23180855.
  3. ^ а б c d Добсон CM (февраль 2004 г.). «Принципы сворачивания, неправильного сворачивания и агрегации белков». Семинары по клеточной биологии и биологии развития. 15 (1): 3–16. Дои:10.1016 / j.semcdb.2003.12.008. PMID  15036202.
  4. ^ а б c d Дилл К.А., Озкан С.Б., Шелл МС, Вейкл Т.Р. (июнь 2008 г.). «Проблема сворачивания белка». Ежегодный обзор биофизики. 37 (1): 289–316. Дои:10.1146 / annurev.biophys.37.092707.153558. ЧВК  2443096. PMID  18573083.
  5. ^ а б c d Дилл К.А. (июнь 1999 г.). «Полимерные принципы и сворачивание белков». Белковая наука. 8 (6): 1166–80. Дои:10.1110 / пс. 8.6.1166. ЧВК  2144345. PMID  10386867.
  6. ^ а б c d е ж Дилл К.А., Чан Х.С. (январь 1997 г.). «От Левинталя к тропам к воронкам». Структурная биология природы. 4 (1): 10–9. Дои:10.1038 / nsb0197-10. PMID  8989315.
  7. ^ Wolynes P, Luthey-Schulten Z, Onuchic J (июнь 1996 г.). «Эксперименты по быстрому сворачиванию и топография энергетических ландшафтов сворачивания белков». Химия и биология. 3 (6): 425–32. Дои:10.1016 / с1074-5521 (96) 90090-3. PMID  8807873.
  8. ^ Добсон CM (декабрь 2003 г.). «Сворачивание и неправильная сворачивание белков». Природа. 426 (6968): 884–90. Bibcode:2003Натура.426..884D. Дои:10.1038 / природа02261. PMID  14685248.
  9. ^ а б Онучич JN, Wolynes PG (февраль 2004 г.). «Теория сворачивания белков». Текущее мнение в структурной биологии. 14 (1): 70–5. Дои:10.1016 / j.sbi.2004.01.009. PMID  15102452.
  10. ^ Роллинз Г.К., Дилл К.А. (август 2014 г.). «Общий механизм кинетики сворачивания белков с двумя состояниями». Журнал Американского химического общества. 136 (32): 11420–7. Дои:10.1021 / ja5049434. ЧВК  5104671. PMID  25056406.

дальнейшее чтение

  • Добсон CM (2000-12-15). «Природа и значение сворачивания белков». В RH Pain (ред.). Механизмы сворачивания белков (2-е изд.). Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-963788-1.
  • Матань А., Чанг Э. У., Болл Л. Дж., Рэдфорд С. Е., Робинсон К. В., Добсон С. М. (апрель 1998 г.). «Происхождение интермедиата альфа-домена в сворачивании куриного лизоцима». Журнал молекулярной биологии. 277 (5): 997–1005. Дои:10.1006 / jmbi.1998.1657. PMID  9571017.