Składany lejek
Hipoteza lejka fałdującego jest specyficzną wersją teorii krajobrazu energetycznego fałdowania białek , która zakłada, że stan natywny białka odpowiada jego minimum energii swobodnej w warunkach roztworu zwykle spotykanych w komórkach . Chociaż krajobrazy energetyczne mogą być „szorstkie”, z wieloma nienatywnymi lokalnymi minimami , w których częściowo sfałdowane białka mogą zostać uwięzione, hipoteza fałdującego lejka zakłada, że stan natywny to głębokie minimum energii swobodnej ze stromymi ścianami, odpowiadające pojedynczemu dobrze- zdefiniowana struktura trzeciorzędowa . Termin został wprowadzony przez Kena A. Dilla w artykule z 1987 roku omawiającym stabilność białek kulistych.
Hipoteza lejka fałdującego jest ściśle związana z hipotezą zapaści hydrofobowej , zgodnie z którą siłą napędową fałdowania białka jest stabilizacja związana z sekwestracją hydrofobowych łańcuchów bocznych aminokwasów we wnętrzu pofałdowanego białka. Pozwala to rozpuszczalnikowi wodnemu zmaksymalizować swoją entropię, obniżając całkowitą energię swobodną. Po stronie białka energia swobodna jest dodatkowo obniżana przez korzystne kontakty energetyczne: izolację naładowanych elektrostatycznie łańcuchów bocznych na powierzchni białka dostępnej dla rozpuszczalników oraz neutralizację mostków solnych w rdzeniu białka. Stan stopionej kuleczki przewidywany przez teorię fałdującego lejka jako zespół fałdowanych półproduktów odpowiada zatem białku, w którym nastąpiło załamanie hydrofobowe, ale wiele natywnych kontaktów lub bliskich interakcji pozostałość-reszta reprezentowanych w stanie natywnym jeszcze się nie uformowało. [ potrzebne źródło ]
W kanonicznym przedstawieniu lejka fałdowego głębokość studzienki reprezentuje stabilizację energetyczną stanu natywnego w porównaniu ze stanem denaturowanym , a szerokość studzienki reprezentuje entropię konformacyjną układu. Powierzchnia na zewnątrz studzienki jest pokazana jako stosunkowo płaska, aby reprezentować niejednorodność cewki losowej . Nazwa teorii wywodzi się z analogii między kształtem studni a fizycznym lejkiem , w którym rozproszona ciecz jest skoncentrowana w jednym wąskim obszarze.
Tło
Problem fałdowania białek dotyczy trzech pytań, jak stwierdzili Ken A. Dill i Justin L. MacCallum: (i) W jaki sposób sekwencja aminokwasów może determinować trójwymiarową natywną strukturę białka ? (ii) W jaki sposób białko może fałdować się tak szybko pomimo ogromnej liczby możliwych konformacji ( paradoks Levinthala )? Skąd białko wie, jakich konformacji nie szukać? Oraz (iii) czy możliwe jest stworzenie algorytmu komputerowego do przewidywania natywnej struktury białka na podstawie samej sekwencji aminokwasowej? Czynniki pomocnicze wewnątrz żywej komórki, takie jak katalizatory fałdowania i białka opiekuńcze , pomagają w procesie fałdowania, ale nie determinują natywnej struktury białka. Badania w latach 80. koncentrowały się na modelach, które mogłyby wyjaśnić kształt krajobrazu energetycznego , funkcji matematycznej opisującej energię swobodną białka jako funkcję mikroskopowych stopni swobody.
Po wprowadzeniu tego terminu w 1987 roku, Ken A. Dill zbadał teorię polimerów w fałdowaniu białek , w której odnosi się do dwóch zagadek, z których pierwszą jest paradoks ślepego zegarmistrza , w którym białka biologiczne nie mogą pochodzić z przypadkowych sekwencji, a druga jednym z nich jest paradoks Levinthala , zgodnie z którym fałdowanie białek nie może zachodzić przypadkowo. Dill przeniósł pomysł Ślepego Zegarmistrza do swojej metafory kinetyki fałdowania białek. Natywny stan białka można osiągnąć poprzez proces fałdowania obejmujący niewielkie odchylenia i przypadkowe wybory, aby przyspieszyć czas wyszukiwania. Oznaczałoby to, że nawet reszty w bardzo różnych pozycjach w sekwencji aminokwasowej będą mogły wejść w kontakt ze sobą. Jednak odchylenie podczas procesu składania może zmienić czas składania o dziesiątki do setek rzędów wielkości.
Ponieważ proces fałdowania białek przechodzi przez stochastyczne poszukiwanie konformacji przed osiągnięciem ostatecznego celu, ogromna liczba możliwych konformacji jest uważana za nieistotną, podczas gdy pułapki kinetyczne zaczynają odgrywać pewną rolę. Stochastyczna idea pośrednich konformacji białek ujawnia koncepcję „ krajobrazu energetycznego ” lub „lejka fałdowania”, w którym właściwości fałdowania są związane z energią swobodną i że dostępne konformacje białka są redukowane, gdy zbliża się ono do struktury podobnej do natywnej. Oś y lejka reprezentuje „wewnętrzną energię swobodną” białka: sumę wiązań wodorowych , par jonowych , energii kąta torsyjnego, energii swobodnej hydrofobowej i solwatacyjnej. Wiele osi x reprezentuje struktury konformacyjne, a te, które są do siebie geometrycznie podobne, znajdują się blisko siebie w krajobrazie energetycznym . Teoria składanego lejka jest również wspierana przez Petera G. Wolynesa , Zaidę Luthey-Schulten i Jose Onuchica , że kinetykę składania należy traktować jako progresywną organizację częściowo złożonych struktur w zespół (lejek), a nie szeregową liniową ścieżkę półproduktów.
Wykazano, że natywne stany białek są termodynamicznie stabilnymi strukturami, które istnieją w warunkach fizjologicznych i zostały udowodnione w eksperymentach z rybonukleazą przeprowadzonych przez Christiana B. Anfinsena (patrz dogmat Anfinsena ). Sugeruje się, że ponieważ krajobraz jest kodowany przez sekwencję aminokwasów, dobór naturalny umożliwił ewolucję białek, dzięki czemu są one zdolne do szybkiego i wydajnego fałdowania. W natywnej strukturze niskoenergetycznej nie ma konkurencji między sprzecznymi wkładami energetycznymi, co prowadzi do minimalnej frustracji. To pojęcie frustracji jest dalej mierzone ilościowo w szkiełkach obrotowych, w których temperatura zeszklenia Tf jest porównywana z temperaturą zeszklenia Tg . Tf reprezentuje natywne interakcje w złożonej strukturze, a Tg reprezentuje siłę nienatywnych interakcji w innych konfiguracjach. Wysoki stosunek Tf / Tg wskazuje na większą szybkość fałdowania w białku i mniej związków pośrednich w porównaniu z innymi. W systemie o dużej frustracji niewielka różnica warunków termodynamicznych może prowadzić do różnych pułapek kinetycznych i surowości krajobrazu.
Proponowane modele lejków
Krajobraz energetyczny w kształcie lejka
Ken A. Dill i Hue Sun Chan (1997) zilustrowali projekt składanej ścieżki oparty na paradoksie Levinthala , nazwany krajobrazem „pola golfowego”, w którym losowe wyszukiwanie rodzimych stanów okazałoby się niemożliwe ze względu na hipotetycznie „płaskie pole gry " bo białkowa "piłka" potrzebowałaby naprawdę dużo czasu, żeby znaleźć wpadkę do rodzimej "dziury". Jednak nierówna ścieżka odbiegająca od początkowego gładkiego pola golfowego tworzy ukierunkowany tunel, przez który przechodzi zdenaturowane białko, aby osiągnąć swoją natywną strukturę, i mogą istnieć doliny (stany pośrednie) lub wzgórza (stany przejściowe) wzdłuż ścieżki do białka rodzimy stan. Jednak ten proponowany szlak daje kontrast między zależnością szlaku a niezależnością szlaku lub dychotomią Levinthala i podkreśla jednowymiarową drogę konformacji.
Inne podejście do fałdowania białek eliminuje termin „ścieżka” i zastępuje go terminem „lejki”, w przypadku gdy dotyczy równoległych procesów, zespołów i wielu wymiarów zamiast sekwencji struktur, przez które musi przejść białko. Zatem idealny lejek składa się z gładkiego, wielowymiarowego krajobrazu energetycznego, w którym zwiększające się kontakty międzyłańcuchowe korelują ze zmniejszającym się stopniem swobody i ostatecznie osiągnięciem stanu natywnego.
W przeciwieństwie do wyidealizowanego gładkiego lejka, chropowaty lejek pokazuje pułapki kinetyczne, bariery energetyczne i niektóre wąskie ścieżki przelotowe do stanu natywnego. Wyjaśnia to również akumulację nieprawidłowo sfałdowanych produktów pośrednich, w których pułapki kinetyczne uniemożliwiają białkowym produktom pośrednim osiągnięcie ostatecznej konformacji. Dla tych, którzy utknęli w tej pułapce, musieliby zerwać korzystne kontakty, które nie prowadzą do ich rodzinnego stanu, zanim dotrą do pierwotnego punktu wyjścia i znaleźć inne poszukiwania w dół. Z drugiej strony krajobraz fosy ilustruje ideę różnych tras, w tym obowiązkowej trasy pułapki kinetycznej, którą pokonują łańcuchy białkowe, aby osiągnąć swój stan natywny. Ten krajobraz energetyczny wywodzi się z badań przeprowadzonych przez Christophera Dobsona i jego współpracowników na temat lizozymu białka jaja kurzego, w którym połowa jego populacji przechodzi normalne szybkie fałdowanie, podczas gdy druga połowa najpierw szybko tworzy domenę α-helisy , a następnie powoli β-arkusz . Różni się od surowego krajobrazu, ponieważ nie ma przypadkowych pułapek kinetycznych, ale celowych, które są wymagane, aby porcje białka przeszły, zanim osiągną stan końcowy. Zarówno surowy krajobraz, jak i krajobraz fosy przedstawiają jednak tę samą koncepcję, w której konfiguracje białek mogą napotkać pułapki kinetyczne podczas procesu składania. Z drugiej strony krajobraz Champagne Glass obejmuje bariery energii swobodnej z powodu entropii konformacyjnej , która częściowo przypomina losową ścieżkę pola golfowego, w której utracona jest konfiguracja łańcucha białkowego i trzeba spędzić czas na poszukiwaniu ścieżki w dół. Tę sytuację można zastosować do konformacyjnego poszukiwania reszt polarnych, które ostatecznie połączą dwa hydrofobowe klastry.
Model lejka typu foldon w kształcie wulkanu
W innym badaniu Rollins i Dill (2014) wprowadzają model lejka fałdowego, nowy dodatek do poprzednich lejków składanych, w którym struktury drugorzędowe tworzą się sekwencyjnie wzdłuż ścieżki fałdowania i są stabilizowane przez trzeciorzędowe interakcje . Model przewiduje, że krajobraz darmowej energii ma kształt wulkanu zamiast wspomnianego wcześniej prostego lejka, w którym krajobraz zewnętrzny jest nachylony pod górę, ponieważ struktury drugorzędowe białek są niestabilne. Te struktury drugorzędowe są następnie stabilizowane przez trzeciorzędowe interakcje , które pomimo ich coraz bardziej natywnych struktur, również zwiększają energię swobodną , aż do przedostatniego kroku, czyli spadku energii swobodnej. Najwyższa energia swobodna na wulkanicznym krajobrazie występuje na stopniu ze strukturą tuż przed stanem macierzystym. Ta prognoza krajobrazu energetycznego jest zgodna z eksperymentami pokazującymi, że większość drugorzędowych struktur białek jest sama w sobie niestabilna oraz ze zmierzonymi równowagowymi kooperatywnościami białek. Zatem wszystkie wcześniejsze etapy przed osiągnięciem stanu natywnego znajdują się w stanie równowagi wstępnej. Pomimo tego, że jego model różnił się od innych wcześniejszych modeli, model lejka Foldona nadal dzieli przestrzeń konformacyjną na dwa stany kinetyczne: natywny i wszystkie inne.
Aplikacja
Teoria składanego lejka ma zastosowanie zarówno jakościowe, jak i ilościowe. Wizualizacja lejków tworzy narzędzie komunikacji między statystycznymi właściwościami mechanicznymi białek a ich kinetyką fałdowania. Sugeruje to stabilność procesu fałdowania, który przy zachowaniu stabilności byłby trudny do zniszczenia przez mutację. Mówiąc dokładniej, mutacja , która prowadzi do zablokowania drogi do stanu natywnego, ale inna droga może przejąć kontrolę pod warunkiem, że dotrze do ostatecznej struktury.
Stabilność białka wzrasta, gdy zbliża się ono do stanu natywnego poprzez częściowo złożoną konfigurację. Struktury lokalne, takie jak helisy i zwoje, pojawiają się najpierw, a następnie następuje globalny montaż. Pomimo procesu prób i błędów, fałdowanie białek może być szybkie, ponieważ białka osiągają swoją natywną strukturę dzięki temu procesowi „dziel i rządź”, od lokalnego do globalnego. Pomysł fałdowania lejka pomaga zracjonalizować cel białek opiekuńczych , w których proces ponownego fałdowania białka może być katalizowany przez białka opiekuńcze rozrywające je i doprowadzające do wysokoenergetycznego krajobrazu i pozwalając mu ponownie złożyć się w losowy sposób prób i błędy. Lejkowe krajobrazy sugerują, że różne pojedyncze cząsteczki tej samej sekwencji białek mogą wykorzystywać mikroskopijnie różne drogi, aby dotrzeć do tego samego miejsca docelowego. Niektóre ścieżki będą bardziej zaludnione niż inne.
Lejki rozróżniają podstawy między składaniem a prostą klasyczną analogią reakcji chemicznych. Reakcja chemiczna zaczyna się od reagenta A i przechodzi przez zmianę struktury, aby osiągnąć swój produkt B. Z drugiej strony fałdowanie jest przejściem od nieładu do porządku, a nie tylko od struktury do struktury. Prosty jednowymiarowy szlak reakcji nie wychwytuje redukcji fałdowania białek w degeneracji konformacyjnej. Innymi słowy, składane lejki zapewniają mikroskopijne ramy dla kinetyki składania. Kinetyka składania jest opisana przez proste działania masowego , DIN (pośredni I na ścieżce między denaturowanym D a natywnym N) lub XDN (pośredni X poza ścieżką) i jest określana jako makroskopowa struktura fałdowania. Sekwencyjny widok Micropath reprezentuje model działania masowego i wyjaśnia kinetykę składania w kategoriach ścieżek, stanów przejściowych, półproduktów na ścieżce i poza nią oraz tego, co widać w eksperymentach, i nie dotyczy aktywności cząsteczki ani stanu monomeru sekwencji w określonym makroskopowym stanie przejściowym. Jego problem jest związany z paradoksem Levinthala, czyli problemem wyszukiwania. Natomiast modele lejkowe mają na celu wyjaśnienie kinetyki w kategoriach podstawowych sił fizycznych, aby przewidzieć skład mikrostanów tych makrostanów.
Niemniej jednak okazuje się, że symulacje komputerowe (krajobraz energetyczny) stanowią wyzwanie, aby pogodzić „makroskopowy” widok modeli masowego działania z „mikroskopowym” zrozumieniem zmian w konformacji białek podczas procesu fałdowania. Wnioski z lejków nie wystarczą, aby udoskonalić metody wyszukiwania komputerowego. Gładki krajobraz w kształcie lejka w skali globalnej może wydawać się szorstki w skali lokalnej w symulacjach komputerowych.
Zobacz też
- Chaperone – białka, które pomagają innym białkom w fałdowaniu lub rozkładaniu
- Paradoks Levinthala
- Przewidywanie struktury białek
Dalsza lektura
- Dobson CM (2000-12-15). „Charakter i znaczenie fałdowania białek”. W bólu RH (red.). Mechanizmy fałdowania białek (wyd. 2). Oksford, Wielka Brytania: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-963788-1 .
- Matagne A, Chung EW, Ball LJ, Radford SE, Robinson CV, Dobson CM (kwiecień 1998). „Pochodzenie pośredniej domeny alfa w fałdowaniu kurzego lizozymu”. Journal of Molecular Biology . 277 (5): 997–1005. doi : 10.1006/jmbi.1998.1657 . PMID 9571017 .