Складывание вниз по склону
Процесс сворачивания белка

Сворачивание вниз — это процесс, в котором белок сворачивается, не встречая никакого значительного макроскопического барьера свободной энергии . Это ключевое предсказание гипотезы воронкообразной структуры теории энергетического ландшафта белков.

Обзор

Сворачивание вниз, как предсказывают, происходит в условиях экстремального нативного смещения, т. е. при низких температурах или в отсутствие денатурантов . Это соответствует сценарию типа 0 [ необходимо разъяснение ] в теории энергетического ландшафта . При температурах или концентрациях денатурантов, близких к их кажущимся средним точкам , белки могут переключиться с нисходящего на двухстадийное сворачивание, переход типа 0 в тип 1 .

Глобальное сворачивание вниз (или сворачивание в одном состоянии ) — это еще один сценарий, в котором белок сворачивается в отсутствие барьера свободной энергии при любых условиях. Другими словами, существует унимодальное распределение популяции при всех температурах и концентрациях денатуранта, что предполагает непрерывный переход разворачивания, в котором различные ансамбли структур заселяются при различных условиях. Это контрастирует с двухстадийным сворачиванием, которое предполагает только два ансамбля (свернутый и развернутый) и резкий переход разворачивания.

Барьеры свободной энергии в сворачивании белка, как ожидается, будут небольшими, поскольку они возникают в результате компенсации между большими энергетическими и энтропийными членами. Несинхронизация между приростом стабилизирующей энергии и потерей конформационной энтропии приводит к двухстадийному сворачиванию, в то время как синхронизация между этими двумя членами по мере сворачивания приводит к сворачиванию вниз.

Экспериментальные исследования

Структуры переходного состояния в двухстадийном сворачивании экспериментально недоступны (по определению они наименее заселены вдоль координаты реакции ), но подансамбли сворачивания в процессах сворачивания вниз теоретически различимы с помощью спектроскопии . [1] [2] Было экспериментально показано , что 40-остаточный белок BBL, который является независимо сворачивающимся доменом от субъединицы E2 мультиферментного комплекса 2-оксоглутаратдегидрогеназы E. coli , сворачивается глобально вниз. [3] [4] Кроме того, было показано, что мутант белка-репрессора лямбда переходит из состояния вниз в состояние два при изменении температуры/условий растворителя. Однако статус BBL как белка сворачивания вниз и, как следствие, существование естественных папок вниз были спорными. [5] [6] [7] Текущее противоречие возникает из-за того, что единственный способ, которым белок может быть обозначен как двухстадийный или нисходящий, — это анализ экспериментальных данных с помощью моделей, которые явно имеют дело с этими двумя ситуациями, т. е. позволяя высоте барьера изменяться. К сожалению, большинство экспериментальных данных до сих пор анализировались с помощью простой химической модели двух состояний. Другими словами, наличие довольно большого барьера свободной энергии было заранее предположено, что исключало возможность идентификации нисходящего или глобально нисходящего сворачивания белка. Это имеет решающее значение, поскольку любая сигмоидальная кривая разворачивания, независимо от степени кооперативности , может быть подогнана к двухстадийной модели. Кинетически наличие барьера гарантирует одноэкспоненциальную зависимость, но не наоборот. [8] Тем не менее, в некоторых белках, таких как дрожжевая фосфоглицераткиназа и мутантный человеческий убиквитин , наблюдалась неэкспоненциальная кинетика, предполагающая нисходящее сворачивание. [9]

Предлагаемое решение этих проблем заключается в разработке моделей, которые могут различать различные ситуации и определять простые, но надежные экспериментальные критерии для идентификации белков с нисходящим сворачиванием. Они описаны ниже.

Критерии равновесия

Различия в видимых температурах плавления

Анализ, основанный на расширении модели сворачивания белка Цванцига [10], показывает, что глобальные белки сворачивания вниз должны показывать разные кажущиеся температуры плавления (Tms) при мониторинге разными методами. [2] Это было экспериментально подтверждено в упомянутом выше белке BBL. Разворачивание, сопровождаемое дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC), круговым дихроизмом (CD), флуоресцентным резонансным переносом энергии (FRET) и флуоресценцией , показало разные кажущиеся температуры плавления. [3] В экспериментах с CD также наблюдалась температура плавления, зависящая от длины волны. Данные, проанализированные с помощью структурно-ориентированной статистической механической модели, привели к унимодальному распределению популяции при всех температурах, что указывает на структурно несвязанный непрерывный процесс разворачивания. Важнейшим вопросом в таких экспериментах является использование зондов, которые отслеживают разные аспекты структуры. Например, ДСК дает информацию об изменениях теплоемкости (и, следовательно, энтальпии ), связанных с развертыванием, флуоресценция – о непосредственном окружении флуорофора, FRET – о средних размерах молекулы, а CD – о вторичной структуре .

Более строгий тест включал бы отслеживание химических сдвигов каждого атома в молекуле с помощью ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в зависимости от температуры/денатуранта. Хотя этот метод требует много времени, он не требует какой-либо конкретной модели для интерпретации данных. Tms для всех атомов должны быть идентичны в пределах экспериментальной ошибки, если белок сворачивается двухстадийным образом. Но для белка, который сворачивается глобально вниз, кривые разворачивания должны иметь сильно различающиеся Tms. Было обнаружено, что поведение атомного разворачивания BBL следует последнему, показывая большой разброс в Tms, согласующийся с глобальным поведением вниз. [4] Было обнаружено, что Tms некоторых атомов аналогичны глобальной Tm (полученной с помощью техники низкого разрешения, такой как КД или флуоресценция), что указывает на то, что необходимо отслеживать разворачивание нескольких атомов, а не нескольких, как часто делается в таких экспериментах. Среднее поведение атомного разворачивания было поразительно похоже на поведение CD, что подчеркивает тот факт, что кривые разворачивания экспериментов с низким разрешением являются сильно упрощенными представлениями более сложного поведения.

Калориметрия и пересечение базовых линий

Базовые линии, часто используемые в двухсостояниях, соответствуют колебаниям в сложенном или развернутом состоянии. Они являются чисто эмпирическими, поскольку мало или совсем нет информации о том, как свойства сложенных или развернутых состояний изменяются в зависимости от температуры/химического денатуранта . Это приобретает еще большее значение в случае экспериментов с ДСК, поскольку изменения теплоемкости соответствуют как колебаниям в белковом ансамбле, так и воздействию гидрофобных остатков при развертывании. Профили ДСК многих небольших быстросворачивающихся белков широкие, с крутыми предпереходными наклонами. Двухсостояния подгонки к этим профилям приводят к пересечению базовых линий, что указывает на то, что предположение о двух состояниях больше не является действительным. Это было признано Муньосом и Санчес-Руисом, что привело к разработке модели переменного барьера. [11] Вместо того, чтобы попытаться выполнить безмодельную инверсию профиля DSC для извлечения базовой функции плотности вероятности , они предположили определенный функционал свободной энергии с одним или двумя минимумами (аналогично теории фазовых переходов Ландау ), что позволило извлечь высоты барьеров свободной энергии. Эта модель является первой в своем роде в физической биохимии , которая позволяет определять высоты барьеров из экспериментов по равновесию . Анализ профиля DSC BBL с помощью этой модели привел к нулевой высоте барьера, т. е. нисходящему сворачиванию, что подтверждает более ранний результат статистической механической модели. Когда модель переменного барьера была применена к набору белков, для которых доступны как данные о скорости, так и данные DSC, была получена очень высокая корреляция 0,95 между скоростями и высотами барьеров. [12] Многие из исследованных белков имели небольшие барьеры (<20 кДж/моль) с очевидным пересечением базовой линии для белков, которые сворачиваются быстрее 1 мс. Это противоречит традиционному предположению о том, что барьер свободной энергии между свернутым и развернутым состояниями велик.

Моделирование

Поскольку сворачивание вниз трудно измерить экспериментально, молекулярная динамика и моделирование Монте-Карло были выполнены на быстро сворачивающихся белках для изучения их кинетики сворачивания. Белки, скорость сворачивания которых находится на уровне или около «предела скорости» сворачивания, чьи временные масштабы делают их сворачивание более доступным для методов моделирования, могут чаще сворачиваться вниз. [13] Исследования моделирования белка BBL подразумевают, что его быстрая скорость сворачивания и очень низкий энергетический барьер возникают из-за отсутствия кооперативности в формировании собственных контактов во время процесса сворачивания; то есть низкого порядка контакта . Связь между отсутствием кооперативности и низким порядком контакта также наблюдалась в контексте моделирования решетки Монте-Карло [14] Эти данные предполагают, что среднее число «нелокальных контактов» на остаток в белке служит индикатором высоты барьера, где очень низкие значения нелокальных контактов подразумевают сворачивание вниз. [15] Крупнозернистые моделирования Нотта и Чана также подтверждают экспериментальное наблюдение глобальной нисходящей складчатости в BBL. [16] Более недавнее исследование с использованием моделирования молекулярной динамики при постоянном pH (CpHMD) примирило противоположные механизмы нисходящей и двухстадийной складчатости и обнаружило, что барьер складчатости исчезает в условиях кислого pH, что приводит к нисходящей складчатости. [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Eaton, WA (1999-05-25). "Поиск "нисходящих сценариев" в сворачивании белков". Труды Национальной академии наук США . 96 (11). Труды Национальной академии наук: 5897–5899. Bibcode : 1999PNAS...96.5897E. doi : 10.1073/pnas.96.11.5897 . ISSN  0027-8424. PMC 34202.  PMID 10339514  .
  2. ^ ab Muñoz, Victor (2002). «Термодинамика и кинетика нисходящего сворачивания белка, исследованная с помощью простой статистическо-механической модели». International Journal of Quantum Chemistry . 90 (4–5): 1522–1528. doi :10.1002/qua.10384. ISSN  0020-7608.
  3. ^ ab Garcia-Mira, MM (2002). "Экспериментальная идентификация нисходящего сворачивания белков". Science . 298 (5601): 2191–2195. Bibcode :2002Sci...298.2191G. doi :10.1126/science.1077809. ISSN  0036-8075. PMID  12481137. S2CID  14856515.
  4. ^ ab Садки, Мурад; Фушман, Дэвид; Муньос, Виктор (2006-06-14). «Атом-за-атомным анализом глобального нисходящего сворачивания белка». Nature . 442 (7100). Springer Science and Business Media LLC: 317–321. Bibcode :2006Natur.442..317S. doi :10.1038/nature04859. ISSN  0028-0836. PMID  16799571. S2CID  4355553.
  5. ^ Фергюсон, Нил; Шартау, Памела Дж.; Шарп, Тимоти Д.; Сато, Сатоши; Фершт, Алан Р. (2004). «Одностабильный спуск против обычного сворачивания белка». Журнал молекулярной биологии . 344 (2). Elsevier BV: 295–301. doi :10.1016/j.jmb.2004.09.069. ISSN  0022-2836. PMID  15522284.
  6. ^ Naganathan, Athi N.; Perez-Jimenez, Raúl; Sanchez-Ruiz, Jose M.; Muñoz, Victor (2005). «Надежность нисходящего сворачивания: Руководство по анализу экспериментов по равновесному сворачиванию малых белков». Биохимия . 44 (20). Американское химическое общество (ACS): 7435–7449. doi : 10.1021/bi050118y. ISSN  0006-2960. PMID  15895987.
  7. ^ Фергюсон, Нил; Шарп, Тимоти Д.; Шартау, Памела Дж.; Сато, Сатоши; Аллен, Марк Д.; и др. (2005). «Сверхбыстрое барьерно-ограниченное сворачивание в семействе доменов связывания периферической субъединицы». Журнал молекулярной биологии . 353 (2). Elsevier BV: 427–446. doi :10.1016/j.jmb.2005.08.031. ISSN  0022-2836. PMID  16168437.
  8. ^ Хаген, Стивен Дж. (2002-11-05). «Экспоненциальная кинетика распада при «нисходящем» сворачивании белков». Белки: структура, функция и биоинформатика . 50 (1). Wiley: 1–4. doi :10.1002/prot.10261. ISSN  0887-3585. PMID  12471594. S2CID  21339577.
  9. ^ Sabelko, J.; Ervin, J.; Gruebele, M. (1999-05-25). "Наблюдение странной кинетики в сворачивании белков". Труды Национальной академии наук США . 96 (11). Труды Национальной академии наук: 6031–6036. Bibcode : 1999PNAS...96.6031S. doi : 10.1073/pnas.96.11.6031 . ISSN  0027-8424. PMC 26830. PMID 10339536  . 
  10. ^ Цванциг, Р. (1995-10-10). "Простая модель кинетики сворачивания белка". Труды Национальной академии наук . 92 (21): 9801–9804. Bibcode :1995PNAS...92.9801Z. doi : 10.1073/pnas.92.21.9801 . ISSN  0027-8424. PMC 40890 . PMID  7568221. 
  11. ^ Муньос, В.; Санчес-Руис, Дж. М. (2004). «Исследование ансамблей сворачивания белков: модель с переменным барьером для анализа экспериментов по равновесному разворачиванию». Труды Национальной академии наук . 101 (51): 17646–17651. Bibcode : 2004PNAS..10117646M. doi : 10.1073/pnas.0405829101 . ISSN  0027-8424. PMC 539728. PMID 15591110  . 
  12. ^ Наганатан, Ати Н.; Санчес-Руис, Хосе М.; Муньос, Виктор (2005). «Прямое измерение высоты барьера при сворачивании белка». Журнал Американского химического общества . 127 (51). Американское химическое общество (ACS): 17970–17971. дои : 10.1021/ja055996y. hdl : 10261/76066 . ISSN  0002-7863. ПМИД  16366525.
  13. ^ Кубелка, Ян; Хофрихтер, Джеймс; Итон, Уильям А. (2004). «Ограничение скорости сворачивания белка». Current Opinion in Structural Biology . 14 (1). Elsevier BV: 76–88. doi :10.1016/j.sbi.2004.01.013. ISSN  0959-440X. PMID  15102453.
  14. ^ Faisca, PFN; Telo da Gama, MM; Ball, RC (2004-05-28). "Складывание и форма: выводы из моделирования решеток". Physical Review E. 69 ( 5): 051917. arXiv : cond-mat/0312346 . Bibcode : 2004PhRvE..69e1917F. doi : 10.1103/physreve.69.051917. ISSN  1539-3755. PMID  15244857. S2CID  310456.
  15. ^ Цзо, Гуанхун; Ван, Цзюнь; Ван, Вэй (2006-01-13). «Сворачивание с нисходящим поведением и низкой кооперативностью белков». Белки: структура, функция и биоинформатика . 63 (1). Wiley: 165–173. doi :10.1002/prot.20857. ISSN  0887-3585. PMID  16416404. S2CID  11970404.
  16. ^ Knott, Michael; Chan, Hue Sun (2006-08-14). "Критерии для нисходящего сворачивания белка: калориметрия, шевронный график, кинетическая релаксация и радиус инерции одиночной молекулы в цепочечных моделях с подавленными степенями кооперативности". Белки: структура, функция и биоинформатика . 65 (2). Wiley: 373–391. doi :10.1002/prot.21066. ISSN  0887-3585. PMID  16909416. S2CID  15717915.
  17. ^ Юэ, Чжи; Шен, Яна (2018). «Зависящая от pH кооперативность и существование сухой расплавленной глобулы в сворачивании мини-белка BBL». Физическая химия Химическая физика . 20 (5). Королевское химическое общество: 3523–3530. Bibcode : 2018PCCP...20.3523Y. doi : 10.1039/c7cp08296g. ISSN  1463-9084. PMC 5794518. PMID 29336449.  S2CID 3594552  . 

Дальнейшее чтение

  • Bieri O, Kiefhaber T. (2000). Кинетические модели в сворачивании белков. В Mechanisms of Protein Folding 2nd ed. Ed. RH Pain. Frontiers in Molecular Biology series. Oxford University Press: Oxford, UK.
  • Грюбеле М. (2008) Быстрое сворачивание белков. В книге «Сворачивание, неправильное сворачивание и агрегация белков» под ред. В. Муньоса. Серия «Биомолекулярные науки» Королевского химического общества. Издательство Королевского химического общества: Кембридж, Великобритания.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Downhill_folding&oldid=1123337922"