Парадокс Левинталя
Парадокс Левинталя — мысленный эксперимент в области компьютерного предсказания структуры белков ; сворачивание белка ищет стабильную энергетическую конфигурацию. Алгоритмический перебор всех возможных конформаций для выявления минимальной энергетической конфигурации ( нативного состояния ) занял бы огромную продолжительность, однако в действительности сворачивание белка происходит очень быстро, даже в случае самых сложных структур, что позволяет предположить, что переходы происходят очень быстро. привели к стабильному состоянию через неравномерный энергетический ландшафт. [1]
История
[ редактировать ]В 1969 году Сайрус Левинталь заметил, что из-за очень большого числа степеней свободы в развернутой полипептидной цепи молекула имеет астрономическое количество возможных конформаций. Оценка 10 300 было сделано в одной из его статей [2] (часто ошибочно упоминается как статья 1968 г.) [3] ). Например, полипептид из 100 остатков будет иметь 99 пептидных связей и, следовательно, 198 различных валентных углов фи и пси . Если каждый из этих валентных углов может находиться в одной из трех стабильных конформаций, белок может неправильно сворачиваться максимум в 3 198 различные конформации (включая любую возможную складчатую избыточность). Следовательно, если бы белок достиг своей правильно свернутой конфигурации путем последовательного отбора проб всех возможных конформаций, для достижения правильной нативной конформации потребовалось бы время, превышающее возраст Вселенной. Это верно, даже если конформации отбираются с быстрой ( наносекундной или пикосекундной ) скоростью. «Парадокс» заключается в том, что большинство небольших белков сворачиваются спонтанно за миллисекунды или даже микросекунды. Решение этого парадокса было найдено с помощью вычислительных подходов к предсказанию структуры белков . [4]
Сам Левинталь знал, что белки сворачиваются спонтанно и за короткое время. Он предположил, что парадокс можно разрешить, если «ускорить сворачивание белка и направлять его за счет быстрого образования локальных взаимодействий, которые затем определяют дальнейшее сворачивание пептида; это предполагает наличие локальных аминокислотных последовательностей, которые образуют стабильные взаимодействия и служат точками зародышеобразования в пептиде» . процесс складывания». [5] сворачивания белка Действительно, экспериментально были обнаружены промежуточные состояния и частично свернутые переходные состояния , что объясняет быстрое сворачивание белка . Это также описывается как сворачивание белков, направленное в воронкообразные энергетические ландшафты . [6] [7] [8] Некоторые вычислительные подходы к предсказанию структуры белка направлены на идентификацию и моделирование механизма сворачивания белка. [9]
Левинталь также предположил, что нативная структура могла бы иметь более высокую энергию, если бы самая низкая энергия была кинетически недоступна. Аналогия: камень, падающий со склона холма, застревает в овраге, а не достигает подножия. [10]
Предлагаемые объяснения
[ редактировать ]По мнению Эдуарда Трифонова и Игоря Березовского, белки сворачиваются на субъединицы (модули) размером 25–30 аминокислот. [11]
См. также
[ редактировать ]- Шапероны – белки, которые помогают другим белкам сворачиваться или разворачиваться.
- Складная воронка
- Догма Анфинсена
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нельсон, Дэвид Л.; Кокс, Майкл М.; Ленинджер, Альберт Л. (2017). «Полипептиды быстро складываются в результате поэтапного процесса». Ленингерские принципы биохимии (7-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Хаундмиллс, Бейзингсток: WH Freeman and Company; Макмиллан Высшее образование. ISBN 978-1-4641-2611-6 . OCLC 986827885 .
- ^ Левинталь, Сайрус (1969). «Как сложить изящно» . Мессбауэровская спектроскопия в биологических системах: материалы встречи, состоявшейся в Аллертон-Хаусе, Монтичелло, Иллинойс : 22–24. Архивировано из оригинала 7 октября 2010 г.
- ^ Левинталь, Сайрус (1968). «Есть ли пути сворачивания белка?» (PDF) . Журнал Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique . 65 : 44–45. Бибкод : 1968JCP....65...44L . дои : 10.1051/jcp/1968650044 . Архивировано из оригинала (PDF) 2 сентября 2009 г.
- ^ Цванциг Р., Сабо А., Багчи Б (1 января 1992 г.). «Парадокс Левинталя» . Proc Natl Acad Sci США . 89 (1): 20–22. Бибкод : 1992PNAS...89...20Z . дои : 10.1073/pnas.89.1.20 . ПМК 48166 . ПМИД 1729690 .
- ^ Руман, Марианна Руман; Ив Дехук; Жан Марк Квасигрок; Кристоф Био; Дмитрий Гилис (2002). «Что парадоксального в парадоксе Левинталя?» (PDF) . Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 20 (3): 327–329. дои : 10.1080/07391102.2002.10506850 . ПМИД 12437370 . S2CID 6839744 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Дилл К; Х.С. Чан (1997). «От Левинталя к путям к воронкам». Нат. Структура. Биол . 4 (1): 10–19. дои : 10.1038/nsb0197-10 . ПМИД 8989315 . S2CID 11557990 .
- ^ Дуруп, Жан (1998). «О «парадоксе Левинталя» и теории сворачивания белков». Журнал молекулярной структуры . 424 (1–2): 157–169. дои : 10.1016/S0166-1280(97)00238-8 .
- ^ сАли, Андрей; Шахнович, Евгений; Карплюс, Мартин (1994). «Как складывается белок?» (PDF) . Природа . 369 (6477): 248–251. Бибкод : 1994Natur.369..248S . дои : 10.1038/369248a0 . ПМИД 7710478 . S2CID 4281915 . [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Карплюс, Мартин (1997). «Парадокс Левинталя: вчера и сегодня» . Складывание и дизайн . 2 (4): С69–С75. дои : 10.1016/S1359-0278(97)00067-9 . ПМИД 9269572 .
- ^ Хантер, Филип (2006). «В складку» . Представитель ЭМБО . 7 (3): 249–252. дои : 10.1038/sj.embor.7400655 . ПМЦ 1456894 . ПМИД 16607393 .
- ^ Березовский Игорь Н.; Трифонов, Эдвард Н. (2002). «Петлеобразная структура белков: разрешение парадокса Левинталя» (PDF) . Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 20 (1): 5–6. дои : 10.1080/07391102.2002.10506817 . ISSN 0739-1102 . ПМИД 12144347 . S2CID 33174198 . Архивировано из оригинала (PDF) 12 февраля 2005 г.