Складывание на спуске
Сворачивание вниз — это процесс, при котором белок сворачивается, не встречая какого-либо значительного макроскопического свободной энергии барьера . Это ключевое предсказание складчатой воронки гипотезы теории энергетического ландшафта белков.
Обзор
[ редактировать ]Предполагается, что сворачивание вниз будет происходить в условиях крайнего нативного смещения, т.е. при низких температурах или в отсутствие денатурантов . Это соответствует типа 0. сценарию [ нужны разъяснения ] в теории энергетического ландшафта . При температурах или концентрациях денатурантов, близких к их кажущимся средним точкам , белки могут переключаться со нисходящего сворачивания на двухсостояние, от типа 0 к типу 1 переход .
Глобальное сворачивание вниз (или сворачивание в одном состоянии ) — это еще один сценарий, при котором белок сворачивается в отсутствие барьера свободной энергии при любых условиях. Другими словами, существует унимодальное распределение заселенности при всех температурах и концентрациях денатуранта, что предполагает непрерывный разворачивающийся переход, при котором разные ансамбли структур заселяются в разных условиях. В этом отличие от двухсостояния складывания, которое предполагает только два ансамбля (свернутое и развернутое) и резкий разворачивающийся переход.
Предполагается, что барьеры свободной энергии при сворачивании белка будут небольшими, поскольку они возникают в результате компенсации между большими энергетическими и энтропийными членами. Несинхронизация между увеличением стабилизирующей энергии и потерей конформационной энтропии приводит к сворачиванию в двух состояниях, тогда как синхронизация между этими двумя условиями по мере сворачивания приводит к сворачиванию вниз.
Экспериментальные исследования
[ редактировать ]Структуры переходного состояния при двухуровневой складке экспериментально недоступны (по определению они наименее заселены по координате реакции ), но подансамбли складки в процессах нисходящей складки теоретически различимы с помощью спектроскопии . [1] [2] белок BBL из 40 остатков, который представляет собой сворачивающийся домен, независимый от субъединицы E2 мультиферментного комплекса 2-оксоглутаратдегидрогеназы E. coli , глобально сворачивается вниз. Было экспериментально показано, что [3] [4] Кроме того, было показано, что мутант белка-репрессора лямбда переходит из нисходящего состояния в двухсостояние при изменении условий температуры/растворителя. Однако статус BBL как белка, складывающегося вниз, и, как следствие, существование естественных складок вниз, являются спорными. [5] [6] [7] Текущие разногласия возникают из-за того, что единственный способ обозначить белок как находящийся в двух состояниях или нисходящий — это анализ экспериментальных данных с помощью моделей, которые явно рассматривают эти две ситуации, то есть позволяя высоте барьера варьироваться. К сожалению, до сих пор большая часть экспериментальных данных анализировалась с использованием простой химической модели двух состояний. Другими словами, предварительно предполагалось наличие довольно большого барьера свободной энергии, что исключало возможность идентификации нисходящего или глобального нисходящего сворачивания белков. Это очень важно, потому что любая сигмоидальная кривая развертывания, независимо от степени кооперативности , может быть адаптирована к модели с двумя состояниями. Кинетически наличие барьера гарантирует одноэкспоненту, но не наоборот. [8] Тем не менее, в некоторых белках, таких как дрожжевая фосфоглицерат киназа и мутантный человеческий убиквитин , наблюдалась неэкспоненциальная кинетика, предполагающая нисходящее сворачивание. [9]
Предлагаемое решение этих проблем заключается в разработке моделей, которые смогут различать различные ситуации, и определении простых, но надежных экспериментальных критериев для идентификации белков, сворачивающихся вниз. Они описаны ниже.
Критерии равновесия
[ редактировать ]Различия в видимых температурах плавления
[ редактировать ]Анализ, основанный на расширении модели сворачивания белка Цванцига. [10] указывает на то, что глобальные белки сворачивания вниз должны демонстрировать разные кажущиеся температуры плавления (Tms) при мониторинге различными методами. [2] Это было экспериментально подтверждено на примере упомянутого выше белка BBL. Разворачивание с последующей дифференциальной сканирующей калориметрией (ДСК), круговым дихроизмом (CD), резонансным переносом энергии флуоресценции (FRET) и флуоресценцией выявило разные кажущиеся температуры плавления. [3] В экспериментах по КД также наблюдалась зависимость температуры плавления от длины волны. Данные, проанализированные с помощью структурно- статистической механической модели, привели к унимодальному распределению населения при всех температурах, что указывает на структурно несвязанный непрерывный процесс разворачивания. Важнейшим вопросом в таких экспериментах является использование зондов, которые контролируют различные аспекты структуры. Например, ДСК дает информацию об изменениях теплоемкости (и, следовательно, энтальпии ), связанных с разворачиванием, флуоресценции о ближайшем окружении флуорофора, FRET о средних размерах молекулы и 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 должна быть одинаковой в пределах экспериментальной ошибки, если белок сворачивается в двух состояниях. Но для белка, который глобально сворачивается вниз, кривые разворачивания должны иметь совершенно разные Tms. Было обнаружено, что поведение атомного развертывания BBL следует последнему, демонстрируя большой разброс Tms, соответствующий глобальному нисходящему поведению. [4] Было обнаружено, что Tms некоторых атомов аналогичны глобальной Tm (полученной с помощью методов низкого разрешения, таких как CD или флуоресценция), что указывает на то, что необходимо отслеживать развертывание нескольких атомов, а не нескольких, как это часто делается. в таких экспериментах. Среднее поведение атомного разворачивания было поразительно похоже на поведение CD, подчеркивая тот факт, что кривые разворачивания экспериментов с низким разрешением представляют собой сильно упрощенное представление более сложного поведения.
Калориметрия и пересечение базовых линий
[ редактировать ]Базовые линии, часто используемые при аппроксимации двух состояний, соответствуют колебаниям в свернутой или развернутой лунке. Они являются чисто эмпирическими, поскольку информации о том, как свойства свернутого или развернутого состояния изменяются в зависимости от температуры/химического денатуранта , мало или вообще нет . Это приобретает еще большее значение в экспериментах по ДСК, поскольку изменения теплоемкости соответствуют как флуктуациям белкового ансамбля, так и обнажению гидрофобных остатков при разворачивании. Профили ДСК многих небольших быстро сворачивающихся белков широкие, с крутыми наклонами перед переходом. Подгонка двух состояний к этим профилям приводит к пересечению базовых линий, что указывает на то, что предположение о двух состояниях больше не является действительным. Это было признано Муньосом и Санчесом-Руисом, что привело к разработке модели переменного барьера. [11] Вместо того, чтобы попытаться инверсировать профиль ДСК без модели для извлечения основной функции плотности вероятности , они предположили определенный функционал свободной энергии с одним или двумя минимумами (аналогично Ландау теории фазовых переходов ), что позволило извлекать свободную энергию. высоты барьера. Эта модель является первой в своем роде в физической биохимии , которая позволяет определять высоту барьера на основе равновесных экспериментов. Анализ профиля ДСК BBL с помощью этой модели привел к нулевой высоте барьера, т.е. складчатости вниз, что подтверждает более ранний результат статистической механической модели. Когда модель переменного барьера была применена к набору белков, для которых доступны данные как по скорости, так и по ДСК, была получена очень высокая корреляция 0,95 между скоростями и высотой барьера. [12] Многие из исследованных белков имели небольшие барьеры (<20 кДж/моль), причем пересечение базовой линии было очевидным для белков, которые сворачиваются быстрее, чем 1 мс. Это противоречит традиционному предположению, что барьер свободной энергии между свернутым и развернутым состояниями велик.
Симуляторы
[ редактировать ]Поскольку сворачивание вниз трудно измерить экспериментально, молекулярное моделирование и моделирование Монте-Карло на быстросворачивающихся белках было проведено , чтобы изучить кинетику их сворачивания. Белки, скорость сворачивания которых находится на уровне или близком к «пределу скорости» сворачивания, чьи временные рамки делают их сворачивание более доступным для методов моделирования, чаще всего могут сворачиваться вниз. [13] Моделирование белка BBL предполагает, что его высокая скорость сворачивания и очень низкий энергетический барьер возникают из-за отсутствия кооперативности при формировании нативных контактов во время процесса сворачивания; то есть низкий порядок контакта . Связь между отсутствием кооперативности и низким порядком контактов также наблюдалась в контексте Монте-Карло. моделирования решетки [14] Эти данные позволяют предположить, что среднее количество «нелокальных контактов» на остаток в белке служит индикатором высоты барьера, тогда как очень низкие значения нелокальных контактов подразумевают сворачивание вниз. [15] Грубое моделирование Нотта и Чана также подтверждает экспериментальное наблюдение глобальной складчатости вниз по склону в BBL. [16] Более недавнее исследование с использованием моделирования молекулярной динамики с постоянным pH (CpHMD) согласовало противоположные механизмы складывания вниз и с двумя состояниями и обнаружило, что барьер складывания исчезает в условиях кислого pH, что приводит к складыванию вниз. [17]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Итон, Вашингтон (25 мая 1999 г.). «В поисках «сценариев спада» в сворачивании белка» . Труды Национальной академии наук США . 96 (11). Труды Национальной академии наук: 5897–5899. Бибкод : 1999PNAS...96.5897E . дои : 10.1073/pnas.96.11.5897 . ISSN 0027-8424 . ПМК 34202 . ПМИД 10339514 .
- ^ Перейти обратно: а б Муньос, Виктор (2002). «Термодинамика и кинетика нисходящего сворачивания белка исследована с помощью простой статистической механической модели». Международный журнал квантовой химии . 90 (4–5): 1522–1528. дои : 10.1002/qua.10384 . ISSN 0020-7608 .
- ^ Перейти обратно: а б Гарсия-Мира, ММ (2002). «Экспериментальная идентификация нисходящего сворачивания белка». Наука . 298 (5601): 2191–2195. Бибкод : 2002Sci...298.2191G . дои : 10.1126/science.1077809 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 12481137 . S2CID 14856515 .
- ^ Перейти обратно: а б Садки, Мурад; Фушман, Дэвид; Муньос, Виктор (14 июня 2006 г.). «Атом за атомом анализ глобального нисходящего сворачивания белка». Природа . 442 (7100). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 317–321. Бибкод : 2006Natur.442..317S . дои : 10.1038/nature04859 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 16799571 . S2CID 4355553 .
- ^ Фергюсон, Нил; Шартау, Памела Дж.; Шарп, Тимоти Д.; Сато, Сатоши; Фершт, Алан Р. (2004). «Спуск с одним состоянием против обычного сворачивания белка». Журнал молекулярной биологии . 344 (2). Эльзевир Б.В.: 295–301. дои : 10.1016/j.jmb.2004.09.069 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 15522284 .
- ^ Наганатан, Ати Н.; Перес-Хименес, Рауль; Санчес-Руис, Хосе М.; Муньос, Виктор (2005). «Надежность нисходящего сворачивания: рекомендации по анализу экспериментов по равновесному сворачиванию малых белков». Биохимия . 44 (20). Американское химическое общество (ACS): 7435–7449. дои : 10.1021/bi050118y . ISSN 0006-2960 . ПМИД 15895987 .
- ^ Фергюсон, Нил; Шарп, Тимоти Д.; Шартау, Памела Дж.; Сато, Сатоши; Аллен, Марк Д.; и др. (2005). «Сверхбыстрое, ограниченное барьером сворачивание в семействе доменов, связывающих периферические субъединицы». Журнал молекулярной биологии . 353 (2). Эльзевир Б.В.: 427–446. дои : 10.1016/j.jmb.2005.08.031 . ISSN 0022-2836 . ПМИД 16168437 .
- ^ Хаген, Стивен Дж. (5 ноября 2002 г.). «Кинетика экспоненциального распада при «нисходящем» сворачивании белка». Белки: структура, функции и биоинформатика . 50 (1). Уайли: 1–4. дои : 10.1002/прот.10261 . ISSN 0887-3585 . ПМИД 12471594 . S2CID 21339577 .
- ^ Сабелько Дж.; Эрвин, Дж.; Грюбеле, М. (25 мая 1999 г.). «Наблюдение странной кинетики сворачивания белков» . Труды Национальной академии наук США . 96 (11). Труды Национальной академии наук: 6031–6036. Бибкод : 1999PNAS...96.6031S . дои : 10.1073/pnas.96.11.6031 . ISSN 0027-8424 . ПМК 26830 . ПМИД 10339536 .
- ^ Цванциг, Р. (10 октября 1995 г.). «Простая модель кинетики сворачивания белка» . Труды Национальной академии наук . 92 (21): 9801–9804. Бибкод : 1995PNAS...92.9801Z . дои : 10.1073/pnas.92.21.9801 . ISSN 0027-8424 . ПМК 40890 . ПМИД 7568221 .
- ^ Муньос, В.; Санчес-Руис, ЖМ (2004). «Изучение ансамблей сворачивания белков: модель с переменным барьером для анализа экспериментов по равновесному разворачиванию» . Труды Национальной академии наук . 101 (51): 17646–17651. Бибкод : 2004PNAS..10117646M . дои : 10.1073/pnas.0405829101 . ISSN 0027-8424 . ПМК 539728 . ПМИД 15591110 .
- ^ 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 .
- ^ Кубелка, Ян; Хофрихтер, Джеймс; Итон, Уильям А. (2004). «Ограничение скорости сворачивания белка » . Современное мнение в области структурной биологии . 14 (1). Эльзевир Б.В.: 76–88. дои : 10.1016/j.sbi.2004.01.013 . ISSN 0959-440X . ПМИД 15102453 .
- ^ Фаиска, PFN; Тело да Гама, ММ; Болл, RC (28 мая 2004 г.). «Складывание и форма: выводы из моделирования решетки». Физический обзор E . 69 (5): 051917. arXiv : cond-mat/0312346 . Бибкод : 2004PhRvE..69e1917F . дои : 10.1103/physreve.69.051917 . ISSN 1539-3755 . ПМИД 15244857 . S2CID 310456 .
- ^ Цзо, Гуанхун; Ван, Цзюнь; Ван, Вэй (13 января 2006 г.). «Складывание с нисходящим поведением и низкой кооперативностью белков». Белки: структура, функции и биоинформатика . 63 (1). Уайли: 165–173. дои : 10.1002/прот.20857 . ISSN 0887-3585 . ПМИД 16416404 . S2CID 11970404 .
- ^ Нотт, Майкл; Чан, Хюэ Сунь (14 августа 2006 г.). «Критерии сворачивания белка вниз: калориметрия, шевронный график, кинетическая релаксация и радиус вращения одиночной молекулы в цепных моделях с пониженной степенью кооперативности». Белки: структура, функции и биоинформатика . 65 (2). Уайли: 373–391. дои : 10.1002/prot.21066 . ISSN 0887-3585 . ПМИД 16909416 . S2CID 15717915 .
- ^ Юэ, Чжи; Шен, Яна (2018). «Совместная зависимость от pH и наличие сухой расплавленной глобулы при сворачивании мини-белка BBL» . Физическая химия Химическая физика . 20 (5). Королевское химическое общество: 3523–3530. Бибкод : 2018PCCP...20.3523Y . дои : 10.1039/c7cp08296g . ISSN 1463-9084 . ПМК 5794518 . ПМИД 29336449 . S2CID 3594552 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Биери О, Кифхабер Т. (2000). Кинетические модели сворачивания белков . В механизмах сворачивания белка 2-е изд. Эд. Р.Х. Боль. Серия «Границы молекулярной биологии» . Издательство Оксфордского университета: Оксфорд, Великобритания.
- Грюбеле М. (2008)Быстрое сворачивание белка. В книге «Сворачивание, неправильное сворачивание и агрегация белков» под ред. В Муньос. Серия РНЦ «Биомолекулярные науки». Издательство Королевского химического общества: Кембридж, Великобритания.