Nedfällning

Nedförsveckning är en process där ett protein viker sig utan att stöta på någon betydande makroskopisk fri energibarriär . Det är en nyckelförutsägelse av hypotesen om viktratten för energilandskapsteorin för proteiner.

Översikt

Nedförsveckning förutsägs inträffa under förhållanden med extrem infödd förspänning, dvs vid låga temperaturer eller i frånvaro av denatureringsmedel . Detta motsvarar typ 0- scenariot [ förtydligande behövs ] i energilandskapsteorin . Vid temperaturer eller denaturerande koncentrationer nära deras skenbara mittpunkter , kan proteiner byta från nedförsbacke till tvåtillståndsveckning, typ 0 till typ 1- övergång.

Global nedförsveckning (eller entillståndsveckning ) är ett annat scenario där proteinet viker sig i frånvaro av en fri energibarriär under alla förhållanden. Med andra ord finns det en unimodal populationsfördelning vid alla temperaturer och denaturerande koncentrationer, vilket antyder en kontinuerlig utvecklingsövergång där olika ensembler av strukturer befolkas vid olika förhållanden. Detta i motsats till tvåtillståndsvikning, som endast förutsätter två ensembler (vikta och ovikta) och en skarp utvikningsövergång.

Fria energibarriärer i proteinveckning förutspås vara små eftersom de uppstår som ett resultat av kompensation mellan stora energetiska och entropiska termer. Icke-synkronisering mellan förstärkning i stabiliserande energi och förlust i konformationell entropi resulterar i tvåtillståndsveckning, medan en synkronisering mellan dessa två termer allt eftersom vikningen fortskrider resulterar i nedförsbacke.

Experimentella studier

Övergångstillståndsstrukturer i tvåtillståndsveckning är inte experimentellt tillgängliga (per definition är de minst befolkade längs reaktionskoordinaten), men de vikbara sub-ensemblerna i nedförsbackevikningsprocesser är teoretiskt särskiljbara genom spektroskopi . 40-restproteinet BBL, som är en oberoende vikningsdomän från E2-subenheten av 2-oxoglutaratdehydrogenas-multienzymkomplexet av E. coli , har experimentellt visat sig vikas globalt nedförsbacke. En mutant av lambda-repressorprotein har också visat sig skifta från nedförsbacke till tvåtillstånd vid ändring av temperatur/lösningsmedelsförhållandena. Statusen för BBL som ett downhill-vikningsprotein, och i förlängningen förekomsten av naturligt förekommande downhillfoldar, har dock varit kontroversiell. Den nuvarande kontroversen uppstår från det faktum att det enda sättet ett protein kan märkas som tvåtillstånd eller nedförsbacke är genom att analysera experimentdata med modeller som explicit hanterar dessa två situationer, dvs genom att tillåta barriärhöjderna att variera. Tyvärr har de flesta experimentella data hittills analyserats med en enkel kemisk tvåtillståndsmodell. Med andra ord har förekomsten av en ganska stor fri energibarriär antagits på förhand, vilket utesluter möjligheten att identifiera downhill eller global downhill proteinveckning. Detta är kritiskt eftersom varje sigmoidal utveckningskurva, oavsett graden av kooperativitet , kan anpassas till en tvåtillståndsmodell. Kinetiskt garanterar närvaron av en barriär en enkelexponentiell, men inte vice versa. Icke desto mindre, i vissa proteiner, såsom jästfosfoglyceratkinas och ett muterat humant ubiquitin , har icke-exponentiell kinetik som tyder på nedförsbacke observerats.

En föreslagen lösning på dessa problem är att utveckla modeller som kan skilja mellan de olika situationerna och identifiera enkla men robusta experimentella kriterier för att identifiera nedförsbackevikningsproteiner. Dessa beskrivs nedan.

Jämviktskriterier

Skillnader i skenbara smälttemperaturer

En analys baserad på en förlängning av Zwanzigs modell för proteinveckning indikerar att globala nedförsveckningsproteiner bör avslöja olika skenbara smälttemperaturer (Tms) när de övervakas med olika tekniker. Detta bekräftades experimentellt i proteinet BBL som nämnts ovan. Utvecklingen följt av differentiell skanningskalorimetri (DSC), cirkulär dikroism (CD), fluorescensresonansenergiöverföring (FRET) och fluorescens avslöjade alla olika skenbara smälttemperaturer. En våglängdsberoende smälttemperatur observerades också i CD-experimenten. Data analyserade med en strukturbaserad statistisk mekanisk modell resulterade i en unimodal populationsfördelning vid alla temperaturer, vilket indikerar en strukturellt okopplad kontinuerlig utveckningsprocess. Den avgörande frågan i sådana experiment är att använda sonder som övervakar olika aspekter av strukturen. Till exempel ger DSC information om värmekapacitetsförändringarna ( och därmed entalpi ) associerade med utveckning, fluorescens på fluoroforens omedelbara miljö, FRET om molekylens genomsnittliga dimensioner och CD på den sekundära strukturen .

Ett mer strängt test skulle innebära att följa de kemiska skiftningarna av varje atom i molekylen genom kärnmagnetisk resonans (NMR) som en funktion av temperatur/denatureringsmedel. Även om den är tidskrävande, kräver denna metod ingen specifik modell för tolkning av data. Tms för alla atomer bör vara identiska inom experimentella fel om proteinet veck på ett två-tillståndssätt. Men för ett protein som viker sig globalt i nedförsbacke borde utveckningskurvorna ha mycket olika Tms. Det atomära utvecklingsbeteendet hos BBL visade sig följa det senare, och visade en stor spridning i Tms i överensstämmelse med globalt nedförsbeteende. Tms för vissa atomer visade sig likna den för globala Tm (erhållen från en lågupplösningsteknik som CD eller fluorescens), vilket indikerar att utvecklingen av flera atomer måste följas, istället för några få som ofta görs i sådana experiment. Det genomsnittliga atomviktningsbeteendet var slående likt det för CD, vilket understryker det faktum att utvecklingskurvor för experiment med låg upplösning är mycket förenklade representationer av ett mer komplext beteende.

Kalorimetri och korsning av baslinjer

Baslinjer som ofta används i tvåtillståndspassningar motsvarar fluktuationerna i den vikta eller ovikta brunnen. De är rent empiriska eftersom det finns liten eller ingen information om hur de vikta eller ovikta tillståndens egenskaper förändras med temperatur/kemisk denatureringsmedel . Detta antar ännu större betydelse vid DSC-experiment eftersom förändringarna i värmekapacitet motsvarar både fluktuationer i proteinensemblen och exponering av hydrofoba rester vid utveckning. DSC-profilerna för många små snabbvikande proteiner är breda, med branta sluttningar före övergången. Tvåtillståndsanpassningar till dessa profiler resulterar i korsning av baslinjer vilket indikerar att tvåtillståndsantagandet inte längre är giltigt. Detta erkändes av Munoz och Sanchez-Ruiz, vilket resulterade i utvecklingen av modellen med variabel barriär. Istället för att försöka en modellfri inversion av DSC-profilen för att extrahera den underliggande sannolikhetstäthetsfunktionen , antog de en specifik fri energi funktionell med antingen en eller två minima (liknande Landau teorin om fasövergångar ) vilket möjliggör utvinning av fri energi barriärhöjder. Denna modell är den första i sitt slag inom fysikalisk biokemi som möjliggör bestämning av barriärhöjder från jämviktsexperiment . Analys av DSC-profilen för BBL med denna modell resulterade i noll barriärhöjd, dvs nedförsbacke, vilket bekräftar det tidigare resultatet från den statistiska mekaniska modellen. När modellen med variabel barriär applicerades på en uppsättning proteiner för vilka både hastighets- och DSC-data är tillgängliga, erhölls en mycket hög korrelation på 0,95 mellan hastigheterna och barriärhöjderna. Många av de undersökta proteinerna hade små barriärer (<20 kJ/mol) med en baslinjekorsning tydlig för proteiner som viker sig snabbare än 1 ms. Detta står i motsats till det traditionella antagandet att den fria energibarriären mellan det vikta och ovikta tillståndet är stort.

Simuleringar

Eftersom nedförsveckning är svårt att mäta experimentellt har molekylär dynamik och Monte Carlo- simuleringar utförts på snabbvikningsproteiner för att utforska deras vikningskinetik. Proteiner vars vikningshastighet är vid eller nära den vikbara "hastighetsgränsen", vars tidsskalor gör deras veckning mer tillgänglig för simuleringsmetoder, kan oftare vikas nedför. Simuleringsstudier av BBL-proteinet antyder att dess snabba veckningshastighet och mycket låga energibarriär beror på bristande samverkan vid bildandet av naturliga kontakter under veckningsprocessen; det vill säga en låg kontaktorder . Kopplingen mellan bristande kooperativitet och låg kontaktordning observerades också i samband med Monte Carlo gittersimuleringar. Dessa data tyder på att det genomsnittliga antalet "icke-lokala kontakter" per rest i ett protein fungerar som en indikator på barriärhöjden, där den är mycket låg. icke-lokala kontaktvärden innebär nedförsbacke. Grovkorniga simuleringar av Knott och Chan stödjer också den experimentella observationen av global nedförsveckning i BBL. En nyare studie som använder simulering av konstant-pH molekylär dynamik (CpHMD) har förenat de motsatta nedförs- och tvåtillståndsfällningsmekanismerna och fann att vikbarriären försvinner vid sura pH-förhållanden, vilket leder till nedförsveckning.

Se även

  1. ^     Eaton, WA (1999-05-25). "Söker efter "nedförsscenarier" i proteinveckning" . Proceedings of the National Academy of Sciences USA . Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (11): 5897–5899. Bibcode : 1999PNAS...96.5897E . doi : 10.1073/pnas.96.11.5897 . ISSN 0027-8424 . PMC 34202 . PMID 10339514 .
  2. ^ a b   Muñoz, Victor (2002). "Termodynamik och kinetik för proteinveckning i downhill undersökt med en enkel statistisk mekanisk modell". International Journal of Quantum Chemistry . 90 (4–5): 1522–1528. doi : 10.1002/qua.10384 . ISSN 0020-7608 .
  3. ^ a b     Garcia-Mira, MM (2002). "Experimentell identifiering av proteinveckning i downhill". Vetenskap . 298 (5601): 2191–2195. Bibcode : 2002Sci...298.2191G . doi : 10.1126/science.1077809 . ISSN 0036-8075 . PMID 12481137 . S2CID 14856515 .
  4. ^ a b     Sadqi, Mourad; Fushman, David; Muñoz, Victor (2006-06-14). "Atom-för-atom analys av global downhill proteinveckning". Naturen . Springer Science and Business Media LLC. 442 (7100): 317–321. Bibcode : 2006Natur.442..317S . doi : 10.1038/nature04859 . ISSN 0028-0836 . PMID 16799571 . S2CID 4355553 .
  5. ^    Ferguson, Neil; Schartau, Pamela J.; Sharpe, Timothy D.; Sato, Satoshi; Fersht, Alan R. (2004). "One-state Downhill kontra konventionell proteinfoldning". Journal of Molecular Biology . Elsevier BV. 344 (2): 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). "Robustness of Downhill Folding: Riktlinjer för analys av jämviktsfoldningsexperiment på små proteiner". Biokemi . American Chemical Society (ACS). 44 (20): 7435–7449. doi : 10.1021/bi050118y . ISSN 0006-2960 . PMID 15895987 .
  7. ^    Ferguson, Neil; Sharpe, Timothy D.; Schartau, Pamela J.; Sato, Satoshi; Allen, Mark D.; et al. (2005). "Ultrasnabb barriärbegränsad vikning i den perifera subenhetsbindande domänfamiljen". Journal of Molecular Biology . Elsevier BV. 353 (2): 427–446. doi : 10.1016/j.jmb.2005.08.031 . ISSN 0022-2836 . PMID 16168437 .
  8. ^     Hagen, Stephen J. (2002-11-05). "Exponentiell sönderfallskinetik i "nedåtgående" proteinveckning". Proteiner: struktur, funktion och bioinformatik . Wiley. 50 (1): 1–4. doi : 10.1002/prot.10261 . ISSN 0887-3585 . PMID 12471594 . S2CID 21339577 .
  9. ^     Sabelko, J.; Ervin, J.; Gruebele, M. (1999-05-25). "Observation av konstig kinetik vid proteinveckning" . Proceedings of the National Academy of Sciences USA . Proceedings of the National Academy of Sciences. 96 (11): 6031–6036. Bibcode : 1999PNAS...96.6031S . doi : 10.1073/pnas.96.11.6031 . ISSN 0027-8424 . PMC 26830 . PMID 10339536 .
  10. ^     Zwanzig, R. (1995-10-10). "Enkel modell av proteinveckningskinetik" . Proceedings of the National Academy of Sciences . 92 (21): 9801–9804. Bibcode : 1995PNAS...92.9801Z . doi : 10.1073/pnas.92.21.9801 . ISSN 0027-8424 . PMC 40890 . PMID 7568221 .
  11. ^     Munoz, V.; Sanchez-Ruiz, JM (2004). "Utforska proteinvikningsensembler: En modell med variabel barriär för analys av jämviktsexperiment" . Proceedings of the National Academy of Sciences . 101 (51): 17646–17651. Bibcode : 2004PNAS..10117646M . doi : 10.1073/pnas.0405829101 . ISSN 0027-8424 . PMC 539728 . PMID 15591110 .
  12. ^    Naganathan, Athi N.; Sanchez-Ruiz, Jose M.; Muñoz, Victor (2005). "Direkt mätning av barriärhöjder vid proteinvikning". Journal of the American Chemical Society . American Chemical Society (ACS). 127 (51): 17970–17971. doi : 10.1021/ja055996y . hdl : 10261/76066 . ISSN 0002-7863 . PMID 16366525 .
  13. ^    Kubelka, Jan; Hofrichter, James; Eaton, William A (2004). "Proteinviknings"hastighetsgränsen" " . Aktuell åsikt i strukturbiologi . Elsevier BV. 14 (1): 76–88. doi : 10.1016/j.sbi.2004.01.013 . ISSN 0959-440X . PMID 15102453 .
  14. ^     Faisca, PFN; Telo da Gama, MM; Boll, RC (2004-05-28). "Vikning och form: Insikter från gittersimuleringar". Fysisk granskning 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. ^     Zuo, Guanghong; Wang, Jun; Wang, Wei (2006-01-13). "Vikning med downhill beteende och låg kooperativitet av proteiner". Proteiner: struktur, funktion och bioinformatik . Wiley. 63 (1): 165–173. doi : 10.1002/prot.20857 . ISSN 0887-3585 . PMID 16416404 . S2CID 11970404 .
  16. ^     Knott, Michael; Chan, Hue Sun (2006-08-14). "Kriterier för nedförsbacke av proteinveckning: Kalorimetri, chevronplot, kinetisk avslappning och enkelmolekylär gyrationsradie i kedjemodeller med dämpad grad av kooperativitet". Proteiner: struktur, funktion och bioinformatik . Wiley. 65 (2): 373–391. doi : 10.1002/prot.21066 . ISSN 0887-3585 . PMID 16909416 . S2CID 15717915 .
  17. ^      Yue, Zhi; Shen, Jana (2018). "pH-beroende i samarbete och förekomsten av en torr smält kula i veckningen av ett miniprotein BBL" . Fysikalisk kemi Kemisk fysik . Royal Society of Chemistry. 20 (5): 3523–3530. Bibcode : 2018PCCP...20.3523Y . doi : 10.1039/c7cp08296g . ISSN 1463-9084 . PMC 5794518 . PMID 29336449 . S2CID 3594552 .

Vidare läsning

  • Bieri O, Kiefhaber T. (2000). Kinetiska modeller i proteinveckning . I Mechanisms of Protein Folding 2nd ed. Ed. RH smärta. Serien Frontiers in Molecular Biology . Oxford University Press: Oxford, Storbritannien.
  • Gruebele M. (2008) Snabb proteinvikning. I Proteinfolding, Misfolding and Aggregation Ed. V Muñoz. RSC Biomolecular Sciences-serien. Royal Society of Chemistry Publishing: Cambridge, Storbritannien.
Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Downhill_folding&oldid=1123337922 "