طي البروتين واستقراره
المشكلة الفيزيائية لكيفية وصول سلسلة عديد الببتيد غير المهيكلة إلى طيها الأصلي الفريد، وما الذي يجعل هذا الطي مستقرًا بشكل هامشي ولكنه موثوق.
Definition
طي البروتين هو العملية التي تتبنى بها سلسلة عديد الببتيد بنيتها ثلاثية الأبعاد الوظيفية؛ والاستقرار هو الفرق في الطاقة الحرة بين تلك الحالة الأصلية والمجموعة غير المطوية.
Scope
يتناول هذا الموضوع الطي كمشكلة ديناميكية حرارية وحركية: توازن الطاقة الحرة الذي يحافظ على استقرار الحالة الأصلية، والانتقال التعاوني الشبيه بالحالتين بين الأشكال المطوية وغير المطوية، والطريقة التي تجد بها السلاسل بنيتها الأصلية بسرعة على الرغم من العدد الفلكي للتكوينات الممكنة. ويغطي قياسات الاستقرار وصورة المشهد الطاقوي، ولكنه يترك الطي بمساعدة الشابرونات وأمراض التكتل للمجالات المجاورة.
Core questions
- ما هي مساهمات الطاقة الحرة التي تجعل البروتين المطوي مستقرًا، ولماذا يكون الاستقرار الصافي عادةً صغيرًا؟
- كيف تحدد السلسلة بنيتها الأصلية دون البحث في جميع التكوينات (مفارقة ليفينثال)؟
- لماذا يتصرف الطي غالبًا كانتقال تعاوني، شبه ثنائي الحالة؟
- كيف يتم قياس الاستقرار التشكلي تجريبيًا؟
Key theories
- الفرضية الديناميكية الحرارية
- البنية الأصلية هي الحد الأدنى العالمي للطاقة الحرة الذي تحدده تسلسل الأحماض الأمينية، كما يتضح من إعادة طي أنفينسن العكسية للريبونوكلياز المتمسخ.
- مشهد قمع الطي
- الطي هو انحدار متحيز في مشهد طاقة حرة على شكل قمع، مما يحل مفارقة ليفينثال لأن العديد من المسارات المطوية جزئيًا تؤدي إلى الأسفل نحو الحد الأدنى الأصلي بدلاً من البحث العشوائي الأعمى.
Mechanisms
ينشأ الاستقرار الأصلي من مجموع التفاعلات الضعيفة — الروابط الهيدروجينية، وتعبئة فان دير فالس، والجسور الملحية، والدفن الكاره للماء للمخلفات غير القطبية — والتي يقابلها فقدان كبير في الإنتروبيا التشكيلية عند الطي، مما يترك استقرارًا صافيًا لا يتجاوز عشرات الكيلوجول لكل مول. يتقدم الطي من خلال التكوين التدريجي للبنية الثانوية والانهيار الكاره للماء على طول مشهد قمعي، بحيث تصل السلسلة إلى الحوض الأصلي في جداول زمنية بيولوجية. تعمل المواد المسببة للتمسخ، أو درجة الحرارة، أو الأس الهيدروجيني على تحويل التوازن، وتستخدم انتقالات التمسخ الناتجة لتحديد كمية الاستقرار.
Clinical relevance
تعد كفاءة الطي واستقراره أمرًا أساسيًا في سبب تجمع بعض التسلسلات أو سوء طيها، وهو موضوع مرتبط باضطرابات تشكيل البروتين؛ وفهم الفيزياء الكامنة وراء ذلك هو خلفية تعليمية لتلك البيولوجيا بدلاً من كونه إرشادًا سريريًا.
History
أرست تجارب أنفينسن لإعادة الطي في الستينيات الفرضية الديناميكية الحرارية؛ ثم صاغ ليفينثال مفارقة كيف يمكن أن يكون الطي سريعًا على الرغم من المساحة التشكيلية الشاسعة، والتي حلتها صورة المشهد الطاقوي وقمع الطي التي تطورت في التسعينيات.
Key figures
- Christian Anfinsen
- Cyrus Levinthal
- Ken Dill
- Peter Wolynes
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- dillchan1997
Frequently asked questions
- ما هي مفارقة ليفينثال؟
- هي الملاحظة التي تشير إلى أن البروتين لا يمكن أن ينطوي عن طريق أخذ عينات عشوائية من جميع التكوينات الممكنة، لأن ذلك سيستغرق وقتًا طويلاً بشكل فلكي، ومع ذلك فإن البروتينات الحقيقية تنطوي في ميكروثوانٍ إلى ثوانٍ — مما يعني أن الطي يتبع مسارات متحيزة ومنحدرة.
- هل البروتينات المطوية مستقرة جدًا؟
- عادةً ما تكون هامشية فقط؛ فالطاقة الحرة الصافية التي تثبت الحالة الأصلية على المجموعة غير المطوية تكون متواضعة عادةً، مما يسمح للبروتينات بالطي بشكل عكسي والبقاء مرنة بما يكفي لأداء وظيفتها.