प्रोटीन फोल्डिंग

प्रोटीन फोल्डिंग वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक पॉलीपेप्टाइड श्रृंखला अपनी कार्यात्मक त्रि-आयामी संरचना प्राप्त करती है, जो ऊष्मागतिकी (thermodynamics) द्वारा नियंत्रित होती है और कोशिका में आणविक चैपरोन (molecular chaperones) द्वारा सहायता प्राप्त करती है।

Definition

प्रोटीन फोल्डिंग वह स्वतःस्फूर्त या सहायता प्राप्त प्रक्रिया है जिसके द्वारा एक असंरचित पॉलीपेप्टाइड अपनी मूल, जैविक रूप से सक्रिय संरचना को अपनाता है, जो शारीरिक परिस्थितियों में मुख्य रूप से उसके अमीनो एसिड अनुक्रम द्वारा निर्धारित होती है।

Scope

यह विषय फोल्डिंग के ऊष्मागतिक आधार, अमीनो एसिड अनुक्रम की सूचना सामग्री, फोल्डिंग कितनी तेजी से होती है इसकी गतिज पहेली, ऊर्जा-परिदृश्य (फनल) चित्र, विकृतीकरण (denaturation) और पुनः फोल्डिंग, और कोशिकीय मशीनरी—चैपरोन—जो फोल्डिंग में सहायता करती है, को शामिल करता है। यह फोल्डिंग को एक भौतिक-रासायनिक समस्या के रूप में मानता है।

Core questions

• क्या केवल अमीनो एसिड अनुक्रम ही मूल संरचना को निर्धारित करता है?
• खगोलीय संख्या में संभावित संरूपणों के बावजूद एक प्रोटीन इतनी तेज़ी से कैसे फोल्ड हो सकता है?
• फोल्डिंग को कौन सी ऊष्मागतिक शक्तियाँ संचालित करती हैं?
• प्रोटीन के मिसफोल्ड होने पर क्या गलत होता है?

Key theories

एंफिन्सन की ऊष्मागतिक परिकल्पना

एंफिन्सन ने दिखाया कि एक विकृत प्रोटीन विट्रो (in vitro) में अपनी मूल अवस्था में पुनः फोल्ड हो सकता है, यह निष्कर्ष निकालते हुए कि मूल संरचना ऊष्मागतिक रूप से सबसे स्थिर संरूपण है जो पूरी तरह से अमीनो एसिड अनुक्रम द्वारा एन्कोड की जाती है।

लेविंथल का विरोधाभास और फोल्डिंग फनल

लेविंथल ने उल्लेख किया कि सभी संरूपणों का यादृच्छिक नमूनाकरण ब्रह्मांड की आयु से अधिक समय लेगा, जिसका अर्थ है कि फोल्डिंग परिभाषित मार्गों का अनुसरण करती है; आधुनिक समाधान एक फनल-आकार का ऊर्जा परिदृश्य है जो श्रृंखला को मूल अवस्था की ओर निर्देशित करता है।

Mechanisms

फोल्डिंग मुख्य रूप से हाइड्रोफोबिक प्रभाव (hydrophobic effect) द्वारा संचालित होती है, जो गैर-ध्रुवीय पार्श्व श्रृंखलाओं को पानी से दूर रखती है, जिसमें हाइड्रोजन बंधन, वैन डेर वाल्स पैकिंग और इलेक्ट्रोस्टैटिक अंतःक्रियाएं विशिष्टता प्रदान करती हैं। सभी संरूपणों की खोज करने के बजाय, श्रृंखला एक फनलनुमा मुक्त-ऊर्जा परिदृश्य (funneled free-energy landscape) से मूल न्यूनतम की ओर उतरती है; कोशिकाओं में, Hsp70 और चैपरोनिन प्रणालियों जैसे चैपरोन एकत्रीकरण को रोकते हैं और अंतिम संरचना को निर्दिष्ट किए बिना फोल्डिंग में सहायता करते हैं।

Clinical relevance

फोल्डिंग समस्या और इसकी मिसफोल्डिंग (misfolding) समकक्ष प्रोटीन रसायन विज्ञान और कम्प्यूटेशनल संरचना भविष्यवाणी के लिए मौलिक हैं; मिसफोल्डिंग और एकत्रीकरण यह दर्शाते हैं कि फोल्डिंग निष्ठा क्यों मायने रखती है। यह उपचार यांत्रिक और गैर-निर्धारक है।

History

1960 के दशक की शुरुआत में एंफिन्सन के राइबोन्यूक्लिएज़ पुनः फोल्डिंग प्रयोगों ने ऊष्मागतिक परिकल्पना (thermodynamic hypothesis) स्थापित की; लेविंथल ने 1969 में गतिज विरोधाभास (kinetic paradox) को स्पष्ट किया; और 1990 के दशक के दौरान विकसित ऊर्जा-परिदृश्य दृष्टिकोण ने विशाल संरूपणात्मक स्थान के साथ तीव्र फोल्डिंग का सामंजस्य स्थापित किया।

Key figures

• Christian Anfinsen
• Cyrus Levinthal
• Ken Dill
• Peter Wolynes

Seminal works

• anfinsen1973
• levinthal1969
• dill2012

Frequently asked questions

प्रोटीन विकृतीकरण (denaturation) क्या है?

विकृतीकरण एक प्रोटीन की फोल्डेड संरचना का नुकसान है—जो गर्मी, पीएच परिवर्तन, या रासायनिक एजेंटों के कारण होता है—जो आमतौर पर कार्य को समाप्त कर देता है; कुछ मामलों में मूल स्थितियों को बहाल करने पर यह प्रतिवर्ती होता है।

चैपरोन क्या करते हैं?

आणविक चैपरोन आंशिक रूप से फोल्डेड श्रृंखलाओं को बांधते हैं ताकि मिसफोल्डिंग और एकत्रीकरण को रोका जा सके और फोल्डिंग के लिए एक संरक्षित वातावरण प्रदान किया जा सके, बिना अनुक्रम द्वारा एन्कोड की गई अंतिम मूल संरचना को निर्धारित किए।