Сворачивание и стабильность белков

Физическая проблема того, как неструктурированная полипептидная цепь достигает своей уникальной нативной укладки, и что делает эту укладку незначительно, но надежно стабильной.

Definition

Сворачивание белка — это процесс, посредством которого полипептидная цепь принимает свою функциональную трехмерную структуру; стабильность — это разница свободной энергии между этим нативным состоянием и развернутым ансамблем.

Scope

Эта тема рассматривает сворачивание как термодинамическую и кинетическую проблему: баланс свободной энергии, который стабилизирует нативное состояние, кооперативный двухстадийный переход между свернутой и развернутой формами, а также то, как цепи быстро находят свою нативную структуру, несмотря на астрономическое количество возможных конформаций. Она охватывает измерения стабильности и картину энергетического ландшафта, но оставляет сворачивание с участием шаперонов и агрегационные заболевания для соседних областей.

Core questions

• Какие вклады свободной энергии делают свернутый белок стабильным, и почему чистая стабильность обычно мала?
• Как цепь находит свою нативную структуру, не перебирая все конформации (парадокс Левинталя)?
• Почему сворачивание часто ведет себя как кооперативный, почти двухстадийный переход?
• Как экспериментально измеряется конформационная стабильность?

Key theories

Термодинамическая гипотеза

Нативная структура представляет собой глобальный минимум свободной энергии, определяемый аминокислотной последовательностью, как показано обратимым рефолдингом денатурированной рибонуклеазы Анфинсеном.

Ландшафт воронки сворачивания

Сворачивание представляет собой направленный спуск по воронкообразному ландшафту свободной энергии, что разрешает парадокс Левинталя, поскольку многие частично свернутые пути ведут вниз к нативному минимуму, а не к слепому случайному поиску.

Mechanisms

Нативная стабильность возникает из суммированных слабых взаимодействий — водородных связей, ван-дер-ваальсовой упаковки, солевых мостиков и гидрофобного захоронения неполярных остатков — компенсируемых большой конформационной энтропией, теряемой при сворачивании, что оставляет чистую стабилизацию всего в десятки килоджоулей на моль. Сворачивание происходит путем прогрессивного образования вторичной структуры и гидрофобного коллапса вдоль воронкообразного ландшафта, так что цепь достигает нативного бассейна в биологические сроки. Денатуранты, температура или pH смещают равновесие, и возникающие переходы разворачивания используются для количественной оценки стабильности.

Clinical relevance

Эффективность сворачивания и стабильность являются центральными факторами того, почему некоторые последовательности агрегируют или неправильно сворачиваются, что связано с конформационными нарушениями белков; понимание основной физики является образовательной основой для этой биологии, а не клиническим руководством.

History

Эксперименты Анфинсена по рефолдингу в 1960-х годах установили термодинамическую гипотезу; затем Левинталь сформулировал парадокс того, как сворачивание может быть быстрым, несмотря на огромное конформационное пространство, который был разрешен картиной энергетического ландшафта и воронки сворачивания, разработанной в 1990-х годах.

Key figures

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

Seminal works

• anfinsen1973
• dillchan1997

Frequently asked questions

Что такое парадокс Левинталя?

Это наблюдение, что белок не может свернуться путем случайного перебора всех возможных конформаций, потому что это заняло бы астрономически много времени, однако реальные белки сворачиваются за микросекунды-секунды — что подразумевает, что сворачивание происходит по направленным, нисходящим путям.

Очень ли стабильны свернутые белки?

Обычно лишь незначительно; чистая свободная энергия, стабилизирующая нативное состояние по сравнению с развернутым ансамблем, как правило, умеренна, что позволяет белкам обратимо сворачиваться и оставаться достаточно гибкими для функционирования.