การพับตัวของโปรตีนและการประกอบเอนไซม์

ก่อนที่เอนไซม์จะสามารถเร่งปฏิกิริยาใดๆ ได้ สายโพลีเปปไทด์ที่สังเคราะห์ขึ้นใหม่จะต้องพับตัวเป็นรูปร่างสามมิติที่แม่นยำ และเอนไซม์หลายชนิดยังต้องประกอบสายหลายสายเข้าด้วยกันเป็นเชิงซ้อนที่ทำงานได้ การพับตัวถูกขับเคลื่อนด้วยลำดับกรดอะมิโน แต่ได้รับความช่วยเหลือในเซลล์จากโมเลกุลชาเปอโรน และความล้มเหลวในการพับตัวอาจทำให้เกิดโปรตีนที่ไม่ทำงานหรือมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเป็นก้อน

Definition

การพับตัวของโปรตีน (protein folding) คือกระบวนการที่สายโพลีเปปไทด์ได้รับโครงสร้างสามมิติที่ทำงานได้ การประกอบเอนไซม์ (enzyme assembly) คือการรวมตัวกันของหน่วยย่อยที่พับตัวแล้ว (และโคแฟกเตอร์ใดๆ) เข้าเป็นเอนไซม์ที่สมบูรณ์และมีฤทธิ์เร่งปฏิกิริยาในภายหลัง

Scope

บทความนี้ครอบคลุมพื้นฐานทางเทอร์โมไดนามิกของการพับตัว การพับตัวที่ได้รับความช่วยเหลือจากชาเปอโรนและการควบคุมคุณภาพ การประกอบหน่วยย่อยเข้าเป็นโครงสร้างจตุรภูมิ และผลที่ตามมาของการพับตัวผิดพลาดและการรวมตัวกันเป็นก้อน โดยถือว่าการพับตัวและการประกอบเป็นชีวเคมีอ้างอิง และไม่ใช่แหล่งข้อมูลสำหรับคำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• อะไรเป็นตัวกำหนดโครงสร้างที่พับตัวของโปรตีน?
• โมเลกุลชาเปอโรนช่วยในการพับตัวในเซลล์ได้อย่างไร?
• เอนไซม์ประกอบขึ้นจากหน่วยย่อยหลายหน่วยได้อย่างไร?
• เกิดอะไรขึ้นเมื่อการพับตัวล้มเหลว?

Key concepts

• สภาวะธรรมชาติและพลังงานอิสระต่ำสุด
• ลำดับเป็นตัวกำหนดโครงสร้าง
• โมเลกุลชาเปอโรน
• การประกอบหน่วยย่อยจตุรภูมิ
• การพับตัวผิดพลาดและการรวมตัวกันเป็นก้อนของโปรตีน
• การก่อตัวของอะไมลอยด์
• การทำนายโครงสร้างด้วยคอมพิวเตอร์

Key theories

สมมติฐานทางเทอร์โมไดนามิกของ Anfinsen

ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา คอนฟอร์เมชันธรรมชาติที่มีพลังงานอิสระต่ำสุดของโปรตีนถูกกำหนดโดยลำดับกรดอะมิโน ดังนั้นข้อมูลการพับตัวที่จำเป็นสำหรับการทำงานจึงอยู่ในลำดับนั้นเอง

Mechanisms

สายโพลีเปปไทด์ที่เกิดขึ้นใหม่จะสุ่มตัวอย่างคอนฟอร์เมชันและยุบตัวเข้าสู่สภาวะธรรมชาติที่มีพลังงานอิสระต่ำสุด โดยมีลำดับที่กำหนดสภาวะนั้นภายใต้สภาวะของเซลล์ เนื่องจากเซลล์ที่มีความหนาแน่นสูงมักจะส่งเสริมการพับตัวผิดพลาดและการรวมตัวกันเป็นก้อน โมเลกุลชาเปอโรนจึงจับกับบริเวณไฮโดรโฟบิกที่เปิดออก ป้องกันการรวมตัวที่ไม่เหมาะสม และให้โอกาสสายโปรตีนพับตัวได้อย่างถูกต้องซ้ำๆ ในขณะที่ระบบควบคุมคุณภาพจะย่อยสลายโปรตีนที่ล้มเหลว จากนั้นเอนไซม์หลายชนิดจะประกอบหน่วยย่อยที่พับตัวแล้ว และจับกับโคแฟกเตอร์ที่จำเป็น เพื่อสร้างโฮโลเอนไซม์ที่ทำงานได้ เมื่อการพับตัวผิดพลาด โปรตีนอาจสูญเสียกิจกรรมหรือเปลี่ยนเป็นสารรวมตัวที่เป็นระเบียบ เช่น อะไมลอยด์ไฟบริล ความก้าวหน้าในการทำนายด้วยคอมพิวเตอร์ในปัจจุบันช่วยให้สามารถอนุมานโครงสร้างที่พับตัวได้อย่างแม่นยำโดยตรงจากลำดับ

Clinical relevance

การพับตัวผิดพลาดและการรวมตัวกันเป็นก้อนของโปรตีนเป็นลักษณะเฉพาะของโรคต่างๆ ในมนุษย์ ดังนั้นการทำความเข้าใจการพับตัวและการควบคุมคุณภาพจึงเป็นพื้นฐานที่สำคัญสำหรับการวิจัยทางชีวการแพทย์ บทความนี้อธิบายชีววิทยาของการพับตัวและการประกอบเพื่อการอ้างอิง และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

การทดลองการพับตัวใหม่ของ Anfinsen ซึ่งสังเคราะห์ขึ้นในรายงานของเขาในปี 1973 ได้ยืนยันว่าลำดับเป็นตัวกำหนดโครงสร้าง และตั้งคำถามว่าการพับตัวเกิดขึ้นได้อย่างรวดเร็วได้อย่างไร การค้นพบโมเลกุลชาเปอโรนในภายหลังแสดงให้เห็นว่า แม้ว่าเทอร์โมไดนามิกจะควบคุมปลายทาง แต่เซลล์ก็ช่วยนำทางและป้องกันการรวมตัวกันเป็นก้อนอย่างแข็งขัน (Tyedmers และคณะ, 2010) งานวิจัยเกี่ยวกับการพับตัวผิดพลาดเชื่อมโยงการพับตัวที่ผิดปกติเข้ากับโรคอะไมลอยด์ (Chiti และ Dobson, 2006; Knowles และคณะ, 2014) และวิธีการเรียนรู้เชิงลึกในภายหลังประสบความสำเร็จในการทำนายโครงสร้างที่แม่นยำจากลำดับ (Jumper และคณะ, 2021)

Key figures

• Christian B. Anfinsen
• Christopher M. Dobson
• F. Ulrich Hartl

Seminal works

• anfinsen-1973
• chiti-2006
• jumper-2021

Frequently asked questions

ลำดับของโปรตีนมีข้อมูลทั้งหมดที่จำเป็นสำหรับการพับตัวจริงหรือ?

ภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา โครงสร้างธรรมชาติคือสภาวะที่มีพลังงานอิสระต่ำสุดของลำดับ ดังนั้นข้อมูลการพับตัวจึงถูกเข้ารหัสอยู่ในลำดับ อย่างไรก็ตาม ในเซลล์ที่มีความหนาแน่นสูง มักจำเป็นต้องมีชาเปอโรนเพื่อช่วยให้เข้าถึงสภาวะนั้นได้อย่างมีประสิทธิภาพและหลีกเลี่ยงการรวมตัวกันเป็นก้อน

เหตุใดการประกอบเอนไซม์จึงมีความสำคัญต่อกิจกรรม?

เอนไซม์หลายชนิดจะทำงานได้ก็ต่อเมื่อเป็นเชิงซ้อนหลายหน่วยย่อยที่พับตัวแล้วและมีโคแฟกเตอร์อยู่ครบถ้วน การพับตัวและการประกอบที่ถูกต้องเป็นสิ่งจำเป็นเบื้องต้นสำหรับการสร้างตำแหน่งเร่งปฏิกิริยาที่สมบูรณ์