Gấp cuộn protein

Gấp cuộn protein là quá trình một chuỗi polypeptide đạt được cấu trúc ba chiều chức năng của nó, được điều chỉnh bởi nhiệt động lực học và được hỗ trợ trong tế bào bởi các chaperone phân tử.

Definition

Gấp cuộn protein là quá trình tự phát hoặc được hỗ trợ, trong đó một polypeptide không có cấu trúc ban đầu chuyển thành cấu hình tự nhiên, có hoạt tính sinh học, được xác định phần lớn bởi trình tự axit amin của nó trong điều kiện sinh lý.

Scope

Chủ đề này bao gồm cơ sở nhiệt động lực học của quá trình gấp cuộn, hàm lượng thông tin của trình tự axit amin, câu đố động học về cách gấp cuộn xảy ra nhanh chóng, hình ảnh cảnh quan năng lượng (phễu), biến tính và tái gấp cuộn, và bộ máy tế bào—chaperone—hỗ trợ quá trình gấp cuộn. Nó coi quá trình gấp cuộn như một vấn đề vật lý-hóa học.

Core questions

• Liệu trình tự axit amin có tự nó xác định cấu trúc tự nhiên không?
• Làm thế nào một protein có thể gấp cuộn nhanh chóng mặc dù có số lượng cấu hình khả dĩ khổng lồ?
• Những lực nhiệt động nào thúc đẩy quá trình gấp cuộn?
• Điều gì xảy ra sai khi protein gấp cuộn sai?

Key theories

Giả thuyết nhiệt động lực học của Anfinsen

Anfinsen đã chỉ ra rằng một protein bị biến tính có thể tái gấp cuộn về trạng thái tự nhiên của nó trong ống nghiệm, kết luận rằng cấu trúc tự nhiên là cấu hình ổn định nhất về mặt nhiệt động lực học được mã hóa hoàn toàn bởi trình tự axit amin.

Nghịch lý của Levinthal và phễu gấp cuộn

Levinthal lưu ý rằng việc lấy mẫu ngẫu nhiên tất cả các cấu hình sẽ mất nhiều thời gian hơn tuổi của vũ trụ, ngụ ý rằng quá trình gấp cuộn tuân theo các con đường xác định; giải pháp hiện đại là một cảnh quan năng lượng hình phễu hướng dẫn chuỗi về trạng thái tự nhiên.

Mechanisms

Quá trình gấp cuộn chủ yếu được thúc đẩy bởi hiệu ứng kỵ nước, chôn vùi các chuỗi bên không phân cực tránh xa nước, với các liên kết hydro, sự sắp xếp van der Waals và tương tác tĩnh điện cung cấp tính đặc hiệu. Thay vì tìm kiếm tất cả các cấu hình, chuỗi đi xuống một cảnh quan năng lượng tự do hình phễu hướng tới mức tối thiểu tự nhiên; trong tế bào, các chaperone như hệ thống Hsp70 và chaperonin ngăn chặn sự kết tụ và hỗ trợ quá trình gấp cuộn mà không xác định cấu trúc cuối cùng.

Clinical relevance

Vấn đề gấp cuộn và đối tác gấp cuộn sai của nó là nền tảng cho hóa học protein và dự đoán cấu trúc bằng máy tính; gấp cuộn sai và kết tụ minh họa tại sao độ chính xác của quá trình gấp cuộn lại quan trọng. Cách tiếp cận này mang tính cơ chế và không mang tính kê đơn.

History

Các thí nghiệm tái gấp cuộn ribonuclease của Anfinsen vào đầu những năm 1960 đã thiết lập giả thuyết nhiệt động lực học; Levinthal đã trình bày nghịch lý động học vào năm 1969; và quan điểm cảnh quan năng lượng phát triển trong suốt những năm 1990 đã dung hòa quá trình gấp cuộn nhanh với không gian cấu hình rộng lớn.

Key figures

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

Seminal works

• anfinsen1973
• levinthal1969
• dill2012

Frequently asked questions

Biến tính protein là gì?

Biến tính là sự mất cấu trúc gấp cuộn của protein—do nhiệt, thay đổi pH hoặc các tác nhân hóa học—thường làm mất chức năng; trong một số trường hợp, nó có thể đảo ngược khi khôi phục điều kiện tự nhiên.

Chaperone làm gì?

Các chaperone phân tử liên kết với các chuỗi đã gấp cuộn một phần để ngăn chặn sự gấp cuộn sai và kết tụ, đồng thời cung cấp một môi trường được bảo vệ cho quá trình gấp cuộn, mà không quyết định cấu trúc tự nhiên cuối cùng được mã hóa bởi trình tự.