stringtranslate.com

Сворачивание белка

Белок до и после сворачивания
Результаты сворачивания белка

Сворачивание белка - это физический процесс , посредством которого белок , после синтеза рибосомой в виде линейной цепи аминокислот , переходит из нестабильной случайной спирали в более упорядоченную трехмерную структуру . Эта структура позволяет белку стать биологически функциональным. [1]

Сворачивание многих белков начинается еще во время трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, известную как нативное состояние белка . Эта структура определяется последовательностью аминокислот или первичной структурой . [2]

Правильная трехмерная структура необходима для функционирования, хотя некоторые части функциональных белков могут оставаться развернутыми , [3] что указывает на важность динамики белков . Неспособность сворачиваться в нативную структуру обычно приводит к неактивным белкам, но в некоторых случаях неправильно свернутые белки имеют измененную или токсичную функциональность. Считается, что несколько нейродегенеративных и других заболеваний являются результатом накопления амилоидных фибрилл, образованных неправильно свернутыми белками, инфекционные разновидности которых известны как прионы . [4] Многие аллергии вызваны неправильным сворачиванием некоторых белков, поскольку иммунная система не вырабатывает антитела для определенных структур белков. [5]

Денатурация белков — это процесс перехода из свернутого в развернутое состояние . Это происходит при приготовлении пищи , ожогах , протеинопатиях и других ситуациях. Остаточная структура, присутствующая, если таковая имеется, в предположительно развернутом состоянии, может образовывать место инициации сворачивания и направлять последующие реакции сворачивания. [6]

Продолжительность процесса сворачивания существенно варьируется в зависимости от интересующего белка. При изучении вне клетки , самым медленным сворачивающимся белкам требуется много минут или часов для сворачивания, в первую очередь из-за изомеризации пролина , и они должны пройти через ряд промежуточных состояний, таких как контрольные точки, прежде чем процесс будет завершен. [7] С другой стороны, очень маленькие однодоменные белки длиной до ста аминокислот обычно сворачиваются за один шаг. [8] Временные масштабы в миллисекунды являются нормой, и самые быстрые известные реакции сворачивания белка завершаются в течение нескольких микросекунд. [9] Временной масштаб сворачивания белка зависит от его размера, порядка контактов и топологии цепи . [10]

Понимание и моделирование процесса сворачивания белка стало важной задачей вычислительной биологии с конца 1960-х годов.

Процесс сворачивания белка

Первичная структура

Первичная структура белка, его линейная аминокислотная последовательность, определяет его нативную конформацию. [11] Конкретные аминокислотные остатки и их положение в полипептидной цепи являются определяющими факторами, по которым части белка складываются близко друг к другу и формируют его трехмерную конформацию. Аминокислотный состав не так важен, как последовательность. [12] Однако существенным фактом сворачивания остается то, что аминокислотная последовательность каждого белка содержит информацию, которая определяет как нативную структуру, так и путь достижения этого состояния. Это не означает, что почти идентичные аминокислотные последовательности всегда сворачиваются одинаково. [13] Конформации различаются также в зависимости от факторов окружающей среды; похожие белки сворачиваются по-разному в зависимости от того, где они находятся.

Вторичная структура

Спиральное образование альфа -спирали
Антипараллельный бета-складчатый слой, демонстрирующий водородные связи внутри остова

Формирование вторичной структуры является первым шагом в процессе сворачивания, который белок предпринимает, чтобы принять свою нативную структуру. Характерными для вторичной структуры являются структуры, известные как альфа-спирали и бета-слои , которые быстро сворачиваются, поскольку они стабилизированы внутримолекулярными водородными связями , как это впервые охарактеризовал Линус Полинг . Образование внутримолекулярных водородных связей обеспечивает еще один важный вклад в стабильность белка. [14] α-спирали образуются путем водородного связывания остова , образуя спиральную форму (см. рисунок справа). [12] β-складчатый слой представляет собой структуру, которая образуется при изгибе остова, образуя водородные связи (как показано на рисунке слева). Водородные связи образуются между амидным водородом и карбонильным кислородом пептидной связи . Существуют антипараллельные β-складчатые слои и параллельные β-складчатые слои, где стабильность водородных связей сильнее в антипараллельном β-слое, поскольку водородные связи образуются под идеальным углом в 180 градусов по сравнению с наклонными водородными связями, образованными параллельными слоями. [12]

Третичная структура

α-спирали и β-слои обычно амфипатичны, то есть имеют гидрофильную и гидрофобную части. Эта способность помогает формировать третичную структуру белка, в которой сворачивание происходит таким образом, что гидрофильные стороны обращены к водной среде, окружающей белок, а гидрофобные стороны обращены к гидрофобному ядру белка. [15] Вторичная структура иерархически уступает место образованию третичной структуры. После того, как третичная структура белка сформирована и стабилизирована гидрофобными взаимодействиями, может также существовать ковалентная связь в форме дисульфидных мостиков, образованных между двумя остатками цистеина . Эти нековалентные и ковалентные контакты принимают определенное топологическое расположение в нативной структуре белка. Третичная структура белка включает одну полипептидную цепь; однако дополнительные взаимодействия сложенных полипептидных цепей приводят к образованию четвертичной структуры. [16]

Четвертичная структура

Третичная структура может уступить место образованию четвертичной структуры в некоторых белках, что обычно включает «сборку» или «совместную сборку» субъединиц, которые уже были свернутыми; другими словами, несколько полипептидных цепей могут взаимодействовать, образуя полностью функциональный четвертичный белок. [12]

Движущие силы сворачивания белка

Обобщение всех форм структуры белка

Сворачивание — это спонтанный процесс , который в основном направляется гидрофобными взаимодействиями, образованием внутримолекулярных водородных связей , силами Ван-дер-Ваальса и ему противостоит конформационная энтропия . [17] Процесс сворачивания часто начинается котрансляционно , так что N-конец белка начинает сворачиваться, в то время как C-концевая часть белка все еще синтезируется рибосомой ; однако молекула белка может сворачиваться спонтанно во время или после биосинтеза . [18] Хотя эти макромолекулы можно рассматривать как « сворачивающиеся сами по себе » , процесс также зависит от растворителя ( вода или липидный бислой ), [19] концентрации солей , pH , температуры , возможного присутствия кофакторов и молекулярных шаперонов .

Белки будут иметь ограничения на свои способности к сворачиванию из-за ограниченных углов изгиба или возможных конформаций. Эти допустимые углы сворачивания белка описываются двумерным графиком, известным как график Рамачандрана , изображенным с помощью углов пси и фи допустимого вращения. [20]

Гидрофобный эффект

Гидрофобный коллапс . В компактной складке (справа) гидрофобные аминокислоты (показаны как черные сферы) коллапсируют по направлению к центру, чтобы стать защищенными от водной среды.

Сворачивание белка должно быть термодинамически выгодным внутри клетки, чтобы это была спонтанная реакция. Поскольку известно, что сворачивание белка является спонтанной реакцией, то оно должно предполагать отрицательное значение свободной энергии Гиббса . Свободная энергия Гиббса при сворачивании белка напрямую связана с энтальпией и энтропией . [12] Для возникновения отрицательной дельта G и для того, чтобы сворачивание белка стало термодинамически выгодным, то либо энтальпия, либо энтропия, либо оба термина должны быть выгодными.

Энтропия уменьшается по мере того, как молекулы воды становятся более упорядоченными вблизи гидрофобного растворенного вещества.

Минимизация количества гидрофобных боковых цепей, подвергающихся воздействию воды, является важной движущей силой процесса сворачивания. [21] Гидрофобный эффект — это явление, при котором гидрофобные цепи белка схлопываются в ядро ​​белка (вдали от гидрофильной среды). [12] В водной среде молекулы воды имеют тенденцию собираться вокруг гидрофобных областей или боковых цепей белка, создавая водные оболочки упорядоченных молекул воды. [22] Упорядочение молекул воды вокруг гидрофобной области увеличивает порядок в системе и, следовательно, вносит отрицательный вклад в энтропию (меньше энтропии в системе). Молекулы воды фиксируются в этих водных клетках, что приводит к гидрофобному коллапсу или внутреннему сворачиванию гидрофобных групп. Гидрофобный коллапс возвращает энтропию в систему посредством разрушения водных клеток, что освобождает упорядоченные молекулы воды. [12] Множество гидрофобных групп, взаимодействующих внутри ядра глобулярного свернутого белка, вносит значительный вклад в стабильность белка после сворачивания из-за значительно накопленных сил Ван-дер-Ваальса (в частности, сил дисперсии Лондона ). [12] Гидрофобный эффект существует как движущая сила в термодинамике только в том случае, если присутствует водная среда с амфифильной молекулой, содержащей большую гидрофобную область. [23] Прочность водородных связей зависит от их окружения; таким образом, водородные связи, заключенные в гидрофобное ядро, вносят больший вклад, чем водородные связи, экспонированные в водной среде, в стабильность нативного состояния. [24]

В белках с глобулярными складками гидрофобные аминокислоты имеют тенденцию быть разбросанными вдоль первичной последовательности, а не беспорядочно распределенными или сгруппированными вместе. [25] [26] Однако белки, которые недавно родились de novo , которые, как правило, изначально неупорядочены , [27] [28] демонстрируют противоположную картину кластеризации гидрофобных аминокислот вдоль первичной последовательности. [29]

Сопровождающие

Пример небольшого эукариотического белка теплового шока

Молекулярные шапероны — это класс белков, которые помогают в правильном сворачивании других белков in vivo . Шапероны существуют во всех клеточных компартментах и ​​взаимодействуют с полипептидной цепью, чтобы обеспечить формирование нативной трехмерной конформации белка; однако сами шапероны не включены в конечную структуру белка, в формировании которого они участвуют. [30] Шапероны могут помогать в сворачивании, даже когда зарождающийся полипептид синтезируется рибосомой. [31] Молекулярные шапероны действуют путем связывания для стабилизации в противном случае нестабильной структуры белка на пути его сворачивания, но шапероны не содержат необходимой информации, чтобы знать правильную нативную структуру белка, которому они помогают; скорее, шапероны работают, предотвращая неправильные конформации сворачивания. [31] Таким образом, шапероны фактически не увеличивают скорость отдельных шагов, вовлеченных в путь сворачивания к нативной структуре; Вместо этого они работают, уменьшая возможные нежелательные агрегации полипептидной цепи, которые в противном случае могли бы замедлить поиск надлежащего промежуточного продукта, и они обеспечивают более эффективный путь для принятия полипептидной цепью правильных конформаций. [30] Шапероны не следует путать с белками- катализаторами сворачивания , которые катализируют химические реакции, ответственные за медленные этапы в путях сворачивания. Примерами катализаторов сворачивания являются протеиндисульфидизомеразы и пептидил -пролилизомеразы , которые могут участвовать в образовании дисульфидных связей или взаимопревращении между цис- и транс-стереоизомерами пептидной группы. [31] Показано, что шапероны играют решающую роль в процессе сворачивания белка in vivo, поскольку они предоставляют белку помощь, необходимую для принятия его правильных выравниваний и конформаций достаточно эффективно, чтобы стать «биологически значимым». [32] Это означает, что полипептидная цепь теоретически может сворачиваться в свою нативную структуру без помощи шаперонов, как продемонстрировано в экспериментах по сворачиванию белка, проведенных in vitro ; [32] однако этот процесс оказывается слишком неэффективным или слишком медленным, чтобы существовать в биологических системах; поэтому шапероны необходимы для сворачивания белка in vivo. Наряду с его ролью в содействии формированию нативной структуры, шапероны, как показано, участвуют в различных ролях, таких как транспорт белка, деградация и даже позволяют денатурированным белкам, подвергшимся воздействию определенных внешних денатурирующих факторов, снова сворачиваться в их правильные нативные структуры. [33]

Полностью денатурированный белок не имеет ни третичной, ни вторичной структуры и существует в виде так называемой случайной спирали . При определенных условиях некоторые белки могут повторно сворачиваться; однако во многих случаях денатурация необратима. [34] Иногда клетки защищают свои белки от денатурирующего воздействия тепла с помощью ферментов, известных как белки теплового шока (тип шаперона), которые помогают другим белкам как сворачиваться, так и оставаться свернутыми. Белки теплового шока были обнаружены у всех исследованных видов, от бактерий до людей, что позволяет предположить, что они эволюционировали очень рано и выполняют важную функцию. Некоторые белки вообще никогда не сворачиваются в клетках, за исключением случаев, когда это происходит с помощью шаперонов, которые либо изолируют отдельные белки, чтобы их сворачивание не прерывалось взаимодействиями с другими белками, либо помогают разворачивать неправильно свернутые белки, позволяя им повторно сворачиваться в правильную нативную структуру. [35] Эта функция имеет решающее значение для предотвращения риска осаждения в нерастворимые аморфные агрегаты. Внешние факторы, участвующие в денатурации белка или нарушении нативного состояния, включают температуру, внешние поля (электрические, магнитные), [36] молекулярное скопление, [37] и даже ограничение пространства (т. е. заключение), которые могут иметь большое влияние на сворачивание белков. [38] Высокие концентрации растворенных веществ , экстремальные значения pH , механические силы и присутствие химических денатурантов также могут способствовать денатурации белка. Эти отдельные факторы вместе классифицируются как стрессы. Показано, что шапероны существуют в возрастающих концентрациях во время клеточного стресса и помогают правильному сворачиванию возникающих белков, а также денатурированных или неправильно свернутых. [30]

При некоторых условиях белки не будут складываться в свои биохимически функциональные формы. Температуры выше или ниже диапазона, в котором клетки, как правило, живут, заставят термически нестабильные белки разворачиваться или денатурировать (именно поэтому кипячение делает яичный белок непрозрачным). Однако термическая стабильность белков далека от постоянной; например, были обнаружены гипертермофильные бактерии , которые растут при температурах до 122 °C, [39] что, конечно, требует, чтобы их полный набор жизненно важных белков и белковых комплексов был стабильным при этой температуре или выше.

Бактерия E. coli является хозяином для бактериофага T4 , а кодируемый фагом белок gp31 ( P17313 ), по-видимому, структурно и функционально гомологичен шаперонному белку GroES E. coli и способен заменять его при сборке вирусных частиц бактериофага T4 во время инфекции. [40] Подобно GroES, gp31 образует стабильный комплекс с шаперонином GroEL , который абсолютно необходим для сворачивания и сборки in vivo основного капсидного белка бактериофага T4 gp23. [40]

Переключение складок

Некоторые белки имеют множественные собственные структуры и меняют свою укладку в зависимости от некоторых внешних факторов. Например, белок KaiB переключается на укладку в течение дня , действуя как часы для цианобактерий. Было подсчитано, что около 0,5–4% белков PDB ( Protein Data Bank ) переключают укладку. [41]

Неправильное сворачивание белков и нейродегенеративные заболевания

Белок считается неправильно свернутым, если он не может достичь своего нормального нативного состояния. Это может быть связано с мутациями в аминокислотной последовательности или нарушением нормального процесса сворачивания внешними факторами. [42] Неправильно свернутый белок обычно содержит β-слои , которые организованы в надмолекулярном расположении, известном как кросс-β-структура. Эти богатые β-слоями сборки очень стабильны, очень нерастворимы и, как правило, устойчивы к протеолизу. [43] Структурная стабильность этих фибриллярных сборок обусловлена ​​обширными взаимодействиями между мономерами белка, образованными водородными связями остова между их β-цепями. [43] Неправильное сворачивание белков может спровоцировать дальнейшее неправильное сворачивание и накопление других белков в агрегаты или олигомеры. Повышенные уровни агрегированных белков в клетке приводят к образованию амилоидоподобных структур, которые могут вызывать дегенеративные расстройства и гибель клеток. [42] Амилоиды представляют собой фибриллярные структуры, содержащие межмолекулярные водородные связи, которые являются крайне нерастворимыми и образованы из преобразованных белковых агрегатов. [42] Поэтому протеасомный путь может быть недостаточно эффективным для деградации неправильно свернутых белков до агрегации. Неправильно свернутые белки могут взаимодействовать друг с другом и образовывать структурированные агрегаты и приобретать токсичность через межмолекулярные взаимодействия. [42]

Агрегированные белки связаны с заболеваниями, связанными с прионами , такими как болезнь Крейтцфельдта-Якоба , губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (коровье бешенство), заболеваниями, связанными с амилоидом, такими как болезнь Альцгеймера и семейная амилоидная кардиомиопатия или полинейропатия , [44], а также с заболеваниями внутриклеточной агрегации, такими как болезнь Хантингтона и болезнь Паркинсона . [4] [45] Эти дегенеративные заболевания, возникающие в возрасте, связаны с агрегацией неправильно свернутых белков в нерастворимые внеклеточные агрегаты и/или внутриклеточные включения, включая перекрестные β- амилоидные фибриллы . Не совсем ясно, являются ли агрегаты причиной или просто отражением потери гомеостаза белка, баланса между синтезом, сворачиванием, агрегацией и оборотом белка. Недавно Европейское агентство по лекарственным средствам одобрило использование Тафамидиса или Виндакеля (кинетический стабилизатор тетрамерного транстиретина) для лечения транстиретиновых амилоидных заболеваний. Это говорит о том, что процесс образования амилоидных фибрилл (а не сами фибриллы) вызывает дегенерацию постмитотической ткани при амилоидных заболеваниях человека. [46] Неправильное сворачивание и чрезмерная деградация вместо сворачивания и функционирования приводят к ряду заболеваний протеопатии, таких как эмфизема , связанная с антитрипсином , кистозный фиброз и лизосомные болезни накопления , где потеря функции является причиной расстройства. В то время как заместительная терапия белками исторически использовалась для коррекции последних расстройств, новый подход заключается в использовании фармацевтических шаперонов для сворачивания мутировавших белков с целью придания им функциональности.

Экспериментальные методы изучения сворачивания белков

Хотя выводы о сворачивании белков можно сделать с помощью мутационных исследований , экспериментальные методы изучения сворачивания белков, как правило, основаны на постепенном развертывании или сворачивании белков и наблюдении за конформационными изменениями с использованием стандартных некристаллографических методов.

рентгеновская кристаллография

Этапы рентгеновской кристаллографии

Рентгеновская кристаллография является одним из наиболее эффективных и важных методов для попытки расшифровать трехмерную конфигурацию свернутого белка. [47] Чтобы иметь возможность проводить рентгеновскую кристаллографию, исследуемый белок должен быть расположен внутри кристаллической решетки. Чтобы поместить белок внутрь кристаллической решетки, необходимо иметь подходящий растворитель для кристаллизации, получить чистый белок на пересыщенных уровнях в растворе и осадить кристаллы в растворе. [48] После того, как белок кристаллизован, рентгеновские лучи могут быть сконцентрированы через кристаллическую решетку, которая будет дифрагировать лучи или выстреливать ими наружу в различных направлениях. Эти выходящие лучи коррелируют с определенной трехмерной конфигурацией белка, заключенного внутри. Рентгеновские лучи специфически взаимодействуют с электронными облаками, окружающими отдельные атомы внутри кристаллической решетки белка, и создают различимую дифракционную картину. [15] Только связывая облака электронной плотности с амплитудой рентгеновских лучей, можно прочитать эту картину и сделать предположения о фазах или фазовых углах, которые усложняют этот метод. [49] Без связи, установленной с помощью математической основы, известной как преобразование Фурье , « проблема фазы » сделала бы предсказание дифракционных картин очень сложным. [15] Новые методы, такие как множественное изоморфное замещение, используют присутствие иона тяжелого металла для дифракции рентгеновских лучей более предсказуемым образом, уменьшая количество задействованных переменных и решая проблему фазы. [47]

Флуоресцентная спектроскопия

Флуоресцентная спектроскопия является высокочувствительным методом изучения состояния сворачивания белков. Три аминокислоты, фенилаланин (Phe), тирозин (Tyr) и триптофан (Trp), обладают собственными флуоресцентными свойствами, но только Tyr и Trp используются экспериментально, поскольку их квантовые выходы достаточно высоки, чтобы давать хорошие сигналы флуоресценции. Оба Trp и Tyr возбуждаются длиной волны 280 нм, тогда как только Trp возбуждается длиной волны 295 нм. Из-за своего ароматического характера остатки Trp и Tyr часто обнаруживаются полностью или частично скрытыми в гидрофобном ядре белков, на границе между двумя доменами белка или на границе между субъединицами олигомерных белков. В этой неполярной среде они имеют высокие квантовые выходы и, следовательно, высокую интенсивность флуоресценции. При нарушении третичной или четвертичной структуры белка эти боковые цепи становятся более подверженными гидрофильной среде растворителя, и их квантовые выходы уменьшаются, что приводит к низкой интенсивности флуоресценции. Для остатков Trp длина волны их максимальной флуоресцентной эмиссии также зависит от их среды.

Флуоресцентная спектроскопия может быть использована для характеристики равновесного развертывания белков путем измерения изменения интенсивности флуоресцентного излучения или длины волны максимального излучения в зависимости от значения денатуранта. [50] [51] Денатурантом может быть химическая молекула (мочевина, гидрохлорид гуанидиния), температура, pH, давление и т. д. Равновесие между различными, но дискретными состояниями белка, т. е. нативным состоянием, промежуточными состояниями, развернутым состоянием, зависит от значения денатуранта; следовательно, глобальный сигнал флуоресценции их равновесной смеси также зависит от этого значения. Таким образом, получается профиль, связывающий глобальный сигнал белка со значением денатуранта. Профиль равновесного развертывания может позволить обнаружить и идентифицировать промежуточные продукты развертывания. [52] [53] Хьюз Бедуэль разработал общие уравнения для получения термодинамических параметров, которые характеризуют равновесия развертывания для гомомерных или гетеромерных белков, вплоть до тримеров и потенциально тетрамеров, из таких профилей. [50] Флуоресцентную спектроскопию можно комбинировать с устройствами быстрого смешивания, такими как остановленный поток , для измерения кинетики сворачивания белка, [54] создания шевронного графика и получения анализа значения Фи .

Круговой дихроизм

Круговой дихроизм является одним из наиболее общих и основных инструментов для изучения сворачивания белка. Спектроскопия кругового дихроизма измеряет поглощение кругово поляризованного света . В белках такие структуры, как альфа-спирали и бета-слои, являются хиральными и, таким образом, поглощают такой свет. Поглощение этого света действует как маркер степени сворачиваемости белкового ансамбля. Этот метод использовался для измерения равновесного разворачивания белка путем измерения изменения этого поглощения в зависимости от концентрации денатуранта или температуры . Расплав денатуранта измеряет свободную энергию разворачивания, а также значение m белка или зависимость от денатуранта. Расплав температуры измеряет температуру денатурации (Tm) белка. [50] Что касается флуоресцентной спектроскопии, спектроскопию кругового дихроизма можно комбинировать с быстро смешивающими устройствами, такими как остановленный поток, для измерения кинетики сворачивания белка и создания шевронных диаграмм .

Колебательный круговой дихроизм белков

Более поздние разработки методов вибрационного кругового дихроизма (VCD) для белков, в настоящее время включающие приборы преобразования Фурье (FT), предоставляют мощные средства для определения конформаций белков в растворе даже для очень больших молекул белков. Такие исследования VCD белков можно комбинировать с данными рентгеновской дифракции для кристаллов белков, данными FT-IR для растворов белков в тяжелой воде (D 2 O) или квантовыми вычислениями .

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса белков

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) белков способен собирать структурные данные белков, индуцируя магнитное поле через образцы концентрированного белка. В ЯМР, в зависимости от химической среды, определенные ядра будут поглощать определенные радиочастоты. [55] [56] Поскольку структурные изменения белков происходят во временной шкале от нс до мс, ЯМР особенно подходит для изучения промежуточных структур во временных масштабах от пс до с. [57] Некоторые из основных методов изучения структуры белков и нефолдинговых структурных изменений белков включают COSY , TOCSY ,  HSQC , релаксацию во времени (T1 и T2) и NOE . [55] NOE особенно полезен, поскольку можно наблюдать переносы намагниченности между пространственно близкими атомами водорода. [55] Различные эксперименты ЯМР имеют разную степень чувствительности к временной шкале, которая подходит для различных структурных изменений белков. NOE может улавливать колебания связей или вращения боковых цепей, однако NOE слишком чувствителен, чтобы улавливать сворачивание белка, поскольку оно происходит в более широких временных масштабах. [57]

Временная шкала структурных изменений белка, соответствующая экспериментам ЯМР. Для сворачивания белка релаксационная дисперсия CPMG (CPMG RD) и перенос насыщения химического обмена (CEST) собирают данные в соответствующей временной шкале.

Поскольку сворачивание белка происходит примерно за 50–3000 с −1 , релаксационная дисперсия CPMG и перенос насыщения химического обмена стали одними из основных методов ЯМР-анализа сворачивания. [56] Кроме того, оба метода используются для обнаружения возбужденных промежуточных состояний в ландшафте сворачивания белка. [58] Для этого релаксационная дисперсия CPMG использует явление спинового эха . Этот метод подвергает целевые ядра воздействию 90-кратного импульса, за которым следует один или несколько 180-кратных импульсов. [59] По мере того, как ядра перефокусируются, широкое распределение указывает на то, что целевые ядра вовлечены в промежуточное возбужденное состояние. Рассматривая графики релаксационной дисперсии, данные собирают информацию о термодинамике и кинетике между возбужденным и основным состояниями. [59] [58] Перенос насыщения измеряет изменения сигнала от основного состояния по мере того, как возбужденные состояния становятся возмущенными. Он использует слабое радиочастотное облучение для насыщения возбужденного состояния определенного ядра, которое переводит его насыщение в основное состояние. [56] Этот сигнал усиливается за счет уменьшения намагниченности (и сигнала) основного состояния. [56] [58]

Основным ограничением ЯМР является то, что его разрешение уменьшается для белков, которые больше 25 кДа, и оно не такое подробное, как рентгеновская кристаллография . [56] Кроме того, анализ ЯМР белков довольно сложен и может предложить несколько решений из одного и того же спектра ЯМР. [55]

В исследовании, посвященном сворачиванию белка SOD1 , вовлеченного в боковой амиотрофический склероз , возбужденные промежуточные состояния изучались с помощью релаксационной дисперсии и переноса насыщения. [60] SOD1 ранее был связан со многими мутантами, вызывающими заболевания, которые, как предполагалось, участвовали в агрегации белков, однако механизм все еще был неизвестен. С помощью экспериментов по релаксационной дисперсии и переносу насыщения было обнаружено множество возбужденных промежуточных состояний, неправильно сворачивающихся в мутантах SOD1. [60]

Двойная поляризационная интерферометрия

Двойная поляризационная интерферометрия — это метод измерения оптических свойств молекулярных слоев на основе поверхности. При использовании для характеристики сворачивания белка он измеряет конформацию , определяя общий размер монослоя белка и его плотность в реальном времени с субангстремным разрешением [61], хотя измерение кинетики сворачивания белка в реальном времени ограничено процессами, которые происходят медленнее ~10 Гц. Подобно круговому дихроизму , стимулом для сворачивания может быть денатурант или температура .

Исследования складчатости с высоким временным разрешением

Изучение сворачивания белка значительно продвинулось в последние годы благодаря разработке быстрых, разрешенных во времени методов. Экспериментаторы быстро запускают сворачивание образца развернутого белка и наблюдают результирующую динамику . Быстрые методы включают нейтронное рассеяние , [62] сверхбыстрое смешивание растворов, фотохимические методы и лазерную спектроскопию скачков температуры . Среди многих ученых, которые внесли вклад в разработку этих методов, можно назвать Джереми Кука, Генриха Родера, Терри Оаса, Гарри Грея , Мартина Грюбеле , Брайана Дайера, Уильяма Итона, Шину Рэдфорд , Криса Добсона , Алана Фершта , Бенгта Нёльтинга и Ларса Конермана.

Протеолиз

Протеолиз обычно используется для исследования фракции, развернутой в широком диапазоне условий раствора (например, быстрый параллельный протеолиз (FASTpp) . [63] [64]

Спектроскопия сил одиночных молекул

Методы исследования отдельных молекул, такие как оптический пинцет и АСМ, использовались для понимания механизмов сворачивания белков изолированных белков, а также белков с шаперонами. [65] Оптический пинцет использовался для растягивания отдельных молекул белка с их C- и N-концов и их разворачивания, чтобы можно было изучить последующее повторное сворачивание. [66] Этот метод позволяет измерять скорости сворачивания на уровне отдельных молекул; например, оптический пинцет недавно применялся для изучения сворачивания и разворачивания белков, участвующих в свертывании крови. Фактор фон Виллебранда (vWF) — это белок, играющий важную роль в процессе образования сгустка крови. Было обнаружено — с помощью измерения с помощью оптического пинцета отдельной молекулы — что связанный с кальцием vWF действует как датчик силы сдвига в крови. Сила сдвига приводит к разворачиванию домена A2 vWF, скорость повторного сворачивания которого резко увеличивается в присутствии кальция. [67] Недавно было также показано, что простой домен src SH3 под действием силы получает доступ к нескольким путям разворачивания. [68]

Биотиновая живопись

Биотиновая окраска позволяет делать клеточные снимки (не)сложенных белков в зависимости от состояния. Биотиновая «окраска» показывает смещение в сторону предсказанных Внутренне неупорядоченных белков . [69]

Вычислительные исследования сворачивания белков

Вычислительные исследования сворачивания белков включают три основных аспекта, связанных с прогнозированием стабильности белка, кинетики и структуры. Обзор 2013 года суммирует доступные вычислительные методы для сворачивания белков. [70]

Парадокс Левинталя

В 1969 году Сайрус Левинталь заметил, что из-за очень большого числа степеней свободы в развернутой полипептидной цепи молекула имеет астрономическое число возможных конформаций. В одной из его статей была сделана оценка в 3 300 или 10 143. [71] Парадокс Левинталя — это мысленный эксперимент, основанный на наблюдении, что если бы белок был свернут путем последовательной выборки всех возможных конформаций, то это заняло бы астрономическое количество времени, даже если бы конформации были отобраны с большой скоростью (в наносекундном или пикосекундном масштабе ). [72] Основываясь на наблюдении, что белки свернут намного быстрее этого, Левинталь затем предположил, что случайный конформационный поиск не происходит, и поэтому белок должен свернуться через ряд метастабильных промежуточных состояний .

Энергетический ландшафт сворачивания белка

Энергетическая воронка, посредством которой развернутая полипептидная цепь принимает свою нативную структуру.

Конфигурационное пространство белка во время сворачивания можно визуализировать как энергетический ландшафт . Согласно Джозефу Брингельсону и Питеру Волайнсу , белки следуют принципу минимальной фрустрации , что означает, что естественным образом эволюционировавшие белки оптимизировали свои энергетические ландшафты сворачивания, [73] и что природа выбрала аминокислотные последовательности таким образом, чтобы свернутое состояние белка было достаточно стабильным. Кроме того, приобретение свернутого состояния должно было стать достаточно быстрым процессом. Несмотря на то, что природа снизила уровень фрустрации в белках, некоторая ее степень сохраняется до сих пор, что можно наблюдать по наличию локальных минимумов в энергетическом ландшафте белков.

Следствием этих эволюционно отобранных последовательностей является то, что белки, как правило, считаются имеющими глобально «воронкообразные энергетические ландшафты» (термин, введенный Хосе Онучичем ) [74] , которые в значительной степени направлены к нативному состоянию. Этот « складывающийся воронкообразный » ландшафт позволяет белку сворачиваться в нативное состояние через любой из большого количества путей и промежуточных продуктов, а не ограничиваться одним механизмом. Теория подтверждается как вычислительным моделированием модельных белков , так и экспериментальными исследованиями [73], и она использовалась для улучшения методов прогнозирования и проектирования структуры белка . [73] Описание сворачивания белка с помощью выравнивающего ландшафта свободной энергии также согласуется со 2-м законом термодинамики. [75] Физически думать о ландшафтах в терминах визуализируемых потенциальных или полных энергетических поверхностей просто с максимумами, седловыми точками, минимумами и воронками, скорее как о географических ландшафтах, возможно, немного вводит в заблуждение. Соответствующее описание на самом деле представляет собой многомерное фазовое пространство, в котором многообразия могут принимать различные более сложные топологические формы. [76]

Развернутая полипептидная цепь начинается в верхней части воронки, где она может предполагать наибольшее количество развернутых вариаций и находится в своем наивысшем энергетическом состоянии. Энергетические ландшафты, такие как эти, указывают на то, что существует большое количество начальных возможностей, но возможно только одно нативное состояние; однако они не раскрывают многочисленные возможные пути сворачивания. Другая молекула того же самого белка может быть способна следовать незначительно отличающимся путям сворачивания, ища другие промежуточные продукты с более низкой энергией, пока достигается та же самая нативная структура. [77] Различные пути могут иметь разные частоты использования в зависимости от термодинамической благоприятности каждого пути. Это означает, что если один путь оказывается более термодинамически благоприятным, чем другой, он, вероятно, будет использоваться чаще в поисках нативной структуры. [77] Когда белок начинает сворачиваться и принимать свои различные конформации, он всегда ищет более термодинамически благоприятную структуру, чем раньше, и, таким образом, продолжает движение по энергетической воронке. Образование вторичных структур является сильным признаком повышенной стабильности внутри белка, и только одна комбинация вторичных структур, предполагаемая полипептидным остовом, будет иметь самую низкую энергию и, следовательно, присутствовать в нативном состоянии белка. [77] Среди первых структур, которые образуются, как только полипептид начинает сворачиваться, находятся альфа-спирали и бета-повороты, где альфа-спирали могут образоваться всего за 100 наносекунд, а бета-повороты — за 1 микросекунду. [30]

Существует седловая точка в ландшафте энергетической воронки, где находится переходное состояние для конкретного белка. [30] Переходное состояние на диаграмме энергетической воронки - это конформация, которую должна принять каждая молекула этого белка, если белок хочет окончательно принять нативную структуру. Ни один белок не может принять нативную структуру, не пройдя сначала через переходное состояние. [30] Переходное состояние можно назвать вариантом или преждевременной формой нативного состояния, а не просто еще одним промежуточным шагом. [78] Показано, что сворачивание переходного состояния является определяющим скорость, и даже если оно существует в более высоком энергетическом состоянии, чем нативное сворачивание, оно очень похоже на нативную структуру. В переходном состоянии существует ядро, вокруг которого белок может сворачиваться, образованное процессом, называемым «конденсацией зародыша», где структура начинает коллапсировать на ядро. [78]

Моделирование сворачивания белка

Folding@home использует модели марковских состояний , подобные представленной здесь, для моделирования возможных форм и путей сворачивания, которые может принять белок при конденсации из своего первоначального случайно скрученного состояния (слева) в свою исходную трехмерную структуру (справа).

Методы de novo или ab initio для прогнозирования структуры вычислительного белка могут использоваться для моделирования различных аспектов сворачивания белка. Молекулярная динамика (МД) использовалась в моделировании сворачивания белка и динамики in silico . [79] Первые моделирования равновесного сворачивания были выполнены с использованием неявной модели растворителя и зонтичной выборки . [80] Из-за вычислительных затрат моделирование сворачивания МД ab initio с явной водой ограничено пептидами и небольшими белками. [81] [82] Моделирование МД более крупных белков остается ограниченным динамикой экспериментальной структуры или ее высокотемпературным развертыванием. Длительные процессы сворачивания (более 1 миллисекунды), такие как сворачивание более крупных белков (>150 остатков), могут быть доступны с использованием крупнозернистых моделей . [83] [84] [85]

Несколько крупномасштабных вычислительных проектов, таких как Rosetta @home [86], Folding@home [87] и Foldit [88] , нацелены на изучение сворачивания белков.

Длинные непрерывные траекторные симуляции были выполнены на Anton , массивно-параллельном суперкомпьютере, разработанном и построенном на основе специализированных микросхем ASIC и межсоединений компанией DE Shaw Research . Самым длинным опубликованным результатом симуляции, выполненной с использованием Anton по состоянию на 2011 год, была симуляция NTL9 длительностью 2,936 миллисекунд при 355 К. [89] Такие симуляции в настоящее время способны разворачивать и повторно сворачивать небольшие белки (<150 аминокислотных остатков) в равновесии и предсказывать, как мутации влияют на кинетику сворачивания и стабильность. [90]

В 2020 году группа исследователей, использовавшая AlphaFold , программу прогнозирования структуры белка на основе искусственного интеллекта (ИИ), разработанную DeepMind, заняла первое место в CASP , давнем конкурсе по прогнозированию структуры [91]. Группа достигла уровня точности, намного превышающего уровень любой другой группы. [92] Она набрала более 90% для примерно двух третей белков в глобальном тесте расстояния CASP (GDT) , тесте, который измеряет степень сходства между структурой, предсказанной вычислительной программой, и эмпирической структурой, определенной экспериментально в лаборатории. Оценка 100 считается полным совпадением в пределах расстояния, используемого для расчета GDT. [93]

Результаты предсказания структуры белка AlphaFold в CASP были описаны как «трансформационные» и «поразительные». [94] [95] Некоторые исследователи отметили, что точность недостаточно высока для трети его предсказаний, и что он не раскрывает физический механизм сворачивания белка, чтобы проблема сворачивания белка могла считаться решенной. [96] Тем не менее, это считается значительным достижением в вычислительной биологии [93] и большим прогрессом на пути к десятилетней великой задаче биологии — предсказанию структуры белков. [94]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Альбертс Б. , Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтерс П. (2002). «Форма и структура белков». Молекулярная биология клетки; Четвертое издание . Нью-Йорк и Лондон: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  2. ^ Anfinsen CB (июль 1972). «Формирование и стабилизация структуры белка». The Biochemical Journal . 128 (4): 737–49. doi :10.1042/bj1280737. PMC 1173893. PMID  4565129 . 
  3. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). "3. Структура и функция белка". Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4684-3.
  4. ^ ab Selkoe DJ (декабрь 2003 г.). «Сворачивание белков фатальными способами». Nature . 426 (6968): 900–4. Bibcode :2003Natur.426..900S. doi :10.1038/nature02264. PMID  14685251. S2CID  6451881.
  5. ^ Альбертс Б., Брей Д., Хопкин К., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2010). «Структура и функция белка». Essential cell biology (Третье изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк: Garland Science. стр. 120–70. ISBN 978-0-8153-4454-4.
  6. ^ Яги-Утсуми М., Чандак М.С., Янака С., Хираньякорн М., Накамура Т., Като К., Куваджима К. (ноябрь 2020 г.). «Остаточная структура развернутого убиквитина, выявленная с помощью двумерного ЯМР-обмена водорода и дейтерия». Biophysical Journal . 119 (10): 2029–38. doi :10.1016/j.bpj.2020.10.003. PMC 7732725 . PMID  33142107. 
  7. ^ Ким PS, Болдуин RL (1990). «Промежуточные продукты в реакциях сворачивания малых белков». Annual Review of Biochemistry . 59 : 631–60. doi :10.1146/annurev.bi.59.070190.003215. PMID  2197986.
  8. ^ Джексон С.Е. (1998). «Как сворачиваются небольшие однодоменные белки?». Фолдинг и дизайн . 3 (4): R81-91. doi :10.1016/S1359-0278(98)00033-9. PMID  9710577.
  9. ^ Kubelka J, Hofrichter J, Eaton WA (февраль 2004 г.). «Ограничение скорости сворачивания белка». Current Opinion in Structural Biology . 14 (1): 76–88. doi :10.1016/j.sbi.2004.01.013. PMID  15102453.
  10. ^ Скальвини, Барбара; Шейххассани, Вахид; Машаги, Алиреза (2021). «Топологические принципы сворачивания белков». Физическая химия Химическая физика . 23 (37): 21316–21328. Bibcode :2021PCCP...2321316S. doi :10.1039/D1CP03390E. hdl : 1887/3277889 . PMID  34545868. S2CID  237583577.
  11. ^ Anfinsen CB (июль 1973). «Принципы, управляющие сворачиванием белковых цепей». Science . 181 (4096): 223–30. Bibcode :1973Sci...181..223A. doi :10.1126/science.181.4096.223. PMID  4124164.
  12. ^ abcdefgh Voet D, Voet JG, Pratt CW (2016). Принципы биохимии (пятое изд.). Wiley. ISBN 978-1-118-91840-1.
  13. ^ Alexander PA, He Y, Chen Y, Orban J, Bryan PN (июль 2007 г.). «Конструирование и характеристика двух белков с 88% идентичностью последовательностей, но разной структурой и функцией». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (29): 11963–8. Bibcode : 2007PNAS..10411963A. doi : 10.1073/pnas.0700922104 . PMC 1906725. PMID  17609385 . 
  14. ^ Rose GD, Fleming PJ, Banavar JR, Maritan A (ноябрь 2006 г.). «Теория сворачивания белка на основе остова». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (45): 16623–33. Bibcode : 2006PNAS..10316623R. CiteSeerX 10.1.1.630.5487 . doi : 10.1073/pnas.0606843103 . PMC 1636505. PMID  17075053 .  
  15. ^ abc Фершт А (1999). Структура и механизм в науке о белках: руководство по ферментативному катализу и фолдингу белков. Macmillan. ISBN 978-0-7167-3268-6.
  16. ^ "Структура белка". Scitable . Nature Education . Получено 2016-11-26 .
  17. ^ Pratt C, Cornely K (2004). "Термодинамика". Essential Biochemistry . Wiley. ISBN 978-0-471-39387-0. Получено 26.11.2016 .
  18. ^ Чжан Г, Игнатова З (февраль 2011). «Сворачивание при рождении зарождающейся цепи: координация трансляции с котрансляционным складыванием». Current Opinion in Structural Biology . 21 (1): 25–31. doi :10.1016/j.sbi.2010.10.008. PMID  21111607.
  19. ^ van den Berg B, Wain R, Dobson CM, Ellis RJ (август 2000 г.). «Макромолекулярная скученность нарушает кинетику рефолдинга белков: последствия для фолдинга внутри клетки». The EMBO Journal . 19 (15): 3870–5. doi :10.1093/emboj/19.15.3870. PMC 306593. PMID  10921869 . 
  20. ^ Аль-Карадаги С. «Углы кручения и диаграмма Рамахнадрана в структурах белков». www.proteinstructures.com . Получено 26.11.2016 .
  21. ^ Pace CN, Shirley BA, McNutt M, Gajiwala K (январь 1996). «Силы, способствующие конформационной стабильности белков». FASEB Journal . 10 (1): 75–83. doi : 10.1096/fasebj.10.1.8566551 . PMID  8566551. S2CID  20021399.
  22. ^ Cui D, Ou S, Patel S (декабрь 2014 г.). «Пронизывающее белок водное сетевое взаимодействие и его значение для прогнозирования белок-белковых взаимодействий, опосредованных гидрофобными эффектами». Proteins . 82 (12): 3312–26. doi :10.1002/prot.24683. PMID  25204743. S2CID  27113763.
  23. ^ Tanford C (июнь 1978). «Гидрофобный эффект и организация живой материи». Science . 200 (4345): 1012–8. Bibcode :1978Sci...200.1012T. doi :10.1126/science.653353. PMID  653353.
  24. ^ Deechongkit S, Nguyen H, Powers ET, Dawson PE, Gruebele M, Kelly JW (июль 2004 г.). «Контекстно-зависимые вклады водородных связей остова в энергетику складывания бета-слоя». Nature . 430 (6995): 101–5. Bibcode :2004Natur.430..101D. doi :10.1038/nature02611. PMID  15229605. S2CID  4315026.
  25. ^ Irbäck A, Sandelin E (ноябрь 2000 г.). «О корреляциях гидрофобности в белковых цепях». Biophysical Journal . 79 (5): 2252–8. arXiv : cond-mat/0010390 . Bibcode :2000BpJ....79.2252I. doi :10.1016/S0006-3495(00)76472-1. PMC 1301114 . PMID  11053106. 
  26. ^ Irbäck A, Peterson C, Potthast F (сентябрь 1996 г.). «Доказательства неслучайных структур гидрофобности в белковых цепях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (18): 9533–8. arXiv : chem-ph/9512004 . Bibcode :1996PNAS...93.9533I. doi : 10.1073/pnas.93.18.9533 . PMC 38463 . PMID  8790365. 
  27. ^ Wilson BA, Foy SG, Neme R, Masel J (июнь 2017 г.). «Рождение гена De Novo». Nature Ecology & Evolution . 1 (6): 0146–146. doi :10.1038/s41559-017-0146. PMC 5476217. PMID  28642936 . 
  28. ^ Уиллис С., Масел Дж. (сентябрь 2018 г.). «Рождение гена способствует структурному расстройству, кодируемому перекрывающимися генами». Генетика . 210 (1): 303–313. doi :10.1534/genetics.118.301249. PMC 6116962. PMID  30026186 . 
  29. ^ Foy SG, Wilson BA, Bertram J, Cordes MH, Masel J (апрель 2019 г.). «Изменение стратегии избегания агрегации знаменует долгосрочное направление эволюции белков». Genetics . 211 (4): 1345–1355. doi :10.1534/genetics.118.301719. PMC 6456324 . PMID  30692195. 
  30. ^ abcdef Dobson CM (декабрь 2003 г.). «Сворачивание и неправильное сворачивание белков». Nature . 426 (6968): 884–90. Bibcode :2003Natur.426..884D. doi :10.1038/nature02261. PMID  14685248. S2CID  1036192.
  31. ^ abc Hartl FU (июнь 1996). "Молекулярные шапероны в клеточной укладке белков". Nature . 381 (6583): 571–9. Bibcode :1996Natur.381..571H. doi :10.1038/381571a0. PMID  8637592. S2CID  4347271.
  32. ^ ab Hartl FU, Bracher A, Hayer-Hartl M (июль 2011 г.). «Молекулярные шапероны в сворачивании белков и протеостазе». Nature . 475 (7356): 324–32. doi :10.1038/nature10317. PMID  21776078. S2CID  4337671.
  33. ^ Kim YE, Hipp MS, Bracher A, Hayer-Hartl M, Hartl FU (2013). «Функции молекулярных шаперонов в фолдинге белков и протеостазе». Annual Review of Biochemistry . 82 : 323–55. doi :10.1146/annurev-biochem-060208-092442. PMID  23746257.
  34. ^ Shortle D (январь 1996). «Денатурированное состояние (вторая половина уравнения сворачивания) и его роль в стабильности белка». FASEB Journal . 10 (1): 27–34. doi : 10.1096/fasebj.10.1.8566543 . PMID  8566543. S2CID  24066207.
  35. ^ Ли С, Цай ФТ (2005). «Молекулярные шапероны в контроле качества белков». Журнал биохимии и молекулярной биологии . 38 (3): 259–65. doi : 10.5483/BMBRep.2005.38.3.259 . PMID  15943899.
  36. ^ Охеда-Мэй П., Гарсия М. Э. (июль 2010 г.). «Нарушение конформации нативного бета-листового белка под действием электрического поля и генерация спиральной структуры». Biophysical Journal . 99 (2): 595–9. Bibcode :2010BpJ....99..595O. doi :10.1016/j.bpj.2010.04.040. PMC 2905109 . PMID  20643079. 
  37. ^ van den Berg B, Ellis RJ, Dobson CM (декабрь 1999 г.). «Влияние макромолекулярного краудинга на сворачивание и агрегацию белков». The EMBO Journal . 18 (24): 6927–33. doi :10.1093/emboj/18.24.6927. PMC 1171756. PMID  10601015 . 
  38. ^ Ellis RJ (июль 2006 г.). «Молекулярные шапероны: помощь в сборке в дополнение к фолдингу». Trends in Biochemical Sciences . 31 (7): 395–401. doi :10.1016/j.tibs.2006.05.001. PMID  16716593.
  39. ^ Takai K, Nakamura K, Toki T, Tsunogai U, Miyazaki M, Miyazaki J, Hirayama H, Nakagawa S, Nunoura T, Horikoshi K (август 2008 г.). «Пролиферация клеток при 122 градусах Цельсия и производство изотопно тяжелого CH4 гипертермофильным метаногеном при культивировании под высоким давлением». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (31): 10949–54. Bibcode : 2008PNAS..10510949T. doi : 10.1073/pnas.0712334105 . PMC 2490668. PMID  18664583 . 
  40. ^ аб Марусич, Э.И.; Курочкина, Л.П.; Месянжинов В.В. (апрель 1998 г.). «Шапероны в сборке бактериофага Т4». Биохимия. Биохимия . 63 (4): 399–406. ПМИД  9556522.
  41. ^ Портер, Лорен Л.; Лугер, Лорен Л. (5 июня 2018 г.). «Существующие белки переключения укладки широко распространены». Труды Национальной академии наук . 115 (23): 5968–5973. Bibcode : 2018PNAS..115.5968P. doi : 10.1073/pnas.1800168115 . PMC 6003340. PMID  29784778 . 
  42. ^ abcd Chaudhuri TK, Paul S (апрель 2006 г.). «Заболевания, связанные с неправильным сворачиванием белков, и терапевтические подходы на основе шаперонов». Журнал FEBS . 273 (7): 1331–49. doi : 10.1111/j.1742-4658.2006.05181.x . PMID  16689923. S2CID  23370420.
  43. ^ ab Soto C, Estrada L, Castilla J (март 2006 г.). «Амилоиды, прионы и присущая инфекционная природа неправильно сложенных белковых агрегатов». Trends in Biochemical Sciences . 31 (3): 150–5. doi :10.1016/j.tibs.2006.01.002. PMID  16473510.
  44. ^ Hammarström P, Wiseman RL, Powers ET, Kelly JW (январь 2003 г.). «Профилактика транстиретинового амилоидоза путем изменения энергетики неправильного сворачивания белка». Science . 299 (5607): 713–6. Bibcode :2003Sci...299..713H. doi :10.1126/science.1079589. PMID  12560553. S2CID  30829998.
  45. ^ Chiti F, Dobson CM (2006). «Неправильное сворачивание белков, функциональный амилоид и заболевания человека». Annual Review of Biochemistry . 75 : 333–66. doi :10.1146/annurev.biochem.75.101304.123901. PMID  16756495. S2CID  23797549.
  46. ^ Джонсон SM, Вайсман RL, Секиджима Y, Грин NS, Адамски-Вернер SL, Келли JW (декабрь 2005 г.). «Кинетическая стабилизация в нативном состоянии как стратегия улучшения состояния при заболеваниях, связанных с неправильным сворачиванием белков: фокус на транстиретиновых амилоидозах». Accounts of Chemical Research . 38 (12): 911–21. doi :10.1021/ar020073i. PMID  16359163.
  47. ^ ab Cowtan K (2001). "Проблема фаз в рентгеновской кристаллографии и ее решение" (PDF) . Энциклопедия наук о жизни . Macmillan Publishers Ltd, Nature Publishing Group . Получено 3 ноября 2016 г. .
  48. ^ Drenth J (2007-04-05). Принципы рентгеновской кристаллографии белков. Springer Science & Business Media. ISBN 978-0-387-33746-3.
  49. ^ Тейлор Г. (2003). «Проблема фаз». Acta Crystallographica Section D. 59 ( 11): 1881–90. Bibcode :2003AcCrD..59.1881T. doi : 10.1107/S0907444903017815 . PMID  14573942.
  50. ^ abc Bedouelle H (февраль 2016 г.). «Принципы и уравнения для измерения и интерпретации стабильности белка: от мономера к тетрамеру». Biochimie . 121 : 29–37. doi :10.1016/j.biochi.2015.11.013. PMID  26607240.
  51. ^ Monsellier E, Bedouelle H (сентябрь 2005 г.). «Количественное измерение стабильности белка из разворачивающихся равновесий, контролируемых с помощью максимальной длины волны флуоресценции». Protein Engineering, Design & Selection . 18 (9): 445–56. doi : 10.1093/protein/gzi046 . PMID  16087653.
  52. ^ Park YC, Bedouelle H (июль 1998). «Димерная тирозил-тРНК-синтетаза из Bacillus stearothermophilus разворачивается через мономерное промежуточное соединение. Количественный анализ в условиях равновесия». Журнал биологической химии . 273 (29): 18052–9. doi : 10.1074/jbc.273.29.18052 . PMID  9660761.
  53. ^ Ould-Abeih MB, Petit-Topin I, Zidane N, Baron B, Bedouelle H (июнь 2012 г.). «Множественные состояния сворачивания и расстройство рибосомального белка SA, мембранного рецептора для ламинина, антиканцерогенов и патогенов». Биохимия . 51 (24): 4807–21. doi :10.1021/bi300335r. PMID  22640394.
  54. ^ Royer CA (май 2006). «Исследование сворачивания белков и конформационных переходов с помощью флуоресценции». Chemical Reviews . 106 (5): 1769–84. doi :10.1021/cr0404390. PMID  16683754.
  55. ^ abcd Wüthrich K (декабрь 1990 г.). «Определение структуры белка в растворе методом ЯМР-спектроскопии». Журнал биологической химии . 265 (36): 22059–62. doi : 10.1016/S0021-9258(18)45665-7 . PMID  2266107.
  56. ^ abcde Журавлева А, Коржнев ДМ (май 2017). "Сворачивание белков с помощью ЯМР". Прогресс в области ядерно-магнитной резонансной спектроскопии . 100 : 52–77. doi :10.1016/j.pnmrs.2016.10.002. PMID  28552172.
  57. ^ ab Ортега, Габриэль; Понс, Микель; Миллет, Оскар (2013). "Динамика функциональных белков в нескольких временных масштабах, изученная с помощью ЯМР-спектроскопии". Динамика белков и нуклеиновых кислот . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Т. 92. С. 219–251. doi :10.1016/b978-0-12-411636-8.00006-7. ISBN 9780124116368. PMID  23954103.
  58. ^ abc Vallurupalli P, Bouvignies G, Kay LE (май 2012 г.). «Изучение «невидимых» возбужденных состояний белка при медленном обмене с конформацией основного состояния». Журнал Американского химического общества . 134 (19): 8148–61. doi :10.1021/ja3001419. PMID  22554188.
  59. ^ ab Neudecker P, Lundström P, Kay LE (март 2009). "Релаксационная дисперсионная ЯМР-спектроскопия как инструмент для детального изучения сворачивания белков". Biophysical Journal . 96 (6): 2045–54. Bibcode :2009BpJ....96.2045N. doi :10.1016/j.bpj.2008.12.3907. PMC 2717354 . PMID  19289032. 
  60. ^ ab Sekhar A, Rumfeldt JA, Broom HR, Doyle CM, Sobering RE, Meiering EM, Kay LE (ноябрь 2016 г.). «Исследование ландшафтов свободной энергии мутантов SOD1 при болезни БАС методом ЯМР-спектроскопии». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (45): E6939–E6945. Bibcode : 2016PNAS..113E6939S. doi : 10.1073/pnas.1611418113 . PMC 5111666. PMID  27791136 . 
  61. ^ Cross GH, Freeman NJ, Swann MJ (2008). "Двойная поляризационная интерферометрия: оптический метод измерения (био)молекулярной ориентации, структуры и функции в реальном времени на границе раздела твердое тело/жидкость". Справочник по биосенсорам и биочипам . doi :10.1002/9780470061565.hbb055. ISBN 978-0-470-01905-4.
  62. ^ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (сентябрь 2001 г.). «Динамические режимы и коррелированная структурная динамика в нативном и денатурированном альфа-лактальбумине». Журнал молекулярной биологии . 312 (4): 865–73. doi :10.1006/jmbi.2001.5006. PMID  11575938.
  63. ^ Minde DP, Maurice MM, Rüdiger SG (2012). «Определение биофизической стабильности белка в лизатах с помощью быстрого протеолизного анализа, FASTpp». PLOS ONE . 7 (10): e46147. Bibcode : 2012PLoSO...746147M. doi : 10.1371/journal.pone.0046147 . PMC 3463568. PMID  23056252 . 
  64. ^ Park C, Marqusee S (март 2005 г.). «Импульсный протеолиз: простой метод количественного определения стабильности белка и связывания лиганда». Nature Methods . 2 (3): 207–12. doi :10.1038/nmeth740. PMID  15782190. S2CID  21364478.
  65. ^ Mashaghi A, Kramer G, Lamb DC, Mayer MP, Tans SJ (январь 2014 г.). «Действие шаперона на уровне одиночной молекулы». Chemical Reviews . 114 (1): 660–76. doi :10.1021/cr400326k. PMID  24001118.
  66. ^ Jagannathan B, Marqusee S (ноябрь 2013 г.). «Сворачивание и разворачивание белков под действием силы». Biopolymers . 99 (11): 860–9. doi :10.1002/bip.22321. PMC 4065244 . PMID  23784721. 
  67. ^ Якоби А.Дж., Машаги А., Танс С.Дж., Хейзинга Э.Г. (июль 2011 г.). «Кальций модулирует восприятие силы с помощью домена фактора А2 фон Виллебранда». Природные коммуникации . 2 : 385. Бибкод : 2011NatCo...2..385J. дои : 10.1038/ncomms1385. ПМК 3144584 . ПМИД  21750539. 
  68. ^ Jagannathan B, Elms PJ, Bustamante C, Marqusee S (октябрь 2012 г.). «Прямое наблюдение силового переключения в анизотропном механическом пути разворачивания белка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (44): 17820–5. Bibcode : 2012PNAS..10917820J. doi : 10.1073/pnas.1201800109 . PMC 3497811. PMID  22949695 . 
  69. ^ Minde DP, Ramakrishna M, Lilley KS (2018). «Биотинилирование с помощью маркировки близости благоприятствует развёрнутым белкам» (PDF) . bioRxiv . doi : 10.1101/274761 .
  70. ^ Compiani M, Capriotti E (декабрь 2013 г.). «Вычислительные и теоретические методы сворачивания белков». Биохимия . 52 (48): 8601–24. doi :10.1021/bi4001529. PMID  24187909.
  71. ^ "Структурная биохимия/Белки/Сворачивание белков - Wikibooks, открытые книги для открытого мира". en.wikibooks.org . Получено 2016-11-05 .
  72. ^ Levinthal C (1968). «Существуют ли пути для сворачивания белков?» (PDF) . Journal de Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique . 65 : 44–45. Bibcode :1968JCP....65...44L. doi :10.1051/jcp/1968650044. Архивировано из оригинала (PDF) 2009-09-02.
  73. ^ abc Bryngelson JD, Onuchic JN, Socci ND, Wolynes PG (март 1995). «Воронки, пути и энергетический ландшафт сворачивания белка: синтез». Proteins . 21 (3): 167–95. arXiv : chem-ph/9411008 . doi :10.1002/prot.340210302. PMID  7784423. S2CID  13838095.
  74. ^ Leopold PE, Montal M, Onuchic JN (сентябрь 1992 г.). «Воронки сворачивания белков: кинетический подход к взаимосвязи последовательности и структуры». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 89 (18): 8721–5. Bibcode : 1992PNAS...89.8721L. doi : 10.1073 /pnas.89.18.8721 . PMC 49992. PMID  1528885. 
  75. ^ Sharma V, Kaila VR, Annila A (2009). «Сворачивание белка как эволюционный процесс». Physica A: Статистическая механика и ее приложения . 388 (6): 851–62. Bibcode :2009PhyA..388..851S. doi :10.1016/j.physa.2008.12.004.
  76. ^ Robson B, Vaithilingam A (2008). «Повторный взгляд на сворачивание белков». Молекулярная биология сворачивания белков, часть B. Прогресс в молекулярной биологии и трансляционной науке. Том 84. С. 161–202. doi :10.1016/S0079-6603(08)00405-4. ISBN 978-0-12-374595-8. PMID  19121702.
  77. ^ abc Dill KA, MacCallum JL (ноябрь 2012 г.). «Проблема сворачивания белков, 50 лет спустя». Science . 338 (6110): 1042–6. Bibcode :2012Sci...338.1042D. doi :10.1126/science.1219021. PMID  23180855. S2CID  5756068.
  78. ^ ab Fersht AR (февраль 2000). "Переходная структура как объединяющая основа в механизмах сворачивания белков: порядок контактов, топология цепи, стабильность и механизм расширенного ядра". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 97 (4): 1525–9. Bibcode :2000PNAS...97.1525F. doi : 10.1073/pnas.97.4.1525 . PMC 26468 . PMID  10677494. 
  79. ^ Rizzuti B, Daggett V (март 2013 г.). «Использование моделирования для создания основы для экспериментальных исследований сворачивания белков». Архивы биохимии и биофизики . 531 (1–2): 128–35. doi :10.1016/j.abb.2012.12.015. PMC 4084838. PMID  23266569 . 
  80. ^ Шефер М., Бартельс К., Карплюс М. (декабрь 1998 г.). «Конформации растворов и термодинамика структурированных пептидов: моделирование молекулярной динамики с неявной моделью сольватации». Журнал молекулярной биологии . 284 (3): 835–48. doi :10.1006/jmbi.1998.2172. PMID  9826519.
  81. ^ Джонс Д. «Моделирование сворачивания белков на основе фрагментов». Университетский колледж Лондона.
  82. ^ «Сворачивание белка» (по молекулярной динамике) .
  83. ^ Кмиецик С., Гронт Д., Колински М., Витеска Л., Давид А.Е., Колински А. (июль 2016 г.). «Крупнозернистые белковые модели и их применение». Химические обзоры . 116 (14): 7898–936. doi : 10.1021/acs.chemrev.6b00163 . ПМИД  27333362.
  84. ^ Kmiecik S, Kolinski A (июль 2007 г.). «Характеристика путей сворачивания белков с помощью моделирования в сокращенном пространстве». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (30): 12330–5. Bibcode : 2007PNAS..10412330K. doi : 10.1073/pnas.0702265104 . PMC 1941469. PMID  17636132 . 
  85. ^ Adhikari AN, Freed KF, Sosnick TR (октябрь 2012 г.). «Прогнозирование de novo путей и структуры сворачивания белков с использованием принципа последовательной стабилизации». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (43): 17442–7. Bibcode : 2012PNAS..10917442A. doi : 10.1073/pnas.1209000109 . PMC 3491489. PMID  23045636 . 
  86. ^ "Rosetta@home". boinc.bakerlab.org . Получено 14 марта 2023 г. .
  87. ^ "The Folding@home Consortium (FAHC) – Folding@home" . Получено 14 марта 2023 г. .
  88. ^ "Foldit". fold.it . Получено 14 марта 2023 г. .
  89. ^ Lindorff-Larsen K, Piana S, Dror RO, Shaw DE (октябрь 2011 г.). «Как быстро сворачиваются белки». Science . 334 (6055): 517–20. Bibcode :2011Sci...334..517L. doi :10.1126/science.1208351. PMID  22034434. S2CID  27988268.
  90. ^ Пиана С, Пиана С, Саркар К, Линдорфф-Ларсен К, Го М, Грюбеле М, Шоу Д. Э. (2010). «Вычислительное проектирование и экспериментальное тестирование самого быстросворачивающегося β-листового белка». J. Mol. Biol . 405 (1): 43–48. doi :10.1016/j.jmb.2010.10.023. PMID  20974152.
  91. ^ Шеад, Сэм (2020-11-30). «DeepMind решает 50-летнюю «грандиозную задачу» с помощью ИИ для сворачивания белков» CNBC . Получено 2020-11-30 .
  92. ^ Стоддарт, Шарлотта (1 марта 2022 г.). «Структурная биология: как белки получили свой крупный план». Knowable Magazine . doi : 10.1146/knowable-022822-1 . S2CID  247206999 . Получено 25 марта 2022 г. .
  93. ^ Роберт Ф. Сервис, «Игра изменилась». ИИ торжествует в решении структур белков, Science , 30 ноября 2020 г.
  94. ^ ab Callaway, Юэн (30 ноября 2020 г.).«Это изменит всё»: ИИ DeepMind совершает гигантский скачок в решении структур белков». Nature . 588 (7837): 203–204. Bibcode :2020Natur.588..203C. doi :10.1038/d41586-020-03348-4. PMID  33257889. S2CID  227243204.
  95. ^ @MoAlQuraishi (30 ноября 2020 г.). «CASP14 #s только что вышли, и они поразительны» ( Твит ) – через Twitter .
  96. ^ Боллс, Филлип (9 декабря 2020 г.). «За экранами AlphaFold». Chemistry World .

Внешние ссылки