Гипотеза складчатой воронки является особой версией теории энергетического ландшафта сворачивания белка , которая предполагает, что нативное состояние белка соответствует его минимуму свободной энергии в условиях раствора, обычно встречающихся в клетках . Хотя энергетические ландшафты могут быть «грубыми», со многими ненативными локальными минимумами , в которых могут оказаться захваченными частично свернутые белки, гипотеза складчатой воронки предполагает, что нативное состояние представляет собой глубокий минимум свободной энергии с крутыми стенками, соответствующий одной четко определенной третичной структуре . Этот термин был введен Кеном А. Диллом в статье 1987 года, в которой обсуждалась стабильность глобулярных белков . [1]
Гипотеза складчатой воронки тесно связана с гипотезой гидрофобного коллапса , согласно которой движущей силой сворачивания белка является стабилизация, связанная с секвестрацией гидрофобных боковых цепей аминокислот внутри свернутого белка. Это позволяет водному растворителю максимизировать свою энтропию, снижая общую свободную энергию. Со стороны белка свободная энергия дополнительно снижается за счет благоприятных энергетических контактов: изоляции электростатически заряженных боковых цепей на доступной растворителю поверхности белка и нейтрализации солевых мостиков внутри ядра белка. Состояние расплавленной глобулы, предсказанное теорией складчатой воронки как ансамбль промежуточных продуктов сворачивания, таким образом, соответствует белку, в котором произошел гидрофобный коллапс, но многие нативные контакты или близкие взаимодействия остаток-остаток, представленные в нативном состоянии, еще не сформировались. [ необходима цитата ]
В каноническом изображении складчатой воронки глубина ямы представляет собой энергетическую стабилизацию нативного состояния по сравнению с денатурированным состоянием, а ширина ямы представляет собой конформационную энтропию системы. Поверхность снаружи ямы показана как относительно плоская, чтобы представить неоднородность случайного состояния клубка . Название теории происходит от аналогии между формой ямы и физической воронкой , в которой диспергированная жидкость концентрируется в одной узкой области.
Проблема сворачивания белка связана с тремя вопросами, как заявили Кен А. Дилл и Джастин Л. МакКаллум: (i) Как аминокислотная последовательность может определять трехмерную нативную структуру белка ? (ii) Как белок может сворачиваться так быстро, несмотря на огромное количество возможных конформаций ( парадокс Левинталя )? Как белок узнает , какие конформации не следует искать? И (iii) возможно ли создать компьютерный алгоритм для предсказания нативной структуры белка на основе только его аминокислотной последовательности? [2] Вспомогательные факторы внутри живой клетки, такие как катализаторы сворачивания и шапероны, помогают в процессе сворачивания, но не определяют нативную структуру белка. [3] Исследования 1980-х годов были сосредоточены на моделях, которые могли бы объяснить форму энергетического ландшафта , математической функции, которая описывает свободную энергию белка как функцию микроскопических степеней свободы. [4]
После введения термина в 1987 году Кен А. Дилл рассмотрел теорию полимеров в сворачивании белков , в котором она решает две головоломки: первая из них — парадокс слепого часовщика , в котором биологические белки не могли возникнуть из случайных последовательностей, а вторая — парадокс Левинталя , в котором сворачивание белков не может происходить случайным образом. [5] Дилл перенес идею из «Слепого часовщика» в свою метафору кинетики сворачивания белков. Исходное состояние белка может быть достигнуто посредством процесса сворачивания, включающего некоторое небольшое смещение и случайный выбор для ускорения времени поиска. Это означало бы, что даже остатки в очень разных положениях в последовательности аминокислот смогут вступать в контакт друг с другом. Тем не менее, смещение во время процесса сворачивания может изменить время сворачивания на десятки или сотни порядков. [5]
Поскольку процесс сворачивания белка проходит через стохастический поиск конформаций, прежде чем достичь своего конечного пункта назначения, [3] огромное количество возможных конформаций считается несущественным, в то время как кинетические ловушки начинают играть свою роль. [5] Стохастическая идея промежуточных конформаций белка раскрывает концепцию « энергетического ландшафта » или «воронки сворачивания», в которой свойства сворачивания связаны со свободной энергией , и что доступные конформации белка уменьшаются по мере его приближения к нативной структуре. [3] Ось Y воронки представляет «внутреннюю свободную энергию» белка: сумму водородных связей , ионных пар , энергий торсионных углов, гидрофобных и сольватационных свободных энергий. Множество осей X представляют конформационные структуры, и те, которые геометрически подобны друг другу, близки друг к другу в энергетическом ландшафте . [6] Теорию складчатой воронки также поддерживают Питер Г. Волинес , Зайда Лютей-Шультен и Хосе Онучич , которые утверждают, что кинетику складчатости следует рассматривать как прогрессивную организацию частично складчатых структур в ансамбль (воронку), а не как последовательный линейный путь промежуточных продуктов. [7]
Показано, что нативные состояния белков являются термодинамически стабильными структурами, которые существуют в физиологических условиях, [3] и доказаны в экспериментах с рибонуклеазой Кристианом Б. Анфинсеном (см. догму Анфинсена ). Предполагается, что поскольку ландшафт кодируется аминокислотной последовательностью, естественный отбор позволил белкам эволюционировать таким образом, что они способны быстро и эффективно сворачиваться. [8] В нативной низкоэнергетической структуре нет конкуренции между конфликтующими энергетическими вкладами, что приводит к минимальной фрустрации. Это понятие фрустрации далее количественно измеряется в спиновых стеклах, в которых температура перехода сворачивания T f сравнивается с температурой стеклования T g . T f представляет нативные взаимодействия в свернутой структуре, а T g представляет силу ненативных взаимодействий в других конфигурациях. Высокое отношение T f /T g указывает на более высокую скорость сворачивания в белке и меньшее количество промежуточных продуктов по сравнению с другими. В системе с высокой фрустрацией небольшое различие в термодинамических условиях может привести к различным кинетическим ловушкам и неровности ландшафта. [9]
Кен А. Дилл и Хью Сан Чан (1997) [6] проиллюстрировали конструкцию складчатого пути, основанную на парадоксе Левинталя , названную ландшафтом «поля для гольфа», где случайный поиск нативных состояний оказался бы невозможным из-за гипотетически «ровного игрового поля», поскольку белковому «мячу» потребовалось бы очень много времени, чтобы найти падение в нативную «луну». Однако неровный путь, отклоняющийся от изначального гладкого поля для гольфа, создает направленный туннель, по которому проходит денатурированный белок, чтобы достичь своей нативной структуры, и могут существовать долины (промежуточные состояния) или холмы (переходные состояния) на протяжении пути к нативному состоянию белка. Тем не менее, этот предложенный путь дает контраст между зависимостью от пути и независимостью от пути, или дихотомией Левинталя, и подчеркивает одномерный маршрут конформации.
Другой подход к сворачиванию белка исключает термин «путь» и заменяет его на «воронки», когда речь идет о параллельных процессах, ансамблях и множественных измерениях вместо последовательности структур, через которые должен пройти белок. Таким образом, идеальная воронка состоит из гладкого многомерного энергетического ландшафта, где увеличение межцепочечных контактов коррелирует с уменьшением степени свободы и в конечном итоге достижением нативного состояния. [6]
В отличие от идеализированной гладкой воронки, неровная воронка демонстрирует кинетические ловушки, энергетические барьеры и некоторые узкие сквозные пути к нативному состоянию. Это также объясняет накопление неправильно свернутых промежуточных продуктов, где кинетические ловушки не позволяют промежуточным продуктам белка достичь своей окончательной конформации. Тем, кто застрял в этой ловушке, придется разорвать благоприятные контакты, которые не ведут к их нативному состоянию, прежде чем достичь своей исходной отправной точки, и найти другой другой поиск ниже по склону. [6] С другой стороны, ландшафт Моата иллюстрирует идею вариации маршрутов, включая обязательный маршрут кинетической ловушки, по которому белковые цепи достигают своего нативного состояния. Этот энергетический ландшафт вытекает из исследования Кристофера Добсона и его коллег лизоцима куриного яичного белка, в котором половина его популяции подвергается нормальному быстрому сворачиванию, в то время как другая половина сначала быстро образует домен α-спиралей , а затем медленно β-слой . [6] Он отличается от пересеченного ландшафта, поскольку в нем нет случайных кинетических ловушек, но есть целенаправленные, необходимые для того, чтобы части белка прошли через них, прежде чем достичь конечного состояния. И пересеченный ландшафт, и ландшафт Моата, тем не менее, представляют одну и ту же концепцию, в которой конфигурации белка могут сталкиваться с кинетическими ловушками во время процесса их сворачивания. С другой стороны, ландшафт бокала для шампанского включает в себя барьеры свободной энергии из-за конформационной энтропии , которая отчасти напоминает случайный путь поля для гольфа, в котором конфигурация цепи белка теряется и должна тратить время на поиск пути вниз. Эту ситуацию можно применить к конформационному поиску полярных остатков, которые в конечном итоге соединят два гидрофобных кластера. [6]
В другом исследовании Роллинз и Дилл (2014) [10] вводят модель воронки Фолдона, новое дополнение к предыдущим воронкам складывания, в которой вторичные структуры формируются последовательно вдоль пути складывания и стабилизируются третичными взаимодействиями . Модель предсказывает, что ландшафт свободной энергии имеет форму вулкана вместо простой воронки, которая упоминалась ранее, в которой внешний ландшафт наклонен вверх, потому что вторичные структуры белка нестабильны. Эти вторичные структуры затем стабилизируются третичными взаимодействиями , которые, несмотря на их все более нативные структуры, также увеличивают свободную энергию до предпоследнего шага, который является уклоном в свободной энергии. Самая высокая свободная энергия на ландшафте вулкана находится на шаге со структурой непосредственно перед нативным состоянием. Это предсказание энергетического ландшафта согласуется с экспериментами, показывающими, что большинство вторичных структур белка нестабильны сами по себе, и с измеренными кооперативностями равновесия белка . Таким образом, все более ранние шаги до достижения нативного состояния находятся в предравновесии. Несмотря на то, что модель воронки Фолдона отличается от других моделей, она по-прежнему делит конформационное пространство на два кинетических состояния: нативное и все остальные. [10]
Теория воронкообразной структуры имеет как качественное, так и количественное применение. Визуализация воронок создает средство связи между статистическими механическими свойствами белков и их кинетикой сворачивания. [4] Она предполагает стабильность процесса сворачивания, которую было бы трудно разрушить мутацией при сохранении стабильности. Если говорить точнее, может произойти мутация , которая приведет к блокировке путей к нативному состоянию, но другой путь может занять его место при условии, что он достигнет конечной структуры. [9]
Стабильность белка увеличивается по мере приближения к своему нативному состоянию через частично сложенную конфигурацию. Сначала возникают локальные структуры, такие как спирали и повороты, а затем следует глобальная сборка. Несмотря на процесс проб и ошибок, сворачивание белка может быть быстрым, поскольку белки достигают своей нативной структуры посредством этого процесса «разделяй и властвуй», локально-глобального. [2] Идея воронкообразной структуры помогает рационализировать цель шаперонов , в которой процесс повторного сворачивания белка может катализироваться шаперонами, которые разделяют его и приводят к высокоэнергетическому ландшафту, а затем позволяют ему снова сворачиваться случайным образом проб и ошибок. [6] Воронкообразные ландшафты предполагают, что разные отдельные молекулы одной и той же последовательности белка могут использовать микроскопически разные маршруты для достижения одного и того же пункта назначения. Некоторые пути будут более заселенными, чем другие. [2]
Воронки различают основы между сворачиванием и простой классической аналогией химических реакций. Химическая реакция начинается с реагента A и проходит через изменение структуры, чтобы достичь своего продукта B. С другой стороны, сворачивание - это переход от беспорядка к порядку, а не только от структуры к структуре. Простой одномерный путь реакции не охватывает снижение конформационного вырождения сворачивания белка. [4] Другими словами, воронки сворачивания обеспечивают микроскопическую структуру для кинетики сворачивания. Кинетика сворачивания описывается простыми моделями действия масс , DIN (промежуточное соединение I на пути между денатурированным D и нативным N) или XDN (промежуточное соединение X вне пути), и называется макроскопической структурой сворачивания. [4] Последовательное представление микропути представляет собой модель действия масс и объясняет кинетику сворачивания с точки зрения путей, переходных состояний , промежуточных соединений на пути и вне пути и того, что можно увидеть в экспериментах, и не касается активности молекулы или состояния последовательности мономера в определенном макроскопическом переходном состоянии. Ее проблема связана с парадоксом Левинталя, или проблемой поиска. [5] Напротив, воронкообразные модели стремятся объяснить кинетику с точки зрения основных физических сил, чтобы предсказать состав микросостояний этих макросостояний.
Тем не менее, для компьютерного моделирования (энергетического ландшафта) оказывается сложным примирить «макроскопический» взгляд на модели действия масс с «микроскопическим» пониманием изменений в конформации белка в процессе сворачивания. Понимания от воронок недостаточно для улучшения методов компьютерного поиска. Гладкий и воронкообразный ландшафт в глобальном масштабе может казаться грубым в локальном масштабе в компьютерном моделировании. [2]