Расплавленная глобула

Частично свернутое состояние белка

В молекулярной биологии термин расплавленная глобула ( МГ ) относится к состояниям белка , которые являются более или менее компактными (отсюда и название «глобула»), но не имеют специфической плотной упаковки аминокислотных остатков , которая создает третичную структуру , подобную твердому состоянию , полностью свернутых белков (отсюда и название «расплавленный»).

Сворачивание белка управляется динамическим взаимодействием вторичных и третичных взаимодействий. Были сформулированы две крайние модели путей сворачивания. В первой - каркасной модели - быстро сформированные элементы вторичной структуры собираются в нативную третичную структуру. ^[1] Во второй - модели гидрофобного коллапса - образование неплотно упакованной третичной структуры предшествует приобретению вторичной структуры. ^[2] Механизм зародышеобразования-конденсации, включающий сопутствующее образование ближних и дальних взаимодействий, объединяет черты обеих крайних моделей и, таким образом, представляет собой унифицированный механизм сворачивания белка. ^[3]

Во время фолдинга белки охватывают континуум конформеров, начиная с денатурации и заканчивая нативным состоянием. Хотя денатурированное состояние часто рассматривается как статистически случайная катушка, оно может сохранять остаточную структуру, которая опосредует (ре)фолдинг. ^[4] Например, стафилококковая нуклеаза сохраняет нативную топологию в 8M мочевине, ^[5] в то время как ненативный лизоцим содержит гидрофобные кластеры, удерживаемые вместе дальнодействующими взаимодействиями. ^[6] При быстрой корректировке экспериментальных условий для благоприятствования образованию нативной структуры были обнаружены относительно компактные промежуточные продукты фолдинга белка. ^[7] Эти кинетические промежуточные продукты — чеканенные расплавленные глобулы ^[8] — демонстрируют нативную вторичную структуру и флуктуирующую третичную структуру.

Состояние расплавленной глобулы также может быть термодинамически доступно в условиях умеренной денатурации. Это было обнаружено, например, в цитохроме c , который сохраняет нативное содержание вторичной структуры , но без плотно упакованной белковой внутренней части, при низком pH и высокой концентрации соли . Для цитохрома c и некоторых других белков было показано, что состояние расплавленной глобулы является « термодинамическим состоянием », явно отличающимся как от нативного , так и от денатурированного состояния , что впервые демонстрирует существование третьего равновесного (т. е. промежуточного) состояния.

Термин «расплавленная глобула» может использоваться для описания различных типов частично свернутых состояний белка ^[9], обнаруженных в слегка денатурирующих условиях, таких как низкий pH (обычно pH = 2), слабый денатурант или высокая температура . Расплавленные глобулы свернуты и, как правило, имеют некоторую нативную вторичную структуру, но динамическую третичную структуру, как видно с помощью спектроскопии кругового дихроизма (КД) в дальнем УФ и ближнем УФ , соответственно. Эти черты аналогичны тем, которые наблюдаются в переходных промежуточных состояниях, обнаруженных во время сворачивания определенных белков, особенно глобулярных белков , которые подвергаются гидрофобному коллапсу , и поэтому термин «расплавленная глобула» также используется для обозначения определенных промежуточных состояний сворачивания белка, соответствующих сужающейся области воронки сворачивания, более высокой по энергии, чем нативное состояние, но более низкой, чем денатурированное состояние. Считается, что ансамбли расплавленных глобул, отобранные во время сворачивания и разворачивания белка, примерно похожи.

Считается, что структура MG не имеет плотной упаковки боковых цепей аминокислот , характеризующих нативное состояние ( ) белка. Переход из денатурированного ( ) состояния в расплавленную глобулу может быть двухстадийным процессом ${\displaystyle {\ce {N}}}$ ${\displaystyle {\ce {U}}}$

${\displaystyle {\ce {U <-> MG}}}$

Или это может быть непрерывный переход, без кооперативности и явного «переключения» из одной формы в другую. Сворачивание некоторых белков можно смоделировать как трехстадийный кинетический процесс:

${\displaystyle {\ce {U <-> MG <-> N}}}$

Одной из трудностей в разработке белков de novo является достижение упаковки боковой цепи, необходимой для создания стабильного нативного состояния, а не ансамбля расплавленных глобул. При наличии желаемой конформации остова упаковку боковой цепи можно разработать с использованием вариаций алгоритма устранения тупиковых концов ; однако попытки разработать белки с новыми складками сталкиваются с трудностями при использовании этого метода из-за отсутствия правдоподобных моделей остова.

Смотрите также

• Внутренне неупорядоченные белки
• Складная воронка
• Нечеткий комплекс
• Гидрофобный коллапс
• Биомолекулярный конденсат

Ссылки

1. Ким, PS; Болдуин, RL (1990). «Промежуточные продукты в реакциях сворачивания малых белков». Annu. Rev. Biochem . 59 : 631.
2. Дилл, КА (1985). «Теория сворачивания и стабильности глобулярных белков». Биохимия . 24 : 1501.
3. Даггетт, В.; Фершт, А.Р. (2003). «Существует ли единый механизм сворачивания белков?». Trends Biochem. Sci . 28 : 18.
4. Дилл, КА; Шортл, Д. «Денатурированные состояния белков». Annu. Rev. Biochem . 60 : 795.
5. Shortle, D.; Ackerman, MS (2001). «Сохранение топологии, подобной нативной, в денатурированном белке в 8M мочевине». Science . 293 : 487.
6. Klein-Seetharaman, J.; Oikawa, M.; Grimshaw, SB; Wirmer, J.; Duchard, E.; Ueda, T.; Imoto, T.; Smith, LJ; Dobson, CM; Schwalbe, H. (2002). «Дальнодействующие взаимодействия в неродном белке». Science . 295 : 1719.
7. Чеккони, К.; Шанк, Э.А.; Бустаманте, К.; Маркузи, С. (2005). «Прямое наблюдение трехстадийного сворачивания одной молекулы белка». Science (262): 892.
8. Птицын О. (1995). «Расплавленная глобула и сворачивание белка». Адв. Белковая химия . 47:83 .
9. Болдуин Р. Л.; Роуз Г. Д. (2013). «Расплавленные глобулы, конформационные изменения, вызванные энтропией, и сворачивание белков». Curr Opin Struct Biol . 23 (1): 4–10. doi :10.1016/j.sbi.2012.11.004. PMID  23237704.

• Ohgushi M, Wada A (1983). «Состояние расплавленной глобулы»: компактная форма глобулярных белков с подвижными боковыми цепями». FEBS Lett . 164 (1): 21–24. doi : 10.1016/0014-5793(83)80010-6 . PMID  6317443. S2CID  41232316.
• Kuroda Y, Kidokoro S, Wada A (1992). «Термодинамическая характеристика цитохрома c при низком pH. Наблюдение за состоянием расплавленной глобулы и процессом холодной денатурации». J Mol Biol . 223 (4): 1139–53. doi :10.1016/0022-2836(92)90265-l. PMID  1311387.
• Bieri O, Kiefhaber T (2000-12-15). "Кинетические модели в сворачивании белков". В RH Pain (ред.). Механизмы сворачивания белков (2-е изд.). Оксфорд, Великобритания: Oxford University Press. ISBN 0-19-963788-1.
• Панде ВС, Рохсар ДС (1998). «Является ли расплавленная глобула третьей фазой белков?». Proc Natl Acad Sci USA . 95 (4): 1490–1494. doi : 10.1073 /pnas.95.4.1490 . PMC  19058. PMID  9465042.

Jaremko, M., Jaremko, L., Kim, H.-Y., Cho, M.-K., Schwieters, CD, Giller, K., Becker, S., Zweckstetter, M. (2013) Холодная денатурация белкового димера, контролируемая с атомным разрешением, Nat. Chem. Biol. 9, 264-270