Гипотеза сворачивающейся воронки представляет собой специфическую версию теории энергетического ландшафта сворачивания белка , которая предполагает, что нативное состояние белка соответствует минимуму его свободной энергии в условиях растворения, 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 лунке. определенная третичная структура . Этот термин был введен Кеном А. Диллом в статье 1987 года, посвященной стабильности глобулярных белков . [1]
Гипотеза складчатой воронки тесно связана с гипотезой гидрофобного коллапса , согласно которой движущей силой сворачивания белка является стабилизация, связанная с секвестрацией боковых цепей гидрофобных 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 для растворителя 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 тесные взаимодействия остаток-остаток, представленные в нативном состоянии, еще не сформировались. [ нужна 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 колодца показана относительно плоской, что отражает неоднородность состояния случайной катушки . Название теории происходит от аналогии между формой колодца и физической воронкой , в которой дисперсная 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 нативную трехмерную структуру белка ? (ii) Как белок может сворачиваться так быстро, несмотря на огромное количество возможных конформаций ( парадокс Левинталя )? Откуда белок знает, какие конформации не следует искать? И (iii) возможно ли создать компьютерный алгоритм для предсказания нативной структуры белка, основываясь только на его аминокислотной последовательности? [2] Вспомогательные факторы внутри живой клетки, такие как катализаторы сворачивания и шапероны, способствуют процессу 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, описывающей свободную энергию белка как функцию микроскопических степеней свободы. [4]
После введения этого термина в 1987 году Кен А. Дилл рассмотрел теорию полимеров в сворачивании белков , в которой она решает две загадки, первая из которых - парадокс слепого часовщика, согласно которому биологические белки не могут возникать из случайных последовательностей, а вторая - парадокс слепого часовщика. один из них — парадокс Левинталя, заключающийся в том, что сворачивание белка не может происходить случайно. [5] Дилл позаимствовал идею Слепого Часовщика в своей метафоре о кинетике сворачивания белка. Нативное состояние белка может быть достигнуто посредством процесса сворачивания, включающего некоторую небольшую погрешность и случайный выбор, чтобы ускорить время поиска. Это будет означать, что даже остатки в самых разных положениях аминокислотной последовательности смогут вступать в контакт друг с другом. Тем не менее, смещение во время процесса складывания может изменить время складывания на десятки и сотни порядков. [5]
Поскольку процесс сворачивания белка проходит через стохастический поиск конформаций, прежде чем достичь конечного пункта назначения, [3] огромное количество возможных конформаций считается нерелевантным, в то время как кинетические ловушки начинают играть роль. [5] Стохастическая идея промежуточных конформаций белка раскрывает концепцию « энергетического ландшафта » или «складчатой воронки», в которой свойства сворачивания связаны со свободной энергией и что доступные конформации белка уменьшаются по мере того, как он приближается 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, а те, которые геометрически похожи друг на друга, близки друг к другу в энергетическом ландшафте . [6] Теорию складчатой воронки также поддерживают Питер Г. Волинес , Заида Люти-Шультен и Хосе Онучик , утверждая, что кинетику складывания следует рассматривать как прогрессивную организацию частично сложенных структур в ансамбль (воронку), а не как последовательный линейный путь. промежуточных продуктов. [7]
Показано, что нативные состояния белков представляют собой термодинамически стабильные структуры, существующие в физиологических условиях [3] и подтверждены в экспериментах с рибонуклеазой Кристианом Б. Анфинсеном (см. догму Анфинсена ). Предполагается, что, поскольку ландшафт кодируется аминокислотной последовательностью, естественный отбор позволил белкам развиваться так, что они способны быстро и эффективно сворачиваться. [8] В естественной низкоэнергетической структуре нет конкуренции между конфликтующими энергетическими вкладами, что приводит к минимальному разочарованию. Это понятие разочарования дополнительно измеряется количественно в спиновых стеклах, в которых температура фолдинг-перехода T f сравнивается с температурой стеклования T g . T f представляет собой нативные взаимодействия в складчатой структуре, а T g представляет силу ненативных взаимодействий в других конфигурациях. Высокое соотношение Tf / Tg указывает на более высокую скорость сворачивания белка и меньшее количество промежуточных продуктов по сравнению с другими. В системе с высоким уровнем разочарования небольшая разница в термодинамическом состоянии может привести к различным кинетическим ловушкам и неровностям ландшафта. [9]
Кен А. Дилл и Хью Сунь Чан (1997) проиллюстрировали конструкцию складной тропы, основанную на парадоксе Левинталя , названную ландшафтом «поля для гольфа», где случайный поиск родных штатов окажется невозможным из-за гипотетически «плоского игрового поля». "так как белковому "шарику" пришлось бы очень долго искать место падения в родную "дырку". Однако неровный путь, отклоняющийся от исходного гладкого поля для гольфа, создает направленный туннель, через который проходит денатурированный белок, чтобы достичь своей нативной структуры, и на пути к белку могут существовать долины (промежуточные состояния) или холмы (переходные состояния). родное государство. Тем не менее, этот предложенный путь дает контраст между зависимостью пути и независимостью пути, или дихотомией Левинталя, и подчеркивает одномерный путь конформации.
Другой подход к сворачиванию белка исключает термин «путь» и заменяет его термином «воронки», когда речь идет о параллельных процессах, ансамблях и множественных измерениях, а не о последовательности структур, через которые должен пройти белок. Таким образом, идеальная воронка представляет собой гладкий многомерный энергетический ландшафт, где увеличение межцепных контактов коррелирует с уменьшением степени свободы и, в конечном итоге, достижением исходного состояния. [6]
В отличие от идеализированной гладкой воронки, неровная воронка демонстрирует кинетические ловушки, энергетические барьеры и некоторые узкие пути к исходному состоянию. Это также объясняет накопление неправильно свернутых промежуточных продуктов, когда кинетические ловушки не позволяют белковым промежуточным продуктам достичь своей окончательной конформации. Тем, кто застрял в этой ловушке, придется разорвать благоприятные контакты, которые не приводят к их родному состоянию, прежде чем они достигнут исходной отправной точки, и найти другой, другой поиск, спускающийся по склону. [6] Ландшафт с рвом, с другой стороны, иллюстрирует идею разнообразия маршрутов, включая обязательный маршрут кинетической ловушки, по которому белковые цепи достигают своего нативного состояния. Этот энергетический ландшафт возник в результате исследования Кристофера Добсона и его коллег о лизоциме белка куриного яйца, в котором половина его популяции подвергается нормальному быстрому сворачиванию, в то время как другая половина сначала быстро формирует домен α-спиралей , а затем медленно — домен β-листа . [6] Он отличается от сурового ландшафта, поскольку здесь нет случайных кинетических ловушек, а есть целенаправленные ловушки, необходимые для прохождения частей белка, прежде чем они достигнут конечного состояния. Тем не менее, и суровый ландшафт, и ландшафт Рва представляют собой одну и ту же концепцию, согласно которой конфигурации белков могут наталкиваться на кинетические ловушки во время процесса сворачивания. С другой стороны, ландшафт бокала для шампанского включает в себя барьеры свободной энергии из-за конформационной энтропии , которая отчасти напоминает случайный путь на поле для гольфа, в котором конфигурация белковой цепи теряется и приходится 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) представили модель складчатой воронки, новое дополнение к предыдущим складчатым воронкам, в которой вторичные структуры образуются последовательно на пути сворачивания и стабилизируются третичными взаимодействиями . Модель предсказывает, что ландшафт свободной энергии имеет форму вулкана, а не простую воронку, как упоминалось ранее, в которой внешний ландшафт наклонен вверх, поскольку вторичные структуры белков нестабильны. Эти вторичные структуры затем стабилизируются третичными взаимодействиями , которые, несмотря на их все более нативную структуру, также увеличивают свободную энергию до предпоследнего и последнего этапа, на котором свободная энергия снижается. Самая высокая свободная энергия на вулканическом ландшафте находится на уровне структуры, предшествующей естественному состоянию. Это предсказание энергетического ландшафта согласуется с экспериментами, показывающими, что большинство вторичных структур белков нестабильны сами по себе, а также с измеренными кооперативными взаимодействиями белкового равновесия . Таким образом, все предыдущие шаги до достижения естественного состояния находятся в предравновесии. Несмотря на то, что ее модель отличается от других предыдущих моделей, модель воронки Фолдона по-прежнему делит конформационное пространство на два кинетических состояния: нативное и все остальные. [10]
Теория складной воронки имеет как качественное, так и количественное применение. Визуализация воронок создает инструмент связи между статистическими механическими свойствами белков и кинетикой их сворачивания. [4] Это предполагает стабильность процесса сворачивания, которую было бы трудно разрушить мутацией при условии сохранения стабильности. Точнее, может произойти мутация , которая приведет к блокировке путей к исходному состоянию, но другой маршрут может взять на себя управление при условии, что он достигнет окончательной структуры. [9]
Стабильность белка увеличивается по мере того, как он приближается к своему нативному состоянию благодаря частично свернутой конфигурации. Сначала возникают локальные структуры, такие как спирали и повороты, а затем глобальная сборка. Несмотря на процесс проб и ошибок, сворачивание белков может происходить быстро, поскольку белки достигают своей нативной структуры в результате этого локально-глобального процесса «разделяй и властвуй». [2] Идея складчатой воронки помогает рационализировать назначение шаперонов , в которых процесс повторного сворачивания белка может катализироваться шаперонами , которые разрывают его на части и переносят в высокоэнергетический ландшафт, позволяя ему снова сворачиваться случайным образом. проб и ошибок. [6] Воронкообразные ландшафты предполагают, что разные отдельные молекулы одной и той же белковой последовательности могут использовать микроскопически разные маршруты для достижения одного и того же пункта назначения. Некоторые пути будут более густонаселенными, чем другие. [2]
Воронки различают основы складывания и аналогии с простыми классическими химическими реакциями. Химическая реакция начинается с реагента А и проходит через изменение структуры, чтобы достичь продукта Б. С другой стороны, сворачивание — это переход от беспорядка к порядку, а не только от структуры к структуре. Простой одномерный путь реакции не учитывает уменьшение конформационной вырожденности в результате сворачивания белка. [4] Другими словами, складчатые воронки обеспечивают микроскопическую основу для кинетики складывания. Кинетика сворачивания описывается простыми моделями действия масс , DIN (промежуточное соединение I на пути между денатурированным D и нативным N) или XDN (промежуточное соединение X с пути вне пути) и называется макроскопической структурой сворачивания. [4] Представление последовательного микропути представляет собой модель действия масс и объясняет кинетику сворачивания с точки зрения путей, переходных состояний, промежуточных продуктов, находящихся на пути и вне его, а также того, что можно увидеть в экспериментах, и не касается активности молекулы или состояния. мономерной последовательности в определенном макроскопическом переходном состоянии. Его проблема связана с парадоксом Левинталя или проблемой поиска. [5] Напротив, модели воронки направлены на объяснение кинетики с точки зрения основных физических сил, чтобы предсказать состав микросостояний этих макросостояний.
Тем не менее, компьютерному моделированию (энергетическому ландшафту) оказывается непросто согласовать «макроскопический» взгляд на модели действия массы с «микроскопическим» пониманием изменений конформации белка во время процесса сворачивания. Информации из воронок недостаточно для улучшения методов компьютерного поиска. Гладкий и воронкообразный ландшафт в глобальном масштабе может показаться грубым в локальном масштабе при компьютерном моделировании. [2]