Woda rozwiązuje problem składania białek

Jednym z największych wyzwań biologii molekularnej jest zrozumienie, w jaki sposób białka składają się w złożone kształty 3D.

Białka to łańcuchy aminokwasów wytwarzane przez różne maszyny molekularne wewnątrz komórek. Kiedy białka tworzą się po raz pierwszy, są losowymi zwojami. W tym stanie są w najlepszym razie łagodne, aw najgorszym toksyczne – priony, które powodują takie problemy, jak choroba szalonych krów, to zniekształcone białka.

Ale wkrótce po tym wydarza się mały cud. Te ogromne łańcuchy molekularne szybko samoorganizują się w złożone kształty 3D, które pozwalają im wykonywać swoje zadania w maszynerii komórkowej.

To przedstawienie jest tak zdumiewające, że warto się nad nim rozwodzić.

Gdy dwa aminokwasy łączą się, mogą przyjąć jedną z około dziesięciu różnych orientacji względem siebie. Zatem łańcuch 3 aminokwasów może mieć 10^3 różne kształty.

Najszybciej zwiniętym białkiem odkrytym do tej pory jest struktura zwana 3-niciową kartą beta. Jak sama nazwa wskazuje, jest to powierzchnia utworzona z trzech pasm białek, które łączą się ze sobą. W sumie arkusze te zawierają do 90 aminokwasów, więc teoretycznie mogą przybrać dowolny z 10^90 różnych kształtów.

Gdyby te kształty wypróbowywano z szybkością 100 miliardów na sekundę, znalezienie właściwej fałdy zajęłoby więcej czasu niż wiek Wszechświata. A jednak 3-niciowy arkusz beta tworzy się w zaledwie 140 nanosekund.

Mniej zaskakujące byłoby pozostawienie kilku kawałków metalu i plastiku na podwórku za domem i odkrycie następnego ranka, że ​​sam się zmontował w laptopa.

Istnieją różne sugestie dotyczące tego, jak zwijanie białek działa. Jednym z najbardziej obiecujących jest pomysł, że ewolucja wyselekcjonowała tylko te białka, które naturalnie zapadają się do wymaganego kształtu. Aby to zrobić, energia kształtu końcowego musi być niższa niż energia początkowa i wszystkie kroki pomiędzy nimi.

Oznacza to, że krajobraz energetyczny tego systemu musi mieć kształt lejka. Zgodnie z tym sposobem myślenia, fałdowanie białek działa, ponieważ badając przestrzeń możliwych kształtów, struktura przechodzi przez ten lejek.

Ale jest problem. Gdyby to była cała historia, białka powinny być bardziej stabilne w niższych temperaturach. Ale nie są. Dobrze znaną właściwością wielu białek jest to, że ich struktura zapada się wraz ze spadkiem temperatury. Więc każdy model fałdowania białek również musi to uwzględniać.

Dziś Olivier Collet z Nancy University we Francji ustalił, co się dzieje, a kluczem, jak mówi, jest woda.

Wskazuje, że fałdowanie białek nie zachodzi w izolacji, ale w roztworze. Tak więc łańcuch aminokwasów jest otoczony cząsteczkami wody. Z bliskiej odległości tworzą one otoczkę wokół łańcucha białkowego. Collet zbadał zachowanie cząsteczek wody w tej pierwszej powłoce.

Collet mówi, że cząsteczki wody tworzą wiązania wodorowe z aminokwasami. Dopóki temperatura pozostaje stosunkowo wysoka, wiązania wodorowe są stale zrywane i ponownie tworzą się, a fałdowanie przebiega zwykle szybko.

Ale jeśli temperatura spada, wiązania wodorowe stają się trwałe, pozwalając białku na przyjęcie nowych niskoenergetycznych konfiguracji. To radykalnie zmienia krajobraz energetyczny, tworząc dodatkowe doliny, które odpowiadają tym nowym niskoenergetycznym kształtom. Więc zamiast spadać przez lejek energetyczny, białko utknie w innej dolinie, która odpowiada nieprawidłowemu kształtowi.

To przydatny pomysł. To zgrabnie wyjaśnia problem temperatury w ramach istniejącej teorii.

Sugeruje również, że nowe, potężne zrozumienie fałdowania białek może pochodzić z lepszego zrozumienia właściwości wody w tych maleńkich skalach.

Jak widzieliśmy w zeszłym tygodniu, sieć powiązań między cząsteczkami wody ograniczonymi na taką skalę ma dramatyczny wpływ na jej zachowanie. Być może istnieje nawet spójność kwantowa związana z tymi powiązaniami, co natychmiast sugeruje nowy sposób podejścia do tego problemu – traktowanie go jako rodzaju obliczeń kwantowych.

To może otworzyć zupełnie nową drogę do pracy i będziemy to oglądać. Fascynujące rzeczy!

Nr ref.: arxiv.org/abs/1101.5502 : Jak pierwsza muszla wodna tak szybko składa białka?

ukryć