Какие характеристики процесса фолдинга белка гарантируют, что энергетический ландшафт представляет собой воронку?

Встречающиеся в природе белки эволюционировали так, что дело обстоит именно так.

Природные белки занимают очень мало места в последовательности. Для белка 200 а.о.$20^{200} \approx 10^{260}$возможные последовательности. Нигде не существует такого количества встречающихся в природе белковых последовательностей, даже если принять во внимание все различные аллели в различных организмах в мире.

Что происходит, когда вы синтезируете и экспрессируете случайную (неприродную) белковую последовательность? Вы получаете мусор. Он не сворачивается, не агрегирует или что-то еще происходит. Вы не получите стабильно свернутый белок. Черт возьми, вам даже не нужен полностью ненатуральный белок. Вы можете взять встречающийся в природе белок и внести в него несколько мутаций, и в итоге вы получите несвернутый мусор.

Эволюция оказывает очень сильное избирательное давление, чтобы убедиться, что белки могут правильно сворачиваться и преодолевать парадокс Левинталя . Если белок не может сворачиваться, он не может выполнять никаких функций в клетке, и, таким образом, нет селективного давления для поддержания экспрессии. (Промоторы разрушаются, а ДНК мутирует и превращается в «мусорную» ДНК.) Давление селективности поддерживается только в том случае, если белок стабильно свернут. Таким образом, вы получаете последовательность один на миллион, которая имеет приличную складную воронку.

Так что дело не в том, что не существует белковых последовательностей с плоским энергетическим ландшафтом или энергетическим ландшафтом с множеством локальных минимумов. Просто всякий раз, когда образуется такой белок, он не может сворачиваться. А если он не может сложиться, он освобождается от эволюционного давления и исчезает из генофонда — либо потому, что удерживающий его организм не может без него выжить, либо потому, что случайные мутации стирают его со случайным шумом. Это предвзятость выжившего — вы видите белки с достаточно хорошо сформированной складной воронкой, потому что это единственные, которые вы могли бы увидеть.

(Существуют белки с ненадежными воронками сворачивания или с альтернативными энергетическими состояниями. Краткий поиск в литературе выявит ряд примеров, когда для сворачивания белка требуются кофакторы или шапероны. состояниях, в зависимости от условий окружающей среды, или когда наиболее часто свернутое состояние представляет собой только метастабильное состояние, и существует более стабильная конформация, в которую белок преобразуется, если дать шанс, — наиболее распространенным примером являются амилоидные фибриллы. усовершенствования по общему принципу. Вам не нужна прочная складная воронка, вам просто нужна одна, «достаточно хорошая» для целей организмов.)

Вы можете увидеть кое-что из этого в проектах белка « de novo », которые производятся в таких лабораториях, как у Дэвида Бейкера . Они могут взять топологию белка и использовать компьютер для создания последовательности «с нуля», которая соответствует этой топологии. Но далеко не все последовательности, которые выдает их компьютерная программа, действительно складываются. Только небольшая часть таких конструкций действительно складывается в компактный белок.

Но одна из обнаруженных ими вещей, которая повышает их шансы на успех, — это проверка дизайна методом «складывания вперед». То есть компьютер выдает проект, который, как он предсказывает, будет низкоэнергетической последовательностью для этой структуры. Но просто иметь последовательность, которая, по прогнозам, будет «низкоэнергетической» недостаточно. В качестве дополнительного шага они запускают последовательность через симуляцию складывания, чтобы увидеть, имеет ли разработанная ими последовательность явное предпочтение для разработанного состояния. Грубо говоря, проверяя, есть ли четкая «сворачивающаяся воронка», которая направит белок к желаемому свернутому состоянию. Выполняя эту последующую вычислительную проверку, они могут значительно повысить вероятность успеха, когда белки действительно экспрессируются.