Foldende proteiner mærker varmen, og koldt

Det er en langvarig antagelse, at tilstedeværelsen af ​​vand påvirker, hvordan proteiner folder. En ny undersøgelse udfordrer detaljerne.

En artikel i American Chemical Society's Journal of Physical Chemistry Letters viser, at proteiner, der formentlig har udviklet sig for at undgå vand, da de folder, faktisk kan opføre sig på måder, som forskerne ikke havde forudset.

Denne opdagelse kan ændre, hvordan forskere tænker på hydrofobe (vandundgående) og hydrofile (vandtrækkende) interaktioner i løsninger, ifølge en ingeniør fra Rice University.

Samarbejdspartnere fra Rice og Tulane universiteter og Johns Hopkins University School of Medicine skabte modeller på atomniveau af polypeptider, der viste, at foldning også er påvirket af termisk udvidelse af de opløsningsmidler, de optager, men ikke på måder, der matcher tidligere antagelser.

Den langvarige opfattelse er, at hydrofobe aminosyrer, som undgår vand ved at samles så effektivt som muligt, er en dominerende kraft i proteinfoldning, sagde Dilip Asthagiri, en lektor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab ved Rice's Brown School of Engineering.

Den nye undersøgelse viser temperatur, en faktor, der ikke altid er inkluderet i proteinfoldningsmodeller, påvirker også fænomenet. Det burde foranledige en revurdering af, hvordan proteiner, der foldes i en opløsning, stabiliseres, ifølge forskerne.

"Der er mange proteiner, der er iboende uordnede, og som slet ikke foldes, " sagde Asthagiri. "En måde, hvorpå ikke-foldningen er blevet rationaliseret, har været at se på balancen mellem hydrofobe grupper og ladede grupper og, forudsat at sidstnævnte dominerer, konkludere, at polypeptidet ikke folder sig.

"Vi viste i 2017, at i en model af et iboende forstyrret peptid, der ikke har sidekæder, hydrofile effekter kan faktisk overvælde sammenbruddet drevet af de stadig væsentlige hydrofobe effekter og drive udfoldelsen, selv i mangel af ladede rester, " sagde han. "Denne undersøgelse og den, der blev offentliggjort tidligere i 2016, fremhævede rollen af ​​hydrofile effekter. Men vi så ikke på temperatureffekter."

Så holdet ledet af Asthagiri satte sig for at modellere præcist, hvordan polypeptider, en klassificering, der omfatter proteiner i biologiske systemer, foldes og udfoldes, når de forbindes med vand ved forskellige temperaturer.

Da forskerne beregnede den frie energi af en hydreret deca-alanin peptidsekvens, sammen med dens sidekæder, de fandt ud af, at tiltrækningskræfter mellem opløsningsmidlet og peptidet også spiller en rolle, især når mere end ét peptid er involveret.

De fandt ud af, at i de temperaturområder, de modellerede, matrixen af ​​opløsningsmiddel omkring polypeptiderne udvides ved opvarmning, mindske populationen af ​​opløsningsmiddelmolekyler, der er omkring og kontakter peptiderne. Dette kan gøre bindingsinteraktioner mellem opløsningsmidlet og peptider mindre gunstige.

De bemærkede, at effekten er mindre for små molekyler i et opløsningsmiddel, men amplificeret til større peptider og proteiner. De sagde også, at teorien antyder, at hydrofile effekter kan bidrage til denaturering, eller udfolder sig, af proteiner i kolde opløsninger.

"Opløsningsmiljøet er en vigtig bidragyder til strukturen af ​​proteiner, "sagde Tulane kemiingeniør og medkorresponderende forfatter Lawrence Pratt, en mangeårig mentor for Asthagiri. "Alt hvad løsningen gør, inklusive vandet, har at gøre med, hvordan disse proteiner sætter sig sammen og de funktioner, de udfører."

Han sagde, at hydrofobe effekter i proteinfoldning er blevet anerkendt siden 1940'erne. "Det er en ret vanskelig ting, selvom, fordi det har usædvanlige temperaturafhængigheder, " sagde Pratt. "Du ved, ting lever eller dør, hvis du ændrer temperaturerne.

"Nogle hydrofobe effekter bliver stærkere, når du hæver temperaturen, så tingene bliver mere stabile, " sagde han. "Men Dilip viser, at denne stigning i styrke med stigende temperatur kan komme fra andre steder, inklusive effekter, som alle kemikere ville sige er hydrofile.

"Både hydrofobe og hydrofile virkninger spiller ind, "sagde han." Og de konkurrerer, og de samarbejder. Og så at være i stand til at skelne dem individuelt på en meget overbevisende måde er et stort skridt i at sortere al denne adfærd fra."