211service.com
Vatten löser proteinvikningsproblem
En av de stora utmaningarna inom molekylärbiologi är att förstå hur proteiner viker sig till komplexa 3D-former.
Proteiner är kedjor av aminosyror som tillverkas av olika molekylära maskiner inuti celler. När proteiner först bildas är de slumpmässiga spolar. I detta tillstånd är de i bästa fall godartade och i värsta fall giftiga – prionerna som orsakar problem som galna ko-sjukan är missformade proteiner.
Men strax efter detta inträffar ett litet mirakel. Dessa enorma molekylkedjor sätts snabbt ihop till de komplexa 3D-formerna som gör att de kan utföra sina jobb inom cellmaskineriet.
Den här föreställningen är så häpnadsväckande att den är värd att dröja vid.
När två aminosyror binder sig kan de anta en av ungefär tio olika orienteringar till varandra. Så en kedja av 3 aminosyror kan ha 10^3 olika former.
Det snabbaste vikningsproteinet som hittills upptäckts är en struktur som kallas ett 3-strängat beta-ark. Som namnet antyder är det en yta bildad av tre proteinsträngar som binder samman. Totalt innehåller dessa ark upp till 90 aminosyror och kan därför i teorin anta vilken som helst av 10^90 olika former.
Om dessa former prövades med en hastighet av 100 miljarder per sekund, skulle det ta längre tid än universums ålder att hitta rätt veck. Och ändå bildas det 3-strängade betaarket på bara 140 nanosekunder.
Det skulle mindre förvånande att lämna några klumpar av metall och plast på bakgården och upptäcka nästa morgon att den hade självmonterats till en bärbar dator.
Det finns olika förslag på hur proteinveckning gör sin magi. En av de mest lovande är tanken att evolutionen endast har valt ut de proteiner som kollapsar naturligt till den form som krävs. För att göra detta måste energin i den slutliga formen vara lägre än startenergin och alla steg däremellan.
Det betyder att energilandskapet i detta system måste vara trattformat. Genom detta sätt att tänka fungerar proteinveckning eftersom strukturen, när man utforskar utrymmet för möjliga former, faller genom denna tratt.
Men det är ett problem. Om detta var hela historien, borde proteiner vara mer stabila vid lägre temperaturer. Men det är de inte. En välkänd egenskap hos många proteiner är att deras struktur kollapsar när temperaturen sjunker. Så varje modell av proteinveckning måste också ta hänsyn till detta.
Idag har Olivier Collet vid Nancy University i Frankrike räknat ut vad som händer och nyckeln, säger han, är vatten.
Han påpekar att proteinveckning inte sker isolerat utan i lösning. Så aminosyrakedjan är omgiven av vattenmolekyler. På nära håll bildar dessa ett skal runt proteinkedjan. Det Collet har gjort är att studera beteendet hos vattenmolekylerna i detta första skal.
Collet säger att vattenmolekylerna bildar vätebindningar med aminosyrorna. Så länge temperaturen förblir relativt hög bryts vätebindningarna hela tiden och bildas igen och veckningen fortskrider på det vanligtvis snabba sättet.
Men om temperaturen sjunker blir vätebindningarna permanenta, vilket gör att proteinet kan anta nya lågenergikonfigurationer. Detta förändrar energilandskapet dramatiskt och skapar ytterligare dalar som motsvarar dessa nya lågenergiformer. Så istället för att falla genom energitratten, fastnar proteinet i en annan dal som motsvarar en felaktig form.
Det är en användbar idé. Det förklarar prydligt temperaturproblemet inom den befintliga teorin.
Det tyder också på att en kraftfull ny förståelse för proteinveckning kan komma från en bättre förståelse av vattnets egenskaper på dessa små skalor.
Som vi såg förra veckan har nätverket av länkar mellan vattenmolekyler begränsade på denna skala en dramatisk inverkan på dess beteende. Det kan till och med vara en kvantkoherens förknippad med dessa länkar, vilket omedelbart föreslår ett nytt sätt att närma sig detta problem – att behandla det som ett slags kvantberäkning.
Det kan öppna en helt ny väg för arbete och vi kommer att titta. Fascinerande grejer!
Ref: arxiv.org/abs/1101.5502 : Hur viker det första vattenskalet proteiner så snabbt?