Welche Eigenschaften des Proteinfaltungsprozesses sorgen dafür, dass die Energielandschaft ein Trichter ist?

Natürlich vorkommende Proteine ​​sind so entwickelt, dass dies der Fall ist

Natürliche Proteine ​​nehmen nur einen sehr geringen Sequenzraum ein. Für ein 200 aa Protein gibt es$20^{200} \approx 10^{260}$mögliche Sequenzen. Es gibt nicht annähernd so viele natürlich vorkommende Proteinsequenzen, selbst wenn man all die verschiedenen Allele in den verschiedenen Organismen der Welt berücksichtigt.

Was passiert, wenn Sie eine zufällige (nicht natürliche) Proteinsequenz synthetisieren und exprimieren? Du bekommst Schrott. Es faltet sich nicht oder es aggregiert oder etwas anderes passiert. Sie erhalten kein stabil gefaltetes Protein. Heck, Sie müssen nicht einmal ein völlig unnatürliches Protein haben. Sie können ein natürlich vorkommendes Protein nehmen und ein paar Mutationen darin vornehmen und am Ende nicht gefalteten Müll haben.

Die Evolution hat einen sehr starken Selektionsdruck, um sicherzustellen, dass sich Proteine ​​richtig falten und Levinthals Paradoxon überwinden können . Wenn sich ein Protein nicht falten kann, kann es in der Zelle keine Funktion erfüllen, und daher gibt es keinen selektiven Druck, die Expression aufrechtzuerhalten. (Die Promotoren werden zerstört und die DNA wird zu "Müll"-DNA mutiert.) Nur wenn das Protein stabil gefaltet ist, wird der selektive Druck aufrechterhalten. Sie erhalten also die One-in-a-Million-Sequenzen, die einen anständigen Falttrichter haben.

Es ist also nicht so, dass es da draußen keine Proteinsequenzen mit einer flachen Energielandschaft oder einer Energielandschaft mit vielen lokalen Minima gibt. Es ist nur so, dass sich ein solches Protein immer dann nicht falten kann, wenn es sich bildet. Und wenn es sich nicht falten kann, wird es vom evolutionären Druck befreit und verschwindet aus dem Genpool – entweder, weil der Organismus, der es hält, ohne es nicht überleben kann, oder weil zufällige Mutationen es mit zufälligem Rauschen auslöschen. Es ist die Überlebensverzerrung – Sie sehen Proteine ​​mit einem einigermaßen gut geformten Faltungstrichter, weil sie die einzigen sind, die Sie sehen würden .

(Es gibt Proteine ​​mit weniger als robusten Faltungstrichtern oder mit alternativen Energiezuständen. Eine kurze Suche in der Literatur wird eine Reihe von Beispielen hervorbringen, bei denen die Proteinfaltung Cofaktoren oder Chaperone erfordert. Oder wo ein Protein zwei verschiedene Faltungen aufweist Zustände, je nach Umgebungsbedingungen, oder wo der am häufigsten gefaltete Zustand nur ein metastabiler Zustand ist, und es eine stabilere Konformation gibt, in die sich das Protein umwandeln wird, wenn es eine Chance gibt – Amyloidfibrillen sind das häufigste Beispiel Verfeinerungen des allgemeinen Prinzips. Sie brauchen keinen felsenfesten Falttrichter, Sie brauchen nur einen, der "gut genug" für den Zweck der Organismen ist.)

Sie können einiges davon in den „ de novo “-Proteindesigns sehen, die aus Labors wie dem von David Baker stammen . Sie sind in der Lage, eine Proteintopologie zu nehmen und einen Computer zu verwenden, um eine Sequenz "von Grund auf neu" zu entwerfen, die sich zu dieser Topologie faltet. Aber längst nicht alle Sequenzen, die ihr Computerprogramm ausspuckt, werden tatsächlich klappen. Nur ein kleiner Bruchteil solcher Konstruktionen lässt sich tatsächlich zu einem kompakten Protein falten.

Aber eines der Dinge, die sie gefunden haben, die ihre Erfolgsrate verbessern, ist die Überprüfung der Designs durch "Vorwärtsfalten". Das heißt, der Computer spuckt ein Design aus, von dem er vorhersagt, dass es eine Sequenz mit niedriger Energie für diese Struktur sein wird. Es reicht jedoch nicht aus, nur eine Sequenz zu haben, die als "niedrige Energie" vorhergesagt wird. Als zusätzlichen Schritt lassen sie die Sequenz durch eine Faltungssimulation laufen, um zu sehen, ob die von ihnen entworfene Sequenz auch eine klare Präferenz für den entworfenen Zustand hat. Grob gesagt, prüfen, ob es einen klaren "Faltungstrichter" gibt, der das Protein in den gewünschten gefalteten Zustand treibt. Durch diese anschließende rechnerische Überprüfung können sie ihre Erfolgsrate erheblich steigern, wenn die Proteine ​​tatsächlich exprimiert werden.