211service.com
Water lost eiwitvouwprobleem op
Een van de grote uitdagingen in de moleculaire biologie is om te begrijpen hoe eiwitten zich vouwen tot complexe 3D-vormen.
Eiwitten zijn ketens van aminozuren die door verschillende moleculaire machines in cellen worden gemaakt. Wanneer eiwitten voor het eerst worden gevormd, zijn het willekeurige spoelen. In deze toestand zijn ze op zijn best goedaardig en in het slechtste geval giftig - de prionen die problemen veroorzaken, zoals de gekkekoeienziekte, zijn misvormde eiwitten.
Maar kort daarna gebeurt er een klein wonder. Deze enorme moleculaire ketens assembleren zichzelf snel tot de complexe 3D-vormen waarmee ze hun werk binnen de cellulaire machinerie kunnen uitvoeren.
Deze uitvoering is zo verbazingwekkend dat het de moeite waard is om bij stil te staan.
Wanneer twee aminozuren binden, kunnen ze een van de ongeveer tien verschillende oriëntaties ten opzichte van elkaar aannemen. Dus een keten van 3 aminozuren kan 10^3 verschillende vormen hebben.
Het snelst opvouwbare eiwit dat tot nu toe is ontdekt, is een structuur die een 3-strengs bètablad wordt genoemd. Zoals de naam al doet vermoeden, is het een oppervlak gevormd uit drie eiwitstrengen die aan elkaar binden. In totaal bevatten deze vellen tot 90 aminozuren en kunnen dus in theorie elk van de 10^90 verschillende vormen aannemen.
Als deze vormen zouden worden uitgeprobeerd met een snelheid van 100 miljard per seconde, zou het langer duren dan de leeftijd van het heelal om de juiste vouw te vinden. En toch vormt het 3-strengs bètablad zich in slechts 140 nanoseconden.
Het zou minder verwonderlijk zijn om een paar brokken metaal en plastic in de achtertuin achter te laten en de volgende ochtend te ontdekken dat het zelf in elkaar was gezet tot een laptop.
Er zijn verschillende suggesties voor hoe eiwitvouwing zijn magie doet. Een van de meest veelbelovende is het idee dat evolutie alleen die eiwitten heeft geselecteerd die van nature in de vereiste vorm instorten. Om dit te doen, moet de energie van de uiteindelijke vorm lager zijn dan de startenergie en alle tussenliggende stappen.
Dat betekent dat het energielandschap van dit systeem trechtervormig moet zijn. Door deze manier van denken werkt eiwitvouwing omdat, bij het verkennen van de ruimte van mogelijke vormen, de structuur door deze trechter valt.
Maar er is een probleem. Als dit het hele verhaal was, zouden eiwitten stabieler moeten zijn bij lagere temperaturen. Maar dat zijn ze niet. Een bekende eigenschap van veel eiwitten is dat hun structuur instort als de temperatuur daalt. Dus elk model van eiwitvouwing moet hier ook rekening mee houden.
Vandaag heeft Olivier Collet van de Universiteit van Nancy in Frankrijk uitgezocht wat er aan de hand is en de sleutel, zegt hij, is water.
Hij wijst erop dat eiwitvouwing niet geïsoleerd, maar in oplossing plaatsvindt. De aminozuurketen is dus omgeven door watermoleculen. Deze vormen van dichtbij een schil rond de eiwitketen. Wat Collet heeft gedaan, is het gedrag van de watermoleculen in deze eerste schil bestuderen.
Collet zegt dat de watermoleculen waterstofbruggen vormen met de aminozuren. Zolang de temperatuur relatief hoog blijft, worden de waterstofbruggen voortdurend verbroken en opnieuw gevormd en verloopt het vouwen op de meestal snelle manier.
Maar als de temperatuur daalt, worden de waterstofbruggen permanent, waardoor het eiwit nieuwe energiezuinige configuraties kan aannemen. Dit verandert het energielandschap drastisch en creëert extra valleien die overeenkomen met deze nieuwe energiezuinige vormen. Dus in plaats van door de energietrechter te vallen, komt het eiwit vast te zitten in een andere vallei die overeenkomt met een verkeerde vorm.
Dat is een handig idee. Het verklaart netjes het temperatuurprobleem binnen de bestaande theorie.
Het suggereert ook dat een krachtig nieuw begrip van eiwitvouwing zou kunnen voortkomen uit een beter begrip van de eigenschappen van water op deze kleine schalen.
Zoals we vorige week zagen, heeft het netwerk van verbindingen tussen watermoleculen op deze schaal een dramatische impact op het gedrag ervan. Er kan zelfs sprake zijn van een kwantumcoherentie die verband houdt met deze koppelingen, wat onmiddellijk een nieuwe manier suggereert om dit probleem te benaderen - door het te behandelen als een soort kwantumberekening.
Dat zou een hele nieuwe baan kunnen openen en we zullen in de gaten houden. Fascinerende dingen!
Referentie: arxiv.org/abs/1101.5502 : Hoe vouwt de eerste waterschaal eiwitten zo snel?