Elements of non-random structure in the unfolded states of proteins : location and possible implications for protein folding mechanisms

• Autorzy: Nikiforovicz G. V.

Warianty tytułu

PL

Elementy uporządkowanej struktury białek wstanie rozwiniętym : umiejscowienie i możliwe implikacje mechanizmów zwijania białek

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study introduces a simple computational procedure to search protein sequences for the segments with above average propensity to adopt non-random structures (which includes the native-like structure) in the unfolded state. The procedure consists of systematical conformational analysis of all overlapping hexapeptide segments in the protein sequence. The main aim of the computational approach is to determine the 3D structure most preferable for a given residue in the protein sequence, as determined by local interactions within the set of hexapeptides featuring the particular residue under consideration. Specifically, this study focuses on four types of "template" 3D structures that may be adopted by a hexapeptide, namely beta-strand, alpha-helix, beta-turn and the native-like structure of the folded state (assumed to be known). The study discusses also the possible importance of such segments for the different molecular mechanism of folding of the two prototypical proteins, namely the 65-residue barley chymotrypsin inhibitor 2 (CI2) and the 110-residue ribonuclease from Bacillus anzyloliquefaciens (barnase). The computational results suggest that dynamic equilibrium in the unfolded state for the continuous fragment 6-27 in CI2 will likely prefer the native-like structure that may be preserved during folding. For barnase, oil the contrary, dynamic equilibrium preferring the native-like structure most likely will occur in the unfolded state only at several small separate fragments, so the large non-native non-random segments of the unfolded state have to be restructured during folding.

PL

Opracowano prostą procedurę obliczeniową do badania sekwencji białek w odniesieniu do segmentów o większej niż średnia skłonności do przybierania postaci struktur uporządkowanych (które zawierają struktury takie same jak macierzyste) w stanie rozwiniętym. Procedura obejmuje systematyczną analizę konformacyjną wszystkich nachodzących na siebie segmentów heksapeptydowych w sekwencji białka. Głównym celem tego przybliżenia obliczeniowego jest określenie najbardziej uprzywilejowanej w przypadku danych reszt aminokwasowych w sekwencji białkowej struktury 3D, zgodnej z wynikami uzyskanymi na podstawie oceny lokalnych oddziaływań w układzie heksapeptydów obrazujących rozważane tu reszty aminokwasów. Skupiono się zwłaszcza na (przyjętych jako znane) czterech typach matrycowych struktur 3D, które mogą być przybierane przez heksapeptydy, mianowicie na strukturze P (fi-strand), a-helisy (a-helix), P-zgiętej ($-turn) oraz na strukturze takiej jak macierzysta w stanie rozwiniętym. Przedyskutowano także możliwy udział takich segmentów w różnych molekularnych mechanizmach zwijania dwu prototypowych białek: złożonego z 65 reszt aminokwasowych inhibitora 2-chymotrypsyny jęczmienia (C12) oraz 110-aminokwasowej rybonukleazy z Bacillus amyloliąuefaciens (barnazy). Wyniki obliczeń wskazują, że równowaga dynamiczna w stanie rozwiniętym ciągłego fragmentu 6-27 w C12 powinna preferować struktury takie jak macierzyste, które mogą zostać zachowane podczas zwijania (rys. 1 i 3). Przeciwnie, w przypadku barnazy równowaga dynamiczna uprzywilejowująca struktury podobne macierzystym najczęściej występuje w stanie rozwiniętym tylko w nielicznych małych wydzielonych fragmentach, zatem duże niemacierzys-te uporządkowane segmenty w tym stanie muszą być odtworzone podczas zwijania.

Słowa kluczowe

EN

protein folding; local nucleation centers; chymotrypsin inhibitor 2; barnase; conformational analysis; computer modelling

PL

zwijanie białek; lokalne centra nukleacji; inhibitor 2 chymotrypsyny; barnaza; analiza konformacyjna; modelowanie komputerowe

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Chemii Przemysłowej
• Czasopismo: Polimery
• Rocznik: 2003
• Tom: T. 48, nr 1
• Strony: 44--49
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz.

Twórcy

autor

Nikiforovicz G. V.

• Washington University, Department of Biochemistry and Molecular Biophysis, St. Louis, MO 63110, USA,

Bibliografia

• 1. Ptitsyn O. B.: Dok l. Acad . Nauk. SSR 1973, 210,1213.
• 2. Wetlaufer D. B.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1973, 70, 697.
• 3. Baldwin R. L., Rose G. D.: Trends Biochem . Sci 1999, 24, 26.
• 4. Baldwin R. L., Rose G. D.: Trends Biochem . Sci. 1999, 24, 77.
• 5. Ptitsyn О. B.: Current Opin . Struct. Biol. 1995, 5, 74.
• 6. Fersht A. R.: Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1995, 9 2 ,1 0 869.
• 7. Plaxco K. W., Simons К. T., Baker D.: J. Mol. Biol. 1998, 277, 985.
• 8. Plaxco K. W., Gross M.: Nature Struct. Biol. 2001, 8, 659.
• 9. Bai Y., Chung J., Dyson H. J., Wright P. E.: Prot. Sci. 2001, 10, 1056.
• 10. Garcia R, Serrano L., Durand D., Rico M., Bruix M.: Prot. Sci. 2001, 1 0 , 1100 .
• 11. Hodsdon M. E., Frieden C: Biochemistry 2001, 40, 732.
• 12. Kazmirski S. L., Wong K.-B., Freund S. M. V., Tan Y.-J., Fersht A. R., Daggert V.: Proc. Natl. Acad . Sci. U S A 2001, 98, 4349.
• 13. Klein-Seetharaman J., Oikawa M., Grimshaw S. B., Winner J., Duchardt E., Ueda T., Imoto T., Smith L. J., Dobson С. M., Schwalbe H.: Science 2002, 295 ,1 719.
• 14. Kortemme T., Kelly M. J. S., Kay L. E., Forman-Kay J., Serrano L.: J. Mol. Biol. 2000, 297, 1217.
• 15. Logan T. M „ Theriault Y., Fesik S. W.: J. Mol. Biol. 1994, 236, 637.
• 16. Neri D., Billeter M., Wider G., Wuthrich K.: Science 1992, 257, 1559.
• 17. Sari N., Alexander R, Bryan P. N., Orban J.: Biochemistry 2000, 39, 965.
• 18. Wong K.-B., Clarke J., Bond C. J., Neira J. L., Freund S. M. V., Fersht A. R., Daggert V.: J. Mol. Biol. 2000, 296,1257.
• 19. Yao J., Chung J., Eliezer D., Wright P. E., Dyson H. J.: Biochemistry 2001, iQ , 3561.
• 20. Yi Q., Scalley-Kim M. L., Aim E. J., Baker D.: J. Mol. Biol. 2000, 299,1341.
• 21. Itzhaki L., Otzen D. E„ Fersht A. R.: J. Mol. Bud. 1995, 254, 260.
• 22. Matouschck A., Serrano L., Fersht A. R.: J. Mol. Biol. 1992, 224, 819.
• 23. Nikiforovich G. V.: Int. J. Peptide Protein Res. 1994, 44, 513.
• 24. Dunfield L. G., Burgess A. W., Scheraga H. A.: J. Phys. Chem . 1978, 82, 2609.
• 25. Nemethy G., Pottle M. S., Scheraga H. A.: J. Phys. Chem . 1983, 87, 1883.
• 26. Nikiforovich G. V., Hruby V. J., Prakash O., Gehrig C. A.: Biopolymers 1991,31, 941