L'acqua risolve il problema del ripiegamento delle proteine

Una delle grandi sfide della biologia molecolare è capire come le proteine ​​si piegano in forme 3D complesse.

Le proteine ​​sono catene di amminoacidi prodotte da varie macchine molecolari all'interno delle cellule. Quando le proteine ​​si formano per la prima volta, sono bobine casuali. In questo stato, sono nel migliore dei casi benigni e nel peggiore dei casi tossici: i prioni che causano problemi come il morbo della mucca pazza sono proteine ​​deformi.

Ma subito dopo accade un piccolo miracolo. Queste enormi catene molecolari si autoassemblano rapidamente nelle complesse forme 3D che consentono loro di svolgere il proprio lavoro all'interno del macchinario cellulare.

Questa performance è così sorprendente che vale la pena soffermarsi.

Quando due amminoacidi si legano, possono assumere uno dei dieci diversi orientamenti l'uno rispetto all'altro. Quindi una catena di 3 amminoacidi può avere 10^3 forme diverse.

La proteina pieghevole più veloce scoperta finora è una struttura chiamata foglio beta a 3 filamenti. Come suggerisce il nome, è una superficie formata da tre filamenti di proteine ​​che si legano insieme. In totale, questi fogli contengono fino a 90 amminoacidi e quindi in teoria possono assumere una qualsiasi delle 10^90 forme diverse.

Se queste forme fossero provate alla velocità di 100 miliardi al secondo, ci vorrebbe più tempo dell'età dell'Universo per trovare la piega corretta. Eppure il foglio beta a 3 filamenti si forma in soli 140 nanosecondi.

Sarebbe meno sorprendente lasciare alcuni pezzi di metallo e plastica nel cortile sul retro e scoprire la mattina dopo che si era autoassemblato in un computer portatile.

Ci sono vari suggerimenti su come il ripiegamento delle proteine ​​fa la sua magia. Uno dei più promettenti è l'idea che l'evoluzione abbia selezionato solo quelle proteine ​​che collassano naturalmente nella forma richiesta. Per fare ciò, l'energia della forma finale deve essere inferiore all'energia iniziale ea tutti i passaggi intermedi.

Ciò significa che il panorama energetico di questo sistema deve essere a forma di imbuto. Con questo modo di pensare, il ripiegamento delle proteine ​​funziona perché, esplorando lo spazio delle forme possibili, la struttura cade attraverso questo imbuto.

Ma c'è un problema. Se questa fosse l'intera storia, le proteine ​​dovrebbero essere più stabili a temperature più basse. Ma non lo sono. Una proprietà ben nota di molte proteine ​​è che la loro struttura collassa quando la temperatura scende. Quindi qualsiasi modello di ripiegamento proteico deve tenere conto anche di questo.

Oggi, Olivier Collet dell'Università di Nancy in Francia ha capito cosa sta succedendo e la chiave, dice, è l'acqua.

Sottolinea che il ripiegamento delle proteine ​​non avviene isolatamente ma in soluzione. Quindi la catena di amminoacidi è circondata da molecole d'acqua. A distanza ravvicinata, questi formano un guscio attorno alla catena proteica. Quello che ha fatto Collet è studiare il comportamento delle molecole d'acqua in questo primo guscio.

Collet dice che le molecole d'acqua formano legami idrogeno con gli amminoacidi. Finché la temperatura rimane relativamente alta, i legami idrogeno vengono costantemente rotti e formati di nuovo e il ripiegamento procede nel modo solitamente rapido.

Ma se la temperatura scende, i legami idrogeno diventano permanenti, consentendo alla proteina di assumere nuove configurazioni a bassa energia. Questo cambia drasticamente il panorama energetico, creando ulteriori valli che corrispondono a queste nuove forme a bassa energia. Quindi, invece di cadere attraverso l'imbuto energetico, la proteina rimane bloccata in un'altra valle che corrisponde a una forma errata.

È un'idea utile. Spiega chiaramente il problema della temperatura all'interno della teoria esistente.

Suggerisce anche che una nuova e potente comprensione del ripiegamento delle proteine ​​potrebbe derivare da una migliore comprensione delle proprietà dell'acqua su queste scale minuscole.

Come abbiamo visto la scorsa settimana, la rete di collegamenti tra le molecole d'acqua confinate su questa scala ha un impatto drammatico sul suo comportamento. Potrebbe esserci anche una coerenza quantistica associata a questi collegamenti, il che suggerisce immediatamente un nuovo modo di affrontare questo problema, trattandolo come una sorta di calcolo quantistico.

Ciò potrebbe aprire una strada completamente nuova di lavoro e staremo a guardare. Roba affascinante!

Rif: arxiv.org/abs/1101.5502 : Come fa il primo guscio d'acqua a ripiegare le proteine ​​così velocemente?

nascondere