[논문 리뷰] Parametrization of Multiple Pathways in Proteins: Fast Folding versus Tight Transitions

Paul Dommersnes, Alex Hansen외 2명|arXiv (Cornell University)|2000. 06. 20.

Advanced Materials and Mechanics인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 순차적이고 계층적인 에너지 및 엔트로피 감소에서 유도된 효과적 하미르토니안을 사용하여 단백질의 다중 접힘 경로에 대한 매개변수화 기법을 제안한다. 이 모델이 날카럽게 정의된 이상태 전이와 현실적인 접힘 시간을 도출함을 보여주며, 엔트로피 장벽이 접힘 동역학의 비-Arrhenius적 온도 의존성에 기여함을 설명한다.

ABSTRACT

Growing experimental evidence shows that proteins follow one or a few distinct paths when folding. We propose in this paper a procedure to parametrize these observed pathways, and from this parametrization construct effective Hamiltonians for the proteins. We furthermore study the denaturated-native transitions for a wide class of possible effective Hamiltonians based on this scheme, and find that the sharpness (tightness) of the transitions typically are close to their theoretical maximum and thus in quantitative accordance with the sharp folding transition observed for single domain proteins. Finally we demonstrate that realistic folding times are typical for the proposed class of Hamiltonians, and we discuss the implication of the predicted entropy barriers on the temperature dependence of the folding times.

연구 동기 및 목표

• 실험적으로 관찰된 이상태 전이를 반영하는 단백질 접힘 경로의 다중 경로에 대한 매개변수화 기법을 개발하기 위해.
• 단일 도메인 단백질에서 관찰된 접힘 전이의 날카움을 재현할 수 있는 효과적 하미르토니안을 이 매개변수화 기반으로 구축하기 위해.
• 제안된 하미르토니안 클래스에서 현실적인 접힘 시간이 자연스럽게 도출됨을 보여주기 위해.
• 엔트로피 장벽이 접힘 속도의 온도 의존성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 계층적이고 순차적인 접힘 경로를 코딩하여 빠른 접힘이나 이중 상태 열역학적 특성과 동시에 설명할 수 있는지를 밝혀내기 위해.

제안 방법

• 접힘 단계에서의 국소적 에너지 기여도를 나타내는 매개변수 φi를 기반으로, 에너지와 엔트로피를 단계적으로 감소시키는 부분적으로 접힌 구조의 시퀀스로 단백질 접힘을 매개변수화한다. 이는 자물쇠처럼 작동하는 메커니즘을 모티프으로 삼는다.
• 각 접힘 단계의 국소적 에너지 기여도를 나타내는 매개변수 φi 집합에 기반하여 효과적 하미르토니안을 정의한다.
• 모든 가능한 φi 매개변수 구성에 대한 평균 분할함수 ⟨Z⟩를 계산하기 위해 통계적 앙상블 접근법을 사용한다.
• 순열과 이항계수의 조합 합을 사용하여 평균 분할함수 및 그 변동성을 유도한다.
• 유도된 하미르토니안 클래스에서 접힘 전이의 날카움을 분석하기 위해 van’t Hoff 관계를 적용한다.
• 저온에서 접힘이 억제되는 엔트로피 장벽을 식별함으로써 접힘 시간의 온도 의존성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다중 접힘 경로의 매개변수화가 실험적으로 관찰된 단백질 접힘의 이중 상태 성질을 재현할 수 있는가?
• RQ2 이러한 경로를 가진 모델에서 접힘 전이의 최대 가능 날카움은 얼마이며, 실험 관측치와 일치하는가?
• RQ3 제안된 하미르토니안이 실험 측정치와 일치하는 접힘 시간을 도출하는가?
• RQ4 엔트로피 장벽의 존재가 접힘 동역학의 온도 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 계층적이고 순차적인 접힘 경로는 동시에 빠른 접힘과 날카로운 전이를 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 효과적 하미르토니안 클래스는 일반적으로 이론적 최대 날카움에 도달하거나 그에 가까운 접힘 전이를 생성하며, 실험에서 관찰된 이중 상태 행동과 일치한다.
• 모델에서 계산된 접힘 시간은 단일 도메인 단백질의 실험 관측치와 현실적으로 일치한다.
• 접힘 전이의 날카움은 엔트로피 장벽에 의해 강화되며, 이로 인해 전이 온도 Tc 이하에서 접힘 시간이 온도에 따라 급격히 증가한다.
• 열역학적 한계(N→∞)에서 분할함수의 상대적 변동은 0으로 수렴하여 명확한 상전이가 존재함을 나타낸다.
• 계층적이고 순차적인 접힘 경로를 코딩함으로써 빠른 접힘과 날카로운 이중 상태 전이 간의 모순을 성공적으로 해소한다.
• 엔트로피 장벽으로 인해 접힘 속도의 온도 의존성이 비-Arrhenius적이며, 이는 낮은 온도에서 접힘 시간이 증가하는 관측 결과를 설명한다.