Molekulare Mechanismen für das kooperative Falten von Proteinen

Das Falten von einheitlichen globulären Proteinen zeigt den Charakter der Thermodynamik erster Ordnung oder zweier Zustände. Der Ursprung einer so hohen Kooperativität in relativ kleinen Polymeren ist noch nicht gut verstanden. Kürzlich wurden die statistischen Mechanismen des Proteinfaltens intensiv mit einfachen Proteinmodellen wie kurzen kubischen Gitterketten mit kontaktbasierten Wechselwirkungen untersucht. Obwohl viele wertvolle Erkenntnisse über das Falten von Proteinen mit solchen Modellen gewonnen wurden, sind auch einige Bedenken aufgekommen, nämlich dass sie nicht den Charakter der Protein-Rückgrate haben, deren Wechselwirkungen die Faltmuster von Proteinen einschränken würden. Hier wird eine vergleichende Studie des herkömmlichen kubischen Gitterkettenmodells und eines feinkörnigen, realistischeren Gitterproteinmodells mit Rückgrat- und Seitenkettenwechselwirkungen durchgeführt. Es wird festgestellt, dass, obwohl beide Modelle einen kooperativen Zweizustandsübergang zur nativen Struktur mit optimierten Kraftfeldern zeigen, der Charakter und Ursprung der Kooperativität der beiden Modelle unterschiedlich sind. Im einfachen kontaktbasierten Modell tritt die freie Energiebarriere am unteren Ende des Energiespektrums auf, und die Kooperativität entsteht aus einer koordinierten Bildung nativer Kontakte zwischen vielen Resten in einem kompakten Zustand. Im anderen, komplizierteren Modell tritt die freie Energiebarriere im intermediären Energiebereich auf, und die Faltkooperativität entsteht aus kollektiven orientierten Anordnungen lokal strukturierter Einheiten in semi-offenen konformationellen Zuständen. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse zeigen sich zwei begrenzende molekulare Mechanismen für das Protein Falten, die zur Analyse des Faltprozesses realer Proteine verwendet werden können.