Es gibt zwei grundsätzliche Sichtweisen des Proteinfaltungsproblems:

13. Vorlesung SS 2005

Computational Chemistry

Es gibt zwei grundsätzliche Sichtweisen des Proteinfaltungsproblems:

1 Was sind die treibenden Kräfte (driving forces),

aufgrund derer sich ein Protein faltet?

Physikalische/bioinformatische Sicht des Problems.

2 Zu welcher dreidimensionalen Struktur faltet sich (m)ein

bestimmtes Protein?

Biologische Sicht des Problems.

V13 Proteinfaltung



Modellproblem: Kollision von H mit H2

Dobson, Karplus,Angew. ChemieInt. Ed. 37, 868 (1998)

Reaktion kann durch eineReaktionskoordinatekomplett beschrieben werden.



experimentell beobachtbare Variablen

Dobson, Karplus,Angew. ChemieInt. Ed. 37, 868 (1998)

Die komplette Beschreibung der Protein-

faltungsreaktion erfordert eine Vielzahl an

Reaktionskoordinaten:

- Wie ändert sich die Größe (der radius of

gyration) mit der Zeit?

(Exp. Kleinwinkelstreuung)- Wann bilden sich Elemente der

Sekundärstruktur?

(Exp. FTIR, CD)- Wann bildet sich der hydrophobe Kern?

(Exp. Fluoreszenz)- Wann werden die Wassermoleküle aus

dem Proteininneren verdrängt?

(Fluoreszenz-Quenching)- Wann sind welche tertiären Kontakte

gebildet? (siehe -value analysis, NMR)- Was ist die Rolle von Dynamik

(H/D-Austausch-Experimente)

- Gibt es Intermediate?



Experimente zeigen die Faltung stets entlang einiger weniger

Reaktionskoordinaten.

Es ist schwierig, dadurch den Mechanismus der Proteinfaltung

zu verstehen.

Das Fazit dieser Stunde wird lauten:

Reichen Simulationen allein aus um Proteinfaltung zu verstehen? Nein!

Kombination von Simulation mit Experiment. Ja!

Proteinfaltung: Kombination von Simulation mit Experiment notwendig



1 Typen von Wechselwirkungen

hydrophob

elektrostatisch

2 Wechselwirkungspartner

Protein-Protein

Protein-Solvens

Solvens-Solvens

3 Freie Enthalpie (G) des Gesamtsystems reduzieren,

nicht z.B. nur die innere Energie des Proteins alleine

dynamische Simulationen notwendig

driving forces für Proteinfaltung



Nicht betrachtete Spezialfälle

1 Proteine mit Di-Sulphidbrücken (z.B. BPTI)

Faltungskinetik wird komplett durch Bildung von Disulfidbrücken dominiert.

2 Proteine mit cis-Prolinen

in entfalteten Peptide sind Proline zu 10 – 20 % in cis-Konformation;gefaltete Proteine

haben fast nur trans-Proline; cis/trans-Isomerisierung dauert jedoch Minuten; es gibt

jedoch spezielle cis/trans-Isomerasen wie Cyclophilin

3 Mehr-Domänenproteine...

Was bleibt dann noch übrig?

kleine “Standard” Ein-Domänen-Proteine



* “Problem der Proteinfaltung” beinhaltet zwei Aspekte:

(a) Sequenz Struktur ist weitgehend ungelöst

(b) Verständnis der treibenden Kräfte/Dynamik/ Mechanismen.

Diese sind mittlerweile vergleichsweise gut bekannt.

* warum ist (a) so schwierig?

Beispiel: Lysozym bei 25 CH UF = – 2245 kJ/mol

davon sind – 1881 kJ/mol von den nichtpolaren Gruppen

und – 364 kJ/mol von den polaren Gruppen

- T S UF = + 2186 kJ/mol

UF = – 59 kJ/mol

d.h. nur ca. 0.4 kJ/mol pro Residue !

Die Differenz zweier sehr großer Terme ist selbst sehr klein.

Warum ist die Energetik der Proteinfaltung ein schwieriges Problem?



C. Levinthal, J. Chim. Phys. 65, 44-45 (1968):

Falls man eine Kette von 100 Aminosäuren betrachtet und annimmt, dass jede

Aminosäure in einer von 3 Konformationen existieren kann – ausgestreckt, Helix

oder Schleife - dann gibt es 3100 mögliche Weise, die Kette anzuordnen.

Das sind etwa 1048 Konformationen.

Die Rotation um Bindungen geschieht höchstens 1014 mal pro Sekunde. Daher

dauert eine Zufallssuche nach der richtigen Konformation etwa 1034s = 1026

Jahre, viel länger als das Alter des Universums!

Die kritische Annahme dabei ist, dass alle möglichen Konformationen mit der

gleichen Wahrscheinlichkeit gesampelt werden. Der Faltungstrichter sieht

also wie ein Loch auf einem flachen Golfplatz aus.

Daher wurde vermutet, dass bestimmte Faltungspfade existieren, die zur

gefalteten Struktur führen.

Levinthal-Paradox 1968



Golfkurs-Beispiel

1-D Energielandschaft.

Im Fall extremer Frustration gibt es

keine Korrelation zwischen

struktureller Ähnlichkeit mit dem

Grundzustand und der Energie.

Einzige Möglichkeit:Zufallssuche.



Lösung für Levinthal-Paradoxon: Folding Funnel

Energielandschaft eines minimal

frustrierten Heteropolymers.

Die Trichterform ermöglicht, dass der

gefaltete Zustand in kurzer Zeit erreicht

wird.



Nucleation-condensation-Modell

Wetlaufer, D.B. (1973) PNAS 70, 697

Es werden einige kritische kinetische Nuklei geformt, um die herum der Rest der

Struktur wächst.

Framework Modell

Ptitsyn, O.B. & Rashin, A.A. (1975) Biophys. Chem. 3, 1

Zunächst falten sich die Sekundärstrukturelemente. Diese docken dann im

ratenlimitierenden Schritt zur 3D-Struktur.

Modell des hydrophoben Kollapses

Dill, K.A. (1985) Biochemistry 24, 1501

Treibende Kraft ist der hydrophobe Effekt. Wasser wird unspezifisch verdrängt.

Die abschliessende Umordnung des kollabierten Zustands ist ratenlimitierend.

Modelle um Proteinfaltung zu beschreiben



Die ersten Schritte der Proteinfaltung sind entropisch ungünstig, durch den

Verlust an Entropie aufgrund der reduzierten Beweglichkeit der Seitenketten.

Der enthalpische Gewinn durch entstehende native Wechselwirkungen kann dies

nicht ganz kompensieren.

Erst im Übergangszustand (transition state) werden die beiden Beiträge

gleichgroß.

Danach geht die Faltung downhill.

Nucleation-condensation Modell



gewann an Bedeutung als man kleine Sekundärstrukturelemente-Fragmente

von Proteinen identifizieren konnte, die bereits in Lösung gefaltet sind.

(Munoz, Serrano 1994-1997).

Framework-Modell



native Kontakte

* native Kontakte sind essentiell

Hypothese, daß es kleine Peptidstücke gibt,

unabhängig faltende Einheiten, sogennante Foldons

Beispiele:

-hairpins (Munoz&Eaton), die sich in ca. 6 s falten

kleine Fragmente aus BPTI (SYPFDV)

* Langevin-Simulationen zeigen:

-Helices falten sich in ca. 10-100 ns

-hairpins brauchen ca. 10 s

Auch native Kontakte passen zum Framework-Modell

a: Ar(i)-HN(i) Wechselwirkung zwischen

Phe517 und der Amidgruppe des Rückgrats

von Tyr518 in Phosphoinoitide-Specific

Phospholipase C (1DJX).

b: Ar(i)-HN(i) Wechselwirkung in Ascorbate

Oxidase (1AOZ).

Tóth et al. Proteins 43, 373 (2001)



Modell des hydrophoben Kollapses

sagt ein Faltungs-Intermediat voraus, den sogenannten Molten Globule,

den man kinetisch und im Gleichgewicht als eine expandierte Form des

gefalteten, nativen Zustands charakterisiert hat.

Molten Globule



Hydrogen-Exchange: H/D-Austausch der Backbone HN-Atome gegen D/H-

Atome der Lösung. Gibt Information über Faltungs-Intermediate: ist diese

Gruppe solvenszugänglich? Konsolidierung des Protein-Rückgrats.

Protein Engineering (Mutagenese): sensitiv für Seitenketten-

Wechselwirkungen.

Entdeckung von kleinen Proteinen mit lediglich zwei Zuständen

(gefaltet entfaltet)

CI-2

spectrin SH3

cold shock protein CspB

Bisher wurden etwa 30 Proteine mit dieser Methode untersucht.

Neue Methoden



(a) zwei extreme Szenarien:

„Framework“ bedeutet, dass

sich die 2nd-Strukturelemente

zuerst falten.

„Nucleation condensation“ ist

ein Kompromiss zwischen den

beiden Extremfällen.

(b) Proteine, die man einer

oder der anderen Kategorie

zuordnen kann.

Bisher wurde kein Protein

gefunden, das einen reinen

Hydrophoben Kollaps zeigt, also

während des Kollapses keine

2nd-Struktur formt.

Mechanismus der Proteinfaltung (Fersht)

Daggett, Fersht, TIBS 28, 18 (2003)



Nucleation-condensation wird heute als Standardmechanismus für die Faltung

kleiner Proteine angesehen (Serrano und Mitarbeiter, PNAS 99, 15846 (2002)).

Manche Proteine falten jedoch auf eine polarisierte Weise, wobei sich ein Teil der

Struktur sehr früh bildet und andere Abschnitte bis zuletzt unstrukturiert bleiben.

CI-2 2-Zustand global diffus:alle Residuen falten sich gleichzeitig

SH3 2-Zustand im Übergangszustand ist eine Region des Proteins fast

vollständig gefaltet, eine andere jedoch nur kaum.

Barnase zwei Faltungsmodule falten sich unabhängig voneinander zu

Intermediat gemäss NC-Mechanismus

Dann docken diese beiden Module gemäss Framework-Modell.

Faltung kleiner Proteine



Bryngelson, Wolynes, PNAS (1987)

gradient roughness

macht Faltung macht Faltung

schneller langsamer

“Frustration”

„New view of Protein folding“:Faltung auf rauhen, trichterförmigen Energielandschften

Brooks, Gruebele, Onuchic, Wolynes,

PNAS 95, 11037 (1998)



Energielandschaft mit unterschiedlicher Frustration

Links: hoch frustrierte Landschaft mit Tg > Tf.

Rechts: geringe Frustration; Tg < Tf; Ähnlichkeit mit Trichterform



Theorie der Energielandschaften für Proteinfaltung

nach Onuchic, Nymeyer, Garcia, Chahine, Socci, Adv. Prot. Chem. 53, 87 (2000)http://guara.ucsd.edu/group/Folding-papers.html

„Holy grail“: Proteinsequenz Proteinstruktur

Entwicklung von theoretischen Konzepten, mit denen man sich faltende von sich

nicht faltenden Sequenzen unterscheiden kann.

P.S. Kim & R.L. Baldwin (Annu Rev BioChem 59, 631 [1990]):

Faltung geschieht entlang von Pfaden mit wohldefinierten Intermediaten.

Diese Sichtweise wurde seit Beginn der ´90er Jahre durch das Bild der Faltung

eines Proteins in einem Faltungstrichter der Energie ersetzt.- Faltung ist ein kollektiver (d.h. die Faltung der Aminosäurenkette beginnt an

vielen Positionen gleichzeitig) und selbst-organisierter Prozeß- Faltung geschieht entlang einer Vielzahl von Routen bis auf den Boden des

Faltungstrichters.



D. Baker, Nature 405, 39 (2000)

Für viele Proteine ist die Faltungsgeschwindigkeit durch das Verhältnis von lokalen

zu nicht-lokalen Kontakten bestimmt.

Rolle der Topologie

a bis d. rot: grosser Einfluss auf Faltungsrate, blau: kleiner Einfluss.

e: Kontakt-Ordnung: mittlerer Sequenz-Abstand räumlich benachbarter Amino-

säuren; normiert über die Gesamtlänge des Proteins.

f: überraschend deutlicher Zusammenhang zwischen der Faltungsgeschwindigkeit

von Proteinen und ihrer Kontakt-Ordnung.



Studiere den Effekt von

Mutationen auf die

Kinetik und Stabilität der

Proteinfaltung.

Die grüne Residue hat im

Übergangszustand (TS)

fast die gleiche Umgebung

wie im gefalteten Protein (N).

Daher wird TS um den gleichen

Betrag destabilisiert wie N.

Umgekehrtes gilt für die blaue

Residue. DN

DTS

DNDN

DTSDTS

G

G

GG

GG

'

'

´ kennzeichnet Daten für eine Mutante


-value Analyse



Proteinfaltung mit Simulationen

Faltung von -Helices und -Faltblättern dauert 100 ns bis 10 s.

MD-Simulation auf einem Prozessor mit 2 fs Zeitschritt würde Jahre dauern.

verschiedene Auswege aus diesem Dilemma-Vereinfachung der Proteindarstellung (HP- oder

Go-Modelle)

0 steered Molecular Dynamics – Entfaltung unter Zwangskraft.

Problem: Freies Energieprofil ist pfadabhängig (wird nicht behandelt).

1 Simulation der Entfaltung bei erhöhter Temperatur

2 systematische Variation entlang eines Faltungsparameters liefert die

Hyperfläche der Freien Enthalpie

3 “distributed computing” – Faltungskinetik aus zahlreichen kurzen Simulationen



(a) Kristallstruktur. (b) Entfaltungssimulation bei 100 K. Umgekehrte Reihen-

folge der Schnappschüsse.

Entfaltungssimulationen bei erhöhter TemperaturFaltung von CI2

„S“ – Werte:

charaktisiert

Packungswech-

selwirkungen der

Residue und

ihrer lokalen

2nd-Struktur.

Gute Korrelation

mit experimentel-

len -Werten.




Faltung von Barnase


(a) NMR-Struktur von Barnase. (b) MD-Schnappschüsse von 225°C Simulation.

(c) Korrelation von

S und . Gute

Übereinstimmung

bis auf grüne Boxen

(2-Helix). Ihr helikaler

Anteil im TS, aber auch

im entfalteten Zustand

ist in MD-Simulation

grösser.

Eventuell bedeutet

dies, dass die -Analyse

solch autonom faltende

Einheiten nicht gut

beschreiben kann.



MD erlaubt detaillierte Einblicke in Faltungsprozess




(a) Übergangszustände bei 100°C und 225°C sind sehr ähnlich. Erhöhung der

Temperatur bewirkt also vermutlich keine Veränderung des allgemeinen Faltungs-

pfades, sondern beschleunigt lediglich die Faltung/Entfaltung.

(b) Helices sind selbst im denaturierten Zustand stabil. Die engrailed homeodomain

ist also ein Beispiel für ein Protein, das gemäss dem Framework-Modell faltet.

Faltung der engrailed homeodomain




Proteine mit SH3-ähnlicher Struktur.

Die Farbkodierung folgt den -Werten:

blau für kleine -Werte,

rot für grosse -Werte.

Je grösser der -Wert, desto mehr gefaltet

ist die entsprechende Region in der Region

des Übergangszustands.

„Topologie ist nicht alles“

Die Unterschiede in dem Faltungsverhalten

dieser 3 Proteine lassen sich nur durch

spezifische Wechselwirkungen erklären.

Rolle der Topologie

Schymkowitz et al. PNAS 99, 15846 (2002)



Kristallstruktur 1SRL

(a) 6.5 Å contact map

zwischen nicht-benach-

barten Residuen für die

Kristallstruktur.

(b) contact maps aus

MD-Simulationen für

=0.2 (über Diagonale)=0.4 (unter Diagonale)

(c)=0.6 (über Diagonale)=0.8 (unter Diagonale)

entspricht der Anzahlan nativen Kontakten. Shea, Onuchic, Brooks, PNAS 99, 16064 (2002)

Faltungssimulation entlang Reaktionskoordinate:src-SH3 Domäne



Faltung der src-SH3 Domäne

Shea, Onuchic, Brooks, PNAS 99, 16064 (2002)

(a) pmf bei 298 K als Funktion

der Anzahl nativer Kontakte:

Profil zeigt klar downhill.

(b) und (c) Erweiterung von (a)

um den Gyrations-Radius bzw.

die Anzahl an Wassermolekülen

im Kern.

(d) Überlagerung von 3

Entfaltungssimulationen bei

400 K.

Profile wurde mit einem Zwangs-

potential entlang von erzeugt.



Das Design des 23-Residuen langen BBA5-Motifs

(-Hairpin / turn / -Helix) wurde von der Faltung

von Zinkfinger inspiriert.

• NMR-Struktur von BBA5• Doppelmutante (2.2 Å)• Doppelmutante (2.4 Å)• Einzelmutante (2.5 Å)

BBA5 besitzt starke Tendenz, Sekundärstruktur-

elemente zu formen und kleinen hydrophoben Kern.

Daher ist der Effekt von Ungenauigkeiten des

Kraftfelds vielleicht eher klein.

Faltungssimulation mit Distributed Computing für BBA5, ein Designer-Protein



Faltungssimulation von 10 s Länge auf einem Prozessor würde Jahrzehnte

dauern, selbst mit implizitem Solvens.

Distributed computing (Folding@home): simuliere 10.000 Simulation von jeweils

5 - 20 ns Länge mit implizitem Solvensmodell.

Für ein kleines Protein mit einer Faltungszeit von 10 s sollten etwa 10 von

10.000 Simulation innerhalb von 10 ns gefaltet sein.

Folding@home: 30.000 Heimbenutzer stellten ihre PCs über Monate zur

Verfügung um MD-Simulationen während idle-Zeit laufen zu lassen.

Die akkumulierte CPU-Zeit entspricht ca. 1 Millionen CPU-Tage!

Es wurden über 100 unabhängige Faltungsvorgänge beobachtet.

Folding@Home



Cα backbone (blau 1-3 und 6-8, rot

11-21) und ausgewählte Seiten-

ketten (Y1 Y3 Y6 W8 E13 L14 L17

L18) für Faltungstrajektorien, die

nahe der nativen BBA5- Struktur

enden (unten).

a, 2.2 Å b, 2.4 Å c, 2.6 Å d, 3.0

Å e, Natives BBA5 f, Natives

BBA1 mit artifizieller Aminosäure

Fen in Orange g, Homologie-

Model für Doppelmutante h,

anderes Homologie-Modell.

Faltungstrajektorien für Doppelmutante



Logarithmierte Population von verschiedenen Kombinationen aus RMSDca

und Gyrations-Radius für

a, 9000 sich faltende Trajektorien nach 1 ns, die aus einem gestreckten

Zustand gestartet wurden. b, dieselben Trajektorien nach 20ns

c, 2500 Simulationen des nativen Zustands nach 10 ns.

Nach 20 ns ist das entfaltete Ensemble so kompakt wie das gefaltete

Ensemble (Radius of Gyration, y-Achse).

Es gibt aber nur einen kleinen Überlapp zwischen b und c: Ein kleiner Teil

des gefalteten Ensembles (c) ist nach 10 ns teilweise entfaltet, und ein

kleiner Teil des entfalteten Ensembles ist nach 20 ns gefaltet (b).

Energie-Landschaft der Faltung



(a) Helikale Strukturen (278K).

b, Hairpin-Structuren (278K).

c, Präsenz von mindestens 4

α-helikalen Residuen.

d, Population eines richtigen β-

Hairpins um Residuen 4-5.

Native Ensembles sind gezeigt

bei 278, 378, und 478 K ( □, +,

und ).

Faltende Ensembles bei 278 und

338 K sind mit ▪ und ∆ markiert.

Der entfaltete Zustand ist zu

~40% α-helikal.

Zunahme an Sekundärstruktur in Doppelmutante



(a) CD-Spektra. Die isodichroischen

Punkte (rot) deuten auf Zwei-

Zustands-Modell hin.

(b) Normalisierte Fluoreszenzspektren.

(c) Temperatur-Sprung durch 10 ns

Laserpuls induziert teilweise

Entfaltung.

(d) Zeitaufgelöste Beobachtung der um

11 nm rotverschobenen Fluoreszenz.

Exp. Faltungszeit 7.5 ± 3.5 s

Simulation: 6 s

Quantitative Übereinstimmung!

Exp. Faltungs-Thermodynamik und –kinetik von BBA5

Snow et al. Nature 420, 102 (2002)



Faltung in den

Simulationen.

Bei höherer Temperatur

geschieht Zunahme ca.

2 mal so schnell.

Zunahme der gefalteten Zustände

Snow et al. Nature 420, 102 (2002)



Unfolded states and transition states

Understanding protein folding not only involves predicting the folded structures of

foldable sequences.

In order to characterize the stability of a protein need free energy difference between folded and unfolded structure

what is the structural ensemble of „the unfolded state“?

In order to understand kinetics of folding process need structure of transition state

Difficult to characterize these structures by experiments.

Simulations are ideal tools.



The protein folding network

Transition states for protein

folding have native topologies

despite structural variability,

Kindorff-Larsen, Vendrusculo,

Paci & Dobson,

Nat. Struct. Biol. 11, 443 (2004)

Chris Dobson

Michele Vendrusculo

Emanuele Paci



Structure and sequences of SH3 domains used

• Native state structure of the src SH3

domain colored from its N (red) to C

terminus (blue).

• Sequence alignment of the three SH3

domains from src, Fyn and -spectrin.

Residues in -strands are green and

those in 310 -helices are blue. The nine

boxed positions (I–IX) are the major

hydrophobic core residues.

Lindorff-Larsen, Vendrusculo, Paci,Dobson, Nat Struct Biol 11, 443 (2004)



Representations of the transition state ensemble (TSE)

(a) Three members of the TSE traced within

an atomic density map20 calculated from the

backbone atoms of 20 representative

structures from the TSE.




(b) The red ( = 500 K) and green ( = 640

K) points show the spread in radius of gyration

and structural diversity in the TSE.

The black points represent the comparable

data from the native state ensemble.

Four structures representative of different

regions of the plot are colored according to

the conformational variability

(blue: RMS 1Å, red: RMS > 8Å


Structure and sequences of SH3 domains used

Conformations of central 3-

stranded sheet (2 - 4) are

much less variable than those

of 1 and 5.




Energy maps of native state and TSE of src SH3

(c) Ensemble-averaged pairwise interaction

energies between residues in the native state

(above diagonal) and in the TSE (below

diagonal).

Many features found in the native state are also

found in the TSE:

- interactions between (2 - 4), in particular

between 3 and 4.

- part of the RT loop packs on to 4.

Surprising: although strands 1 and 5 are

relatively disordered (previous slide) the

interactions formed are very similar to those in

the native state.



TSEs of SH3 domains from -spectrin and Fyn

(a,b) TSEs of (a) -spectrin SH3

domains and (b ) Fyn SH3 domains.

Color coding according to the

conformational variability as before.

- Overall similarity to src-SH3

- differences

- e.g. that RT loop does not pack onto to

the rest of the protein (Fyn).- conformational variability of -spectrin

SH3 (RMSD of C 3.0 Å) smaller than of

src (5.4 Å) and Fyn (6.0 Å)


two TSE structures energy maps of the native state (above diagonal) and transition state (below diagonal).



Native topology in the transition state?

Either direct examination of 3D structures,

or interaction energy maps

suggest that TSE is characterized by overall native-like topology.

Quantify the topological similarity between TSE and native state

Here use DALI server; alignment of matrices of pairwise C distances.

to generate a representative set of structures of small proteins: extract 311

domains of length 40-70 residues from SCOP domain database.

179 can be meaningful aligned to src SH3.

11 domains have Z-score > 9.0. All of them are SH3 domains.

168 have Z < 4.3.




Native topology in the transition state?

align 500 TSE structures to these 311 domains.

In 479/500 cases, the best-matching SCOP-domain is an SH3 domain!

despite their local variability, a large majority of the calculated TSE structures

have the fold characteristic of an SH3 domain.




DALI alignment of TSE structures against SCOP domains

Z-score > 5 indicates high structural

similarity.

Therefore, the structural similarity

between the TSE and the best-

matching SCOP is in fact quite low.


the large majority of TSE structures are located in the outer periphery of the

region of conformational space that corresponds to the SH3 fold.

The rate-limiting step in folding seems the formation of a conformation with the

global topology of the native state, see lecture 7.



Solvent accessibility and secondary structure

Relative solvent accessible surface

area in the native state (black) and

transition state (red) of src SH3.

Arrows, the five native -strands.

Many portions of the protein are only

partially desolvated in the TSE!




Does secondary structure formation

have a primary role in protein folding?

DSSPcont most highly formed

elements are strands 3 and 4 (formed

in > 60% TSE structures of src and Fyn

and in > 45% for spectrin).

Diverging turn preceding 2 also

substantially populated.

Experimentally, no isolated hairpin has

structure. Hairpin between 3 and 4

must be stabilized by tertiary

interactions.Lindorff-Larsen, Vendrusculo, Paci,Dobson, Nat Struct Biol 11, 443 (2004)

Solvent accessibility and secondary structure

However, peptide corresponding to

diverging loop adopts turn in solution.



Network of interactions in native and transition states

(a) Native state structure of src SH3. The

residues in the hydrophobic core are shown in

green and in ball-and-stick.

(b,c) Graph representation of the interactions

in (b) the native state and (c) the transition

state. The nodes on the graphs in b and c are

colored using the scheme shown in a. Only

noncovalent interactions between amino acids

more than two residues apart are considered.

Network in TSE is less condense,

contains critical interactions of hydrophobic

core.




Key network of interactions in the folding TS

Each point in the plot represents the result of a

TSE determination of src SH3 using one of 220

triplets of residues.

The S-score measures the topological similarity

with the native state; high S -scores indicate high

similarity. We encircle triplets in the plot when

these contain residues at core position VII (Ala37,

blue) and VIII (Ile48, yellow). Highlighted in the

protein structure at the bottom left are six of the

hydrophobic core residues corresponding to core

positions III–VI colored with core positions III and

IV green, V and VI red, VII blue and VIII yellow.

Bottom right, interaction network among these six

residues in the native and transition states, colored

according to the same code. Lines are drawn when

the average pairwise interaction energy is lower

than -0.5 kcal mol. Solid lines, interactions present

in both the native and transition states; dashed

lines, interactions present in the native state only.




* Konzentration auf realistischere Modelle um wirkliche

Proteine zu simulieren

* Einfluß äußerer Effekte (z.B. Kräfte oder Viskosität)

* Einfluß von Chaperonins

* Einfluß der Viskosität auf Faltungsdynamik.

wurde seit langem vorhergesagt, z.B. durch Simulationen, und wurde

vor kurzem zum ersten Mal exp. bestätigt.

Diffusion wichtig für Proteinfaltung

(z.B. Simulation durch Brownian Dynamics Simulationen) es sollte nicht die Transition-State-Theorie verwendet werden,

sondern die Kramersche Theorie

Trends

Gk bf

exp2

0



L. Serrano und Mitarbeiter, PNAS 99, 15846 (2002):

Im Feld der „Protein-Falter“ ist nun anerkannt, dass die Kombination von

Experiment mit Theorie/Simulation die verbliebenen Rätsel der Proteinfaltung

lösen werden.

Die Modelle können wohl nur dann streng überprüft und verbessert werden

wenn das experimentelle Know-how eine nächste Stufe erreicht.

Ein Schritt hier: experimentelle Untersuchung von Einzelmolekülen!

Die Anstrengungen und Erfahrungen im Blue-Gene-Projekt von IBM in einer

Vielzahl von Kollaborationen werden für die theoretische Seite eine

umfassende Evaluation der bestehenden Methoden bedeuten.

Neue Techniken wie Replica-Exchange bewirken immer wieder signifikante

Verbesserungen.

Fazit

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Es gibt zwei grundsätzliche Sichtweisen des Proteinfaltungsproblems: