Фазовые свойства белковых растворов и денатурация белка

Сергей Павлович Рожков; Андрей Сергеевич Горюнов; Sergei Rozhkov; Andrei Goryunov

doi:10.17076/eb1031

Фазовые свойства белковых растворов и денатурация белка

Сергей Павлович Рожков, Андрей Сергеевич Горюнов, Sergei Rozhkov, Andrei Goryunov

Аннотация

Образование конденсированных фаз, в том числе микрофаз, содержащих белки (кристаллов, олигомеров, других твердотельных агрегатов, а также плотных жидкостей и гелей), играют важную роль в функциональной активности белка в цитоплазме живой клетки, являются значимым аспектом белковых исследований и биотехнологий, а также обусловливают различные патологии в живом организме. Многие явления, связанные с образованием интермедиатов сворачивания белковых молекул до сих пор не получили термодинамической трактовки. Это снижает предсказательный потенциал фазовых диаграмм состояний белкового раствора, используемых для описания состояния молекул белка в разнообразных физиологических и биотехнологических условиях. В нашей работе делается попытка проследить взаимосвязь фазовых переходов типа жидкость-жидкость (L-L) в дисперсиях глобулярных белков с явлениями тепловой и холодовой денатурации. Показано, что анализ изобар фазовой диаграммы в координатах давление-температура и температура-энтропия позволяет предсказать появление новых фазовых состояний, образованных интермедиатами сворачивания, в дисперсии белка. Они находятся в метастабильном равновесии с макрофазой, образованной нативными и денатурированными формами молекул белка. Термодинамическое равновесие достигается за счет того, что интермедиаты сворачивания образуют фазы микроскопических размеров, которые стабилизируются за счет капиллярного эффекта. Тем самым при одном и том же внешнем давлении, действующем на дисперсию, обеспечивается равенство химических потенциалов всех молекул белка, необходимое для термодинамической устойчивости системы. Вне денатурационного температурного интервала интермедиаты приобретают основную конформацию и происходит фазовый переход типа L-L, так как исчезают причины, вызывающие необходимость фазового разделения. Такой подход позволил также показать, что метастабильные фазовые равновесия нативный белок - интермедиат и денатурированный белок - интермедиат имеют признаки равновесия типа L-L как в области низких, так и повышенных температур, и объяснить их существование вдали от области фазового перехода первого рода.

Ключевые слова

фазовые диаграммы белкового раствора; тепловая и холодовая денатурация белка; бинодаль; интермедиаты сворачивания белка; фазовые переходы; капиллярное давление

Полный текст:

PDF

Литература

Александров В. Я. Реактивность клеток и белки. Л.: Наука, 1985. 318 с.

Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1991. 376 с.

Линг Г. Физическая теория живой клетки: Незамеченная революция. СПб: Наука, 2008. 376 с.

Рожков С. П. Трехкомпонентная система вода- биополимер-ионы как модель молекулярных механизмов осмотического гомеостаза // Биофизика. 2001. Т. 46, № 1. С. 53-59.

Рожков С. П., Горюнов А. С. Стабильные, метастабильные и закритическая фазы в растворах глобулярных белков между верхней и нижней температурами их денатурации // Биофизика. 2017. Т. 62, в. 4. С. 665-673. doi: 10.1134/S0006350917040182

Финкельштейн А. В., Птицын О. Б. Физика белка. М.: Университет, 2002. 376 с.

Adrover M., Martorell G., Martin S. R. et al. The Role of Hydration in Protein Stability: Comparison of the Cold and Heat Unfolded States of Yfh1 // J. Mol. Biol. 2012. Vol. 417, no. 5. P. 413 – 424. doi: 10.1016/j.jmb.2012.02.002

Asherie N. Protein crystallization and phase diagrams // Methods. 2004. Vol. 34, no. 3. P. 266–272. doi: 10.1016/j.ymeth.2004.03.028

Badasyan A., Mamasakhlisov Y. Sh., Podgornik R. et al. Solvent effects in the helix-coil transition model can explain the unusual biophysics of intrinsically disordered proteins // J. Chem. Phys. 2015. Vol. 143, no. 1. P. 014102. doi: 10.1063/1.4923292

Bian L, Wua D., Hub W. Temperature-induced conformational transition of bovine serum albumin in neutral aqueous solution by reversed-phase liquid chromatography // Biomed. Chromatogr. 2014. Vol. 28, no. 2. P. 295–301. doi: 10.1002/bmc.3020

Bian L, Ji X. Distribution, Transition and Thermodynamic Stability of Protein Conformations in the Denaturant-Induced Unfolding of Proteins // PLoS ONE. 2014. Vol. 9, no. 3. P. e91129. doi: 10.1371/journal.pone.0091129

Cacciuto A., Frenkel D. Stress inside critical nuclei // J. Phys. Chem. B. 2005, 109, no. 14. P. 6587-6594. doi: 10.1021/jp0456483

Dave K., Gruebele M. Fast-folding proteins under stress // Cell. Mol. Life Sci. 2015. Vol. 72, no. 22. P 4273–4285. doi: 10.1007/s00018-015-2002-3

Dumetz A. C., Chockla A. M., Kaler E. W. et al. Protein phase behavior in aqueous solutions: crystallization, liquid–liquid phase separation, gels, and aggregates // Biophys. J. 2008. Vol. 94, no. 2. P. 570–583. doi: 10.1529/biophysj.107.116152

Gebauer D., Kellermeier M., Gale J. D. et al. Pre-nucleation clusters as solute precursors in crystallisation // Chem. Soc. Rev. 2014. Vol. 43, no. 7. P. 2348-2371. doi: 10.1039/c3cs60451a

Gillespie C. M., Asthagiri D., Lenhoff A. M. Polymorphic Protein Crystal Growth: Inﬂuence of Hydration and Ions in Glucose Isomerase // Cryst. Growth Des. 2014. Vol. 14, no. 1. P. 46 − 57. doi: 10.1021/cg401063b

Grouazel S., Bonnete F., Astier J. P. et al. Exploring bovine pancreatic trypsin inhibitor phase transitions // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110, no. 39. P. 19664-19670. doi: 10.1021/jp0627123

Heremans K. Protein dynamics: Hydration and cavities. Braz. J. Med. Biol. Res. 2005. Vol. 38, no. 8. P. 1157-1165. doi: /S0100-879X2005000800002

Hyman A.A., Weber C.A., Julicher F. Liquid-Liquid Phase Separation in Biology // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2014. Vol. 30, no. 1. P. 39–58. doi: 10.1146/annurev-cellbio-100913-013325

Johari G. P. The Tammann phase boundary, exothermic disordering and the entropy contribution change on phase transformation // Phys. Chem. Chem. Phys. 2001. Vol. 3, no. 12. P. 2483-2487. doi: 10.1039/B100246P

Lomakin A., Asherie N. Benedek G. B. Aeolotopic interactions of globular proteins // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1999. Vol. 96, no. 17. P. 9465-9468.

Matveev V. V. Protoreaction of protoplasm // Cell Mol. Biology. 2005. Vol. 51, no. 8. P. 715-723.

Meersman F., Smeller L., Heremans K. Protein stability and dynamics in the pressure–temperature plane // Biochim. Biophys. Acta. 2006. Vol. 1764, no. 3. P. 346–354. doi: 10.1016/j.bbapap.2005.11.019

Miti T., Mulaj M., Schmidt J. D. et al. Stable, metastable, and kinetically trapped amyloid aggregate phases // Biomacromolecules. 2015. Vol. 16, no. 1. P. 326-335. doi: 10.1021/bm501521r

Nakamura S., Baba T., Kidokoro S. A molten globule-like intermediate state detected in the thermal transition of cytochrome c under low salt concentration // Biophysical Chemistry. 2007. Vol. 127, no. 1-2. P. 103–112. doi: 10.1016/j.bpc.2007.01.002

Rozhkov S. P. Phase transitions and precrystallization processes in a water-protein-electrolyte system // J. Cryst. Growth. 2004. Vol. 273, no. 1-2. P. 266-279. doi: 10.1016/j.jcrysgro.2004.08.021

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Dynamic protein clusterization in supercritical region of the phase diagram of water-protein-salt solutions // J. Supercrit. Fluids. 2014. Vol. 95, no. 0. P. 68-74. doi: 10.1016/j.supflu.2014.07.028

Shin Y., Brangwynne C. P. Liquid phase condensation in cell physiology and disease // Science. 2017. Vol. 357, no. 6357. P. 1253. doi: 10.1126/science.aaf4382

Vekilov P. G. Phase diagrams and kinetics of phase transitions in protein solutions // J. Phys. Condens. Matter. 2012. Vol. 24, no. 19. P. 193101. doi: 10.1088/0953-8984/24/19/193101

Vorontsova M. A., Maes D., Vekilov P. G. Recent advances in the understanding of two-step nucleation of protein crystals // Faraday discussion. 2015. Vol. 179, no. 0. P. 27-40. doi: 10.1039/c4fd00217b

Wang Y., Annunziata O. Comparison between Protein-Polyethylene Glycol (PEG) Interactions and the Effect of PEG on Protein-Protein Interactions Using the Liquid-Liquid Phase Transition // J. Phys. Chem. B. 2007. Vol. 111, no. 5. P. 1222-1230. doi: 10.1021/jp065608u

Yaminsky I. V., Gvozdev N. V., Sil’nikova M. I. et al. Atomic Force Microscopy Study of Lysozyme Crystallization // Crystallography Reports. 2002. Vol. 47, no. Suppl. 1. P. S149–S158. doi.org/10.1134/1.1529969

Yewdall N. A., Mason A. F., van Hest J. C. M. The hallmarks of living systems: towards creating artificial cells // Interface Focus. 2018. Vol. 8, no. 5. P. 20180023. doi: 10.1098/rsfs.2018.0023

References in English

Alexandrov V. Ya. Reaktivnost' kletok i belki [Cell reactivity and proteins]. Leningrad: Nauka, 1985. 318 s.

Bazarov I. P. Termodinamika [Thermodynamics]. Moscow: Vysshaya shkola, 1991. 376 s.

Finkelstein A. V., Ptitsyn O. B. Protein Physics, N.Y.: Academic Press, 2002. 354 pp. doi: 10.1002/cbf.1064

Ling N. G. Life at the cell and below-cell level: The hidden history of a fundamental revolution in biology. N.Y.: Pacific Press, 2001. 373 pp.

Rozhkov S. P. Trekhkomponentnaya sistema voda-biopolimer-iony kak model' molekulyarnykh mekhanizmov osmoticheskogo gomeostaza [Three-component system water-biopolymer-ions as a model for the molecular mechanisms of osmotic homeostasis] // Biofizika [Biophysics]. 2001. Vol. 46, no. 1. P. 53-59.

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Stabil'nye, metastabil'nye i zakriticheskaya fazy v rastvorakh globulyarnykh belkov mezhdu verkhnei i nizhnei temperaturami ikh denaturatsii [Stable, metastable, and supercritical phases in solutions of globular proteins between upper and lower denaturation temperatures] // Biofizika [Biophysics]. 2017. Vol. 62, no. 4. P. 665-673. doi: 10.1134/S0006350917040182