Фазовые диаграммы белкового раствора и структурные превращения молекулы белка

Сергей Павлович Рожков; Андрей Сергеевич Горюнов; Sergey Rozhkov; Andrey Goryunov

doi:10.17076/eb238

Фазовые диаграммы белкового раствора и структурные превращения молекулы белка

Сергей Павлович Рожков, Андрей Сергеевич Горюнов, Sergey Rozhkov, Andrey Goryunov

Аннотация

Анализ стандартных термодинамических функций белка позволяет установить важные особенности фазового поведения белковых растворов, в частности, наличие на фазовой диаграмме (ФД) нижней и верхней критических температур растворения. Сопоставление фазовых и соответствующих конформационных превращений белковых структур с фазовыми превращениями раствора белка в целом на основе ФД дает возможность рассмотреть вопрос о соотношении конформации белков со структурной организацией белковых систем в предденатурационной области. В координатах температура – энтропия представлена ФД раствора глобулярного белка, на основе которой анализируются фазовые состояния раствора и устанавливается вероятная связь топологических структур, возникающих в закритической области ФД, с фазовыми процессами в низко- и высокотемпературной области, что демонстрирует возможность совмещения двух типов ФД – с нормальной и ретроградной растворимостью белка. В координатах температура – плотность упаковки предложена обобщенная ФД белкового раствора с нижней и верхней критическими температурами смешения и закритической зоной между ними, характерной для раствора нативного (N) белка, и замкнутой зоной для раствора денатурированного (D) белка в диапазоне температур, сопредельном физиологическому. На этой основе с учетом вклада растворителя в низко- и высокотемпературном интервалах описана надмолекулярная организация белкового раствора, которая включает метастабильные фазы из молекул белка в конформациях, модифицированных по отношению к нативному и денатурированному состояниям, а также динамические кластеры и олигомеры белка в закритической зоне. Различные области ФД интерпретируются, в частности, в предположении, что молекулы в конформациях, соответствующих N и D состояниям, способны формировать различные нанокристаллические суперрешетки, которые определяют топологические особенности структурированности их растворов в широком диапазоне температур. Обсуждается возможная роль закритических фазовых состояний белковых растворов в cамоpегуляции химических потенциалов компонентов за счет надмолекулярной самоорганизации раствора при изменения темпеpатуpы и/или концентрации cолей и тем самым в реакции на внешние факторы cpеды.

Ключевые слова

глобулярный белок; конформационные состояния; фазовые переходы; закpитичеcкие явления; критические температуры растворения; клаc- теpы белка; надмолекулярная организация

Полный текст:

PDF

Литература

Базаров И. П. Термодинамика. М.: Высшая школа, 1983. 344 с.

Привалов П. Л. Стабильность белка и гидрофобные взаимодействия // Биофизика. 1987. Т. 32, № 5. C. 742-759.

Пфайль В., Привалов П. Конформационные изменения в белках // Биохимическая термодинамика / Ред. М. Джоунс. Пер. с англ. М.: Мир, 1982. 440 с.

Рожков С. П. Критические явления, фазовые равновесия и структурно-температурный оптимум гомеостаза в модельной системе вода-биополимер-электролит // Биофизика. 2005. Т. 50, № 2. С. 215-222.

Рожков С. П., Горюнов А. С. Фазовые состояния системы вода - белок (полипептид) - соль и реакция на внешние факторы среды // Биофизика. 2014. Т. 59, № 1. С. 54-60.

Рожков С. П., Горюнов А. С. Термодинамическое сродство к растворителю как критерий критических температур растворения белковых макромолекул // Труды КарНЦ РАН. Экспериментальная биология. 2015.

Asherie N., Pande J., Pande A., Zarutskie J. A., Lomakin J., Lomakin A., Ogun O., Stern L. J., King J., Benedek G. B. Enhanced crystallization of the Cys18 to Ser mutant of bovine gammaB crystallin // J. Mol. Biol. 2001. Vol. 314. P. 663–669. doi: 10.1006/jmbi.2001.5155.

Bemporad F., Chiti F. Protein misfolded oligomers: experimental approachs, mechanism of formation, and structure-toxicity relationship // Chemistry and Biology. 2012. Vol. 19. P. 315-327. doi: 10.1016/j.chembiol.2012.02.003.

Berland C R., Thurston G. M., Kondo M., Broide M. L., Pande J., Ogun O., Benedek G. B. Solid–liquid phase boundaries of lens protein solutions // Proc. Natl Acad. Sci. USA. 1992. Vol. 89. P. 1214–1218.

Bromberg L., Rashba-Step J., Scott T. Insulin particle formation in supersaturated aqueous solutions of poly(ethylene glycol) // Biophys. J. 2005. Vol. 89. P. 3424–3433. doi: 10.1529/biophysj.105.062802.

Charache S., Conley C. L., Waugh D. F., Ugoretz R. J., Spurrell J. R. Pathogenesis of hemolytic anemia in homozygous hemoglobin C disease // J. Clin. Invest. 1967. Vol. 46. P. 1795–1811.

Dumetz A. C., Chockla A. M., Kaler E. W., Lenhoff A. M. Protein phase behavior in aqueous solutions: crystallization, liquid-liquid phase separation, gels, and aggregates // Biophys.J. 2008. Vol. 94. P. 570-583. doi: 10.1529/biophysj.107.116152.

Dodson G., Steiner D. The role of assembly in insulin’s biosynthesis // Curr. Opin. Struct. Biol. 1998. Vol. 8. P. 189–194. doi: 10.1016/S0959-440X(98)80037-7.

Goodfellow B. W., Korgel B. A. Reversible solvent vapor-mediated phase changes in nanocrystal superlattices // ACS Nano. 2011. Vol. 5, N 4. P. 2419–2424. doi: 10.1021/nn201273c.

King J. T., Arthur E. J., Brooks C. L., III , Kubarych K. J. Crowding induced collective hydration of biological macromolecules over extended distances // J. Amer. Chem. Soc. 2014. Vol. 136. P. 188-194. doi: 10.1021/ja407858c.

Miti T., Mulaj M., Schmidt J. D., Muschol M. Stable, metastable, and kinetically trapped amyloid aggregate phases // Biomacromolecules. 2015. Vol. 16. P. 326-335. doi: 10.1021/bm501521r.

Muschol M., Rozenberger F. Liquid-liquid phase separation in supersaturated lysozyme solutions and associated precipitate formation/crystallization // J.Chem.Phys. 1997. Vol. 107, N 6. P. 1953-1962. doi: 10.1063/1.474547.

Nicolai T., Durand D. Controlled food protein aggregation for new functionality // Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2013. Vol. 18. P. 249-256. doi: 10.1016/j.cocis.2013.03.001.

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Thermodynamic study of protein phases formation and clustering in model water-protein-salt solutions // Biophys. Chem. 2010. Vol. 151, N 1-2. P. 22-28. doi: 10.1016/j.bpc.2010.04.007.

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Dynamic protein clusterization in supercritical region of the phase diagram of water-protein-salt solutions // J. Supercritical Fluids. 2014. Vol. 95. P. 68-74. doi: 10.1016/j.supﬂu.2014.07.028.

Stradner A., Cardinaux F., Schurtenberger P. A small-angle scattering study on equilibrium clusters in lysozyme solutions // J. Phys. Chem. B. 2006. Vol. 110. P.21222-21231. doi: 10.1021/jp0639804.

Vekilov P. G. Phase diagrams and kinetics of phase transitions in protein solutions. // J. Phys.: Condens.Matter. 2012. Vol. 24. P. 193101. doi: 10.1088/0953-8984/24/19/193101.

Vekilov P. G., Vorontsova M. A. Nucleation precursors in protein crystallization // Acta Cryst. 2014. Vol. F70. P. 271–282. doi:10.1107/S2053230X14002386.

Vorontsova M. A., Maes D., Vekilov P. G. Recent advances in the understanding of two-step nucleation of protein crystals // Faraday Discuss. 2015. Vol. 179. P. 27-40. doi: 10.1039/c4fd00217b.

Wang Z., Schliehe C., Bian K., Dale D., Bassett W. A., Hanrath T., Klinke C., Weller H. Correlating superlattice polymorphs to internanoparticle distance, packing density, and surface lattice in assemblies of pbs nanoparticles // Nano Lett. 2013. Vol. 13, N 3. P. 1303–1311. doi: 10.1021/nl400084k.

Zaccarelli E. Colloidal gels: equilibrium and non-equilibrium routes // J. Phys.: Condens. Matter. 2007. Vol. 19. P. 323101. doi:10.1088/0953-8984/19/32/323101.

REFERENCES in ENGLISH

Bazarov I. P. Termodinamika [Thermodynamics]. Moscow, Vysshaja shkola, 1983. S. 344.

Privalov P. L. Stabil'nost' belka i gidrofobnye vzaimodejstvija [Protein stability and hydrophobic interactions]. Biofizika. 1987. Т. 32, № 5. S. 742-759.

Pfeil V., Privalov P. Konformacionnye izmenenija v belkah [Conformational changes in proteins. In: Biochemical Thermodynamics. Ed. M. N. Jones. Amsterdam, Oxford, N. Y.: Elsevier Scientific Publ. Co., 1979]. S. 440.

Rozhkov S. P. Kriticheskie javlenija, fazovye ravnovesija i strukturno-temperaturnyj optimum gomeostaza v model'noj sisteme voda-biopolimer-jelektrolit [Critical phenomena, phase equilibria, and the temperature and structural optimum of homeostasis, as revealed by a model system water-biopolymer-electrolyte]. Biofizika. 2005. T. 50, N 2. S. 215-222.

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Fazovye sostojanija sistemy voda - belok (polipeptid) - sol' i reakcija na vneshnie faktory sredy [Phase States of Water–Protein(Polypeptide)–Salt System and Reaction to External Environment Factors]. Biophysics. 2014. Vol. 59, N 1. P. 43–48]. doi: 10.1134/S0006350914010175.

Rozhkov S. P., Goryunov A. S. Termodinamicheskoe srodstvo k rastvoritelju kak kriterij kriticheskih temperatur rastvorenija belkovyh makromolekul [Thermodynamic affinity for solvent as a criterium of critical solution temperatures of protein macromolecules]. Trudy KarNC RAN. Jeksperimental'naja biologija. [Proceedings Karelian Res. Cntr.RAS]. 2015.