फोल्डिंग फ़नल

फोल्डिंग फ़नल परिकल्पना प्रोटीन फोल्डिंग के प्रोटीन_फोल्डिंग#एनर्जी_लैंडस्केप_ऑफ_प्रोटीन_फोल्डिंग का एक विशिष्ट संस्करण है, जो मानता है कि एक प्रोटीन की तह स्थिति आमतौर पर कोशिका (जीव विज्ञान) में आने वाली समाधान स्थितियों के तहत न्यूनतम मुक्त ऊर्जा से मेल खाती है। यद्यपि ऊर्जा परिदृश्य उबड़-खाबड़ हो सकते हैं, कई गैर-देशी स्थानीय मिनीमा के साथ जिसमें आंशिक रूप से मुड़े हुए प्रोटीन फंस सकते हैं, फोल्डिंग फ़नल परिकल्पना मानती है कि मूल अवस्था खड़ी दीवारों के साथ एक गहरी थर्मोडायनामिक मुक्त ऊर्जा न्यूनतम है, जो एक एकल अच्छी तरह से परिभाषित के अनुरूप है तृतीयक संरचना। यह शब्द केन ए. डिल द्वारा 1987 के एक लेख में गोलाकार प्रोटीन की स्थिरता पर चर्चा करते हुए पेश किया गया था। फोल्डिंग फ़नल परिकल्पना [[ जल विरोधी पतन]] परिकल्पना से निकटता से संबंधित है, जिसके तहत प्रोटीन फोल्डिंग के लिए प्रेरक शक्ति मुड़े हुए प्रोटीन के आंतरिक भाग में हाइड्रोफोबिक  एमिनो एसिड  पक्ष श्रृंखला के अनुक्रम से जुड़ा स्थिरीकरण है। यह जल विलायक को अपनी एन्ट्रापी को अधिकतम करने की अनुमति देता है, जिससे कुल मुक्त ऊर्जा कम हो जाती है। प्रोटीन के पक्ष में, अनुकूल ऊर्जावान संपर्कों द्वारा मुक्त ऊर्जा को और कम किया जाता है: सुलभ सतह क्षेत्र पर इलेक्ट्रोस्टैटिक रूप से चार्ज किए गए साइड चेन का अलगाव | विलायक-सुलभ प्रोटीन सतह और प्रोटीन के मूल के भीतर नमक पुल (प्रोटीन) का बेअसर होना। फोल्डिंग फ़नल सिद्धांत द्वारा फोल्डिंग मध्यवर्ती के संयोजन के रूप में अनुमानित पिघला हुआ ग्लोब्यूल राज्य इस प्रकार एक प्रोटीन से मेल खाता है जिसमें हाइड्रोफोबिक पतन हुआ है लेकिन कई मूल संपर्क, या मूल राज्य में दर्शाए गए करीबी अवशेष-अवशेष इंटरैक्शन अभी तक नहीं बने हैं।

फोल्डिंग फ़नल के विहित चित्रण में, कुएं की गहराई मूल स्थिति बनाम विकृतीकरण (जैव रसायन) स्थिति के ऊर्जावान स्थिरीकरण का प्रतिनिधित्व करती है, और कुएं की चौड़ाई प्रणाली की गठनात्मक एन्ट्रॉपी का प्रतिनिधित्व करती है। यादृच्छिक कुंडल अवस्था की विविधता को दर्शाने के लिए कुएं के बाहर की सतह को अपेक्षाकृत सपाट दिखाया गया है। सिद्धांत का नाम कुएं के आकार और एक भौतिक फ़नल के बीच सादृश्य से लिया गया है, जिसमें फैला हुआ तरल एक संकीर्ण क्षेत्र में केंद्रित होता है।

पृष्ठभूमि
प्रोटीन फोल्डिंग समस्या तीन प्रश्नों से संबंधित है, जैसा कि केन ए. डिल और जस्टिन एल. मैक्कलम ने कहा है: (i) एक अमीनो एसिड अनुक्रम प्रोटीन की 3डी मूल स्थिति कैसे निर्धारित कर सकता है? (ii) बड़ी संख्या में संभावित अनुरूपताओं (लेविंथल विरोधाभास|लेविंथल विरोधाभास) के बावजूद एक प्रोटीन इतनी तेजी से कैसे मुड़ सकता है? प्रोटीन को कैसे पता चलता है कि किन अनुरूपताओं की खोज नहीं करनी है? और (iii) क्या केवल अमीनो एसिड अनुक्रम के आधार पर प्रोटीन की मूल संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए कंप्यूटर एल्गोरिदम बनाना संभव है? जीवित कोशिका के अंदर सहायक कारक जैसे फोल्डिंग उत्प्रेरक और चैपरोन (प्रोटीन) फोल्डिंग प्रक्रिया में सहायता करते हैं लेकिन प्रोटीन की मूल संरचना का निर्धारण नहीं करते हैं। 1980 के दशक के दौरान अध्ययन उन मॉडलों पर केंद्रित थे जो ऊर्जा परिदृश्य के आकार को समझा सकते थे, एक गणितीय फ़ंक्शन जो प्रोटीन की गिब्स मुक्त ऊर्जा को स्वतंत्रता की सूक्ष्म डिग्री के एक फ़ंक्शन के रूप में वर्णित करता है। 1987 में इस शब्द को पेश करने के बाद, केन ए. डिल ने प्रोटीन फोल्डिंग में पॉलिमर सिद्धांत का सर्वेक्षण किया, जिसमें यह दो पहेलियों को संबोधित करता है, पहला अंधा घड़ीसाज़ का विरोधाभास है जिसमें जैविक प्रोटीन यादृच्छिक अनुक्रमों से उत्पन्न नहीं हो सकते हैं, और दूसरा लेविंथल का विरोधाभास होना|लेविंथल का विरोधाभास है कि प्रोटीन तह बेतरतीब ढंग से नहीं हो सकती। डिल ने ब्लाइंड वॉचमेकर के विचार को प्रोटीन फोल्डिंग कैनेटीक्स के रूपक में खींच लिया। खोज समय को तेज़ करने के लिए कुछ छोटे पूर्वाग्रहों और यादृच्छिक विकल्पों को शामिल करते हुए एक तह प्रक्रिया के माध्यम से प्रोटीन की मूल स्थिति प्राप्त की जा सकती है। इसका मतलब यह होगा कि अमीनो एसिड अनुक्रम में बहुत अलग स्थानों पर अवशेष भी एक दूसरे के संपर्क में आ सकेंगे। फिर भी, फोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान एक पूर्वाग्रह, फोल्डिंग समय को परिमाण के दसियों से सैकड़ों ऑर्डर तक बदल सकता है। चूंकि प्रोटीन वलन प्रक्रिया अपने अंतिम गंतव्य तक पहुंचने से पहले अनुरूपताओं की स्टोकेस्टिक खोज से गुजरती है, संभावित अनुरूपताओं की विशाल संख्या को अप्रासंगिक माना जाता है, जबकि गतिज जाल एक भूमिका निभाना शुरू कर देते हैं। प्रोटीन मध्यवर्ती अनुरूपताओं का स्टोकेस्टिक विचार एक "ऊर्जा परिदृश्य" या फोल्डिंग फ़नल की अवधारणा को प्रकट करता है जिसमें फोल्डिंग गुण गिब्स मुक्त ऊर्जा से संबंधित होते हैं और प्रोटीन की सुलभ संरचनाएं कम हो जाती हैं क्योंकि यह देशी जैसी संरचना के करीब पहुंचती है। फ़नल का y-अक्ष एक प्रोटीन की आंतरिक मुक्त ऊर्जा का प्रतिनिधित्व करता है: हाइड्रोजन बंधन, आयनिक बंधन | आयन-जोड़े, मरोड़ कोण ऊर्जा, हाइड्रोफोबिक प्रभाव और सॉल्वेशन मुक्त ऊर्जा का योग। कई एक्स-अक्ष गठनात्मक संरचनाओं का प्रतिनिधित्व करते हैं, और जो ज्यामितीय रूप से एक दूसरे के समान हैं वे ऊर्जा परिदृश्य में एक दूसरे के करीब हैं। फोल्डिंग फ़नल सिद्धांत को पीटर गाइ वोलिनेस, जैड़ा लुथे-स्कूलटेन और जोस ओनुचिक द्वारा भी समर्थित किया गया है, कि फोल्डिंग कैनेटीक्स को मध्यवर्ती के एक क्रमिक रैखिक मार्ग के बजाय आंशिक रूप से मुड़ी हुई संरचनाओं के एक समूह (एक फ़नल) में प्रगतिशील संगठन के रूप में माना जाना चाहिए। प्रोटीन की मूल अवस्थाओं को थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर संरचनाओं के रूप में दिखाया गया है जो शारीरिक स्थितियों में मौजूद हैं, और क्रिश्चियन बी. अनफिन्सन द्वारा राइबोन्यूक्लिअस के प्रयोगों में सिद्ध हुए हैं (देखें अनफिन्सन की हठधर्मिता)। यह सुझाव दिया गया है कि क्योंकि परिदृश्य अमीनो-एसिड अनुक्रम द्वारा एन्कोड किया गया है, प्राकृतिक चयन ने प्रोटीन को विकसित करने में सक्षम बनाया है ताकि वे तेजी से और कुशलता से मोड़ सकें। एक मूल निम्न-ऊर्जा संरचना में, परस्पर विरोधी ऊर्जा योगदानों के बीच कोई प्रतिस्पर्धा नहीं है, जिससे न्यूनतम निराशा होती है। हताशा की इस धारणा को स्पिन ग्लास में मात्रात्मक रूप से मापा जाता है, जिसमें तह संक्रमण तापमान टी होता हैf इसकी तुलना ग्लास संक्रमण तापमान T से की जाती हैg. टीf मुड़ी हुई संरचना और टी में मूल अंतःक्रियाओं का प्रतिनिधित्व करता हैg अन्य कॉन्फ़िगरेशन में गैर-देशी इंटरैक्शन की ताकत का प्रतिनिधित्व करता है। एक उच्च टीf/टीg अनुपात एक प्रोटीन में तेज़ तह दर और दूसरों की तुलना में कम मध्यवर्ती को इंगित करता है। उच्च निराशा वाली प्रणाली में, थर्मोडायनामिक स्थिति में हल्का अंतर विभिन्न गतिज जाल और परिदृश्य असभ्यता को जन्म दे सकता है।

फ़नल-आकार का ऊर्जा परिदृश्य
केन ए. डिल और ह्यू सन चैन (1997) ने लेविंथल के विरोधाभास पर आधारित एक फोल्डिंग पाथवे डिजाइन का चित्रण किया। लेविंथल के विरोधाभास, जिसे गोल्फ-कोर्स परिदृश्य का नाम दिया गया, जहां काल्पनिक रूप से सपाट खेल के मैदान के कारण मूल राज्यों की यादृच्छिक खोज असंभव साबित होगी। चूंकि प्रोटीन बॉल को मूल छिद्र में गिरने का पता लगाने में वास्तव में लंबा समय लगेगा। हालाँकि, प्रारंभिक चिकने गोल्फ-कोर्स से भटका हुआ एक ऊबड़-खाबड़ मार्ग एक निर्देशित सुरंग बनाता है जहाँ विकृत प्रोटीन अपनी मूल संरचना तक पहुँचने के लिए जाता है, और वहाँ घाटियाँ (मध्यवर्ती अवस्थाएँ) या पहाड़ियाँ (संक्रमण अवस्थाएँ) मौजूद हो सकती हैं जो प्रोटीन के मार्ग तक लंबी होती हैं। मूल राज्य। फिर भी, यह प्रस्तावित मार्ग मार्ग निर्भरता बनाम मार्ग स्वतंत्रता, या लेविंथल द्विभाजन के बीच एक विरोधाभास पैदा करता है और रचना के एक-आयामी मार्ग पर जोर देता है।

प्रोटीन फोल्डिंग के लिए एक अन्य दृष्टिकोण पाथवे शब्द को समाप्त कर देता है और इसे फ़नल से बदल देता है, जहां इसका संबंध संरचनाओं के अनुक्रम के बजाय समानांतर प्रक्रियाओं, संयोजनों और कई आयामों से होता है, जिनसे प्रोटीन को गुजरना पड़ता है। इस प्रकार, एक आदर्श फ़नल में एक सहज बहु-आयामी ऊर्जा परिदृश्य होता है जहां बढ़ते हुए अंतर-श्रृंखला संपर्क स्वतंत्रता की घटती डिग्री और अंततः मूल स्थिति की उपलब्धि के साथ सहसंबद्ध होते हैं। एक आदर्श चिकनी फ़नल के विपरीत, एक ऊबड़-खाबड़ फ़नल गतिज जाल, ऊर्जा अवरोध और मूल स्थिति के लिए कुछ संकीर्ण मार्ग प्रदर्शित करता है। यह गलत तरीके से मुड़े हुए मध्यवर्ती पदार्थों के संचय की भी व्याख्या करता है जहां गतिज जाल प्रोटीन मध्यवर्ती लोगों को उनकी अंतिम संरचना प्राप्त करने से रोकते हैं। जो लोग इस जाल में फंस गए हैं, उन्हें अपने मूल प्रारंभिक बिंदु तक पहुंचने से पहले उन अनुकूल संपर्कों को तोड़ना होगा जो उनके मूल राज्य तक नहीं ले जाते हैं और नीचे की ओर एक और अलग खोज ढूंढनी होगी। दूसरी ओर, एक मोट परिदृश्य, एक अनिवार्य गतिज जाल मार्ग सहित मार्गों की विविधता के विचार को दर्शाता है जो प्रोटीन श्रृंखलाएं अपने मूल राज्य तक पहुंचने के लिए लेती हैं। यह ऊर्जा परिदृश्य क्रिस डॉब्सन और उनके सहयोगियों द्वारा मुर्गी के अंडे की सफेदी लाइसोजाइम के बारे में किए गए एक अध्ययन से उपजा है, जिसमें इसकी आधी आबादी सामान्य तेजी से मुड़ने से गुजरती है, जबकि अन्य आधी आबादी पहले अल्फा हेलिक्स|α-हेलिसेस डोमेन बनाती है, फिर बीटा शीट|β- धीरे से एक शीट. यह ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य से अलग है क्योंकि इसमें कोई आकस्मिक गतिज जाल नहीं हैं, बल्कि अंतिम अवस्था तक पहुंचने से पहले प्रोटीन के कुछ हिस्सों को पार करने के लिए आवश्यक उद्देश्यपूर्ण जाल हैं। ऊबड़-खाबड़ परिदृश्य और खाई परिदृश्य दोनों एक ही अवधारणा प्रस्तुत करते हैं जिसमें प्रोटीन विन्यास उनकी तह प्रक्रिया के दौरान गतिज जाल में आ सकते हैं। दूसरी ओर, शैंपेन ग्लास परिदृश्य में गठनात्मक एन्ट्रापी के कारण मुक्त ऊर्जा बाधाएं शामिल हैं जो आंशिक रूप से यादृच्छिक गोल्फ-कोर्स मार्ग से मिलती जुलती हैं जिसमें एक प्रोटीन श्रृंखला विन्यास खो जाता है और डाउनहिल पथ की खोज में समय बिताना पड़ता है। इस स्थिति को ध्रुवीय अवशेषों की एक गठनात्मक खोज पर लागू किया जा सकता है जो अंततः दो हाइड्रोफोबिक समूहों को जोड़ेगी।

फोल्डन ज्वालामुखी के आकार का फ़नल मॉडल
एक अन्य अध्ययन में, रोलिंस और डिल (2014) ने फोल्डन फ़नल मॉडल पेश किया, जो पिछले फोल्डिंग फ़नल का एक नया जोड़ है, जिसमें माध्यमिक संरचनाएँ फोल्डिंग मार्ग के साथ क्रमिक रूप से बनती हैं और प्रोटीन तृतीयक संरचना द्वारा स्थिर होती हैं। मॉडल भविष्यवाणी करता है कि मुक्त ऊर्जा परिदृश्य में एक साधारण फ़नल के बजाय ज्वालामुखी का आकार होता है जिसका उल्लेख पहले किया गया है, जिसमें बाहरी परिदृश्य ऊपर की ओर ढलान वाला है क्योंकि प्रोटीन माध्यमिक संरचना अस्थिर है। इन प्रोटीन माध्यमिक संरचना को फिर प्रोटीन तृतीयक संरचना द्वारा स्थिर किया जाता है, जो कि उनकी बढ़ती मूल-जैसी संरचनाओं के बावजूद, गिब्स मुक्त ऊर्जा में दूसरे से अंतिम चरण तक बढ़ रही है जो कि मुक्त ऊर्जा में डाउनहिल है। ज्वालामुखी परिदृश्य पर उच्चतम मुक्त ऊर्जा मूल राज्य से ठीक पहले संरचना के साथ कदम पर है। ऊर्जा परिदृश्य की यह भविष्यवाणी उन प्रयोगों के अनुरूप है जो दिखाते हैं कि अधिकांश प्रोटीन माध्यमिक संरचनाएं अपने आप में अस्थिर हैं और मापा प्रोटीन संतुलन रसायन विज्ञान सहकारीताओं के साथ हैं। इस प्रकार, मूल अवस्था तक पहुँचने से पहले के सभी चरण पूर्व-संतुलन में हैं। इसका मॉडल पहले के अन्य मॉडलों से अलग होने के बावजूद, फोल्डन फ़नल मॉडल अभी भी गठनात्मक स्थान को दो गतिज अवस्थाओं में विभाजित करता है: मूल बनाम अन्य सभी।

आवेदन
फोल्डिंग फ़नल सिद्धांत में गुणात्मक और मात्रात्मक दोनों अनुप्रयोग हैं। फ़नल का विज़ुअलाइज़ेशन प्रोटीन के सांख्यिकीय यांत्रिक गुणों और उनके फोल्डिंग कैनेटीक्स के बीच एक संचार उपकरण बनाता है। यह तह प्रक्रिया की स्थिरता का सुझाव देता है, जिसे स्थिरता बनाए रखने पर उत्परिवर्तन द्वारा नष्ट करना कठिन होगा। अधिक विशिष्ट होने के लिए, एक उत्परिवर्तन हो सकता है जो मूल स्थिति के मार्गों को अवरुद्ध कर देता है, लेकिन कोई अन्य मार्ग ले सकता है बशर्ते कि यह अंतिम संरचना तक पहुंच जाए। एक प्रोटीन की स्थिरता बढ़ जाती है क्योंकि यह आंशिक रूप से मुड़े हुए विन्यास के माध्यम से अपनी मूल स्थिति के करीब पहुंचता है। अल्फा हेलिक्स और टर्न जैसी स्थानीय संरचनाएं पहले होती हैं और उसके बाद वैश्विक असेंबली होती है। परीक्षण और त्रुटि की प्रक्रिया के बावजूद, प्रोटीन तह तेजी से हो सकती है क्योंकि प्रोटीन इस विभाजन-और-जीत, स्थानीय-से-वैश्विक प्रक्रिया द्वारा अपनी मूल संरचना तक पहुंचता है। फोल्डिंग फ़नल का विचार चैपरोन (प्रोटीन) के उद्देश्य को तर्कसंगत बनाने में मदद करता है, जिसमें एक प्रोटीन की पुनः तह करने की प्रक्रिया को चैपरोन (प्रोटीन) द्वारा उत्प्रेरित किया जा सकता है, इसे अलग खींचकर उच्च ऊर्जा परिदृश्य में लाया जा सकता है और इसे फिर से मोड़ने दिया जा सकता है। परीक्षणों और त्रुटियों का एक यादृच्छिक फैशन। फ़नल वाले परिदृश्य सुझाव देते हैं कि एक ही प्रोटीन अनुक्रम के विभिन्न व्यक्तिगत अणु एक ही गंतव्य तक पहुंचने के लिए सूक्ष्म रूप से विभिन्न मार्गों का उपयोग कर सकते हैं। कुछ पथ दूसरों की तुलना में अधिक आबादी वाले होंगे। फ़नल फोल्डिंग और सरल शास्त्रीय रासायनिक प्रतिक्रियाओं सादृश्य के बीच बुनियादी अंतर करते हैं। एक रासायनिक प्रतिक्रिया अपने अभिकारक ए से शुरू होती है और अपने उत्पाद बी तक पहुंचने के लिए संरचना में बदलाव से गुजरती है। दूसरी ओर, वलन केवल संरचना से संरचना तक ही नहीं, बल्कि विकार से क्रम की ओर एक संक्रमण है। सरल एक-आयामी प्रतिक्रिया मार्ग गठनात्मक अध:पतन में प्रोटीन तह की कमी को पकड़ नहीं पाता है। दूसरे शब्दों में, फोल्डिंग फ़नल, फोल्डिंग कैनेटीक्स के लिए एक सूक्ष्म ढांचा प्रदान करते हैं। फोल्डिंग कैनेटीक्स को सरल मास एक्शन लॉ (इलेक्ट्रॉनिक्स) मॉडल, डी-आई-एन (विकृत डी और मूल एन के बीच ऑन-पाथ इंटरमीडिएट I) या एक्स-डी-एन (ऑफ-पाथ इंटरमीडिएट एक्स) द्वारा वर्णित किया गया है, और इसे फोल्डिंग के मैक्रोस्कोपिक ढांचे के रूप में जाना जाता है। अनुक्रमिक माइक्रोपैथ दृश्य बड़े पैमाने पर कार्रवाई मॉडल का प्रतिनिधित्व करता है और पथ, संक्रमण राज्यों, ऑन और ऑफ-पथ मध्यवर्ती और प्रयोगों में जो देखता है उसके संदर्भ में फोल्डिंग कैनेटीक्स की व्याख्या करता है, और एक अणु की गतिविधि या एक मोनोमर की स्थिति से चिंतित नहीं है एक विशिष्ट स्थूल संक्रमण अवस्था में अनुक्रम। इसकी समस्या लेविंथल के विरोधाभास, या खोज समस्या से संबंधित है। इसके विपरीत, फ़नल मॉडल का लक्ष्य उन मैक्रोस्टेट्स की माइक्रोस्टेट संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए अंतर्निहित भौतिक बलों के संदर्भ में कैनेटीक्स को समझाना है।

बहरहाल, फोल्डिंग प्रक्रिया के दौरान प्रोटीन संरचना में परिवर्तन की सूक्ष्म समझ के साथ मास-एक्शन मॉडल के स्थूल दृश्य को समेटना कंप्यूटर सिमुलेशन (ऊर्जा परिदृश्य) के लिए चुनौतीपूर्ण साबित होता है। फ़नल से प्राप्त जानकारी कंप्यूटर खोज विधियों को बेहतर बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है। वैश्विक स्तर पर एक चिकना और फ़नल-आकार का परिदृश्य कंप्यूटर सिमुलेशन में स्थानीय पैमाने पर खुरदरा दिखाई दे सकता है।

यह भी देखें

 * चैपरोन (प्रोटीन) - प्रोटीन जो अन्य प्रोटीनों को मोड़ने या खोलने में सहायता करते हैं
 * लेविंथल विरोधाभास
 * प्रोटीन संरचना की भविष्यवाणी