फोल्डिंग फ़नल

वलन कीप (फोल्डिंग फ़नल) परिकल्पना प्रोभूजिन (प्रोटीन) वलन के उर्जा परिदृश्य सिद्धांत का एक संस्करण है, जो मानता है कि प्रोभूजिन की मूल स्थिति प्रायः कोशिकाओं में आने वाली समाधान स्थितियों के तहत न्यूनतम मुक्त ऊर्जा से मेल खाती है। यद्यपि ऊर्जा परिदृश्य  कठोर  हो सकते हैं, कई गैर-देशी स्थानीय मिनीमा के साथ जिसमें आंशिक रूप से मुड़े हुए प्रोभूजिन फंस सकते हैं, वलन कीप परिकल्पना मानती है कि मूल अवस्था खड़ी दीवारों के साथ एक गहरी मुक्त ऊर्जा न्यूनतम है, जो एक एकल स्पष्ट अनुरूप है- परिभाषित तृतीयक संरचना। यह शब्द केन ए. डिल द्वारा 1987 के एक लेख में गोलाकार प्रोभूजिन की स्थिरता पर चर्चा करते हुए पेश किया गया था।

वलन कीप परिकल्पना जल विरोधी (हाइड्रोफोबिक) पतन परिकल्पना से निकटता से संबंधित है, जिसके तहत प्रोभूजिन वलन के लिए प्रेरक शक्ति मुड़े हुए प्रोभूजिन के आंतरिक भाग में जल विरोधी एमिनो एसिड पक्ष श्रृंखला के अनुक्रम से जुड़ा स्थिरीकरण है। यह जल विलायक को अपनी एन्ट्रापी (उस ऊर्जा का परिमाण जो यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित नहीं हो सकती) को अधिकतम करने की अनुमति देता है, जिससे कुल मुक्त ऊर्जा कम हो जाती है। प्रोभूजिन के पक्ष में, अनुकूल ऊर्जावान संपर्कों द्वारा मुक्त ऊर्जा को और कम किया जाता है: विलायक -सुलभ प्रोभूजिन सतह पर स्थिरवैद्युतिकी (इलेक्ट्रोस्टैटिक) रूप से आवेशित किए गए पक्ष श्रृंखला को पृथक करना और प्रोभूजिन के मूल के भीतर नमक सेतु को बेअसर करना। वलन कीप सिद्धांत द्वारा वलन मध्यवर्ती के संयोजन के रूप में अनुमानित पिघला हुआ छोटा गोला राज्य इस प्रकार एक प्रोभूजिन से मेल खाता है जिसमें जल विरोधी पतन हुआ है किन्तु कई मूल संपर्क, या मूल राज्य में दर्शाए गए करीबी अवशेष-अवशेष पारस्परिक विचार-विमर्श अभी तक नहीं बने हैं।

वलन कीप के विहित चित्रण में, कुएं की गहराई मूल स्थिति बनाम विकृत अवस्था 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 कीप के बीच सादृश्य से लिया गया है, जिसमें फैला हुआ तरल एक संकीर्ण क्षेत्र में केंद्रित होता है।

पृष्ठभूमि
एक प्रोभूजिन वलन समस्या तीन प्रश्नों से संबंधित है, जैसा कि केन ए. डिल और जस्टिन एल. मैक्कलम ने कहा है: (i) एक अमीनो एसिड अनुक्रम प्रोभूजिन की 3डी मूल संरचना कैसे निर्धारित कर सकता है? (ii) बड़ी संख्या में संभावित अनुरूपताओं (लेविंथल विरोधाभास) के बावजूद एक प्रोभूजिन इतनी तेजी से कैसे मुड़ सकता है? प्रोभूजिन को कैसे पता चलता है कि किन अनुरूपताओं की खोज नहीं करनी है? और (iii) क्या अकेले अमीनो एसिड अनुक्रम के आधार पर प्रोभूजिन की मूल संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए संगणक कलन विधि बनाना संभव है? जीवित कोशिका के अंदर सहायक कारक जैसे वलन उत्प्रेरक और संरक्षक वलन प्रक्रिया में सहायता करते हैं किन्तु निर्धारित नहीं करते हैं प्रोटीन की मूल संरचना। 1980 के दशक के दौरान अध्ययन उन प्रतिमान पर केंद्रित थे जो ऊर्जा परिदृश्य के आकार को समझा सकते थे, एक गणितीय कार्य जो प्रोभूजिन की मुक्त ऊर्जा को स्वतंत्रता की सूक्ष्म मात्रा के एक कार्य के रूप में वर्णित करता है।

1987 में इस शब्द को उपस्थित करने के बाद, केन ए. डिल ने प्रोभूजिन वलन में पॉलिमर (अणुओं के मिलाने से तैयार किया गया भौतिक बहुभाज) सिद्धांत का सर्वेक्षण किया, जिसमें यह दो पहेलियों को संबोधित करता है, पहला है ब्लाइंड वॉचमेकर(अंधा घड़ीसाज़) का विरोधाभास जिसमें जैविक प्रोभूजिन यादृच्छिक अनुक्रमों से उत्पन्न नहीं हो सकते हैं, और दूसरा है लेविंथल का विरोधाभास कि प्रोभूजिन वलन अनियमित रूप से नहीं हो सकती। डिल ने अंधा घड़ीसाज़ के विचार को प्रोभूजिन वलन बलगति विज्ञान के रूपक में खींच लिया। अनुसंधान समय को तेज़ करने के लिए कुछ छोटे पूर्वाग्रहों और यादृच्छिक विकल्पों को सम्मिलित करते हुए एक वलन प्रक्रिया के माध्यम से प्रोभूजिन की मूल स्थिति प्राप्त की जा सकती है। इसका अर्थ यह होगा कि अमीनो एसिड (प्रोटीन के पाचन का अंतिम उत्पाद जो शरीर की वृद्धि एवं ऊतकों की मरम्मत के लिए आवश्यक है) अनुक्रम में बहुत अलग स्थानों पर अवशेष भी एक दूसरे के संपर्क में आ सकेंगे। फिर भी, वलन प्रक्रिया के दौरान एक पूर्वाग्रह, वलन समय को परिमाण के दसियों से सैकड़ों क्रम तक बदल सकता है।

चूंकि प्रोभूजिन 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 करते हैं। प्रोभूजिन मध्यवर्ती अनुरूपणों का स्टोकेस्टिक विचार एक "ऊर्जा परिदृश्य" या  वलन कीप  की अवधारणा को प्रकट करता है जिसमें वलन गुण मुक्त ऊर्जा से संबंधित होते हैं और प्रोभूजिन की सुलभ संरचनाएं कम हो जाती हैं क्योंकि यह मूल-जैसी संरचना के करीब पहुंचती है। कीप का y-अक्ष एक प्रोभूजिन की  आंतरिक मुक्त ऊर्जा  का प्रतिनिधित्व करता है: हाइड्रोजन बंधन, आयनिक बंधन, मरोड़ कोण ऊर्जा, हाइड्रोफोबिक और सॉल्वेशन मुक्त ऊर्जा का योग। कई x-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 होते हैं। वलन कीप सिद्धांत को पीटर जी वोलिनेस, जैड़ा लुथे-शुल्टेनऔर जोस ओनुचिक द्वारा भी समर्थित किया गया है, कि वलन बलगति विज्ञान को मध्यवर्ती के एक क्रमिक रैखिक मार्ग के बजाय आंशिक रूप से मुड़ी हुई संरचनाओं के एक समूह (एक कीप) में प्रगतिशील संगठन के रूप में माना जाना चाहिए।

प्रोभूजिन की मूल अवस्थाएँ थर्मोडायनामिक रूप से स्थिर संरचनाओं के रूप में दिखाई जाती हैं जो शारीरिक स्थितियों में उपस्थित होती हैं, और क्रिश्चियन बी. अनफिन्सन द्वारा राइबोन्यूक्लिअस के प्रयोगों में सिद्ध होती हैं (अनफिन्सन की हठधर्मिता देखें)। यह सुझाव दिया गया है कि क्योंकि परिदृश्य अमीनो-एसिड अनुक्रम द्वारा एन्कोड किया गया है, प्राकृतिक चयन ने प्रोभूजिन को विकसित करने में सक्षम बनाया है ताकि वे तेजी से और कुशलता से मोड़ने में सक्षम हो सकें। एक मूल निम्न-ऊर्जा संरचना में, परस्पर विरोधी ऊर्जा योगदानों के बीच कोई प्रतिस्पर्धा नहीं है, जिससे न्यूनतम निराशा होती है। निराशा की इस धारणा को स्पिन ग्लास में मात्रात्मक रूप से मापा जाता है, जिसमें वलन परिवर्तनकाल तापमान Tf की तुलना ग्लास परिवर्तनकाल तापमान Tg से की जाती है। Tf मुड़ी हुई संरचना में मूल अंतःक्रियाओं का प्रतिनिधित्व करता है और Tg अन्य विन्यास में गैर-देशी अंतःक्रियाओं की ताकत का प्रतिनिधित्व करता है। एक उच्च Tf / Tg अनुपात एक प्रोभूजिन में तेज़ वलन दर और दूसरों की तुलना में कम मध्यवर्ती को इंगित करता है। उच्च निराशा वाली प्रणाली में, थर्मोडायनामिक स्थिति में विरलअंतर विभिन्न गतिज जाल और परिदृश्य असभ्यता को जन्म दे सकता है।

कीप-आकार का ऊर्जा परिदृश्य
केन ए. डिल और ह्यू सन चैन (1997) ने लेविंथल के विरोधाभास पर आधारित एक वलन मार्ग रचना का चित्रण किया, जिसे  गोल्फ-कोर्स  परिदृश्य नाम दिया गया, जहां काल्पनिक रूप से  सपाट खेल मैदान  के कारण मूल राज्यों की यादृच्छिक खोज असंभव साबित होगी। चूंकि प्रोभूजिन गेंद को मूल छिद्र में गिरने का पता लगाने में वास्तव में लंबा समय लगेगा। तथापि, प्रारंभिक चिकने गोल्फ-कोर्स से भटका हुआ एक असमान मार्ग एक निर्देशित सुरंग बनाता है जहाँ विकृत प्रोभूजिन अपनी मूल संरचना तक पहुँचने के लिए जाता है, और वहाँ घाटियाँ (मध्यवर्ती अवस्थाएँ) या पहाड़ियाँ (संक्रमण अवस्थाएँ) उपस्थित हो सकती हैं जो प्रोभूजिन के मार्ग तक लंबी होती हैं। मूल राज्य फिर भी, यह प्रस्तावित 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।

प्रोभूजिन वलन के लिए एक अन्य दृष्टिकोण मार्ग शब्द को समाप्त कर देता है और इसे कीप से बदल देता है, जहां इसका संबंध संरचनाओं के अनुक्रम के बजाय समानांतर प्रक्रियाओं, संयोजनों और कई आयामों से होता है, जिनसे प्रोभूजिन को गुजरना पड़ता है। इस प्रकार, एक आदर्श कीप में एक सहज बहु-आयामी ऊर्जा परिदृश्य होता है जहां बढ़ते हुए अंतर-श्रृंखला संपर्क स्वतंत्रता की घटती मात्रा और अंततः मूल स्थिति की उपलब्धि के साथ सहसंबद्ध होते हैं। एक आदर्श चिकनी कीप के विपरीत, एक असमान कीप 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 प्रोभूजिन 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 उनकी मूल स्थिति 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 प्रोभूजिन श्रृंखलाएं अपने मूल राज्य तक पहुंचने के लिए लेती हैं। यह ऊर्जा परिदृश्य क्रिस्टोफर 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 वलन से गुजरती है, जबकि अन्य आधी आबादी पहले α-हेलिसेस अनुक्षेत्र को तेजी बनाती है और फिर धीरे-धीरे β-शीट अनुक्षेत्र बनाती है। यह असमान परिदृश्य से अलग है क्योंकि इसमें कोई आकस्मिक गतिज जाल नहीं हैं, बल्कि अंतिम अवस्था तक पहुंचने से पहले प्रोभूजिन के कुछ हिस्सों को पार करने के लिए आवश्यक उद्देश्यपूर्ण जाल हैं। असमान परिदृश्य और खाई परिदृश्य दोनों एक ही अवधारणा प्रस्तुत करते हैं जिसमें प्रोभूजिन विन्यास उनकी वलन 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 प्रोभूजिन श्रृंखला विन्यास खो जाता है औरअधोगामी पथ की खोज में समय बिताना पड़ता है। इस स्थिति को ध्रुवीय अवशेषों की संरचनागत खोज पर लागू किया जा सकता है जो अंततः दो हाइड्रोफोबिक समूहों को जोड़ेगी।

फोल्डन ज्वालामुखी के आकार का कीप प्रतिरूप
एक अन्य अध्ययन में, रॉलिन्स और डिल (2014) ने वलन कीप प्रतिरूप पेश किया, जो पिछले वलन कीप का एक नया जोड़ है, जिसमें द्वितीयक संरचनाएँ वलन मार्ग के साथ क्रमिक रूप से बनती हैं और तृतीयक संरचना द्वारा स्थिर होती हैं। प्रतिरूप भविष्यवाणी करता है कि मुक्त ऊर्जा परिदृश्य में एक साधारण कीप के बजाय ज्वालामुखी का आकार होता है जिसका उल्लेख पहले किया गया है, जिसमें बाहरी परिदृश्य ऊपर की ओर झुका हुआ है क्योंकि प्रोभूजिन माध्यमिक संरचनाएं अस्थिर है। इन माध्यमिक संरचनाओं को तब तृतीयक अंतःक्रियाओं द्वारा स्थिर किया जाता है, जो कि उनकी बढ़ती मूल-जैसी संरचनाओं के के होते हुए भी, मुक्त ऊर्जा में दूसरे से अंतिम चरण तक बढ़ रही है जो कि मुक्त ऊर्जा में झुका हुआ 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 संकेत करते हैं कि अधिकांश प्रोभूजिन माध्यमिक संरचनाएं अपने आप में अस्थिर हैं और मापा प्रोभूजिन संतुलन सहकारीताओं के साथ हैं। इस प्रकार, मूल अवस्था तक पहुँचने से पहले के सभी चरण पूर्व-संतुलन में हैं। इसका प्रतिरूप पहले के अन्य प्रतिरूपों से अलग होने के होते हुए भी, वलन कीप प्रतिरूप अभी भी गठनात्मक स्थान को दो गतिज अवस्थाओं में विभाजित करता है: मूल बनाम अन्य सभी।

आवेदन
वलन कीप सिद्धांत में गुणात्मक और मात्रात्मक दोनों अनुप्रयोग हैं। कीप का प्रत्योक्षकरण प्रोभूजिन के सांख्यिकीय यांत्रिक गुणों और उनके वलन बलगति विज्ञान के बीच एक संचार उपकरण बनाता है। यह वलन 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 में रुकावट का कारण बनता है, किन्तु कोई अन्य मार्ग उस पर कब्ज़ा कर सकता है बशर्ते कि वह अंतिम संरचना तक पहुंच जाए।

एक प्रोभूजिन की स्थिरता बढ़ जाती है क्योंकि यह आंशिक रूप से मुड़े हुए विन्यास के माध्यम से अपनी मूल स्थिति के करीब पहुंचता है। हेलिक्स और घुमाव जैसी स्थानीय संरचनाएं पहले होती हैं और उसके बाद वैश्विक संयोजन होता है। परीक्षण और त्रुटि की प्रक्रिया के होते हुए भी, प्रोभूजिन वलन तेजी से हो सकती है क्योंकि प्रोभूजिन इस विभाजन-और-जीत, स्थानीय-से-वैश्विक प्रक्रिया द्वारा अपनी मूल संरचना तक पहुंचता है। वलन कीप का विचार संरक्षिका के उद्देश्य को तर्कसंगत बनाने में मदद करता है, जिसमें एक प्रोभूजिन की पुनः वलन करने की प्रक्रिया को संरक्षिका द्वारा अलग करके उत्प्रेरित किया जा सकता है, और इसे उच्च ऊर्जा परिदृश्य में लाया जा सकता है और इसे परीक्षणों के यादृच्छिक तरीके से फिर से मोड़ने दिया जा सकता है और त्रुटियाँ। कीप वाले परिदृश्य सुझाव देते हैं कि एक ही प्रोभूजिन 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।

कीप वलन और सरल शास्त्रीय रासायनिक प्रतिक्रियाओं सादृश्य के बीच बुनियादी अंतर करते हैं। एक रासायनिक प्रतिक्रिया अपने अभिकारक A से शुरू होती है और अपने उत्पाद B 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 प्रोभूजिन वलन की कमी को पकड़ नहीं पाता है। दूसरे शब्दों में, वलन कीप, वलन बलगति विज्ञान सरल मास एक्शन प्रतिरूप, D-I-N (विकृत D और मूल N के बीच चालू-पथ मध्यवर्ती)। या X-D-N (बंद-पथ मध्यवर्ती X) द्वारा वर्णित किया गया है, और इसे वलन के स्थूल ढांचे के रूप में जाना जाता है। अनुक्रमिक माइक्रोपथ दृश्य बड़े पैमाने पर कार्रवाई प्रतिरूप का प्रतिनिधित्व करता है और पथ, संक्रमण राज्यों, चालू और बंद-पथ मध्यवर्ती और प्रयोगों में जो देखता है उसके संदर्भ में वलन बलगति विज्ञान 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, कीप प्रतिरूप का लक्ष्य उन मैक्रोस्टेट्स की माइक्रोस्टेट संरचना की भविष्यवाणी करने के लिए अंतर्निहित भौतिक बलों के संदर्भ में बलगति विज्ञान को समझाना है।

फिर भी, वलन प्रक्रिया के दौरान प्रोभूजिन संरचना में परिवर्तन की सूक्ष्म समझ के साथ बड़े पैमाने पर कार्रवाई प्रतिरूप के स्थूल दृश्य को समेटना संगणक अनुकरण (ऊर्जा परिदृश्य) के लिए चुनौतीपूर्ण साबित होता है। कीप से प्राप्त जानकारी संगणक खोज विधियों को बेहतर बनाने के लिए पर्याप्त नहीं है। वैश्विक स्तर पर एक चिकना और कीप-आकार का परिदृश्य संगणक अनुकरण में स्थानीय पैमाने पर अपरिष्कृत दिखाई दे सकता है।

यह भी देखें

 * अनुक्रमिक - प्रोभूजिन जो अन्य प्रोभूजिनों को मोड़ने या खोलने में सहायता करते हैं
 * लेविंथल विरोधाभास
 * प्रोभूजिन संरचना की भविष्यवाणी