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レビンタールのパラドックスは、計算によるタンパク質構造予測の分野における思考実験です。タンパク質の折り畳みは、安定したエネルギー構成を求めます。最小のエネルギー構成（ネイティブ状態）を特定するために、すべての可能なコンフォメーションをアルゴリズムで検索すると、膨大な時間がかかります。しかし、実際には、タンパク質の折り畳みは、最も複雑な構造の場合でも非常に速く起こります。これは、不均一なエネルギーランドスケープを通じて、遷移が何らかの形で安定状態に導かれることを示唆しています。[1]
歴史
1969 年、サイラス レビンサルは、折り畳まれていないポリペプチド鎖の自由度が非常に大きいため、分子には天文学的な数の立体配座が可能であると指摘しました。彼の論文の 1 つ[2] (1968 年の論文[3]と誤って引用されることが多い) では、その数は10,300と推定されています。たとえば、100残基のポリペプチドには 99 のペプチド結合があり、したがって 198 種類の異なるファイおよびプサイ結合角があります。これらの結合角のそれぞれが 3 つの安定した立体配座のいずれかになる場合、タンパク質は最大 3,198種類の立体配座に誤って折り畳まれる可能性があります (折り畳みの冗長性の可能性を含む)。したがって、タンパク質が正しく折り畳まれた構成を実現するために、すべての可能な立体配座を順番にサンプリングすると、正しい本来の立体配座に到達するまでに宇宙の年齢よりも長い時間が必要になります。これは、立体配座を高速 (ナノ秒またはピコ秒) でサンプリングした場合でも当てはまります。 「パラドックス」とは、ほとんどの小さなタンパク質がミリ秒、あるいはマイクロ秒の時間スケールで自発的に折り畳まれることです。このパラドックスの解決策は、タンパク質構造予測に対する計算的アプローチによって確立されました。[4]
レビンサル自身も、タンパク質が自発的に、短い時間スケールで折り畳まれることを認識していた。彼は、「タンパク質の折り畳みが加速され、局所的な相互作用の急速な形成によって誘導され、それがペプチドのさらなる折り畳みを決定する。これは、安定した相互作用を形成し、折り畳みプロセスにおける核形成点として機能する局所的なアミノ酸配列を示唆している」と示唆した。[5]実際、タンパク質の折り畳み中間体と部分的に折り畳まれた遷移状態が実験的に検出され、これが高速なタンパク質の折り畳みを説明しています。これは、漏斗状のエネルギーランドスケープ内で方向付けられたタンパク質の折り畳みとも説明されます。[6] [7] [8]タンパク質構造予測に対するいくつかの計算アプローチは、タンパク質の折り畳みのメカニズムを特定し、シミュレートしようとしてきました。[9]
レビンサルはまた、最低エネルギーが運動学的にアクセスできない場合、本来の構造はより高いエネルギーを持っている可能性があると示唆した。類似点は、丘の斜面を転がり落ちた岩が、岩の基部に到達せずに溝に引っかかることである。[10]
レビンタールのパラドックスは、2024年のノーベル化学賞（計算によるタンパク質設計とタンパク質構造予測でデビッド・ベイカー、デミス・ハサビス、ジョン・M・ジャンパーに授与）の科学的背景の最初のページで引用されており、天文学的な数の順列を考慮した問題の規模の大きさを実証している。[11]
提案された説明
エドワード・トリフォノフとイゴール・ベレゾフスキーによれば、タンパク質は25～30個のアミノ酸からなるサブユニット（モジュール）によって折り畳まれる。[12]
参照
- シャペロン – 他のタンパク質の折り畳みや展開を助けるタンパク質
- 折りたたみ式漏斗
- アンフィンセンの教義
参考文献
- ^ ネルソン、デビッド L.; コックス、マイケル M.; レーニンガー、アルバート L. (2017)。「ポリペプチドは段階的なプロセスで急速に折り畳まれます」。レーニンガー生化学原理 (第 7 版)。ニューヨーク、NY: ハウンドミルズ、ベイジングストーク: WH フリーマン アンド カンパニー、マクミラン高等教育。ISBN 978-1-4641-2611-6. OCLC 986827885.
- ^ Levinthal, Cyrus (1969). 「優雅に折りたたむ方法」。生物系におけるモスバウアー分光法：イリノイ州モンティセロのアレトンハウスで開催された会議の議事録：22–24。2010年10月7日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ Levinthal, Cyrus (1968). 「タンパク質の折り畳み経路は存在するか?」(PDF) . Journal de Chimie Physique et de Physico-Chimie Biologique . 65 : 44–45. Bibcode :1968JCP....65...44L. doi :10.1051/jcp/1968650044. 2009-09-02 にオリジナル(PDF)からアーカイブ。
- ^ Zwanzig R, Szabo A, Bagchi B (1992-01-01). 「Levinthalのパラドックス」Proc Natl Acad Sci USA . 89 (1): 20–22. Bibcode :1992PNAS...89...20Z. doi : 10.1073/pnas.89.1.20 . PMC 48166 . PMID 1729690.
- ^ Rooman, Marianne Rooman; Yves Dehouck; Jean Marc Kwasigroch; Christophe Biot; Dimitri Gilis (2002). 「レビンサル・パラドックスの何が逆説的なのか?」Journal of Biomolecular Structure and Dynamics . 20 (3): 327–329. doi :10.1080/07391102.2002.10506850. PMID 12437370. S2CID 6839744.
- ^ Dill K; HS Chan (1997). 「レビンタールから経路、そしてファネルへ」Nat. Struct. Biol . 4 (1): 10–19. doi :10.1038/nsb0197-10. PMID 8989315. S2CID 11557990.
- ^ Durup, Jean (1998). 「「レビンサルのパラドックス」とタンパク質フォールディングの理論について」。分子構造ジャーナル。424 (1–2): 157–169。doi :10.1016/S0166-1280(97)00238-8。
- ^ s˘Ali, Andrej; Shakhnovich, Eugene; Karplus, Martin (1994). 「タンパク質はどのように折り畳まれるのか？」(PDF) . Nature . 369 (6477): 248–251. Bibcode :1994Natur.369..248S. doi :10.1038/369248a0. PMID 7710478. S2CID 4281915.[永久リンク切れ ]
- ^ Karplus, Martin (1997). 「レビンタールのパラドックス：過去と現在」. Folding & Design . 2 (4): S69–S75. doi : 10.1016/S1359-0278(97)00067-9 . PMID 9269572.
- ^ハンター、フィリップ（2006年）。「Into the fold」。EMBO Rep . 7（3）：249–252。doi ： 10.1038 / sj.embor.7400655。PMC 1456894。PMID 16607393 。
- ^ https://www.nobelprize.org/uploads/2024/10/advanced-chemistryprize2024.pdf
- ^ Berezovsky, Igor N.; Trifonov, Edward N. (2002). 「タンパク質のループフォールド構造：Levinthalのパラドックスの解決」(PDF) . Journal of Biomolecular Structure & Dynamics . 20 (1): 5–6. doi :10.1080/07391102.2002.10506817. ISSN 0739-1102. PMID 12144347. S2CID 33174198. 2005-02-12に オリジナル(PDF)からアーカイブ。
外部リンク
- http://www-wales.ch.cam.ac.uk/~mark/levinthal/levinthal.html
- https://www.wired.com/wired/archive/9.07/blue_pr.html
- https://web.archive.org/web/20041011182039/http://www.sdsc.edu/~nair/levinthal.html