We have studied the folding mechanism of $\beta$ -hairpins in the proteins 1GB1, 3AIT and 1A2P by conducting unfolding simulations at moderately high temperatures. The analysis of trajectories obtained from molecular dynamics simulations in explicit aqueous solution suggests that the positions of the hydrophobic core residues lead to subtle differences in the details of folding dynamics. However, the folding of three different hairpins can be explained by a unified mechanism that is a blend of the hydrogen-bond-centric and the hydrophobiccentric models. The initial stage of $\beta$-hairpin folding involves various partially folded intermediate structures which are stabilized by both the van der Waals interactions of hydrophobic core residues and the electrostatic interactions of non-native hydrogen bonds. The native structure is obtained by forming native contacts in the final tune-up process. Depending on the relative positions of the hydrophobic residues, the actual mechanism of hairpi n folding may or may not exhibit well-defined intermediates.
The role of hydrophobic residues on protein folding reaction was studied by folding kinetics measurements in conjunction with protein engineering. The HubWA, which was derived from human ubiquitin by mutating the residues at 45 (Phe to Trp) and 26 (Val to Ala), was used as a mutational background. Fourteen hydrophobic residues were mutated to alanine. Among fourteen variants generated, only four variant proteins (V5A, I13A, V17A, and I36A) were suitable for folding study. The folding kinetics of these variants was measured by stopped-flow fluorescence spectroscopy. The folding kinetics of HubWA and V17A was observed to follow a three-state on-pathway mechanism. On the other hand, folding kinetics of V5A, I13A, and I36A was observed to follow a two-state mechanism. Based on these observations, transition of protein folding reaction from collision-diffusion mechanism to nucleation-condensation mechanism was discussed.
The folding kinetics of $WT^*$ ubiquitin variant with valine to alanine mutation at sequence position 26 (HubWA) was studied by stopped-flow fluorescence spectroscopy. While unfolding kinetics showed a single exponential phase, refolding reaction showed three exponential phases. The semi-logarithmic plot of urea concentration vs. rate constant for the first phase showed v-shape pattern while the second phase showed v-shape with roll-over effect at low urea concentration. The rate constant and the amplitude of the third phase were constant throughout the urea concentrations, suggesting that this phase represents parallel process due to the configurational isomerization. Interestingly, the first and second phases appeared to be coupled since the amplitude of the second phase increased at the expense of the amplitude of the first phase in increasing urea concentrations. This observation together with the roll-over effect in the second folding phase indicates the presence of intermediate state during the folding reaction of HubWA. Quantitative analysis of Hub-WA folding kinetics indicated that this intermediate state is on the folding pathway. Folding kinetics measurement of a mutant HubWA with hydrophobic core residue mutation, Val to Ala at residue position 17, suggested that the intermediate state has significant amount of native interactions, supporting the interpretation that the intermediate is on the folding pathway. It is considered that HubWA is a useful model protein to study the contribution of residues to protein folding process using folding kinetics measurements in conjunction with protein engineering.
The contribution of hydrophobic residues to the protein folding reaction was studied by using HubWA variant proteins with I and L to V mutation. Folding kinetics of all V variant proteins was observed to be satisfied by a three-state on-pathway mechanism, U ⇌ I ⇌ N, where U, I, and N represent unfolded, intermediate, and native state, respectively. Three-state folding reaction was quantitatively analyzed and the free energy of folding of each elementary reactions and overall folding reaction, ΔGoUI, ΔGoIN, and ΔGoUN, were obtained. From the ratio of free energy difference between the variant protein and HubWA, ΔΔGoUI/ΔΔGoUN (ΔΔGoUI = ΔGoUI (variant protein) - ΔGoUI (HubWA) and ΔΔGoUN = ΔGoUN (variant protein) - ΔGoUN(HubWA)), the contribution of hydrophobic residues to HubWA folding was analyzed. The residues which are located in the hydrophobic core between α-helix and β-sheet, I3, I13, L15, I30, L43, I61 and L67, showed ΔΔGoUI/ΔΔGoUN value of ~0.5 when each of these residues was mutated to V, indicating that these residues form relatively solid hydrophobic core in the intermediate state. Residues located at the end of secondary structures and loop, I23, L69 and I36 showed ΔΔGoUI/ΔΔGoUN value below 0.4 when each of these residues was mutated to V, indicating that the region containing these residues are loosely formed in the intermediate state. V17A, L50V and L56V showed fairly high ΔΔGoUI/ΔΔGoUN value of ~0.8. Since L50 and L56 are located in the region containing long loop (residue 46 to 62), it is suggested that the high ΔΔGoUI/ΔΔGoUN value of these residues prevents the formation of aggregate at the early stage of folding reaction.
Khalifeh, Khosrow;Ranjbar, Bijan;Alipour, Bagher Said;Hosseinkhani, Saman
BMB Reports
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v.44
no.2
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pp.102-106
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2011
Thermodynamic stability and refolding kinetics of firefly luciferase and three representative mutants with depletion of negative charge on a flexible loop via substitution of Glu by Arg (ER mutant) or Lys (EK mutant) as well as insertion of another Arg in ER mutants (ERR mutant) was investigated. According to thermodynamic studies, structural stability of ERR and ER mutants are enhanced compared to WT protein, whereas, these mutants become prone to aggregation at higher temperatures. Accordingly, it was concluded that enhanced structural stability of mutants depends on more compactness of folded state, whereas aggregation at higher temperatures in mutants is due to weakening of intermolecular repulsive electrostatic interactions and increase of intermolecular hydrophobic interactions. Kinetic results indicate that early events of protein folding are accelerated in mutants.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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