蛋白质稳定性受拥挤效应影响的理论与模拟及其在 $\lambda$ 阻遏物中的应用

实验和理论表明，当拥挤颗粒与蛋白质之间的空间相互作用占主导时，会产生浅仓-大尾（Asakura-Oosawa）耗尽力，此时蛋白质的稳定性相比无限稀释情况有所提高。我们通过理论论证表明，球状蛋白质的熔化温度随拥挤剂体积分数（$\Phi_C$）的增加满足 $\Delta T_m(\Phi_C) \approx \Phi_C^{\alpha}$，其中 $\alpha = \frac{1}{(3 \nu_{eff} - 1)}$。有效弗洛里指数 $\nu_{eff}$ 将非折叠态的回转半径与蛋白质中氨基酸残基数目联系起来。我们推导出界限 1.25 $\le \alpha \le$ 2.0。该理论预测通过使用存在球形拥挤颗粒的 $\lambda$ 阻遏物的分子模拟得到证实。对先前模拟和实验的分析证实了所预测的 $\alpha$ 理论界限。我们表明，拥挤颗粒与氨基酸残基之间的非特异吸引必须相当显著，才能完全抵消由蛋白质内吸引性浅仓-大尾（AO）耗尽势引起的蛋白质稳定性增强。利用这些发现，我们对某些蛋白质在细胞环境中非常微弱（通常小于 0.5 Kcal/mol）的去稳定化提供了另一种解释。细胞环境是多分散的，包含大和小拥挤剂。AO 论点表明蛋白质将定位于大（尺寸超过蛋白质）拥挤剂之间，这预计对稳定性影响可忽略。包含拥挤颗粒混合物的 {\it 体外} 实验可验证或证伪这些预测。