Mapping the energy landscape for second-stage folding of a single membrane protein

能源景观 蛋白质折叠 磁镊 膜蛋白 跨膜蛋白 化学 原籍国 生物物理学 折叠(DSP实现) 脂质双层 结晶学 刚度(电磁) 化学物理 分子 物理 生物 生物化学 电气工程 量子力学 工程类 受体 有机化学
作者
Duyoung Min,Jefferson Roberts,James U. Bowie,Tae‐Young Yoon
出处
期刊:Nature Chemical Biology [Springer Nature]
卷期号:11 (12): 981-987 被引量:79
标识
DOI:10.1038/nchembio.1939
摘要

Single-molecule experiments reveal the unfolding and refolding landscape of the rhomboid protease GlpG in a native-like lipid membrane. GlpG unravels cooperatively in a single step and has a large unfolding barrier, making for a long-lived folded state. Membrane proteins are designed to fold and function in a lipid membrane, yet folding experiments within a native membrane environment are challenging to design. Here we show that single-molecule forced unfolding experiments can be adapted to study helical membrane protein folding under native-like bicelle conditions. Applying force using magnetic tweezers, we find that a transmembrane helix protein, Escherichia coli rhomboid protease GlpG, unfolds in a highly cooperative manner, largely unraveling as one physical unit in response to mechanical tension above 25 pN. Considerable hysteresis is observed, with refolding occurring only at forces below 5 pN. Characterizing the energy landscape reveals only modest thermodynamic stability (ΔG = 6.5 kBT) but a large unfolding barrier (21.3 kBT) that can maintain the protein in a folded state for long periods of time (t1/2 ∼3.5 h). The observed energy landscape may have evolved to limit the existence of troublesome partially unfolded states and impart rigidity to the structure.

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