Added pathway / landscape folding model paragraph
authorW. Trevor King <wking@drexel.edu>
Mon, 22 Feb 2010 21:36:25 +0000 (16:36 -0500)
committerW. Trevor King <wking@drexel.edu>
Mon, 22 Feb 2010 21:36:25 +0000 (16:36 -0500)
tex/src/figures/schematic/dill97-fig4.png [new file with mode: 0644]
tex/src/introduction/main.tex
tex/src/root.bib

diff --git a/tex/src/figures/schematic/dill97-fig4.png b/tex/src/figures/schematic/dill97-fig4.png
new file mode 100644 (file)
index 0000000..8a37e9a
Binary files /dev/null and b/tex/src/figures/schematic/dill97-fig4.png differ
index b552dc41ff4e2c5c63a6f09835385dbbce6e63a8..03164c88bb7500b1b8a2d5afceb9ffad8718d473 100644 (file)
@@ -13,28 +13,28 @@ conformations and behaviors.  Bulk measurements average over these
 differences, producing excellent statistics for the mean, but making
 it difficult to understand the variation.  The individualized, and
 sometimes rare, behaviors of macromolecules can have important
-implications for their functions inside the cell.  For example,
-...\citep{TODO}.  Single molecule techniques, in which the
-macromolecules are studied one at a time, allow direct access to the
-variation within the population without averaging.  This provides
-important and complementary information about the functional
-mechanisms of several biological systems\citep{bustamante08}.
+implications for their functions inside the cell.  Single molecule
+techniques, in which the macromolecules are studied one at a time,
+allow direct access to the variation within the population without
+averaging.  This provides important and complementary information
+about the functional mechanisms of several biological
+systems\citep{betterment08}.
 
 % What do genes do?  Why is protein folding interesting?
-
+An organism's genetic code is stored in DNA in the cell nucleus.
 DNA sequencing is a fairly well developed field, with fundamental work
 such as the Human Genome Project seeing major development in the early
 2000s\citep{wolfsberg01,mcpherson01,collins03}.  It is estimated that
-this genetic information contains approximately 25,000 genes, each
+human genetic information contains approximately 25,000 genes, each
 encoding a protein\citep{claverie01,venter01}.  Knowing the amino acid
 sequence for a particular protein, however, does not immediately shed
 light on the protein's role in the body, or even the protein's
 probable conformation.  Indeed, a protein's conformation is often
 vitally important in executing its biological tasks
-(\cref{fig:ligand-receptor}).  Unfortunately predicting stable
-conformations of a given amino acid sequence, and the inverse problem
-of finding sequences that form a given conformation, have proven
-remarkably difficult problems.
+(\cref{fig:ligand-receptor}).  Unfortunately both predicting stable
+conformations of a given amino acid sequence and the inverse problem
+of finding sequences that form a given conformation have proven
+remarkably difficult.
 
 \begin{figure}
   \begin{center}
@@ -52,22 +52,39 @@ remarkably difficult problems.
   \end{center}
 \end{figure}
 
-As pointed out by \citet{levinthal69}, folding
-a protein via a brute force sampling of all possible conformations
-is impossibly inefficient, due to the huge size 
-
+% the free energy landscape
 
-There has been a wealth of
-information on the genetic code
+Folding a protein via a brute force sampling of all possible
+conformations is impossibly inefficient, due to the exponential
+scaling of possible conformations with protein length, as outlined by
+\citet{levinthal69}.  This has lead to a succession of models
+explaining the folding mechanism.  For a number of years, the
+``pathway'' model of protein folding enjoyed popularity
+(\cref{fig:folding:pathway})\citep{levinthal69}.  More recently, the
+``landscape'' or ``funnel'' model has come to the fore
+(\cref{fig:folding:landscape})\citep{dill97}.
 
-% Protein folding / unfolding
-
-One particularly interesting area of biophysics is protein folding.
-Proteins are chains of amino acids, and from \emph{central dogma} of
-molecular biology, DNA specifies the amino acid sequence
-exactly\citep{TODO}.  It is cur
+\begin{figure}
+  \begin{center}
+  \subfloat[][]{\includegraphics[width=2in]{figures/schematic/pathway}%
+    \label{fig:folding:pathway}}
+  % \hspace{.25in}%
+  \subfloat[][]{\includegraphics[width=2in]{figures/schematic/dill97-fig4}%
+    \label{fig:folding:landscape}}
+  \caption{(a) The pathway model of protein folding, in which the
+    protein proceeds through a well defined series of metastable
+    transition states.  Reproduced from \citet{TODO}.  (b) The landscape
+    model of protein folding, in which the protein diffuses through a
+    multi-dimensional free energy landscape.  Separate folding
+    attempts may take many distinct routes through this landscape on
+    the way to the folded state.  Reproduced from \citet{dill97}.
+    \label{fig:folding}}
+  \end{center}
+\end{figure}
 
+What drives the initial folding?  \citet{levinthal68} proposed
+a model based on secondary structure nucleation, but recent work has
+focused on early hydrophobic collapse\citep{TODO}.
 
 % why AFM & what an AFM is
 Single molecule techniques for the study of biological macromolecules
index c4f55016fce17e29aeb00e5151771f3aea888ee5..eafe4c82ed4f8a6008f79483b2ccb0125d4eda2f 100644 (file)
@@ -67,6 +67,8 @@
 @String{NAT = "Nature"}
 @String{NSB = "Nat. Struct. Biol."}
 %String{NSB = "Nature Structural Biology"}
+@String{NSMB = "Nat. Struct. Mol. Biol."}
+%String{NSMB = "Nature Structural Molecular Biology"}
 @String{NAR = "Nucleic Acids Res."}
 %String{NAR = "Nucleic Acids Research"}
 @String{PRL = "Phys. Rev. Lett."}
@@ -2923,17 +2925,17 @@ note = {A nice introduction to some quantitative ramifications of the funnel ene
 }
 
 
-@Article{Schwaiger04,
+@Article{schwaiger04,
   author =       "Ingo Schwaiger and Angelika Kardinal and Michael
                  Schleicher and Angelika A. Noegel and "# MRief,
   title =        "A mechanical unfolding intermediate in an
                  actin-crosslinking protein",
-  journal =      "Nat Struct Mol Biol",
-  year =         "2004",
+  journal =      NSMB,
+  year =         2004,
   month =        jan,
-  day =          "29",
-  volume =       "11",
-  number =       "1",
+  day =          29,
+  volume =       11,
+  number =       1,
   pages =        "81--85",
   keywords =     "Actins",
   keywords =     "Animals",
@@ -7470,3 +7472,46 @@ doi = "DOI: 10.1016/0006-291X(90)90526-S",
 url = "http://www.sciencedirect.com/science/article/B6WBK-4F5M7K3-3C/2/c94b612e06efc8534ee24bb1da889811",
   note = "Biological role of streptavidin.",
 }
+
+@Article{dill97,
+  author =       "K. A. Dill and H. S. Chan",
+  title =        "From Levinthal to pathways to funnels.",
+  journal =      NSB,
+  year =         1997,
+  month =        jan,
+  volume =       4,
+  number =       1,
+  pages =        "10--19",
+  keywords =     "Kinetics",
+  keywords =     "Models, Chemical",
+  keywords =     "Protein Folding",
+  abstract =     "While the classical view of protein folding kinetics
+                 relies on phenomenological models, and regards folding
+                 intermediates in a structural way, the new view
+                 emphasizes the ensemble nature of protein
+                 conformations. Although folding has sometimes been
+                 regarded as a linear sequence of events, the new view
+                 sees folding as parallel microscopic multi-pathway
+                 diffusion-like processes. While the classical view
+                 invoked pathways to solve the problem of searching for
+                 the needle in the haystack, the pathway idea was then
+                 seen as conflicting with Anfinsen's experiments showing
+                 that folding is pathway-independent (Levinthal's
+                 paradox). In contrast, the new view sees no inherent
+                 paradox because it eliminates the pathway idea: folding
+                 can funnel to a single stable state by multiple routes
+                 in conformational space. The general energy landscape
+                 picture provides a conceptual framework for
+                 understanding both two-state and multi-state folding
+                 kinetics. Better tests of these ideas will come when
+                 new experiments become available for measuring not just
+                 averages of structural observables, but also
+                 correlations among their fluctuations. At that point we
+                 hope to learn much more about the real shapes of
+                 protein folding landscapes.",
+  ISSN =         "1072-8368",
+  doi = "10.1038/nsb0197-10",
+  url = "http://www.nature.com/nsmb/journal/v4/n1/abs/nsb0197-10.html",
+  eprint = "http://www.nature.com/nsmb/journal/v4/n1/pdf/nsb0197-10.pdf",
+  note = "Pretty folding funnel figures.",
+}