Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Глюкоза связывается с гексокиназой в активном центре в начале гликолиза.

В биохимии и молекулярной биологии сайт связывания - это участок макромолекулы, такой как белок, который специфично связывается с другой молекулой . [1] Связывающий партнер макромолекулы часто называют лигандом . [2] Лиганды могут включать другие белки (приводящие к межбелковому взаимодействию ), [3] ферментные субстраты , [4] вторичные мессенджеры , гормоны или аллостерические модуляторы . [5] Связывающее событие часто, но не всегда, сопровождаетсяконформационное изменение, которое изменяет функцию белка . [6] Связывание с сайтами связывания белков чаще всего является обратимым (временным и нековалентным ), но также может быть ковалентным обратимым [7] или необратимым. [8]

Функция [ править ]

Связывание лиганда с сайтом связывания на белке часто вызывает изменение конформации белка и приводит к изменению клеточной функции. Следовательно, сайт связывания на белке является критически важной частью путей передачи сигнала. [9] Типы лигандов включают нейротрансмиттеры , токсины , нейропептиды и стероидные гормоны . [10] Сайты связывания подвергаются функциональным изменениям в ряде контекстов, включая ферментативный катализ, передачу сигналов молекулярного пути, гомеостатическую регуляцию и физиологическую функцию. Электрический зарядстерическая форма и геометрия сайта избирательно позволяют связывать высокоспецифичные лиганды, активируя определенный каскад клеточных взаимодействий, за которые отвечает белок. [11] [12]

Катализ [ править ]

Энергия активации снижается в присутствии фермента, катализирующего реакцию.

Ферменты вызывают катализ, более прочно связываясь с переходными состояниями, чем субстраты и продукты. В сайте каталитического связывания на субстрат могут действовать несколько различных взаимодействий. Они варьируются от электрического катализа, кислотного и основного катализа, ковалентного катализа и катализа ионами металлов. [10] Эти взаимодействия уменьшают энергию активации химической реакции, обеспечивая благоприятные взаимодействия для стабилизации высокоэнергетической молекулы. Связывание с ферментами обеспечивает более близкое расположение и исключение веществ, не имеющих отношения к реакции. Это специфическое связывание также препятствует побочным реакциям. [13] [10]

Типы ферментов, которые могут выполнять эти действия, включают оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. [14]

Например, гексокиназа трансферазы катализирует фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Остатки активного сайта гексокиназы позволяют стабилизировать молекулу глюкозы в активном центре и стимулировать начало альтернативного пути благоприятных взаимодействий, снижая энергию активации. [15]

Запрещение [ править ]

Ингибирование белка связыванием ингибитора может вызвать нарушение регуляции пути, регуляции гомеостаза и физиологической функции.

Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за связывание со свободными ферментами в активных центрах и, таким образом, препятствуют продукции комплекса фермент-субстрат при связывании. Например, отравление угарным газом вызывается конкурентным связыванием окиси углерода, а не кислорода в гемоглобине.

В качестве альтернативы неконкурентные ингибиторы связываются одновременно с субстратом в активных центрах. При связывании с комплексом ферментного субстрата (ES) образуется комплекс ингибитора ферментного субстрата (ESI). Подобно конкурентным ингибиторам, также снижается скорость образования продукта. [4]

Наконец, смешанные ингибиторы способны связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат. Однако, в отличие от конкурентных и неконкурентных ингибиторов, смешанные ингибиторы связываются с аллостерическим сайтом. Аллостерическое связывание вызывает конформационные изменения, которые могут увеличивать сродство белка к субстрату. Это явление называется положительной модуляцией. И наоборот, аллостерическое связывание, которое снижает сродство белка к субстрату, является отрицательной модуляцией. [16]

Типы [ править ]

Активный сайт [ править ]

В активном центре субстрат связывается с ферментом, вызывая химическую реакцию. [17] [18] Субстраты, переходные состояния и продукты могут связываться с активным сайтом, как и любые конкурентные ингибиторы. [17] Например, в контексте функции белков связывание кальция с тропонином в мышечных клетках может вызывать конформационные изменения тропонина. Это позволяет тропомиозину выставлять актин-миозиновый сайт связывания, с которым связывается миозиновая головка, образуя поперечный мостик и вызывая сокращение мышц . [19]

В контексте крови примером конкурентного связывания является окись углерода, которая конкурирует с кислородом за активный центр гема . Высокое сродство окиси углерода может превосходить кислород в присутствии низкой концентрации кислорода. В этих обстоятельствах связывание монооксида углерода вызывает изменение конформации, которое препятствует связыванию гема с кислородом, что приводит к отравлению монооксидом углерода. [4]

Конкурентное и неконкурентное связывание ферментов в активном и регуляторном (аллостерическом) сайте соответственно.

Аллостерический сайт [ править ]

В регуляторном сайте связывание лиганда может вызывать усиление или ингибирование функции белка. [4] [20] Связывание лиганда с аллостерическим сайтом мультимерного фермента часто вызывает положительную кооперативность, то есть связывание одного субстрата вызывает благоприятное изменение конформации и увеличивает вероятность связывания фермента со вторым субстратом. [21] Лиганды регуляторного сайта могут включать гомотропные и гетеротропные лиганды, в которых один или несколько типов молекул влияют на активность фермента соответственно. [22]

Регулируемые ферменты часто играют важную роль в метаболических путях. Например, фосфофруктокиназа (PFK), которая фосфорилирует фруктозу при гликолизе, в значительной степени регулируется АТФ. Его регуляция в гликолизе является обязательной, потому что это этап метаболизма, ограничивающий скорость. PFK также контролирует количество глюкозы, предназначенной для образования АТФ через катаболический путь. Следовательно, при достаточном уровне АТФ, PFK аллостерически ингибируется АТФ. Это регулирование эффективно сохраняет запасы глюкозы, которые могут потребоваться для других путей. Цитрат, промежуточный продукт цикла лимонной кислоты, также работает как аллостерический регулятор PFK. [22] [23]

Одно- и многоцепочечные сайты связывания [ править ]

Сайты связывания можно охарактеризовать также по их структурным особенностям. Одноцепочечные сайты («монодесмических» лигандов, μόνος: одиночные, δεσμός: связывание) образованы одной белковой цепью, в то время как многоцепочечные сайты («полидесмических» лигандов, πολοί: многие) [24] часто встречаются в белках. комплексы, и образуются лигандами , которые связывают более чем один белок , цепь, как правило , в пределах или вблизи интерфейсов белка. Недавние исследования показали , что связывание структуры сайта имеет серьезные последствия для биологии белковых комплексов (эволюции функции, allostery). [25] [ 26]

Загадочные сайты привязки [ править ]

Скрытые сайты связывания - это сайты связывания, которые временно образуются в форме апо или индуцируются связыванием лиганда. Принятие во внимание скрытых сайтов связывания увеличивает размер протеома человека, потенциально « поддающегося лекарственному воздействию », с ~ 40% до ~ 78% белков, связанных с заболеванием. [27] Сайты связывания были исследованы с помощью: машины опорных векторов, примененной к набору данных «CryptoSite», [27] Расширения набора данных «CryptoSite», [28] долгосрочного молекулярно-динамического моделирования с использованием модели состояния Маркова и биофизических экспериментов, [29] и индекс загадочных мест, основанный на относительной доступной площади поверхности . [30]

Кривые привязки [ править ]

Сигмоидальный и гиперболический паттерны связывания демонстрируют кооперативный и некооперативный характер ферментов.

Кривые связывания описывают поведение связывания лиганда с белком. Кривые можно охарактеризовать по их форме, сигмоидальной или гиперболической, которая отражает, проявляет ли белок кооперативное или некооперативное поведение связывания соответственно. [31] Как правило, ось абсцисс описывает концентрацию лиганда, а ось ординат - частичное насыщение лигандов, связанных со всеми доступными сайтами связывания. [4]Уравнение Михаэлиса Ментен обычно используется при определении формы кривой. Уравнение Михаэлиса Ментен выводится на основе стационарных условий и учитывает ферментативные реакции, происходящие в растворе. Однако, когда реакция происходит, когда фермент связан с субстратом, кинетика проявляется по-другому. [32]

Моделирование с помощью кривых связывания полезно при оценке сродства связывания кислорода с гемоглобином и миоглобином в крови. Гемоглобин, который имеет четыре группы гема, проявляет кооперативное связывание . Это означает, что связывание кислорода с гемовой группой на гемоглобине вызывает благоприятное изменение конформации, которое позволяет повысить благоприятность связывания кислорода для следующих гемовых групп. В этих обстоятельствах кривая связывания гемоглобина будет сигмоидальной из-за его повышенной способности связываться с кислородом. Поскольку миоглобин имеет только одну гемовую группу, он проявляет некооперативное связывание, которое является гиперболическим на кривой связывания. [33]

Приложения [ править ]

Биохимические различия между разными организмами и людьми полезны для разработки лекарств. Например, пенициллин убивает бактериальные ферменты, ингибируя DD-транспептидазу , разрушая развитие бактериальной клеточной стенки и вызывая гибель клеток. Таким образом, изучение сайтов связывания актуально для многих областей исследований, включая механизмы рака, [34] лекарственные формы [35] и физиологическую регуляцию. [36] Препарат ингибитора для подавления функции белка является распространенной формой фармацевтической терапии. [37]

Метотрексат подавляет дигидрофолатредуктазу, превосходя фолиевую кислоту субстрата. Сайт связывания выделен синим, ингибитор - зеленым, а субстрат - черным.

В области рака лиганды, которые отредактированы, чтобы иметь внешний вид, подобный природному лиганду, используются для ингибирования роста опухоли. Например , химиотерапевтический метотрексат действует как конкурентный ингибитор активного центра дигидрофолатредуктазы . [38] Это взаимодействие подавляет синтез тетрагидрофолата , прекращая производство ДНК, РНК и белков. [38] Подавление этой функции подавляет рост новообразований и улучшает тяжелые формы псориаза и ревматоидный артрит у взрослых . [37]

При сердечно-сосудистых заболеваниях для лечения пациентов с гипертонией используются такие препараты, как бета-блокаторы. Бета-блокаторы (β-блокаторы) - это антигипертензивные средства, которые блокируют связывание гормонов адреналина и норадреналина с рецепторами β1 и β2 в сердце и кровеносных сосудах. Эти рецепторы обычно опосредуют симпатическую реакцию «бей или беги», вызывая сужение кровеносных сосудов. [39]

Конкурентные ингибиторы также широко распространены на рынке. Ботулинический токсин , известный под коммерческим названием Ботокс, представляет собой нейротоксин, вызывающий вялый паралич мышц из-за связывания с ацетилхолинзависимыми нервами. Это взаимодействие подавляет мышечные сокращения, создавая вид гладких мышц. [40]

Прогноз [ править ]

Был разработан ряд вычислительных инструментов для предсказания местоположения сайтов связывания на белках. [20] [41] [42] Их можно в целом классифицировать на основанные на последовательности или на основе структуры. [42] Методы, основанные на последовательностях, основаны на предположении, что последовательности функционально консервативных частей белков, таких как сайт связывания, являются консервативными. Для методов, основанных на структуре, требуется трехмерная структура белка. Эти методы, в свою очередь, можно подразделить на методы на основе шаблонов и карманные. [42] Методы на основе шаблонов ищут 3D-сходства между целевым белком и белками с известными сайтами связывания. Методы на основе карманов ищут вогнутые поверхности или скрытые карманы в целевом белке, которые обладают такими характеристиками, как гидрофобность и способность связывать водород , которые позволяют им связывать лиганды с высоким сродством. [42] Несмотря на то, что здесь используется термин «карман», аналогичные методы можно использовать для прогнозирования сайтов связывания, используемых в белок-белковых взаимодействиях, которые обычно более плоские, а не в карманах. [43]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Сайт привязки" . Медицинские предметные рубрики (MeSH) . Национальная медицинская библиотека США. Части макромолекулы, которые непосредственно участвуют в ее специфической комбинации с другой молекулой.
  2. ^ «Лиганды» . Медицинские предметные рубрики (MeSH) . Национальная медицинская библиотека США. Молекула, которая связывается с другой молекулой, особенно используется для обозначения небольшой молекулы, которая специфически связывается с большей молекулой.
  3. ^ Amos-Бинкс A, C Patulea, Питр S, Schoenrock A, Gui Y, зеленый JR, Golshani A, Dehne F (июнь 2011). «Предсказание сайта связывания для белок-белковых взаимодействий и открытие нового мотива с использованием повторяющихся полипептидных последовательностей» . BMC Bioinformatics . 12 : 225. DOI : 10,1186 / 1471-2105-12-225 . PMC 3120708 . PMID 21635751 .  
  4. ^ а б в г д Хардин CC, Кнопп JA (2013). «Глава 8: Ферменты». Биохимия - основные понятия . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 51–69. ISBN 978-1-62870-176-0.
  5. ^ Kenakin TP (апрель 2016). «Характеристики аллостеризма в действии лекарств» . В Бауэри Н.Г. (ред.). Модуляция аллостерических рецепторов при нацеливании на лекарства . CRC Press. п. 26. ISBN 978-1-4200-1618-5.
  6. Перейти ↑ Spitzer R, Cleves AE, Varela R, Jain AN (апрель 2014 г.). «Аннотации функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания» . Белки . 82 (4): 679–94. DOI : 10.1002 / prot.24450 . PMC 3949165 . PMID 24166661 .  
  7. ^ Bandyopadhyay А, Гао J (октябрь 2016). «Нацеливание на биомолекулы с обратимой ковалентной химией» . Текущее мнение в химической биологии . 34 : 110–116. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2016.08.011 . PMC 5107367 . PMID 27599186 .  
  8. ^ Беллелли А, Кэри J (январь 2018). «Обратимое связывание лиганда» . Обратимое связывание лигандов: теория и эксперимент . Джон Вили и сыновья. п. 278. ISBN 978-1-119-23848-5.
  9. ^ Xu D, Жалал SI, Санки GW, Meroueh SO (октябрь 2016). «Сайты связывания малых молекул для изучения белок-белковых взаимодействий в протеоме рака» . Молекулярные биосистемы . 12 (10): 3067–87. DOI : 10.1039 / c6mb00231e . PMC 5030169 . PMID 27452673 .  
  10. ^ a b c Уилсон К. (март 2010 г.). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии . Издательство Кембриджского университета. С. 581–624. DOI : 10,1017 / cbo9780511841477.016 . ISBN 9780511841477.
  11. Перейти ↑ Ahern K (2015). Биохимия - бесплатно для всех . Государственный университет Орегона. С. 110–141.
  12. ^ Кумар А.П., Лукман С. (2018-06-06). «Аллостерические сайты связывания в Rab11 для потенциальных кандидатов в лекарства» . PLOS One . 13 (6): e0198632. DOI : 10.1371 / journal.pone.0198632 . PMC 5991966 . PMID 29874286 .  
  13. ^ Добсон JA, Джеррард AJ, Pratt JA (2008). Основы химической биологии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199248995. OCLC  487962823 .
  14. ^ Azzaroni O, Szleifer I (2017-12-04). Полимерные и биополимерные кисти . DOI : 10.1002 / 9781119455042 . ISBN 978-1-119-45501-1.
  15. ^ Словарь пищевых наук и технологий (2-е издание) . Международная служба продовольственной информации. 2009. ISBN. 978-1-4051-8740-4.
  16. ^ Кларк KG (2013). Биотехнология . Издательство Вудхед. С. 79–84. DOI : 10.1533 / 9781782421689 . ISBN 978-1-78242-167-2.
  17. ^ a b Уилсон К. (март 2010 г.). «Ферменты» . В Уилсон К., Уокер Дж. (Ред.). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии . Издательство Кембриджского университета. С. 581–624. DOI : 10,1017 / cbo9780511841477.016 . ISBN 9780511841477. Проверено 1 ноября 2018 .
  18. ^ Schaschke С (2014). Словарь химической инженерии . Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-1-62870-844-8.
  19. ^ Моррис Дж (2016). Биология, как работает жизнь . Соединенные Штаты Америки: WH Freeman and Company. С. 787–792. ISBN 978-1-4641-2609-3.
  20. ^ a b Konc J, Janežič D (апрель 2014 г.). «Сравнение сайтов связывания для предсказания функции и открытия фармацевтических препаратов». Текущее мнение в структурной биологии . 25 : 34–9. DOI : 10.1016 / j.sbi.2013.11.012 . PMID 24878342 . 
  21. ^ Фукуа C, D White (2004). Прокариотическая межклеточная передача сигналов . Передача сигналов в клетках прокариот и нижних метазоа . Springer Нидерланды. С. 27–71. DOI : 10.1007 / 978-94-017-0998-9_2 . ISBN 9789048164837.
  22. ^ а б Крейтон TE (2010). Биофизическая химия нуклеиновых кислот и белков . Helvetian Press. ISBN 978-0956478115. OCLC  760830351 .
  23. ^ Currell BR, Ван Дам-Mieras MC (1997). Биотехнологические инновации в химическом синтезе . Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. С. 125–128. ISBN 978-0-7506-0561-8.
  24. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Сворачивание, сборка и деградация гомомерных белковых комплексов структур сайта связывания лиганда» . Журнал молекулярной биологии . 431 (19): 3871–3888. DOI : 10.1016 / j.jmb.2019.07.014 . PMC 6739599 . PMID 31306664 .  
  25. ^ Abrusan G, Marsh JA (2018). «Структура сайта связывания лиганда влияет на эволюцию функции и топологии белкового комплекса» . Сотовые отчеты . 22 (12): 3265–3276. DOI : 10.1016 / j.celrep.2018.02.085 . PMC 5873459 . PMID 29562182 .  
  26. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Структура лиганд-связывающего сайта формирует аллостерическую передачу сигнала и эволюцию аллостерии в белковых комплексах» . Молекулярная биология и эволюция . 36 (8): 1711–1727. DOI : 10.1093 / molbev / msz093 . PMC 6657754 . PMID 31004156 .  
  27. ^ a b Cimermancic P, Weinkam P, Rettenmaier TJ, Bichmann L, Keedy DA, Woldeyes RA, et al. (Февраль 2016). «CryptoSite: Расширение лекарственного протеома путем характеристики и прогнозирования сайтов скрытого связывания» . Журнал молекулярной биологии . 428 (4): 709–719. DOI : 10.1016 / j.jmb.2016.01.029 . PMID 26854760 . 
  28. ^ Беглов Д., Холл Д. Р., Уэйкфилд А. Е., Ло Л., Аллен К. Н., Козаков Д. и др. (Апрель 2018). «Изучение структурного происхождения криптических сайтов на белках» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (15): E3416 – E3425. DOI : 10.1073 / pnas.1711490115 . PMID 29581267 . 
  29. ↑ Bowman GR, Bolin ER, Hart KM, Maguire BC, Marqusee S (март 2015 г.). «Открытие множества скрытых аллостерических сайтов путем объединения моделей состояния Маркова и экспериментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (9): 2734–9. DOI : 10.1073 / pnas.1417811112 . PMC 4352775 . PMID 25730859 .  
  30. ^ Иида S, Накамура HK, Масимо Т, Fukunishi Y (ноябрь 2020). «Структурные колебания ароматических остатков в апо-форме выявляют скрытые связывающие сайты: последствия для разработки лекарств на основе фрагментов». Журнал физической химии B . 124 (45): 9977–9986. DOI : 10.1021 / acs.jpcb.0c04963 . PMID 33140952 . 
  31. ↑ Ahern K (январь 2017). «Обучение биохимии онлайн в Государственном университете Орегона» . Биохимия и молекулярная биология образования . 45 (1): 25–30. DOI : 10.1002 / bmb.20979 . PMID 27228905 . 
  32. ^ Anne A, C Demaille (октябрь 2012). «Кинетика действия фермента на прикрепленных к поверхности субстратах: практическое руководство по анализу кривой прогресса в любой кинетической ситуации». Ленгмюра . 28 (41): 14665–71. DOI : 10.1021 / la3030827 . PMID 22978617 . 
  33. ^ Моррис JR, Хартл DL, Knoll AH. Биология: как устроена жизнь (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781464126093. OCLC  937824456 .
  34. Перейти ↑ Spitzer R, Cleves AE, Varela R, Jain AN (апрель 2014 г.). «Аннотации функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания» . Белки . 82 (4): 679–94. DOI : 10.1002 / prot.24450 . PMC 3949165 . PMID 24166661 .  
  35. ↑ Peng J, Li XP (ноябрь 2018 г.). «Аполипопротеин A-IV: потенциальная терапевтическая мишень для атеросклероза». Простагландины и другие липидные медиаторы . 139 : 87–92. DOI : 10.1016 / j.prostaglandins.2018.10.004 . PMID 30352313 . 
  36. ^ Макнамара JW, Sadayappan S (декабрь 2018). «Скелетный миозин-связывающий белок-C: все более важный регулятор физиологии поперечно-полосатых мышц» . Архивы биохимии и биофизики . 660 : 121–128. DOI : 10.1016 / j.abb.2018.10.007 . PMC 6289839 . PMID 30339776 .  
  37. ^ a b Widemann BC, Adamson PC (июнь 2006 г.). «Понимание и лечение нефротоксичности метотрексата». Онколог . 11 (6): 694–703. DOI : 10.1634 / теонколог . 11-6-694 . PMID 16794248 . 
  38. ^ a b Rajagopalan PT, Zhang Z, McCourt L, Dwyer M, Benkovic SJ, Hammes GG (октябрь 2002 г.). «Взаимодействие дигидрофолатредуктазы с метотрексатом: ансамбль и одномолекулярная кинетика» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (21): 13481–6. DOI : 10.1073 / pnas.172501499 . PMC 129699 . PMID 12359872 .  
  39. ^ Frishman WH, Cheng-Lai A, Chen J, ред. (2000). Современные сердечно-сосудистые препараты . DOI : 10.1007 / 978-1-4615-6767-7 . ISBN 978-1-57340-135-7.
  40. ^ Montecucco С, Molgó J (июнь 2005 г.). «Ботулинические нейротоксины: возрождение старого убийцы». Текущее мнение в фармакологии . 5 (3): 274–9. DOI : 10.1016 / j.coph.2004.12.006 . PMID 15907915 . 
  41. ^ Roche DB, Brackenridge Д.А., McGuffin LJ (декабрь 2015). «Белки и их взаимодействующие партнеры: Введение в методы прогнозирования сайтов связывания белков-лигандов» . Международный журнал молекулярных наук . 16 (12): 29829–42. DOI : 10.3390 / ijms161226202 . PMC 4691145 . PMID 26694353 .  
  42. ^ a b c d Broomhead NK, Soliman ME (март 2017 г.). «Можем ли мы полагаться на компьютерные прогнозы для правильной идентификации сайтов связывания лигандов на новых белковых мишенях? Оценка методов прогнозирования сайтов связывания и протокол для проверки предполагаемых сайтов связывания». Биохимия и биофизика клетки . 75 (1): 15–23. DOI : 10.1007 / s12013-016-0769-у . PMID 27796788 . 
  43. ↑ Jones S, Thornton JM (сентябрь 1997 г.). «Анализ сайтов белок-белкового взаимодействия с использованием участков поверхности». Журнал молекулярной биологии . 272 (1): 121–32. DOI : 10.1006 / jmbi.1997.1234 . PMID 9299342 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Обязательные сайты в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
  • Рисование активного центра фермента