Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кинезин - это белковый комплекс, функционирующий как молекулярно- биологическая машина . Он использует динамику белкового домена на наноуровне

Белковый комплекс или белковый комплекс представляет собой группу из двух или более связанных с ним полипептидных цепей . Различные полипептидные цепи могут иметь разные функции. Это отличается от мультиферментного комплекса , в котором несколько каталитических доменов находятся в одной полипептидной цепи. [1]

Белковые комплексы представляют собой форму четвертичной структуры. Белки в белковом комплексе связаны нековалентными межбелковыми взаимодействиями , и разные белковые комплексы имеют разную степень стабильности во времени. Эти комплексы являются краеугольным камнем многих (если не большинства) биологических процессов, и вместе они образуют различные типы молекулярных механизмов, которые выполняют широкий спектр биологических функций. Видно, что клетка состоит из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую дискретную биологическую функцию. [2]

Благодаря близости скорость и селективность связывающих взаимодействий между ферментативным комплексом и субстратами могут быть значительно улучшены, что приводит к более высокой клеточной эффективности. Многие методы, используемые для взлома клеток и выделения белков, по своей природе разрушают такие большие комплексы, поэтому часто бывает трудно определить компоненты комплекса. Примеры белковых комплексов включают протеасомы для молекулярной деградации и большинство РНК-полимераз . В стабильных комплексах большие гидрофобные интерфейсы между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных Å . [3]

Функция [ править ]

Bacillus amyloliquefaciens рибонуклеазы барназы (цветной) и его ингибитор (синий) в комплексе

Образование белкового комплекса иногда служит для активации или ингибирования одного или нескольких членов комплекса, и, таким образом, образование белкового комплекса может быть аналогично фосфорилированию . Отдельные белки могут участвовать в образовании множества различных белковых комплексов. Разные комплексы выполняют разные функции, и один и тот же комплекс может выполнять очень разные функции, которые зависят от множества факторов. Вот некоторые из этих факторов:

  • В каком клеточном компартменте находится комплекс, когда он содержится
  • На какой стадии клеточного цикла присутствуют комплексы
  • Состояние питания клетки [ необходима цитата ]

Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (штамм дрожжей). Для этого относительно простого организма исследование белковых комплексов в настоящее время проводится в масштабе всего генома, и продолжается выяснение большинства белковых комплексов дрожжей. [ необходима цитата ]

Типы белковых комплексов [ править ]

Облигатный против необлигатного белкового комплекса [ править ]

Если белок может образовывать стабильную хорошо сложенную структуру сам по себе (без какого-либо другого ассоциированного белка) in vivo , то комплексы, образованные такими белками, называют «необязательными белковыми комплексами». Однако нельзя обнаружить, что некоторые белки сами по себе создают стабильную хорошо сложенную структуру, но их можно найти как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называют «облигатными белковыми комплексами». [4]

Переходный против постоянного / стабильного белкового комплекса [ править ]

Временные белковые комплексы образуются и временно разрушаются in vivo , тогда как постоянные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Как правило, облигатные взаимодействия (белок-белковые взаимодействия в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необязательные взаимодействия, как было установлено, являются постоянными или временными. [4] Обратите внимание, что нет четкого различия между облигатным и необязательным взаимодействием, скорее существует континуум между ними, который зависит от различных условий, например pH, концентрации белка и т. Д. [5]Однако существуют важные различия между свойствами временных и постоянных / стабильных взаимодействий: стабильные взаимодействия высококонсервативны, но временные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки по обе стороны стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем те временного взаимодействия (фактически, вероятность совместной экспрессии между двумя временно взаимодействующими белками не выше, чем двумя случайными белками), а временные взаимодействия гораздо менее локализованы вместе, чем стабильные взаимодействия. [6] Хотя временные по своей природе, временные взаимодействия очень важны для клеточной биологии: человеческий интерактом обогащен такими взаимодействиями, эти взаимодействия являются доминирующими участниками регуляции генов и передачи сигналов, а белки сВнутренне неупорядоченные области (IDR: области в белке, которые демонстрируют динамические взаимопревращающие структуры в нативном состоянии), как обнаружено, обогащены временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями. [4]

Нечеткий комплекс [ править ]

Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного беспорядка в связанном состоянии. [7] Это означает, что белки не могут полностью укладываться ни в временные, ни в постоянные комплексы. Следовательно, определенные комплексы могут иметь неоднозначные взаимодействия, которые варьируются в зависимости от сигналов окружающей среды. Следовательно, разные ансамбли структур приводят к различным (даже противоположным) биологическим функциям. [8] Посттрансляционные модификации, белковые взаимодействия или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов для точной настройки аффинности или специфичности взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регуляции внутри эукариотического аппарата транскрипции . [9]

Незаменимые белки в белковых комплексах [ править ]

Незаменимые белки в дрожжевых комплексах встречаются гораздо реже, чем случайно. Изменено после того, как Райан и др. 2013 [10]

Хотя некоторые ранние исследования [11] предполагали сильную корреляцию между существенностью и степенью взаимодействия белков (правило «центральность-летальность»), последующий анализ показал, что эта корреляция слабая для бинарных или временных взаимодействий (например, двугибридных дрожжей ). [12] [13] Однако корреляция устойчива для сетей стабильных совместных взаимодействий. Фактически, непропорционально большое количество основных генов принадлежит белковым комплексам. [14] Это привело к выводу, что существенность - это свойство молекулярных машин (то есть комплексов), а не отдельных компонентов. [14]Wang et al. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы с большей вероятностью будут иметь важное значение, объяснив, почему важные гены с большей вероятностью имеют высокую степень взаимодействия ко-комплексов. [15] Райан и др. (2013) ссылаются на наблюдение, что целостные комплексы кажутся существенными, как « модульная сущность ». [10] Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят из незаменимых или несущественных белков, а не демонстрируют случайное распределение (см. Рисунок). Тем не менее, это не явление «все или ничего»: только около 26% (105/401) дрожжевых комплексов состоят исключительно из существенных или исключительно несущественных субъединиц. [10]

У людей гены, белковые продукты которых принадлежат к одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приводят к одному и тому же фенотипу заболевания. [16] [17] [18]

Гомомультимерные и гетеромультимерные белки [ править ]

Субъединицы мультимерного белка могут быть идентичными, как в гомомультимерном (гомоолигомерном) белке, или разными, как в гетеромультимерном белке. Многие растворимые и мембранные белки образуют гомомультимерные комплексы в клетке, большинство белков в базе данных о белках гомомультимерные. [19] Гомоолигомеры несут ответственность за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.

Управляемые напряжением калиевые каналы в плазматической мембране нейрона представляют собой гетеромультимерные белки, состоящие из четырех из сорока известных альфа-субъединиц. Субъединицы должны принадлежать к одному подсемейству, чтобы сформировать мультимерный белковый канал. Третичная структура канала позволяет ионам проходить через гидрофобную плазматическую мембрану. Коннексоны представляют собой пример гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексинов . Кластер коннексонов образует щелевое соединение в двух нейронах, передающих сигналы через электрический синапс.

Внутригенное дополнение [ править ]

Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, образуют комплекс, эта структура белка называется мультимером. Когда мультимер формируется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией (также называемой межаллельной комплементацией). Внутригенная комплементация была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe.; бактерия Salmonella typhimurium ; вирус бактериофага Т4 , [20] вирус РНК [21] и человека. [22] В таких исследованиях, многочисленные мутации, дефектные в одном и том же гене, часто были изолированы и картированы в линейном порядке на основе частот рекомбинации, чтобы сформировать генетическую карту гена. Отдельно мутанты тестировали в парных комбинациях для измерения комплементации. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает из-за взаимодействия различных дефектных мономеров полипептидов с образованием мультимера. [23] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, распространены. Одна из интерпретаций данных состоит в том, что полипептидные мономеры часто выровнены в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в соседних сайтах генетической карты, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который плохо функционирует, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в удаленных сайтах, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который действует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно ответственные за самопознание и образование мультимеров, обсуждались Jehle. [24]

Определение структуры [ править ]

Молекулярная структура белковых комплексов может быть определена с помощью экспериментальных методов , таких как рентгеновская кристаллография , анализа одной частицы или ядерного магнитного резонанса . Все больше становится доступной теоретическая возможность стыковки белок-белок . Один метод, который обычно используется для идентификации меомплексов [ требуется уточнение ] иммунопреципитации . Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении передачи энергии резонанса Фёрстера на пиксельном уровне.(FRET) эффективность в сочетании с двухфотонным микроскопом со спектральным разрешением. Распределение эффективности FRET моделируется с использованием различных моделей, чтобы получить геометрию и стехиометрию комплексов. [25]

Сборка [ править ]

Правильная сборка мультибелковых комплексов важна, так как неправильная сборка может привести к плачевным последствиям. [26] Чтобы изучить сборку пути, исследователи изучают промежуточные этапы пути. Одним из таких методов, который позволяет это сделать, является масс-спектрометрия с электрораспылением , которая может одновременно идентифицировать различные промежуточные состояния. Это привело к открытию, что большинство комплексов следует упорядоченному пути сборки. [27] В тех случаях, когда возможна неупорядоченная сборка, переход от упорядоченного к неупорядоченному состоянию приводит к переходу от функции к дисфункции комплекса, поскольку неупорядоченная сборка приводит к агрегации. [28]

Структура белков играет роль в сборке мультибелкового комплекса. Интерфейсы между белками можно использовать для предсказания путей сборки. [27] Внутренняя гибкость белков также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия. [29]

Хотя сборка - это процесс, отличный от разборки, эти два процесса обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (раз) сборкой.

Эволюционное значение сборки мультипротеиновых комплексов [ править ]

В гомомультимерными комплексах гомомерные белки собираются в пути этой эволюции в мнемосхемах. То есть промежуточное звено в процессе сборки присутствует в эволюционной истории комплекса. [30] Противоположный феномен наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит таким образом, чтобы сохранить исходный путь сборки. [27]

См. Также [ править ]

  • Гетеротетрамер
  • Биомолекулярный комплекс
  • Белковая субъединица

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Price NC, Stevens L (1999). Основы энзимологии: клеточная и молекулярная биология каталитических белков (3-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 0-19-850229-X.
  2. ^ Хартуэлл LH, Хопфилд JJ, Лейблер S, Мюррей AW (декабрь 1999). «От молекулярной к модульной клеточной биологии». Природа . 402 (6761 Suppl): C47–52. DOI : 10.1038 / 35011540 . PMID 10591225 . 
  3. Перейти ↑ Pereira-Leal JB, Levy ED, Teichmann SA (март 2006 г.). «Истоки и эволюция функциональных модулей: уроки белковых комплексов» . Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Sci . 361 (1467): 507–17. DOI : 10.1098 / rstb.2005.1807 . PMC 1609335 . PMID 16524839 .  
  4. ^ a b c Амуциас Г., Ван де Пер Y (2010). "Дупликации одного и целого генома и эволюция сетей белок-белкового взаимодействия. Эволюционная геномика и системная биология". В Caetano-Anolles G (ред.). Эволюционная геномика . С. 413–429. DOI : 10.1002 / 9780470570418.ch19 .
  5. ^ Nooren И.М., Thornton JM (июль 2003). «Разнообразие белковых взаимодействий» . EMBO J . 22 (14): 3486–92. DOI : 10,1093 / emboj / cdg359 . PMC 165629 . PMID 12853464 .  
  6. ^ Коричневый KR, Jurisica I (2007). «Неравномерная эволюционная консервация взаимодействий белков человека в интерологических сетях» . Genome Biol . 8 (5): R95. DOI : 10.1186 / GB-2007-8-5-R95 . PMC 1929 159 . PMID 17535438 .  
  7. ^ Tompa P, Fuxreiter M (январь 2008). «Нечеткие комплексы: полиморфизм и структурное нарушение белок-белковых взаимодействий». Trends Biochem. Sci . 33 (1): 2–8. DOI : 10.1016 / j.tibs.2007.10.003 . PMID 18054235 . 
  8. ^ Fuxreiter M (январь 2012). «Нечеткость: связь регулирования с динамикой белка». Мол Биосист . 8 (1): 168–77. DOI : 10.1039 / c1mb05234a . PMID 21927770 . 
  9. ^ Fuxreiter МЫ, Симон I, Bondos S (август 2011). «Динамическое распознавание ДНК-белка: за гранью того, что можно увидеть». Trends Biochem. Sci . 36 (8): 415–23. DOI : 10.1016 / j.tibs.2011.04.006 . PMID 21620710 . 
  10. ^ а б в Райан, CJ; Кроган, штат Нью-Джерси; Cunningham, P; Кэгни, Г. (2013). «Все или ничего: белковые комплексы меняют сущность между удаленными родственными эукариотами» . Геномная биология и эволюция . 5 (6): 1049–59. DOI : 10.1093 / GbE / evt074 . PMC 3698920 . PMID 23661563 .  
  11. ^ Jeong, H; Мейсон, ИП; Барабаши, Алабама; Олтвай, З.Н. (2001). «Летальность и центральность в белковых сетях». Природа . 411 (6833): 41–2. arXiv : cond-mat / 0105306 . Bibcode : 2001Natur.411 ... 41J . DOI : 10.1038 / 35075138 . PMID 11333967 . 
  12. ^ Yu, H; Браун, П; Йилдирим, Массачусетс; Лемменс, I; Венкатесан, К; Сахали, Дж; Hirozane-Kishikawa, T; Гебреаб, Ф; Ли, Н; Simonis, N; Хао, Т; Руал, JF; Дрико, А; Васкес, А; Мюррей, Р.Р .; Саймон, C; Тардиво, Л; Там, S; Сврзикапа, Н; Вентилятор, C; De Smet, AS; Мотыль, А; Хадсон, Мэн; Парк, Дж; Синь, Х; Cusick, ME; Мур, Т; Бун, C; Снайдер, М; Рот, ФП (2008). «Качественная бинарная карта взаимодействия белков сети взаимодействия дрожжей» . Наука . 322 (5898): 104–10. Bibcode : 2008Sci ... 322..104Y . DOI : 10.1126 / science.1158684 . PMC 2746753 . PMID 18719252 .  
  13. ^ Зотенко, Э; Местре, Дж; О'Лири, DP ; Пржитицка, TM (2008). «Почему хабы в сети взаимодействия дрожжевых белков имеют тенденцию быть важными: пересмотр связи между топологией сети и существенностью» . PLOS Вычислительная биология . 4 (8): e1000140. Bibcode : 2008PLSCB ... 4E0140Z . DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1000140 . PMC 2467474 . PMID 18670624 .  
  14. ^ а б Харт, GT; Ли, я; Маркотт, ER (2007). «Консенсусная карта дрожжевых белковых комплексов с высокой точностью показывает модульную природу существенности генов» . BMC Bioinformatics . 8 : 236. DOI : 10,1186 / 1471-2105-8-236 . PMC 1940025 . PMID 17605818 .  
  15. ^ Ван, H; Какарадов, Б; Коллинз, SR; Каротки, Л; Fiedler, D; Сланцы, М; Шокат, км; Вальтер, ТС; Кроган, штат Нью-Джерси; Коллер, Д. (2009). «Комплексная реконструкция интерактома Saccharomyces cerevisiae» . Молекулярная и клеточная протеомика . 8 (6): 1361–81. DOI : 10.1074 / mcp.M800490-MCP200 . PMC 2690481 . PMID 19176519 .  
  16. ^ Фрейзер, HB; Плоткин, Дж.Б. (2007). «Использование белковых комплексов для прогнозирования фенотипических эффектов генной мутации» . Геномная биология . 8 (11): R252. DOI : 10.1186 / GB-2007-8-11-R252 . PMC 2258176 . PMID 18042286 .  
  17. ^ Lage, K; Карлберг, EO; Størling, ZM; Olason, PI; Pedersen, AG; Ригина, О; Хинсби, AM; Тюмер, Z; Pociot, F; Tommerup, N; Моро, Y; Брунак, S (2007). «Человеческая феномен-интерактомная сеть белковых комплексов, вовлеченных в генетические нарушения». Природа Биотехнологии . 25 (3): 309–16. DOI : 10.1038 / nbt1295 . PMID 17344885 . 
  18. ^ Оти, М; Бруннер, HG (2007). «Модульный характер генетических заболеваний». Клиническая генетика . 71 (1): 1–11. DOI : 10.1111 / j.1399-0004.2006.00708.x . PMID 17204041 . 
  19. Перейти ↑ Hashimoto K, Nishi H, Bryant S, Panchenko AR (июнь 2011 г.). «В ловушке самовзаимодействия: эволюционные и функциональные механизмы гомоолигомеризации белков» . Phys Biol . 8 (3): 035007. Bibcode : 2011PhBio ... 8c5007H . DOI : 10.1088 / 1478-3975 / 8/3/035007 . PMC 3148176 . PMID 21572178 .  
  20. ^ Бернштейн, H; Эдгар, RS; Денхардт, Г. Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация среди чувствительных к температуре мутантов бактериофага T4D» . Генетика . 51 : 987–1002. PMC 1210828 . PMID 14337770 .  
  21. ^ Smallwood S, Чевик B, Мойер SA. Внутригенная комплементация и олигомеризация субъединицы L РНК-полимеразы вируса Сендай. Вирусология. 2002; 304 (2): 235-245. DOI: 10.1006 / viro.2002.1720
  22. ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Десвиат Л. Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. К модели, объясняющей внутригенную комплементацию в гетеромультимерном протеине пропионил-КоА-карбоксилазе. Biochim Biophys Acta. 2005; 1740 (3): 489-498. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2004.10.009
  23. ^ Crick FH, Orgel LE. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958
  24. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci US A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  25. ^ Raicu В, Стонман МР, Фунг R, Мельничук М, Jansma БД, Pisterzi НЧ, Рат S, Фокс, М, Скважины, JW, Салдин ДК (2008). «Определение надмолекулярной структуры и пространственного распределения белковых комплексов в живых клетках». Природа Фотоника . 3 (2): 107–113. DOI : 10.1038 / nphoton.2008.291 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  26. ^ Добсон, Кристофер М (декабрь 2003 г.). «Сворачивание и неправильная сворачивание белков». Природа . 426 (6968): 884–90. Bibcode : 2003Natur.426..884D . DOI : 10,1038 / природа02261 . PMID 14685248 . 
  27. ^ a b c Marsh JA, Hernández H, Hall Z, Ahnert SE, Perica T, Robinson CV, Teichmann SA (апрель 2013 г.). «Белковые комплексы подвергаются эволюционному отбору и собираются упорядоченными путями» . Cell . 153 (2): 461–470. DOI : 10.1016 / j.cell.2013.02.044 . PMC 4009401 . PMID 23582331 .  
  28. ^ Судха, Говиндараджан; Нусинов, Рут; Шринивасан, Нараянасвами (2014). «Обзор последних достижений в структурной биоинформатике белок-белковых взаимодействий и руководство по их принципам». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 116 (2–3): 141–50. DOI : 10.1016 / j.pbiomolbio.2014.07.004 . PMID 25077409 . 
  29. ^ Марш, Джозеф; Тайхманн, Сара А. (май 2014 г.). «Гибкость белка способствует сборке и эволюции четвертичной структуры» . PLOS Биология . 12 (5): e1001870. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001870 . PMC 4035275 . PMID 24866000 .  
  30. ^ Леви, Эммануэль D; Боэри Эрба, Элизабетта; Робинсон, Кэрол V; Тайхманн, Сара А. (июль 2008 г.). «Сборка отражает эволюцию белковых комплексов» . Природа . 453 (7199): 1262–5. Bibcode : 2008Natur.453.1262L . DOI : 10,1038 / природа06942 . PMC 2658002 . PMID 18563089 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • Мультипротеин + комплексы в Национальных медицинских предметных рубриках США (MeSH)