Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Считается, что белки имеют уникальные структуры, определяемые их аминокислотными последовательностями. Однако белки не являются строго статическими объектами, а скорее населяют ансамбли (иногда схожие) конформации. Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (от десятых Å до нм) и временных масштабах (от нс до с) и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая передача сигналов [1] и ферментативный катализ. [2]

Изучение динамики белков наиболее непосредственно связано с переходами между этими состояниями, но может также включать природу и равновесные популяции самих состояний. Эти две точки зрения - кинетика и термодинамика соответственно - могут быть концептуально синтезированы в парадигме «энергетического ландшафта»: [3] густонаселенные состояния и кинетика переходов между ними может быть описана глубиной энергетических ям и высотой энергетических барьеров. , соответственно.

Кинезин, идущий по микротрубочке . Это молекулярно- биологическая машина, которая использует динамику белковых доменов на наноуровне

Локальная гибкость: атомы и остатки [ править ]

Части белковых структур часто отклоняются от состояния равновесия. Некоторые из таких отклонений являются гармоническими , например, стохастические колебания химических связей и валентных углов. Другие являются ангармоническими , например, боковые цепи, которые прыгают между отдельными дискретными минимумами энергии, или ротамеры . [ необходима цитата ]

Доказательства локальной гибкости часто получают с помощью ЯМР-спектроскопии . Гибкие и потенциально неупорядоченные области белка можно обнаружить с помощью индекса случайной спирали . Гибкость свернутых белков можно определить путем анализа спиновой релаксации отдельных атомов в белке. Гибкость также можно наблюдать в очень плотности электронов с высокой разрешающей способностью карт производства рентгеновской кристаллографии , [4] в частности , когда дифракционный данные собираются при комнатной температуре вместо традиционной криогенной температуры ( как правило , вблизи 100 К). [5]Информация о частотном распределении и динамике локальной гибкости белка может быть получена с помощью рамановской спектроскопии и оптической спектроскопии эффекта Керра в терагерцевой частотной области. [6]

Региональная гибкость: внутридоменная связь с несколькими остатками [ править ]

Сеть альтернативных конформаций каталазы (код банка данных белков: 1gwe) с различными свойствами. Сеть определяется множеством явлений: ван-дер-ваальсовы взаимодействия (синие точки и линейные сегменты) между боковыми цепями, водородная связь (пунктирная зеленая линия) через частично заполненную воду (коричневый), связь через локально подвижную основу (черный) и, возможно электростатические силы между Lys (зеленый) и соседними полярными остатками (синий: Glu, желтый: Asp, фиолетовый: Ser). Эта конкретная сеть удалена от активного сайта и, следовательно, предположительно не критична для работы.

Многие остатки в белковых структурах находятся в непосредственной пространственной близости. Это верно для большинства остатков, которые являются смежными в первичной последовательности, но также и для многих остатков, которые являются дистальными по последовательности, но приводят в контакт в окончательной складчатой ​​структуре. Из-за такой близости энергетические ландшафты этих остатков становятся связанными на основе различных биофизических явлений, таких как водородные связи , ионные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия (см. Рисунок). Следовательно, переходы между состояниями для таких наборов остатков становятся коррелированными. [7]

Это, пожалуй, наиболее очевидно для открытых петель, которые часто коллективно смещаются, принимая разные конформации в разных кристаллических структурах (см. Рисунок). Однако сопряженная конформационная гетерогенность также иногда очевидна во вторичной структуре. [8] Например, последовательные остатки и остатки, смещенные на 4 в первичной последовательности, часто взаимодействуют в α-спиралях . Кроме того, остатки, смещенные на 2 в первичной последовательности, направляют свои боковые цепи к одной и той же стороне β-листов и достаточно близки для стерического взаимодействия, как и остатки на соседних нитях одного и того же β-листа . Некоторые из этих конформационных изменений вызываются посттрансляционными модификациями структуры белка, такими как фосфорилирование и метилирование.[9] [10]

«Ансамбль» из 44 кристаллических структур лизоцима белка куриного яйца из банка данных по белкам, показывающий, что различные условия кристаллизации приводят к различным конформациям для различных открытых петель и концов (красные стрелки).

Когда эти связанные остатки образуют пути, связывающие функционально важные части белка, они могут участвовать в аллостерической передаче сигналов. Например, когда молекула кислорода связывается с одной субъединицей тетрамера гемоглобина , эта информация аллостерически распространяется на другие три субъединицы, тем самым повышая их сродство к кислороду. В этом случае сопряженная гибкость гемоглобина позволяет кооперативному связыванию кислорода, что является физиологически полезным, поскольку обеспечивает быструю нагрузку кислородом в ткани легких и быструю разгрузку кислорода в тканях, лишенных кислорода (например, в мышцах).

Глобальная гибкость: несколько доменов [ править ]

Наличие нескольких доменов в белках дает большую гибкость и подвижность , что приводит к динамике белковых доменов . [1] Движения доменов могут быть выведены путем сравнения различных структур белка (как в базе данных молекулярных движений ), или их можно непосредственно наблюдать с помощью спектров [11] [12], измеренных с помощью спектроскопии спинового эха нейтронов . Они также могут быть предложены путем отбора проб в обширных траекториях молекулярной динамики [13] и анализа главных компонент. [14] Перенос домена важен для:

  • Автовозы ABC [15]
  • катализ [16]
  • клеточная локомоции и моторные белки [17]
  • образование белковых комплексов [18]
  • ионные каналы [19]
  • механорецепторы и механотрансдукция [20]
  • регулирующая деятельность [21]
  • транспорт метаболитов через клеточные мембраны [ необходима цитата ]

Одно из самых крупных наблюдаемых перемещений домена - это «поворотный» механизм в пируватфосфатдикиназе . Фосфоинозитидный домен переключается между двумя состояниями, чтобы переместить фосфатную группу из активного сайта нуклеотид-связывающего домена в фосфоенолпируватный / пируватный домен. [22] Фосфатная группа перемещается на расстояние 45 Å, включая движение домена примерно на 100 градусов вокруг единственного остатка. В ферментах замыкание одного домена на другой захватывает субстрат путем индуцированной подгонки, позволяя реакции происходить контролируемым образом. Детальный анализ Герштейна привел к классификации двух основных типов движения домена; шарнир и ножницы. [19]Только относительно небольшая часть цепи, а именно междоменный линкер и боковые цепи, претерпевают значительные конформационные изменения при перестройке домена. [23]

Петли второстепенных конструкций [ править ]

Исследование Хейворда [24] показало, что концы α-спиралей и β-листов во многих случаях образуют шарниры. Было обнаружено, что многие петли включают в себя два вторичных элемента конструкции, действующих как дверные петли, позволяя открывать и закрывать двери. Это может возникнуть, когда две соседние нити в β-листе, расположенные в одном домене, расходятся, когда они присоединяются к другому домену. Два результирующих конца затем образуют области изгиба между двумя доменами. Было обнаружено, что α-спирали, которые сохраняют свою сеть водородных связей при изгибе, ведут себя как механические шарниры, накапливая "упругую энергию", которая приводит к замыканию доменов для быстрого захвата субстрата. [24]

От спиральной до расширенной конформации [ править ]

Взаимное преобразование спиральной и протяженной конформаций на участке границы домена не является редкостью. В кальмодулине торсионные углы изменяются для пяти остатков в середине домена, связывающего α-спираль. Спираль разделена на две почти перпендикулярные спирали меньшего размера, разделенные четырьмя остатками удлиненной цепи. [25] [26]

Сдвиговые движения [ править ]

Сдвиговые движения включают в себя небольшое скользящее движение границ раздела доменов, контролируемое боковыми цепями аминокислот внутри границы раздела. Белки, демонстрирующие сдвиговые движения, часто имеют многоуровневую архитектуру: набор вторичных структур. Междоменный линкер выполняет лишь роль удержания доменов в непосредственной близости. [ необходима цитата ]

Движение домена и функциональная динамика в ферментах [ править ]

Анализ внутренней динамики структурно различных, но функционально подобных ферментов выявил общую взаимосвязь между положением активного сайта и двух основных субдоменов белка. Фактически, для некоторых членов суперсемейства гидролаз каталитический центр расположен близко к границе раздела двух основных квазижестких доменов. [13] Такое позиционирование кажется инструментальным для поддержания точной геометрии активного сайта, в то же время обеспечивая заметную функционально ориентированную модуляцию фланкирующих областей в результате относительного движения двух субдоменов.

Последствия для эволюции макромолекул [ править ]

Данные свидетельствуют о том, что динамика белков важна для функционирования, например, ферментативного катализа в DHFR , но также предполагается, что они облегчают приобретение новых функций в результате молекулярной эволюции . [27] Этот аргумент предполагает, что белки эволюционировали, чтобы иметь стабильные, в основном уникальные складчатые структуры, но неизбежная остаточная гибкость приводит к некоторой степени функциональной неразборчивости, которая может быть усилена / задействована / направлена ​​последующими мутациями.

Однако растет понимание того, что внутренне неструктурированные белки довольно широко распространены в геномах эукариот [28], что ставит под сомнение простейшую интерпретацию догмы Анфинсена : «последовательность определяет структуру (единичное число)». Фактически, новая парадигма характеризуется добавлением двух оговорок: «последовательность и клеточная среда определяют структурный ансамбль».

См. Также: изменение конформации , аллостерическая регуляция и внутренне неструктурированные белки.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Bu Z, Callaway DJ (2011). Белки двигаются! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетках . Достижения в химии белков и структурной биологии . 83 . С. 163–221. DOI : 10.1016 / B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629. PMID  21570668 .
  2. ↑ Fraser JS, Clarkson MW, Degnan SC, Erion R, Kern D, Alber T (декабрь 2009 г.). «Скрытые альтернативные структуры пролин-изомеразы, необходимые для катализа» . Природа . 462 (7273): 669–673. Bibcode : 2009Natur.462..669F . DOI : 10,1038 / природа08615 . PMC 2805857 . PMID 19956261 .  
  3. ^ Frauenfelder H, Sligar SG, Волинес PG (декабрь 1991). «Энергетические ландшафты и движения белков». Наука . 254 (5038): 1598–1603. Bibcode : 1991Sci ... 254.1598F . DOI : 10.1126 / science.1749933 . PMID 1749933 . 
  4. ^ Davis IW, Arendall WB, Ричардсон DC, Ричардсон JS (февраль 2006). «Движение спины: как костяк белка пожимает плечами, когда танцует боковая цепь». Структура . 14 (2): 265–274. DOI : 10.1016 / j.str.2005.10.007 . PMID 16472746 . 
  5. ^ Фрейзера JS, ван ден Bedem H, Самельсон AJ, Lang PT, Holton JM, Echols N, T (Alber сентября 2011). «Доступ к белковым конформационным ансамблям с помощью рентгеновской кристаллографии при комнатной температуре» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (39): 16247–16252. Bibcode : 2011PNAS..10816247F . DOI : 10.1073 / pnas.1111325108 . PMC 3182744 . PMID 21918110 .  
  6. ^ Тертон Д.А., Сенн НМ, Харвуд Т, Lapthorn AJ, Эллис Е.М., Винн К (июнь 2014). «Недемпфированные терагерцовые колебательные движения управляют связыванием белок-лиганд в растворе» . Nature Communications . 5 : 3999. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3999T . DOI : 10.1038 / ncomms4999 . PMID 24893252 . 
  7. ↑ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (сентябрь 2001). «Динамические режимы и коррелированная структурная динамика в нативном и денатурированном альфа-лактальбумине». Журнал молекулярной биологии . 312 (4): 865–873. DOI : 10.1006 / jmbi.2001.5006 . PMID 11575938 . 
  8. ^ Costa CH, Oliveira AR, Dos Santos AM, da Costa KS, Lima AH, Alves CN, Lameira J (октябрь 2019 г.). «Вычислительное исследование конформационных изменений в человеческой 3-гидрокси-3-метилглутарил-коферментредуктазе, вызванных связыванием субстрата». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 37 (16): 4374–4383. DOI : 10.1080 / 07391102.2018.1549508 . PMID 30470158 . 
  9. ^ Costa CH, Oliveira AR, Dos Santos AM, da Costa KS, Lima AH, Alves CN, Lameira J (октябрь 2019 г.). «Вычислительное исследование конформационных изменений в человеческой 3-гидрокси-3-метилглутарил-коферментредуктазе, вызванных связыванием субстрата». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 37 (16): 4374–4383. DOI : 10.1080 / 07391102.2018.1549508 . PMID 30470158 . 
  10. Перейти ↑ Groban ES, Narayanan A, Jacobson MP (апрель 2006 г.). Шахнович Э. (ред.). «Конформационные изменения белковых петель и спиралей, вызванные посттрансляционным фосфорилированием» . PLoS вычислительная биология . 2 (4): e32. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.0020032 . PMC 1440919 . PMID 16628247 .  
  11. ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (ноябрь 2010). «Активация движения наноразмерных аллостерических белковых доменов, обнаруженная с помощью нейтронной спектроскопии спинового эха» . Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Bibcode : 2010BpJ .... 99.3473F . DOI : 10.1016 / j.bpj.2010.09.058 . PMC 2980739 . PMID 21081097 .  
  12. ^ Б - Z, R Biehl, Monkenbusch М, Д Рихтера, Callaway ди - джей (декабрь 2005 г.). «Движение связанных белковых доменов в полимеразе Taq обнаружено с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (49): 17646–17651. Bibcode : 2005PNAS..10217646B . DOI : 10.1073 / pnas.0503388102 . PMC 1345721 . PMID 16306270 .   
  13. ^ a b Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (июнь 2009 г.). «Грубое описание внутренней динамики белков: оптимальная стратегия разложения белков на жесткие субъединицы» . Биофизический журнал . 96 (12): 4993–5002. Bibcode : 2009BpJ .... 96.4993P . DOI : 10.1016 / j.bpj.2009.03.051 . PMC 2712024 . PMID 19527659 .  
  14. ↑ Baron R, Vellore NA (июль 2012 г.). «LSD1 / CoREST - это аллостерический наноразмерный зажим, регулируемый молекулярным распознаванием H3-гистонового хвоста» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12509–14. Bibcode : 2012PNAS..10912509B . DOI : 10.1073 / pnas.1207892109 . PMC 3411975 . PMID 22802671 .  
  15. Перейти ↑ Ponte-Sucre A, ed. (2009). ABC-переносчики в микроорганизмах . Caister Academic. ISBN 978-1-904455-49-3.
  16. ^ Kamerlin SC, Warshel A (май 2010). «На заре 21 века: динамика - недостающее звено для понимания ферментативного катализа?» . Белки . 78 (6): 1339–75. DOI : 10.1002 / prot.22654 . PMC 2841229 . PMID 20099310 .  
  17. Перейти ↑ Howard J (2001). Механика моторных белков и цитоскелета (1-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN 9780878933334.
  18. ^ Callaway ди - джей, Мацуи Т, Т Вайс, Stingaciu Л.Р., Стенли CB, Геллер WT, Бу - Z (апрель 2017 г.). «Управляемая активация наноразмерной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания» . Журнал молекулярной биологии . 429 (7): 987–998. DOI : 10.1016 / j.jmb.2017.03.003 . PMC 5399307 . PMID 28285124 .  
  19. ^ a b Gerstein M, Lesk AM, Chothia C (июнь 1994 г.). «Структурные механизмы перемещения доменов в белках». Биохимия . 33 (22): 6739–49. DOI : 10.1021 / bi00188a001 . PMID 8204609 . 
  20. ^ Nicholl ID, Мацуи Т, ТМ Вайс, Стенли CB, Геллер WT, Мартель А, Фараго В, Callaway ди - джей, Бу - Z (21 августа 2018). «Структура альфа-катенина и наноразмерная динамика в растворе и в комплексе с F-актином» . Биофизический журнал . 115 (4): 642–654. Bibcode : 2018BpJ ... 115..642N . DOI : 10.1016 / j.bpj.2018.07.005 . hdl : 2436/621755 . PMC 6104293 . PMID 30037495 .  
  21. ^ Voet D (2011). Биохимия . Воет, Джудит Г. (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. ISBN 9780470570951. OCLC  690489261 .
  22. ↑ Herzberg O, Chen CC, Kapadia G, McGuire M, Carroll LJ, No SJ, Dunaway-Mariano D (апрель 1996). «Механизм поворотного домена для ферментативного переноса фосфора между удаленными участками реакции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (7): 2652–7. Bibcode : 1996PNAS ... 93.2652H . DOI : 10.1073 / pnas.93.7.2652 . PMC 39685 . PMID 8610096 .  
  23. ^ Янин Дж, Водак SJ (1983). «Структурные домены в белках и их роль в динамике функции белков» . Прогресс в биофизике и молекулярной биологии . 42 (1): 21–78. DOI : 10.1016 / 0079-6107 (83) 90003-2 . PMID 6353481 . 
  24. ^ a b Hayward S (сентябрь 1999 г.). «Структурные принципы, управляющие движением доменов в белках». Белки . 36 (4): 425–35. DOI : 10.1002 / (SICI) 1097-0134 (19990901) 36: 4 <425 :: AID-PROT6> 3.0.CO; 2-S . PMID 10450084 . 
  25. ^ Meador WE, Средства AR, Quiocho FA (август 1992). «Распознавание целевого фермента кальмодулином: 2.4 Структура комплекса кальмодулин-пептид». Наука . 257 (5074): 1251–1255. Bibcode : 1992Sci ... 257.1251M . DOI : 10.1126 / science.1519061 . PMID 1519061 . 
  26. ^ Ikura M, Clore GM, Gronenborn AM, Zhu G, Клее CB, Bax A (май 1992). «Структура раствора комплекса кальмодулин-мишень пептид с помощью многомерного ЯМР». Наука . 256 (5057): 632–638. Bibcode : 1992Sci ... 256..632I . DOI : 10.1126 / science.1585175 . PMID 1585175 . 
  27. ^ Tokuriki N, Тауфик DS (апрель 2009). «Белковый динамизм и эволюционируемость» . Наука . 324 (5924): 203–207. Bibcode : 2009Sci ... 324..203T . DOI : 10.1126 / science.1169375 . PMID 19359577 . 
  28. ^ Dyson HJ , Райт PE (март 2005). «Внутренне неструктурированные белки и их функции». Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 6 (3): 197–208. DOI : 10.1038 / nrm1589 . PMID 15738986 .