✖


Jump to content

Динамика белка

В молекулярной биологии обычно белки считается, что имеют уникальные структуры, определяемые их аминокислотными последовательностями. Однако белки не являются строго статичными объектами, а скорее заселяют ансамбли (иногда схожих) конформаций . Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (от десятых ангстрем до нм) и времени (от нс до с).и были 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 затрагивать природу и равновесные популяции самих состояний.Эти две точки зрения — кинетика и термодинамика соответственно — могут быть концептуально синтезированы в парадигме « энергетического ландшафта »: [3] высоконаселенные состояния и кинетика переходов между ними могут быть описаны глубиной энергетических ям и высотой энергетических барьеров соответственно.

Кинезин ходит по микротрубочкам . Это молекулярно- биологическая машина , которая использует динамику белковых доменов на наномасштабах.

Локальная гибкость: остатки и атомы

Участки белковых структур часто отклоняются от равновесного состояния.Некоторые такие отклонения являются гармоническими , например стохастические колебания химических связей и валентных углов.Другие являются ангармоничными , например, боковые цепи, которые перескакивают между отдельными дискретными минимумами энергии, или ротамеры . [4]

Доказательства локальной гибкости часто получают с помощью ЯМР-спектроскопии . Гибкие и потенциально неупорядоченные области белка можно обнаружить с помощью индекса случайной катушки . Гибкость свернутых белков можно определить путем анализа спиновой релаксации отдельных атомов белка. Гибкость также можно наблюдать на картах электронной плотности очень высокого разрешения, полученных с помощью рентгеновской кристаллографии . [5] особенно когда данные дифракции собираются при комнатной температуре вместо традиционной криогенной температуры (обычно около 100 К). [6] Информацию о частотном распределении и динамике локальной гибкости белков можно получить с помощью рамановской и с эффектом Керра. оптической спектроскопии [7] а также анизотропная микроспектроскопия [8] в терагерцовой частотной области.

: внутридоменное соединение нескольких остатков гибкость Региональная

Сеть альтернативных конформаций каталазы (код банка данных белков: 1gwe) с разнообразными свойствами. Сеть определяют многочисленные явления: взаимодействия Ван-дер-Ваальса (синие точки и сегменты линий) между боковыми цепями, водородная связь (пунктирная зеленая линия) через частично занятую воду (коричневый), соединение через локально подвижную основную цепь (черный) и, возможно, электростатические силы между Lys (зеленый) и близлежащими полярными остатками (синий: Glu, желтый: Asp, фиолетовый: Ser). Эта конкретная сеть находится удаленно от активного сайта и поэтому предположительно не имеет решающего значения для функционирования.

Многие остатки находятся в тесной пространственной близости в белковых структурах. Это верно для большинства остатков, которые являются смежными в первичной последовательности, но также и для многих остатков, которые расположены дистальнее по последовательности, но контактируют в окончательной складчатой ​​структуре. Из-за этой близости энергетические ландшафты этих остатков становятся связанными на основе различных биофизических явлений, таких как водородные связи , ионные связи и взаимодействия Ван-дер-Ваальса (см. Рисунок).

Таким образом, переходы между состояниями для таких наборов остатков становятся коррелированными. [9]

Это, пожалуй, наиболее очевидно для петель, открытых на поверхности, которые часто коллективно смещаются, принимая разные конформации в разных кристаллических структурах (см. Рисунок). Однако во вторичной структуре иногда проявляется и связанная конформационная гетерогенность. [10] 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-листа и расположены достаточно близко для стерического взаимодействия, как и остатки на соседних цепях одного и того же β-листа. Некоторые из этих конформационных изменений индуцируются посттрансляционными модификациями структуры белка, такими как фосфорилирование и метилирование. [10] [11]

«Ансамбль» из 44 кристаллических структур лизоцима белка куриного яйца из Банка данных белков, показывающий, что разные условия кристаллизации приводят к разным конформациям различных петель и концов, открытых на поверхности (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 три другие субъединицы, тем самым увеличивая их сродство к кислороду.В этом случае связанная гибкость гемоглобина обеспечивает совместное связывание кислорода,что физиологически полезно, поскольку обеспечивает быструю подачу кислорода в легочную ткань и быструю разгрузку кислорода в тканях, лишенных кислорода (например, в мышцах).

Глобальная гибкость доменов : несколько

Наличие нескольких доменов в белках приводит к значительной гибкости и подвижности , что приводит к динамике белковых доменов . [1] Движения доменов можно сделать путем сравнения различных структур белка (как в Базе данных молекулярных движений ) или их можно напрямую наблюдать с помощью спектров. [12] [13] измерено методом нейтронной спин-эхо -спектроскопии.Их также можно предположить путем отбора проб на обширных траекториях молекулярной динамики. [14] и анализ главных компонент. [15] Движения доменов важны для:

Одним из крупнейших наблюдаемых движений доменов является механизм «поворота» пируватфосфатдикиназы . Фосфоинозитидный домен переключается между двумя состояниями, чтобы перенести фосфатную группу из активного сайта нуклеотидсвязывающего домена в активный сайт фосфоенолпируват/пируватного домена. [23] Фосфатная группа перемещается на расстояние 45 Å, что приводит к перемещению домена примерно на 100 градусов вокруг одного остатка. В ферментах замыкание одного домена на другой захватывает субстрат путем индуцированного прилегания, позволяя реакции протекать контролируемым образом. Детальный анализ Герштейна привел к классификации двух основных типов движения доменов; шарнир и сдвиг. [20] Только относительно небольшая часть цепи, а именно междоменный линкер и боковые цепи, претерпевает значительные конформационные изменения при перегруппировке домена. [24]

Шарнирные движения [ править ]

Шарнирное движение в неупорядоченном домене активации трипсиногена (идентификатор PDB: 2PTN)
Шарнирное движение в неупорядоченном домене активации трипсиногена (ID PDB: 2PTN ). Петли, предсказанные с помощью предсказания шарниров PACKMAN , окрашены в синий (остатки 23:28) и красный цвета (остатки 175:182). Область зеленого цвета — активный сайт. Движение генерируется с помощью hdANM.

Исследование Хейворда [25] обнаружили, что концы α-спиралей и β-листов в большом количестве случаев образуют шарниры. Было обнаружено, что многие петли состоят из двух элементов вторичной конструкции, действующих как петли двери, позволяя совершать открывающиеся и закрывающиеся движения. Это может возникнуть, когда две соседние цепи внутри β-листа, расположенного в одном домене, расходятся при присоединении к другому домену. Два получившихся конца затем образуют области изгиба между двумя доменами. Обнаружено, что α-спирали, которые сохраняют свою сеть водородных связей при изгибе, ведут себя как механические шарниры, накапливая «упругую энергию», которая приводит к закрытию доменов для быстрого захвата подложки. [25] Хаде и др. ал. работал над предсказанием петель [26] в любой конфигурации и в дальнейшем построил модель эластичной сети под названием hdANM. [27] который может моделировать эти движения.

От спиральной до расширенной конформации [ править ]

Взаимное превращение спиральной и вытянутой конформаций в месте доменной границы не является редкостью. В кальмодулине торсионные углы изменяются для пяти остатков в середине домена, связывающего α-спираль. Спираль расщепляется на две почти перпендикулярные спирали меньшего размера, разделенные четырьмя остатками вытянутой цепи. [28] [29]

Сдвиговые движения [ править ]

Сдвиговые движения включают небольшое скользящее движение границ раздела доменов, контролируемое боковыми цепями аминокислот внутри границы раздела. Белки, демонстрирующие сдвиговые движения, часто имеют многослойную архитектуру: укладку вторичных структур. Междоменный компоновщик играет лишь роль поддержания доменов в непосредственной близости. [ нужна ссылка ]

Движение доменов и функциональная ферментах динамика в

Анализ внутренней динамики структурно различных, но функционально сходных ферментов.подчеркнул общую взаимосвязь между расположениемактивный центр и два основных субдомена белка. Фактически, для некоторых членов суперсемейства гидролаз каталитический сайт расположен близко к границе раздела, разделяющей два основных квазижестких домена. [14] Такое позиционирование, по-видимому, способствует поддержанию точной геометрии активного сайта, в то же время допуская заметную функционально ориентированную модуляцию фланкирующих областей, возникающую в результате относительного движения двух субдоменов. [ нужна ссылка ]

для эволюции Последствия макромолекул

Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что динамика белка важна для функционирования, например, ферментный катализ дигидрофолатредуктазы ( DHFR ),однако предполагается, что они также способствуют приобретению новых функций в ходе молекулярной эволюции . [30] Этот аргумент предполагает, что белки в ходе эволюции приобрели стабильные, в основном уникальные складчатые структуры.но неизбежная остаточная гибкость приводит к некоторой степени функциональной распущенности,которые могут быть усилены/использованы/перенаправлены последующими мутациями. [ нужна ссылка ] Исследования беспорядочных белков семейства BCL-2 показали, что динамика белков в наносекундном масштабе может играть решающую роль в поведении связывания белков и, следовательно, в беспорядочных связях. [31]

Однако растет осознание того, что неструктурированные по своей природе белки . в геномах эукариот довольно распространены [32] ставя под сомнение простейшую интерпретацию догмы Анфинсена : «последовательность определяет структуру (единственное число)».По сути, новая парадигма характеризуется добавлением двух оговорок: «последовательность и клеточная среда определяют структурный ансамбль».

См. Также: Конформационные изменения , Аллостерическая регуляция и Внутренне неструктурированные белки.

Ссылки [ править ]

  1. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Бу Зи, Callaway DJ (2011). «Белки движутся! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетках». В Доневе Р. (ред.). Структура белка и болезни . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том. 83. Академическая пресса. стр. 163–221. дои : 10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN  9780123812629 . ПМИД   21570668 .
  2. ^ Фрейзер Дж.С., Кларксон М.В., Дегнан С.С., Эрион Р., Керн Д., Альбер Т. (декабрь 2009 г.). «Скрытые альтернативные структуры пролин-изомеразы, необходимые для катализа» . Природа . 462 (7273): 669–673. Бибкод : 2009Natur.462..669F . дои : 10.1038/nature08615 . ПМЦ   2805857 . ПМИД   19956261 .
  3. ^ Фрауэнфельдер Х., Слайгар С.Г., Волинес П.Г. (декабрь 1991 г.). «Энергетические ландшафты и движения белков». Наука . 254 (5038): 1598–1603. Бибкод : 1991Sci...254.1598F . дои : 10.1126/science.1749933 . ПМИД   1749933 .
  4. ^ Данбрэк, Роланд Л. (август 2002 г.). «Библиотеки ротамеров в 21 веке». Современное мнение в области структурной биологии . 12 (4): 431–440. дои : 10.1016/s0959-440x(02)00344-5 . ПМИД   12163064 .
  5. ^ Дэвис И.В., Арендал В.Б., Ричардсон, округ Колумбия, Ричардсон Дж.С. (февраль 2006 г.). «Движение по спине: как остов белка пожимает плечами, когда танцует боковая цепь» . Структура . 14 (2): 265–274. дои : 10.1016/j.str.2005.10.007 . ПМИД   16472746 .
  6. ^ Фрейзер Дж.С., ван ден Бедем Х., Самельсон А.Дж., Ланг П.Т., Холтон Дж.М., Эколс Н., Альбер Т. (сентябрь 2011 г.). «Доступ к конформационным ансамблям белков с помощью рентгеновской кристаллографии при комнатной температуре» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (39): 16247–16252. Бибкод : 2011PNAS..10816247F . дои : 10.1073/pnas.1111325108 . ПМК   3182744 . ПМИД   21918110 .
  7. ^ Тертон Д.А., Сенн Х.М., Харвуд Т., Лапторн А.Дж., Эллис Э.М., Винн К. (июнь 2014 г.). «Терагерцовое недостаточно затухающее колебательное движение управляет связыванием белка с лигандом в растворе» . Природные коммуникации . 5 : 3999. Бибкод : 2014NatCo...5.3999T . дои : 10.1038/ncomms4999 . ПМИД   24893252 .
  8. ^ Акбас, Г.; Ниссен, Калифорния; Снелл, Э.Х.; Маркельц, АГ (2014). «Белко-оптические измерения дальнодействующих колебаний белков» . Природные коммуникации . 5 : 3076. дои : 10.1038/ncomms4076 . ПМИД   24430203 .
  9. ^ Бу Зи, Кук Джей, Callaway DJ (сентябрь 2001 г.). «Динамические режимы и коррелирующая структурная динамика нативного и денатурированного альфа-лактальбумина». Журнал молекулярной биологии . 312 (4): 865–873. дои : 10.1006/jmbi.2001.5006 . ПМИД   11575938 .
  10. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Коста CH, Оливейра AR, Дос Сантос AM, да Коста KS, Лима AH, Алвес CN, Ламейра J (октябрь 2019 г.). «Вычислительное исследование конформационных изменений 3-гидрокси-3-метилглутарил-кофермент-редуктазы человека, индуцированных связыванием субстрата». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 37 (16): 4374–4383. дои : 10.1080/07391102.2018.1549508 . ПМИД   30470158 . S2CID   53717806 .
  11. ^ Гробан Э.С., Нараянан А., член парламента Джейкобсона (апрель 2006 г.). Шахнович Э (ред.). «Конформационные изменения в белковых петлях и спиралях, индуцированные посттрансляционным фосфорилированием» . PLOS Вычислительная биология . 2 (4): е32. Бибкод : 2006PLSCB...2...32G . дои : 10.1371/journal.pcbi.0020032 . ПМК   1440919 . ПМИД   16628247 .
  12. ^ Фараго Б., Ли Дж., Корнилеску Дж., Каллауэй DJ, Бу З. (ноябрь 2010 г.). «Активация наномасштабного движения доменов аллостерических белков, выявленная с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии» . Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Бибкод : 2010BpJ....99.3473F . дои : 10.1016/j.bpj.2010.09.058 . ПМЦ   2980739 . ПМИД   21081097 .
  13. ^ Бу З, Биль Р., Монкенбуш М., Рихтер Д., Каллауэй DJ (декабрь 2005 г.). «Связанное движение белковых доменов в Taq-полимеразе, выявленное с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (49): 17646–17651. Бибкод : 2005PNAS..10217646B . дои : 10.1073/pnas.0503388102 . ПМЦ   1345721 . ПМИД   16306270 .
  14. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Потестио Р., Понтиджа Ф., Микелетти С. (июнь 2009 г.). «Грубое описание внутренней динамики белков: оптимальная стратегия разложения белков на жесткие субъединицы» . Биофизический журнал . 96 (12): 4993–5002. Бибкод : 2009BpJ....96.4993P . дои : 10.1016/j.bpj.2009.03.051 . ПМК   2712024 . ПМИД   19527659 .
  15. ^ Барон Р., Веллор Н.А. (июль 2012 г.). «LSD1/CoREST представляет собой аллостерический наноразмерный зажим, регулируемый молекулярным распознаванием хвоста гистона H3» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12509–14. Бибкод : 2012PNAS..10912509B . дои : 10.1073/pnas.1207892109 . ПМК   3411975 . ПМИД   22802671 .
  16. ^ Понте-Сукре А, изд. (2009). ABC-транспортеры в микроорганизмах . Кайстер Академик. ISBN  978-1-904455-49-3 .
  17. ^ Камерлин С.К., Варшел А. (май 2010 г.). «На заре XXI века: является ли динамика недостающим звеном для понимания ферментативного катализа?» . Белки . 78 (6): 1339–75. дои : 10.1002/прот.22654 . ПМЦ   2841229 . ПМИД   20099310 .
  18. ^ Ховард Дж (2001). Механика моторных белков и цитоскелета (1-е изд.). Сандерленд, Массачусетс: Sinauer Associates. ISBN  9780878933334 .
  19. ^ Callaway DJ, Мацуи Т, Вайс Т, Стингачиу ЛР, Стэнли CB, Хеллер ВТ, Бу Зи (апрель 2017 г.). «Управляемая активация наномасштабной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания» . Журнал молекулярной биологии . 429 (7): 987–998. дои : 10.1016/j.jmb.2017.03.003 . ПМК   5399307 . ПМИД   28285124 .
  20. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Герштейн М., Леск А.М., Чотия С. (июнь 1994 г.). «Структурные механизмы движения доменов в белках». Биохимия . 33 (22): 6739–49. дои : 10.1021/bi00188a001 . ПМИД   8204609 .
  21. ^ Николл И.Д., Мацуи Т., Вайс Т.М., Стэнли CB, Хеллер В.Т., Мартел А., Фараго Б., Callaway DJ, Bu Z (21 августа 2018 г.). «Структура альфа-катенина и наномасштабная динамика в растворе и в комплексе с F-актином» . Биофизический журнал . 115 (4): 642–654. Бибкод : 2018BpJ...115..642N . дои : 10.1016/j.bpj.2018.07.005 . hdl : 2436/621755 . ПМК   6104293 . ПМИД   30037495 .
  22. ^ Фут Д (2011). Биохимия . Воэт, Джудит Г. (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN  9780470570951 . OCLC   690489261 .
  23. ^ Херцберг О., Чен С.С., Кападиа Г., Макгуайр М., Кэрролл Л.Дж., Но С.Дж., Данауэй-Мариано Д. (апрель 1996 г.). «Механизм поворотного домена ферментативного фосфопереноса между удаленными участками реакции» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (7): 2652–7. Бибкод : 1996PNAS...93.2652H . дои : 10.1073/pnas.93.7.2652 . ПМК   39685 . ПМИД   8610096 .
  24. ^ Джанин Дж., Водак С.Дж. (1983). «Структурные домены в белках и их роль в динамике функции белков» . Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 42 (1): 21–78. дои : 10.1016/0079-6107(83)90003-2 . ПМИД   6353481 .
  25. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Хейворд С. (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 . ПМИД   10450084 . S2CID   29808315 .
  26. ^ Хаде, Пранав М.; Кумар, Амбуж; Джерниган, Роберт Л. (17 января 2020 г.). «Охарактеризация и прогнозирование белковых шарниров для понимания механизмов» . Журнал молекулярной биологии . 432 (2): 508–522. дои : 10.1016/j.jmb.2019.11.018 . ISSN   1089-8638 . ПМК   7029793 . ПМИД   31786268 .
  27. ^ Хаде, Пранав М.; Скарамоццино, Доменико; Кумар, Амбуж; Лачидонья, Джузеппе; Карпинтери, Альберто; Джерниган, Роберт Л. (16 ноября 2021 г.). «hdANM: новая комплексная модель динамики белковых шарниров» . Биофизический журнал . 120 (22): 4955–4965. дои : 10.1016/j.bpj.2021.10.017 . ISSN   1542-0086 . ПМЦ   8633836 . ПМИД   34687719 .
  28. ^ Мидор В.Е., Минс А.Р., Киочо Ф.А. (август 1992 г.). «Распознавание целевого фермента кальмодулином: 2.4 Структура комплекса кальмодулин-пептид». Наука . 257 (5074): 1251–1255. Бибкод : 1992Sci...257.1251M . дои : 10.1126/science.1519061 . ПМИД   1519061 .
  29. ^ Икура М., Клор Г.М., Гроненборн А.М., Чжу Г., Клее С.Б., Бакс А. (май 1992 г.). «Структура раствора комплекса кальмодулин-мишень-пептид по данным многомерного ЯМР». Наука . 256 (5057): 632–638. Бибкод : 1992Sci...256..632I . дои : 10.1126/science.1585175 . ПМИД   1585175 .
  30. ^ Токурики Н., Тауфик Д.С. (апрель 2009 г.). «Белковый динамизм и эволюционность». Наука . 324 (5924): 203–207. Бибкод : 2009Sci...324..203T . дои : 10.1126/science.1169375 . ПМИД   19359577 . S2CID   28576496 .
  31. ^ Хекмайер, Филипп Дж.; Руф, Жаннетт; Янкович, Бранка Г.; Хамм, Питер (7 марта 2023 г.). «Распущенность MCL-1 и структурная устойчивость его партнеров по связыванию». Журнал химической физики . 158 (9). arXiv : 2211.08934 . дои : 10.1063/5.0137239 .
  32. ^ Дайсон Х.Дж. , Райт П.П. (март 2005 г.). «Самостоятельно неструктурированные белки и их функции». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 6 (3): 197–208. дои : 10.1038/nrm1589 . ПМИД   15738986 . S2CID   18068406 .
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Protein_dynamics&oldid=1220162190"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 3043c2dc016690dfb46143f63d6ce9b1__1713751260
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/30/b1/3043c2dc016690dfb46143f63d6ce9b1.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Protein dynamics - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)