Пятеричная структура белка
Пятинарная структура белка относится к особенностям поверхности белка , которые формируются в результате эволюционной адаптации к физиологическому контексту живых клеток . [1] [2] [3] [4] Пятеричная структура, таким образом, является пятым уровнем сложности белка, дополнительным к первичной , вторичной , третичной и четвертичной структурам белка. В отличие от первых четырех уровней белковой структуры, которые характерны для изолированных белков в разбавленных условиях, пятеричная структура возникает из-за скученности клеточного контекста. [5] при котором временные встречи макромолекул постоянно происходят .
Чтобы выполнять свои функции, белкам часто необходимо найти конкретный аналог, с которым они будут связываться в течение относительно длительного взаимодействия. В очень густонаселенном цитозоле, в котором белки участвуют в обширной и сложной сети притягивающих и отталкивающих взаимодействий, такой поиск становится затруднительным, поскольку он предполагает выборку огромного пространства возможных партнеров, из которых очень немногие будут продуктивными. Решение этой проблемы требует, чтобы белки тратили как можно меньше времени на каждую встречу, чтобы они могли исследовать большее количество поверхностей, одновременно делая это взаимодействие максимально интимным, поэтому, если они все-таки встретят подходящего партнера, они не пропущу этого. [6] В этом смысле пятеричная структура является результатом ряда адаптаций, присутствующих на поверхности белков, которые позволяют белкам ориентироваться в сложной клеточной среде.
Ранние наблюдения
[ редактировать ]В том смысле, в котором он используется сегодня, термин пятеричная структура впервые появился в работе МакКонки в 1989 году. [7] В своей работе МакКонки проводит 2D-электрофорез в гелях на общем содержании белка в клетках хомяка ( CHO ) и человека ( HeLa ). В эксперименте с двумерным электрофорезом в геле координаты белка зависят от его молекулярной массы и изоэлектрической точки . Учитывая эволюционную дистанцию между людьми и хомяками и учитывая темпы эволюции, типичные для млекопитающих, можно было бы ожидать, что между хомяками и людьми произошло большое количество замен, часть которых будет включать кислые ( аспартат и глутамат ) и основные ( аргинин и глутамат) лизин ) остатки, что приводит к изменению изоэлектрической точки многих белков. Поразительно, но в эксперименте клетки хомяка и человека дали почти идентичные отпечатки пальцев, а это означает, что на самом деле имело место гораздо меньше таких замен. МакКонки предложил в этой статье [7] что причина, по которой белки человека и хомяков не разошлись так сильно, как он ожидал, заключалась в том, что дополнительное селективное давление должно было быть связано со многими неспецифическими «взаимодействиями, которые по своей сути являются временными», испытываемыми белками в цитоплазме и которые «составляют собой пятый уровень организации белка ».
Белковые взаимодействия и пятеричная структура
[ редактировать ]Несмотря на грубость эксперимента МакКонки, его интерпретация результатов оказалась точной. Вместо того, чтобы быть просто гидрофильными , белковые поверхности должны быть тщательно модулированы в ходе эволюции и адаптированы к этой сети слабых взаимодействий, часто называемых пятеричными взаимодействиями . Важно отметить, что белок-белковые взаимодействия, ответственные за возникновение пятеричной структуры, принципиально отличаются от специфических белковых взаимодействий. Последние являются результатом относительно высокой стабильности связывания, часто связанного с функционально значимыми событиями, многие из которых уже описаны. [8] – в то время как первые часто интерпретируются как некий фоновый шум физиологически непродуктивных неправильных взаимодействий , которые усложняют интерпретацию белковых сетей и которых необходимо избегать, чтобы могли продолжаться нормальные клеточные функции. [9] [10] [11]
Временный характер этих встреч с белками усложняет изучение пятеричной структуры. Действительно, взаимодействия, ответственные за этот верхний уровень организации белков, слабы и недолговечны и, следовательно, не могут образовывать белок-белковые комплексы, которые можно было бы выделить обычными биохимическими методами. Следовательно, пятеричную структуру можно понять только in vivo . [12]
Внутриклеточный ЯМР и пятеричная структура
[ редактировать ]Внутриклеточный ЯМР - это экспериментальный метод, известный в области исследования пятерной структуры белков. Физический принцип внутриклеточных ЯМР- измерений идентичен принципу обычного белкового ЯМР , но эксперименты основаны на экспрессии высоких концентраций белка-зонда, который должен оставаться растворимым и содержаться в клеточном пространстве; что вносит дополнительные трудности и ограничения. Однако эти эксперименты дают важную информацию о перекрестных помехах между белком-зондом и внутриклеточной средой.
Ранние попытки использовать внутриклеточный ЯМР для изучения пятерной структуры белка были затруднены из-за ограничений, вызванных самим явлением, которое они пытались понять. Оказалось, что многие белки-зонды, протестированные в этих экспериментах, производят широкие сигналы, близкие к пределу обнаружения метода, при измерении внутри клеток Escherichia coli . В частности, эти белки, казалось, кувыркались, как если бы их молекулярная масса была намного больше, чем та, которая соответствует их размеру. Эти наблюдения, по-видимому, указывали на то, что белки прилипали к другим макромолекулам, что привело бы к плохим релаксационным свойствам. [13]
Другие внутриклеточные эксперименты с ЯМР показали, что отдельные аминокислотные изменения поверхностных остатков можно использовать для последовательной модуляции переворачивания трех различных белков внутри бактериальных клеток. [14] Было показано, что заряженные и гидрофобные остатки оказывают наибольшее влияние на внутриклеточную подвижность белков. В частности, более отрицательно заряженные белки будут падать быстрее по сравнению с почти нулевыми или положительно заряженными белками. Напротив, присутствие многих гидрофобных остатков на поверхности белка замедляло бы внутриклеточное переворачивание белка. белка Было показано, что дипольный момент , мера разделения зарядов в белке, вносит значительный вклад в подвижность белка, при этом высокие дипольные моменты коррелируют с более медленным переворачиванием.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Коэн, Рэйчел Д.; Пилак, Гэри Дж. (2016). «Электростатический вклад в пятеричную структуру белка». Журнал Американского химического общества . 138 (40): 13139–13142. дои : 10.1021/jacs.6b07323 . ПМИД 27676610 .
- ^ Эдельштейн, SJ (октябрь 1980 г.). «Закономерности пятеричных структур белков. Пластичность и неэквивалентность отдельных молекул в спиральных массивах серповидноклеточного гемоглобина и тубулина» . Биофизический журнал . 32 (1): 347–360. Бибкод : 1980BpJ....32..347E . дои : 10.1016/S0006-3495(80)84961-7 . ПМЦ 1327314 . ПМИД 7248453 .
- ^ «Изучение пятеричных взаимодействий белков с помощью внутриклеточного ЯМР» . Исследовательские ворота . Проверено 2 сентября 2019 г.
- ^ Шехтман, Александр; Берц, Дэвид С.; ДеМотт, Кристофер; Брейндел, Леонард (2018). «Внутриклеточный ядерный магнитный резонанс в реальном времени: антибиотики, нацеленные на рибосомы, модулируют взаимодействия пятеричных белков» . Биохимия . 57 (5). США: Министерство сельского хозяйства США : 540–546. doi : 10.1021/acs.biochem.7b00938 . ПМК 5801172 . ПМИД 29266932 . Проверено 2 сентября 2019 г.
- ^ Дэниэлссон, Дж.; Оливберг, М. (2017). «О чем на самом деле говорят нам данные, сравнивая поведение белков in vitro и in vivo?». Современное мнение в области структурной биологии . 42 : 129–135. дои : 10.1016/j.sbi.2017.01.002 . ПМИД 28126529 .
- ^ Яцек Т. Мика; Берт Пулман (2011). «Диффузия и удержание макромолекул в прокариотических клетках». Современное мнение в области биотехнологии . 22 (1): 117–126. дои : 10.1016/j.copbio.2010.09.009 . ПМИД 20952181 .
- ^ Jump up to: а б МакКонки, Э.Х. (1989). «Молекулярная эволюция, внутриклеточная организация и пятеричная структура белков» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 79 (10): 3236–3240. дои : 10.1073/pnas.79.10.3236 . ПМК 346390 . ПМИД 6954476 .
- ^ Влодарски, Т.; Загрович, Б. (2009). «Конформационный отбор и механизм индуцированного соответствия лежат в основе специфичности нековалентных взаимодействий с убиквитином» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (46): 3236–3240. Бибкод : 2009PNAS..10619346W . дои : 10.1073/pnas.0906966106 . ПМЦ 2780739 . ПМИД 19887638 .
- ^ Шрайбер, Г.; Фершт, А.Р. (1996). «Быстрая ассоциация белков с помощью электростатики». Структурная биология природы . 3 (5): 427–431. дои : 10.1038/nsb0596-427 . ПМИД 8612072 . S2CID 25318867 .
- ^ Дидс, Э.Дж.; Ашенберг, О.; Шахнович, Э.И. (2006). «С обложки: Простая физическая модель для масштабирования сетей белок-белкового взаимодействия» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 103 (2): 311–316. arXiv : q-bio/0509001 . Бибкод : 2006PNAS..103..311D . дои : 10.1073/pnas.0509715102 . ПМЦ 1326177 . ПМИД 16384916 .
- ^ Цзянь-Ронг Ян; Бен-Ян Ляо; Ши-Мэй Чжуан; Цзяньчжи Чжан (2012). «Избежание неправильного взаимодействия белков приводит к медленной эволюции белков с высокой экспрессией» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (14): Е831–Е840. дои : 10.1073/pnas.1117408109 . ПМЦ 3325723 . ПМИД 22416125 .
- ^ Вирт, Эй Джей; Грюбеле, М. (2013). «Пятинарная структура белка и последствия скученности живых клеток: оставляя пробирку позади». Биоэссе . 35 (11): 984–993. doi : 10.1002/bies.201300080 . ПМИД 23943406 . S2CID 33478753 .
- ^ Питер Б. Кроули; Елисейский чау; Татьяна Папковская (2011). «Взаимодействия белков в цитозоле Escherichia coli: препятствие для внутриклеточной ЯМР-спектроскопии». ХимБиоХим . 12 (7): 1043–1048. дои : 10.1002/cbic.201100063 . ПМИД 21448871 . S2CID 44250541 .
- ^ Синь Му; Сонгиль Чой; Лиза Лэнг; Дэвид Моурей; Николай Владимирович Дохолян; Йенс Даниэльссон; Микаэль Оливеберг (2017). «Физико-химический код пятеричных белковых взаимодействий в Escherichia coli» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (23): Е4556–Е4563. Бибкод : 2017PNAS..114E4556M . дои : 10.1073/pnas.1621227114 . ПМК 5468600 . ПМИД 28536196 .