Канавалин
Канавалин — это растительный белок, содержащийся в фасоли , меченой фасоли и родственных растениях. Это основной запасной белок, этих растений содержащийся в семенах , и один из четырех белков, которые легко выделить из семян; остальные — конканавалин А , конканавалин В и уреаза . [ 2 ] Канавалин представляет собой вицилин белок гомологичный фазеолину , . [ 3 ]
Кристаллизация белков семян фасоли широко изучалась с начала 20-го века и представляла особый интерес для Нобелевской премии по химии лауреата 1946 года Джеймса Б. Самнера . [ 4 ] хотя группа Самнера так и не охарактеризовала канавалин полностью, и он оставался малоинтересным до тех пор, пока в 1970-х годах не начали изучать его кристаллизационные свойства. [ 3 ] Это был один из первых описанных примеров белка, третичная структура которого содержит два псевдосимметричных белковых домена . [ 3 ] С тех пор канавалин использовался в качестве модельной системы для изучения кристаллизации белков. [ 5 ] особенно в изучении образования кристаллов белка в космосе в условиях микрогравитации . [ 1 ]
Канавалин содержится в больших количествах, белок составляет около половины процента от общего количества растворимых белков. Он входит в состав белка вицилина семян и имеет аналогичные характеристики. Он растворим в концентрациях солей и буферах с низкой ионной силой. В физиологическом растворе канавалин нерастворим и кристаллизуется. Кристаллизация происходит при 37 °С. При этой температуре кристаллы остаются вместе, что указывает на высокую стабильность молекулы. Кристаллография показывает, что белок состоит из шести идентичных субъединиц, организованных в гексамер. [ 6 ]
История
В 1919 году Дж. Б. Самнер впервые зарегистрировал молекулярную массу канавалина до 115 000. [ 6 ] Самнер выделил белок из фасоли, но не смог его кристаллизовать. В том же исследовании он назвал два других белка, которые ему удалось кристаллизовать: конкавалин А и конкавалин Б. Самнер несколько раз пытался кристаллизовать канавалин, но его попытки не увенчались успехом. Однако в 1936 г. его ученик С. Хауэлл, работая в своей лаборатории, оставил в колбе образец канавалина, не соблюдая стерильности. Прошло продолжительное время, и они обнаружили кристаллы на дне колбы. Они подозревали, что кристаллизация была вызвана разлагающими ферментами, вырабатываемыми микробами. Самнер и Хауэлл смогли воспроизвести кристаллы, используя стерильные растворы добавления к канавалину трипсина, химотрипсина и других протеаз. Они считали, что кристаллизация белка произошла из-за гидролиза окружающих загрязняющих белков. Считалось также, что кристаллы представляют собой протеолитический продукт нативного белка. [ 7 ]
Дополнительные работы по канавалину появились в литературе в 1974 году исследователями из Массачусетского технологического института. Исследователи воспроизвели работу Самнера и смогли создать крупные кристаллические структуры и описать некоторые биохимические свойства канавалина. Работа 1982 года продемонстрировала, что нативный белок имеет мономер, расщепляемый пополам протеазами, и имеет молярную массу около 47 000. Они также обнаружили, что три расщепленных мономера были распределены по идеальной трехмерной оси симметрии в молекуле с молярной массой около 142 000. [ 7 ] и состоит из 445 аминокислот. [ 8 ]
В ходе изучения канавалина и других белков семян растений стало очевидно, что канавалин и фазеолин обладают очень схожими свойствами. Различия заключались в том, что фазеолин был гликозилирован и содержал смесь трех разных субъединиц, тогда как канавалин не имел гликозилирования и имел только один тип полипептида. Исследование показало, что канавалин был частью семейства вицилинов запасных белков семян и что его характеристики были общими для всего семейства. [ 7 ]
Гомология канавалина и фазеолина
Канавалин и фазеолин — два первых белка, показавшие почти идентичную доменную структуру с помощью рентгеноструктурного анализа. В конструкции присутствуют β-бочки с мотивом швейцарского рулета. Канавалин и фазеолин на 60% состоят из одних и тех же аминокислот и имеют сходную третичную и четвертичную структуру.
Структура
Тройная ось тримера канавалина отмечает канал в тримере. Канал имеет диаметр около 18 Армстронгов и свободно проходит через белок. Канал выстлан гидрофильными и заряженными аминокислотными остатками. Тримеры сложены друг на друга, напоминая предпочтительный мотив упаковки. [ 7 ]
Преобразование преканавалина в канавалин
Канавалин получают из преканавалина путем протеолитического расщепления. Преканавалин и канавалин составляют значительную часть белка семян и считаются питательными белками, которые являются источником аминокислот для любых развивающихся проростков. Преканавалин имеет мономер и существует в виде непрерывной одиночной полипептидной цепи. Канавалин отщепляется от преканавалина, состоящего из трех полипептидных цепей с массой 24 000, 13 000 и 12 000 Д. Канавалин получается при инкубации преканавалина при 37°С с 2,5% концентрацией до 24 часов. Канавалин также можно получить аналогичным способом с химотрипсином. Производство канавалина с химотрипсином менее сложное, и пищеварение происходит медленнее, что позволяет легче контролировать выработку. Белок сначала расщепляется на две полипептидные цепи с молекулярной массой 24 000 и 25 000 Д. С химотрипсином это расщепление завершается в течение 30 минут, а с трипсином — примерно за 3 минуты. Когда расщепление происходит в условиях, позволяющих кристаллизацию, полипептидная цепь массой 25 000 Д расщепляется на два фрагмента массой 12 000 и 13 000 Д. Эти три субъединицы образуют молекулу канавалина, в результате чего получается молекулярная масса 147 000 Д. Фрагмент массой 24 000 Д имеет почти идентичный аминокислотный состав как у фрагментов 12000 и 13000D, что означает, что между первичными структурами может существовать гомология. [ 6 ]
Реакция канавалинов на различные концентрации соли
Канавалин, экстрагированный из меченых бобов в дистиллированной воде, имеет мономерную структуру; однако при помещении в высокие концентрации NaCl и MgCl 2 происходит переход от мономерной формы к тримерной. Растворимость четвертичной структуры канавалина различалась в зависимости от концентрации соли. На образование тримера важное влияние оказывает увеличение ионной силы. Кроме того, в присутствии 60 мМ MgCl 2 и 200 мМ CaCl 2 агрегировалась растворимая тримерная форма канавалина. Для сравнения, в 200 мМ NaCl агрегация не происходит. Эти различные свойства, наблюдаемые у канавалина и различных солей, могут указывать на то, что солевые мостики образуются посредством двухвалентных катионов. Это приведет к агрегации тримерной формы вокруг MgCl 2 .
Канавалин принадлежит к фракции вицилинов семейства 7s-глобулинов. B-конглицинин, отнесенный к той же группе, также имеет тримерную структуру, которую можно очищать и кристаллизовать в присутствии высоких концентраций солей, таких как NaCl. Это говорит о том, что в присутствии более высоких концентраций соли присутствует тримерная структура семейства 7s-глобулинов. Неизвестно, присутствуют ли тримеры 7s-глобулина в семенах фасоли. Было обнаружено, что экстракт канавалина мечевидной фасоли представляет собой мономер, а не тример, что позволяет предположить, что семена канавалина находятся в мономерной форме. [ 9 ]
Генная инженерия канавалина
[ редактировать ]Структура канавалина является идеальной моделью для белковой инженерии. Используя манипуляции с рекомбинантной ДНК и рентгеновскую кристаллографию, канавалин можно генетически изменить. Благодаря сайт-направленному мутагенезу генная инженерия может произойти очень быстро. Если в растение можно вставить сконструированный ген канавалина, то в семенах могут существовать запасные белки с повышенным содержанием питательных веществ. Это создаст возможность улучшения и улучшения всех бобовых растений, основного источника мирового диетического белка. [ 7 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Макферсон, Александр; ДеЛукас, Лоуренс Джеймс (3 сентября 2015 г.). «Кристаллизация белков в условиях микрогравитации» . npj Микрогравитация . 1 (1): 15010–. дои : 10.1038/npjmgrad.2015.10 . ISSN 2373-8065 . ПМК 5515504 . ПМИД 28725714 .
- ^ Самнер, Дж.Б.; Грален, Н.; Эрикссон-Квенсель, И.Б. (29 апреля 1938 г.). «Молекулярная масса уреазы, канавалина, конканавалина А и конканавалина Б». Наука . 87 (2261): 395–396. Бибкод : 1938Sci....87..395S . дои : 10.1126/science.87.2261.395 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 17746464 .
- ^ Jump up to: а б с Шури, Питер Р.; Кейси, Р. (1999). Белки семян . Дордрехт: Springer Нидерланды. ISBN 9789401144315 . OCLC 840310271 .
- ^ Самнер, Джеймс Б.; Хауэлл, Стейси Ф. (1 апреля 1936 г.). «Выделение четвертого кристаллизующегося глобулина Джека Бина путем переваривания канавалина трипсином» . Журнал биологической химии . 113 (3): 607–610. дои : 10.1016/S0021-9258(18)74832-1 . ISSN 0021-9258 .
- ^ Земля, ТА; Малкин, Эй Джей; Кузнецов Ю.Г; Макферсон, А.; Де Йорео, Джей-Джей (2 октября 1995 г.). «Механизмы роста кристаллов белка: исследование кристаллизации канавалина с помощью атомно-силовой микроскопии» . Письма о физических отзывах . 75 (14): 2774–2777. Бибкод : 1995PhRvL..75.2774L . doi : 10.1103/PhysRevLett.75.2774 . ПМИД 10059401 . S2CID 40439026 .
- ^ Jump up to: а б с Смит, Стефани Кэмпбелл; Джонсон, Стивен; Эндрюс, Джеймс; Макферсон, Александр (1 октября 1982 г.). «Биохимическая характеристика канавалина, основного запасного белка Джека Бина» . Физиология растений . 70 (4). Издательство Оксфордского университета (OUP): 1199–1209. дои : 10.1104/стр.70.4.1199 . ISSN 0032-0889 . ПМК 1065850 . ПМИД 16662638 .
- ^ Jump up to: а б с д и Нг, Джей Ди; Ко, ТП; Макферсон, А. (1 марта 1993 г.). «Клонирование, экспрессия и кристаллизация канавалина Джека Бина (Canavalia ensiformis)» . Физиология растений . 101 (3): 713–728. дои : 10.1104/стр.101.3.713 . ISSN 0032-0889 . ПМК 158684 . ПМИД 8310055 .
- ^ «ЮниПрот» . www.uniprot.org . Проверено 27 апреля 2023 г.
- ^ Нисидзава, Кахо; Арии, Ясухиро (2019). «Структурные переходы канавалина меч-боба в ответ на различные концентрации соли» . Гелион . 5 (12): e03037. дои : 10.1016/j.heliyon.2019.e03037 . ПМК 6928265 . ПМИД 31890966 .