Четвертичная структура белка
Четвертичная структура белка [а] — четвертый (и высший) классификационный уровень структуры белка . Четвертичная структура белка относится к структуре белков, которые сами состоят из двух или более более мелких белковых цепей (также называемых субъединицами). Четвертичная структура белка описывает количество и расположение многократно свернутых субъединиц белка в комплексе из нескольких субъединиц . Он включает организации от простых димеров до крупных гомоолигомеров и комплексов с определенным или переменным числом субъединиц. [1] В отличие от первых трех уровней структуры белков, не все белки будут иметь четвертичную структуру, поскольку некоторые белки функционируют как отдельные единицы. Четвертичная структура белка может также относиться к биомолекулярным комплексам белков с нуклеиновыми кислотами и другими кофакторами .
Описание и примеры
[ редактировать ]Многие белки на самом деле представляют собой совокупности нескольких полипептидных цепей. Четвертичная структура относится к числу и расположению субъединиц белка относительно друг друга. [2] Примеры белков с четвертичной структурой включают гемоглобин , ДНК-полимеразу , рибосомы , антитела и ионные каналы .
Ферменты, состоящие из субъединиц с разнообразными функциями, иногда называют голоферментами , в которых некоторые части могут быть известны как регуляторные субъединицы, а функциональное ядро известно как каталитическая субъединица. Другие сборки, называемые мультибелковыми комплексами, также обладают четвертичной структурой. Примеры включают нуклеосомы и микротрубочки . Изменения четвертичной структуры могут происходить за счет конформационных изменений внутри отдельных субъединиц или за счет переориентации субъединиц относительно друг друга. Именно посредством таких изменений, лежащих в основе кооперативности и аллостерии «мультимерных» ферментов, многие белки подвергаются регуляции и выполняют свою физиологическую функцию.
Приведенное выше определение соответствует классическому подходу к биохимии, сложившемуся в те времена, когда было трудно объяснить различие между белком и функциональной белковой единицей. Совсем недавно люди ссылались на белок-белковое взаимодействие при обсуждении четвертичной структуры белков и рассматривали все сборки белков как белковые комплексы .
Номенклатура
[ редактировать ]
Количество субъединиц в олигомерном комплексе описывается с помощью названий, оканчивающихся на -mer (по-гречески «часть, субъединица»). Формальные и греко-латинские названия обычно используются для первых десяти типов и могут использоваться для двадцати субъединиц, тогда как комплексы более высокого порядка обычно описываются количеством субъединиц, за которым следует -мерный.
|
|
|
- * Нет известных примеров
Наименьшая единица, образующая гомоолигомер, то есть одна белковая цепь или субъединица , обозначается как мономер, субъединица или протомер . Последний термин первоначально был разработан для обозначения наименьшей единицы гетероолигомерных белков, но в современной литературе он также применяется к гомоолигомерным белкам. Субъединицы обычно располагаются в циклической симметрии , образуя замкнутой точечной группы симметрию .
Хотя для большинства белков редко наблюдаются комплексы выше октамеров, есть некоторые важные исключения. Вирусные капсиды часто состоят из белков, кратных 60. несколько молекулярных машин В клетке также обнаружено , таких как протеасома (четыре гептамерных кольца = 28 субъединиц), транскрипционный комплекс и сплайсосома . Рибосома , вероятно, является крупнейшей молекулярной машиной и состоит из множества молекул РНК и белков.
В некоторых случаях белки образуют комплексы, которые затем собираются в еще более крупные комплексы. В таких случаях используют номенклатуру, например, «димер димеров» или «тример димеров». Это может свидетельствовать о том, что комплекс может диссоциировать на более мелкие субкомплексы, прежде чем диссоциировать на мономеры. Обычно это означает, что комплекс состоит из различных интерфейсов олигомеризации. Например, тетрамерный белок может иметь одну ось вращения четырехкратного порядка, т.е. симметрию точечной группы 4 или C 4 . В этом случае четыре интерфейса между субблоками идентичны. Он также может иметь симметрию точечной группы 222 или D 2 . Этот тетрамер имеет разные интерфейсы, и тетрамер может диссоциировать на два идентичных гомодимера. Тетрамеры симметрии 222 являются «димерами димеров». Гексамеры 32-точечной группы симметрии представляют собой «тример димеров» или «димер тримеров». Таким образом, номенклатура «димер из димеров» используется для указания симметрии точечной группы или расположения олигомера независимо от информации, касающейся его свойств диссоциации.
Другое различие, которое часто делают при упоминании олигомеров, заключается в том, являются ли они гомомерными или гетеромерными, имея в виду, являются ли более мелкие субъединицы белка, которые собираются вместе, образуя белковый комплекс, одинаковыми (гомомерными) или отличными (гетеромерными) друг от друга. Например, два идентичных мономера белка объединятся, образуя гомодимер, тогда как два разных мономера белка образуют гетеродимер.
Определение структуры
[ редактировать ]Четвертичная структура белка может быть определена с использованием различных экспериментальных методов, которые требуют образца белка в различных экспериментальных условиях. Эксперименты часто позволяют оценить массу нативного белка и вместе со знанием массы и/или стехиометрии субъединиц позволяют предсказать четвертичную структуру с заданной точностью. Точное определение субъединичного состава не всегда возможно получить по ряду причин.
Число субъединиц в белковом комплексе часто можно определить путем измерения гидродинамического молекулярного объема или массы интактного комплекса, что требует условий нативного раствора. Для свернутых белков массу можно определить по их объему, используя частичный удельный объем 0,73 мл/г. Однако измерения объема менее точны, чем измерения массы, поскольку развернутые белки имеют гораздо больший объем, чем свернутые белки; необходимы дополнительные эксперименты, чтобы определить, развернут ли белок или образовался олигомер.
Общие методы, используемые для изучения четвертичной структуры белка
[ редактировать ]- Ультрацентрифугирование
- Масс-спектрометрия поверхностно-индуцированной диссоциации [3]
- Коиммунопреципация [4]
- ЛАДА [4] [5]
- Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) [6] [7]
Прямое измерение массы интактных комплексов
[ редактировать ]- Седиментационно-равновесное аналитическое ультрацентрифугирование
- Электрораспылительная масс-спектрометрия
- Масс-спектрометрический иммуноанализ MSIA
Прямое измерение размера интактных комплексов
[ редактировать ]- Статическое рассеяние света
- Эксклюзионная хроматография (требуется калибровка)
- Интерферометрия двойной поляризации
Косвенное измерение размера интактных комплексов
[ редактировать ]- по скорости седиментации Аналитическое ультрацентрифугирование поступательной (измерение константы диффузии )
- Динамическое рассеяние света (измеряет константу поступательной диффузии )
- с импульсным градиентом Белковый ядерный магнитный резонанс (измеряет константу поступательной диффузии )
- Поляризация флуоресценции (измеряет константу вращательной диффузии )
- Диэлектрическая релаксация (измеряет константу вращательной диффузии )
- Двойная поляризационная интерферометрия (измеряет размер и плотность комплекса)
Методы измерения массы или объема в условиях разворачивания (например, MALDI-TOF Масс-спектрометрия и SDS-PAGE ), как правило, бесполезны, поскольку ненативные условия обычно вызывают диссоциацию комплекса на мономеры. Однако иногда они могут быть применимы; например, экспериментатор может применить SDS-PAGE после первой обработки интактного комплекса химическими сшивающими реагентами.
Прогнозирование структуры
[ редактировать ]Были разработаны некоторые методы биоинформатики для прогнозирования свойств четвертичной структуры белков на основе информации об их последовательностях с использованием различных режимов псевдоаминокислотного состава . [2] [8] [9]
Программы прогнозирования сворачивания белков, используемые для прогнозирования третичной структуры белка, также расширяются, чтобы лучше прогнозировать четвертичную структуру белка. Одной из таких разработок является AlphaFold-Multimer. [10] построен на модели AlphaFold для прогнозирования третичной структуры белка.
Роль в передаче сотовых сигналов
[ редактировать ]Четвертичная структура белка также играет важную роль в некоторых сигнальных путях клеток. Путь рецептора, связанного с G-белком, включает гетеротримерный белок, известный как G-белок. G-белки содержат три отдельные субъединицы, известные как субъединицы G-альфа, G-бета и G-гамма. Когда G-белок активируется, он связывается с белком-рецептором, связанным с G-белком, и инициируется клеточный сигнальный путь. Другим примером является путь рецепторной тирозинкиназы (RTK), который инициируется димеризацией двух мономеров рецепторной тирозинкиназы. Когда образуется димер, две киназы могут фосфорилировать друг друга и инициировать клеточный сигнальный путь. [11]
Белково-белковые взаимодействия
[ редактировать ]Белки способны образовывать очень прочные, но лишь временные комплексы. Например, ингибитор рибонуклеазы связывается с рибонуклеазой А с константой диссоциации примерно 20 фМ . Другие белки эволюционировали, чтобы специфически связываться с необычными фрагментами другого белка, например, с группами биотина (авидин), фосфорилированными тирозинами ( домены SH2 ) или богатыми пролином сегментами ( домены SH3 ). Взаимодействия белок-белок могут быть сконструированы таким образом, чтобы способствовать определенным состояниям олигомеризации. [12]
Внутригенная комплементация
[ редактировать ]Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, образуют четверичный комплекс, такая белковая структура называется мультимером. [13] Когда мультимер образуется 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, по-видимому, является обычным явлением и изучалась во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерия Salmonella typhimurium ; вирусный бактериофаг Т4 , [14] РНК-вирус, [15] и люди. [16] Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимеров, обсуждались Йеле. [17]
Сборка
[ редактировать ]Прямое взаимодействие двух возникающих белков, возникающих из близлежащих рибосом , по-видимому, является общим механизмом образования олигомеров. [18] Были идентифицированы сотни белковых олигомеров, которые собираются в клетках человека посредством такого взаимодействия. [18] Наиболее распространенная форма взаимодействия была между N-концевыми участками взаимодействующих белков. Формирование димеров, по-видимому, может происходить независимо от специальных сборочных машин.
См. также
[ редактировать ]- Структурная биология
- Четвертичная структура нуклеиновой кислоты
- Мультипротеиновый комплекс
- Биомолекулярный комплекс
- Олигомеры
Примечания
[ редактировать ]- ^ Здесь четверичный означает « четвертого уровня структуру », а не « четырехстороннее взаимодействие». Этимологически четвертичная система правильна: четвертичная система происходит от латинских распределительных чисел и следует за двоичной и троичной системой ; в то время как четвертичный происходит от латинских порядковых чисел и следует за вторичным и третичным . Однако четвертичность является стандартной в биологии.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Раздел 3.5 Четвертичная структура: полипептидные цепи могут собираться в мультисубъединичные структуры» . Биохимия (5. изд., 4. печат. изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк [ua]: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0 .
- ^ Jump up to: а б Чжоу К.С., Цай Ю.Д. (ноябрь 2003 г.). «Предсказание четвертичной структуры белка по псевдоаминокислотному составу». Белки . 53 (2): 282–289. дои : 10.1002/прот.10500 . ПМИД 14517979 . S2CID 23979933 .
- ^ Стивинг А.К., ВанАернум З.Л., Буш Ф., Харви С.Р., Сарни Ш.Х., Высоцкий В.Х. (январь 2019 г.). «Поверхностно-индуцированная диссоциация: эффективный метод характеристики четвертичной структуры белка» . обзор. Аналитическая химия . 91 (1): 190–209. дои : 10.1021/acs.analchem.8b05071 . ПМК 6571034 . ПМИД 30412666 .
- ^ Jump up to: а б Миллиган Дж., Бувье М. (июнь 2005 г.). «Методы мониторинга четвертичной структуры рецепторов, связанных с G-белком». обзор. Журнал ФЭБС . 272 (12): 2914–2925. дои : 10.1111/j.1742-4658.2005.04731.x . ПМИД 15955052 . S2CID 23274563 .
- ^ Райку В., Сингх Д.Р. (ноябрь 2013 г.). «FRET-спектрометрия: новый инструмент для определения четвертичной структуры белков в живых клетках» . начальный. Биофизический журнал . 105 (9): 1937–1945. Бибкод : 2013BpJ...105.1937R . дои : 10.1016/j.bpj.2013.09.015 . ПМЦ 3824708 . ПМИД 24209838 .
- ^ Приски Ф, Пасторе А (2016). «Применение ядерного магнитного резонанса и гибридных методов для определения структуры сложных систем». Передовые технологии производства и характеристики белковых комплексов . обзор. Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 896. стр. 351–368. дои : 10.1007/978-3-319-27216-0_22 . ISBN 978-3-319-27214-6 . ПМИД 27165336 .
- ^ Уэллс Дж. Н., Марш Дж. А. (2018). «Экспериментальная характеристика структуры, динамики и сборки белкового комплекса». Сборка белкового комплекса . обзор. Методы молекулярной биологии. Том. 1764. стр. 3–27. дои : 10.1007/978-1-4939-7759-8_1 . ISBN 978-1-4939-7758-1 . ПМИД 29605905 .
Раздел 4: Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
- ^ Чжан С.В., Чен В., Ян Ф., Пан Ц. (октябрь 2008 г.). «Использование псевдоаминокислотного состава Чоу для предсказания четвертичной структуры белка: подход PseAAC с сегментированием последовательностей». Аминокислоты . 35 (3): 591–598. дои : 10.1007/s00726-008-0086-x . ПМИД 18427713 . S2CID 689955 .
- ^ Сяо X, Ван П., Чжоу К.С. (2009). «Прогнозирование четвертичной структурной характеристики белка путем гибридизации состава функционального домена и состава псевдоаминокислот». Журнал прикладной кристаллографии . 42 : 169–173. дои : 10.1107/S0021889809002751 .
- ^ Эванс Р., О'Нил М., Притцель А., Антропова Н., Старший А.В., Грин Т. и др. (4 октября 2021 г.). «Прогнозирование белковых комплексов с помощью AlphaFold-Multimer» . bioRxiv : 2021.10.04.463034. дои : 10.1101/2021.10.04.463034 . S2CID 238413014 .
- ^ Хелдин Ч. (январь 1995 г.). «Димеризация рецепторов клеточной поверхности при передаче сигнала» . Клетка . 80 (2): 213–223. дои : 10.1016/0092-8674(95)90404-2 . ПМИД 7834741 . S2CID 18925209 .
- ^ Ардеяни М.С., Чок XL, Фу С.Дж., Орнер Б.П. (май 2013 г.). «Полный сдвиг олигомеризации ферритина в сторону сборки наноклеток посредством сконструированных белок-белковых взаимодействий». Химические коммуникации . 49 (34): 3528–3530. дои : 10.1039/C3CC40886H . ПМИД 23511498 .
- ^ Крик Ф.Х., Оргель Л.Е. (январь 1964 г.). «Теория межаллельной комплементации». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–165. дои : 10.1016/s0022-2836(64)80156-x . ПМИД 14149958 .
- ^ Бернштейн Х., Эдгар Р.С., Денхардт Г.Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация среди термочувствительных мутантов бактериофага T4D» . Генетика . 51 (6): 987–1002. дои : 10.1093/генетика/51.6.987 . ПМЦ 1210828 . ПМИД 14337770 .
- ^ Смоллвуд С., Чевик Б., Мойер С.А. (декабрь 2002 г.). «Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай» . Вирусология . 304 (2): 235–245. дои : 10.1006/виро.2002.1720 . ПМИД 12504565 .
- ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Девиат Л.Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. (июнь 2005 г.). «На пути к модели, объясняющей внутригенную комплементацию гетеромультимерной протеинпропионил-КоА-карбоксилазы» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1740 (3): 489–498. дои : 10.1016/j.bbadis.2004.10.009 . ПМИД 15949719 .
- ^ Йеле Х (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–524. Бибкод : 1963PNAS...50..516J . дои : 10.1073/pnas.50.3.516 . ПМК 221211 . ПМИД 16578546 .
- ^ Jump up to: а б Бертолини М., Фенцл К., Кац И., Врук Ф., Типпманн Ф., Шмитт Дж. и др. (январь 2021 г.). «Взаимодействия между возникающими белками, транслируемые соседними рибосомами, приводят к сборке гомомера» . начальный. Наука . 371 (6524): 57–64. Бибкод : 2021Sci...371...57B . дои : 10.1126/science.abc7151 . ПМЦ 7613021 . ПМИД 33384371 . S2CID 229935047 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- База данных макромолекулярной структуры (MSD) Европейского института биоинформатики (EBI) — содержит список вероятной четвертичной структуры (PQS) для каждого белка в банке данных белков (PDB).
- Сервер PQS – PQS не обновлялся с августа 2009 г.
- PISA — Сервер белковых интерфейсов, поверхностей и сборок в MSD .
- EPPIC - Эволюционная классификация интерфейсов белок-белок: эволюционная оценка интерфейсов в кристаллических структурах.
- 3D-комплекс – Структурная классификация белковых комплексов.
- Proteopedia – Домашняя страница Proteopedia Совместная трехмерная энциклопедия белков и других молекул.
- PDBWiki — Домашняя страница PDBWiki — веб-сайт сообщества для аннотаций структур PDB.
- ProtCID – ProtCID — база данных сходных белок-белковых интерфейсов в кристаллических структурах гомологичных белков.