В молекулярной биологии презентация субстрата — это биологический процесс, который активирует белок . Белок отделяется от своего субстрата , а затем активируется путем высвобождения и воздействия на свой субстрат. [1] [2] Субстрат — это , как правило, вещество, на которое действует фермент , но также может быть поверхностью белка, с которой связывается лиганд . В случае взаимодействия с ферментом белок или органический субстрат обычно изменяет химическую форму. Презентация субстрата отличается от аллостерической регуляции тем, что ферменту не нужно менять свою конформацию, чтобы начать катализ . Презентация субстрата лучше всего описывается для разделения доменов на наноскопических расстояниях (<100 нм). [3]
Белок-предшественник амилоида (APP) расщепляется бета- и гамма-секретазой с образованием пептида из 40-42 аминокислот, ответственного за амилоидные бляшки, связанные с болезнью Альцгеймера . Ферменты секретазы регулируются презентацией субстрата. [4] Субстрат APP пальмитоилирован и перемещается в липидные плоты GM1 и из них в ответ на холестерин астроцитов. Холестерин, доставляемый аполипопротеином E (ApoE), заставляет APP связываться с липидными плотами GM1. Когда уровень холестерина низкий, белок перемещается в неупорядоченную область и расщепляется альфа-секретазой с образованием неамилогенного продукта. Ферменты, по-видимому, не реагируют на холестерин, перемещается только субстрат.
Гидрофобность управляет разделением молекул. В клетке это приводит к компартментализации внутри клетки и внутри клеточных мембран . Для липидных рафтов пальмитоилирование регулирует сродство рафта к большинству интегральных белков рафта. [5] Регулирование рафта регулируется холестериновой сигнализацией и пространственной биологией
( PLD2 ) — это хорошо определенный пример фермента, активируемого презентацией субстрата. [6] Фермент пальмитоилируется, что приводит к перемещению фермента в липидные домены GM1 или « липидные плоты ». Субстратом фосфолипазы D является фосфатидилхолин (PC), который является ненасыщенным и имеет низкое содержание в липидных плотах. PC локализуется в неупорядоченной области клетки вместе с полиненасыщенным липидом фосфатидилинозитол 4,5-бисфосфатом ( PIP2 ). PLD2 имеет домен связывания PIP2 . Когда концентрация PIP2 в мембране увеличивается, PLD2 покидает домены GM1 и связывается с доменами PIP2 , где он затем получает доступ к своему субстрату PC и начинает катализ на основе презентации субстрата. Предположительно, фермент способен катализировать реакцию в липидном плоту, но у него нет субстрата для активности.
( ADAM17 ), также называемый TACE, изолируется в липидных плотах от своего субстрата, мембраносвязанного фактора некроза опухоли (mTNF). [7] Холестерин заставляет mTNF объединяться с ADAM17 в липидных плотах и выделять растворимый TNF (sTNF), который является воспалительным цитокином.
Рецепторные тирозинкиназы — это рецепторы клеточной поверхности, которые связываются с различными факторами роста полипептидов, цитокинами и гормонами. Активация RTK осуществляется посредством пальмитоилирования и димеризации, процесса, которому способствует холестерин в липидных плотах. [8] [9] После димеризации рецептор подвергается аутофосфорилированию, которое запускает последующий каскад фосфорилирования. Это особый случай, когда субстрат и фермент являются одной и той же молекулой.
Протеинкиназа C (PKC) — это класс ферментов, фосфорилирующих белки. Его субстраты обычно находятся на поверхности мембраны, где фермент привлекается липидным диацилглицерином. Таким образом, часть активации PKC происходит через презентацию субстрата, т. е. путем локализации с его субстратом на мембране.
( Фурин ) (производящая клетка, репликация). Когда клетки загружены холестерином, фурин перемещается к липидным плотам GM1, где он локализуется с пальмитоилированным спайковым белком SARS-CoV-2 и подготавливает его к проникновению вируса. [10]
( ACE2 ) (целевая клетка, проникновение вируса), рецептор для SARS-CoV-2 ACE2 перемещает SARS-CoV-2 в липидные рафты GM1, где он эндоцитируется и подвергается воздействию катепсина для расщепления и оптимального слияния клеток. [11] [12] При низком уровне холестерина ACE2 перемещает вирус в TMPRSS2, который также расщепляет и обеспечивает проникновение вируса, но через предполагаемый поверхностный механизм, который гораздо менее эффективен. Считается, что чувствительность ACE2 к холестерину способствует менее тяжелым симптомам COVID19 у детей.
Секвестрация — это процесс перемещения молекулы в липидный плот. Внутри плазматической мембраны секвестрация в первую очередь обусловлена упаковкой насыщенного липида с холестерином или разделением фаз на очень малых расстояниях (< 100 нм). На макроскопическом уровне органеллы и везикулы могут ограничивать доступ фермента к субстрату.
Секвестрация может как повышать, так и понижать концентрацию белка вблизи его субстрата. Когда субстрат присутствует в липидном рафте, секвестрация приводит к повышению концентрации белка вблизи субстрата. И наоборот, если субстрат исключен из липидного рафта, секвестрация приводит к снижению взаимодействия между белком и субстратом, как это видно на примере PLD2.
Либо субстрат фермента может перемещаться. Перемещение обычно представляет собой нарушение локализации, опосредованной пальмитатом, или перемещение органелл . Для белков, которые одновременно пальмитоилированы и связывают PIP2, увеличение концентрации PIP2 способствует перемещению фермента из липидных рафтов в PIP2. PIP2 в первую очередь является полиненасыщенным, что заставляет липид локализоваться вдали от липидных рафтов и позволяет PIP2 противостоять локализации, опосредованной пальмитатом. [13]
Холестерин и полиненасыщенные жирные кислоты (ПНЖК) регулируют образование липидных плотов, отсюда и биологическая функция плотов. Когда в мембране увеличивается количество насыщенных липидов и холестерина, липидные плоты увеличивают свое сродство к пальмитоилированным белкам. [14] ПНЖК оказывают противоположный эффект, они разжижают мембрану.
ПНЖК также могут повышать концентрацию сигнальных липидов. Арахидоновая кислота, очень распространенная ПНЖК в мозге, включается в PC и PIP2. [15] Арахидонил PC является предпочтительным субстратом PLD, вероятно, увеличивая количество PA в клетке. Регулирование функции плота холестерином эффективно регулирует презентацию субстрата и многие пальмитоилированные белки, которые используют презентацию субстрата в качестве механизма активации. Хотя это и спекулятивно, глубокое воздействие холестерина и ПНЖК на здоровье человека, вероятно, осуществляется посредством физиологической регуляции функции липидного плота в клетках.
Механическая сила (сдвиг или набухание) может независимо нарушить упаковку и результирующее сродство пальмитата к липидным плотам. Это нарушение также заставляет PLD2 благоприятствовать перемещению в домены PIP2. [16] Механочувствительный ионный канал TREK-1 высвобождается из холестеринзависимых липидных плотов в ответ на механическую силу. Это имеет эффект ослабления боли. [17]
Мембранно-опосредованная анестезия использует презентацию субстрата. Общие анестетики пропофол и ингаляционные анестетики ксенон , хлороформ , изофлуран , диэтиловый эфир нарушают функцию липидного плота и локализацию PLD2, опосредованную пальмитатом, на липидных плотах. [18] [19] Активация PLD затем активирует каналы TREK-1. Мембранно-опосредованная активация PLD2 может быть передана нечувствительному к анестетикам гомологу TRAAK, делая канал чувствительным к анестетикам.