Пятеричная структура белка относится к особенностям белковых поверхностей, которые формируются эволюционной адаптацией к физиологическому контексту живых клеток . [1] [2] [3] [4] Таким образом, пятеричная структура является пятым уровнем сложности белка, дополнительным к первичной , вторичной , третичной и четвертичной структурам белка. В отличие от первых четырех уровней структуры белка, которые относятся к изолированным белкам в разбавленных условиях, пятеричная структура возникает из-за тесноты клеточного контекста, [5] в котором постоянно происходят кратковременные встречи макромолекул .
Для выполнения своих функций белкам часто необходимо найти определенного партнера, с которым они будут связываться в относительно длительной встрече. В очень переполненном цитозоле, в котором белки участвуют в обширной и сложной сети притягивающих и отталкивающих взаимодействий, такой поиск становится сложным, поскольку он включает 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 как можно более интимным, чтобы, если они действительно найдут нужного партнера, они не пропустят его. [6] В этом смысле пятеричная структура является результатом серии адаптаций, присутствующих в белковых поверхностях, которые позволяют белкам ориентироваться в сложности клеточной среды.
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 для определения общего содержания белка в клетках хомяка ( CHO ) и человека ( HeLa ). В эксперименте с 2D-электрофорезом в геле координаты белка зависят от его молекулярной массы и изоэлектрической точки . Учитывая эволюционное расстояние между людьми и хомяками, а также учитывая типичные для млекопитающих темпы эволюции, можно было бы ожидать, что между хомяками и людьми произошло бы большое количество замен, часть из которых включала бы кислотные ( аспартат и глутамат ) и основные ( аргинин и лизин ) остатки, что привело бы к изменению изоэлектрической точки многих белков. Поразительно, что клетки хомяка и человека дали почти идентичные отпечатки пальцев в эксперименте, что подразумевает, что на самом деле имело место гораздо меньше этих замен. Макконки предположил в этой статье [7] , что причина, по которой белки людей и хомяков не разошлись так сильно, как он предполагал, заключается 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 пятый уровень организации белков ».
Несмотря на грубость эксперимента Макконки, его интерпретация результатов оказалась точной. Вместо того, чтобы быть просто гидрофильными , белковые поверхности должны были быть тщательно модулированы эволюцией 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 встреч белков. Последние являются результатом относительно высокостабильного связывания, часто связанного с функционально значимыми событиями, многие из которых уже были 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]
Кратковременный характер этих встреч белков усложняет изучение пятеричной структуры. Действительно, взаимодействия, ответственные за этот верхний уровень организации белка, слабы и недолговечны, и, следовательно, не будут производить белок-белковые комплексы, которые можно было бы выделить обычными биохимическими методами. Поэтому пятеричная структура может быть понята только in vivo . [12]
Внутриклеточный ЯМР — это экспериментальный метод, известный в области исследований пятеричной структуры белков. Физический принцип внутриклеточного ЯМР-измерения идентичен принципу обычного белкового ЯМР , но эксперименты основаны на выражении высоких концентраций зондового белка, который должен оставаться растворимым и содержаться в клеточном пространстве; что вносит дополнительные трудности и ограничения. Однако эти эксперименты дают критически важную информацию о перекрестных помехах между зондовым белком и внутриклеточной средой.
Ранние попытки использования внутриклеточного ЯМР для изучения пятеричной структуры белка были затруднены ограничением, вызванным самим явлением, которое они пытались понять. Многие зондовые белки, протестированные в этих экспериментах, как оказалось, давали широкие сигналы, близкие к пределу обнаружения метода, при измерении внутри клеток Escherichia coli . В частности, эти белки, казалось, падали, как будто их молекулярные массы были намного больше тех, которые соответствовали их размеру. Эти наблюдения, казалось, указывали на то, что белки прилипали к другим макромолекулам, что привело бы к плохим релаксационным свойствам [13]
Другие эксперименты ЯМР в клетках показали, что изменения отдельных аминокислот поверхностных остатков могут быть использованы для последовательной модуляции перемещения 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 перемещаться быстрее по сравнению с почти нулевыми или положительно заряженными белками. Напротив, присутствие множества гидрофобных остатков на поверхности белка замедлит внутриклеточное перемещение белков. Было показано, что дипольный момент белка , мера разделения зарядов по белку, вносит значительный вклад в подвижность белка, где высокие дипольные моменты будут коррелировать с более медленным перемещением.