Глобин

Суперсемейство глобулярных белков, транспортирующих кислород

Глобины представляют собой суперсемейство гем - содержащих глобулярных белков , участвующих в связывании и/или транспортировке кислорода . Все эти белки включают глобиновую складку, серию из восьми альфа-спиральных сегментов . Два видных члена включают миоглобин и гемоглобин . Оба этих белка обратимо связывают кислород через простетическую группу гема . Они широко распространены во многих организмах . ^[2]

Структура

Члены суперсемейства глобинов имеют общую трехмерную складку . ^[3] Эта «складка глобина» обычно состоит из восьми альфа-спиралей , хотя некоторые белки имеют дополнительные спиральные расширения на своих концах. ^[4] Поскольку складка глобина содержит только спирали, ее классифицируют как полностью альфа-белковую складку .

Глобиновая складка обнаружена в одноименных семействах глобинов , а также в фикоцианинах . Таким образом, глобиновая складка была первой обнаруженной белковой складкой (миоглобин был первым белком, структура которого была решена).

Упаковка Helix

Восемь спиралей ядра складки глобина разделяют значительную нелокальную структуру, в отличие от других структурных мотивов , в которых аминокислоты, близкие друг к другу в первичной последовательности, также близки в пространстве. Спирали упакованы вместе под средним углом около 50 градусов, что значительно круче, чем другие спиральные упаковки, такие как спиральный пучок . Точный угол упаковки спирали зависит от последовательности белка, поскольку упаковка опосредуется стерическими и гидрофобными взаимодействиями боковых цепей аминокислот вблизи интерфейсов спирали.

Эволюция

Глобины произошли от общего предка и могут быть разделены на три линии: ^{[5] [6]}

• Семейство M (для миоглобиноподобных) или F (для FHb-подобных) ^[7] , которое имеет типичную кратность 3/3.
  • Подсемейство FHb, для флавогемоглобинов. Химерный .
  • Подсемейство SDgb, для однодоменных глобинов (не путать с SSDgb).
• Семейство S (для сенсорных), снова с коэффициентом кратности 3/3.
  • Подсемейство GCS, для датчиков, связанных с глобином. Химерные.
  • Подсемейство PGb, для протоглобинов. Однодоменный.
  • Подсемейство SSDgb, для сенсорных однодоменных глобинов.
• Семейство T (усеченное), с укладкой 2/2 ^[8] Все подсемейства могут быть химерными, однодоменными или тандемно связанными. ^[7]
  • Подсемейство TrHb1 (также T1 или N).
  • Подсемейство TrHb2 (также T2 или O). Включает 2/2 фитоглобина .
  • Подсемейство TrHb3 (также T3 или P).

Семейство глобинов M/F отсутствует у архей . У эукариот отсутствуют глобины подсемейств GCS, Pgb и T3. ^[7]

Известно, что у позвоночных встречаются восемь глобинов: андроглобин (Adgb), цитоглобин (Cygb), глобин E (GbE, из птичьего глаза), глобин X (GbX, не обнаружен у млекопитающих или птиц), глобин Y (GbY, у некоторых млекопитающих), гемоглобин (Hb), миоглобин (Mb) и нейроглобин (Ngb). ^[7] Все эти типы произошли от одного гена глобина семейства F/M ^[7], обнаруженного у базальных животных. ^[9] Этот же ген также несколько раз изобретал переносящий кислород «гемоглобин» в других группах животных. ^[10] Несколько функционально различных гемоглобинов могут сосуществовать у одного и того же вида .

Сохранение последовательности

Хотя складка суперсемейства глобинов в высокой степени эволюционно консервативна , последовательности, которые образуют складку, могут иметь всего лишь 16% идентичности последовательности. Хотя специфичность последовательности складки не является строгой, гидрофобное ядро ​​белка должно быть сохранено, и гидрофобные участки на обычно гидрофильной поверхности, открытой растворителю, должны быть исключены, чтобы структура оставалась стабильной и растворимой . Самая известная мутация в складке глобина - это изменение с глутамата на валин в одной цепи молекулы гемоглобина. Эта мутация создает "гидрофобный участок" на поверхности белка, который способствует межмолекулярной агрегации, молекулярному событию, которое приводит к [серповидноклеточной анемии].

Подсемейства

• Легемоглобин InterPro :  IPR001032
• Миоглобин InterPro :  IPR002335
• Эритрокруорин InterPro :  IPR002336
• Гемоглобин, бета InterPro :  IPR002337
• Гемоглобин, альфа InterPro :  IPR002338
• Миоглобин, тип трематод InterPro :  IPR011406
• Глобин, нематода InterPro :  IPR012085
• Глобин, тип минога/миксина InterPro :  IPR013314
• Глобин, тип кольчатых червей InterPro :  IPR013316
• Гемоглобин внеклеточный InterPro :  IPR014610

Примеры

Гены человека, кодирующие белки глобина, включают:

• CYGB
• HBA1 , HBA2 , HBB , HBD , HBE1 , HBG1 , HBG2 , HBM , HBQ1 , HBZ , MB

К глобинам относятся:

• Гемоглобин (Hb)
• Миоглобин (Мб)
• Нейроглобин : миоглобиноподобный гемопротеин, экспрессируемый в мозге и сетчатке позвоночных, где он участвует в нейропротекции от повреждений, вызванных гипоксией или ишемией . ^[11] Нейроглобин принадлежит к ветви семейства глобинов, которая разделилась на ранних этапах эволюции .
• Цитоглобин : кислородный сенсор, экспрессируемый во многих тканях . Связан с нейроглобином. ^[12]
• Эритрокруорин : высококооперативные внеклеточные дыхательные белки, обнаруженные у кольчатых червей и членистоногих , которые собираются из 180 субъединиц в гексагональные бислои. ^[13]
• Легемоглобин (legHb или симбиотический Hb): содержится в корневых клубеньках бобовых растений, где он облегчает диффузию кислорода к симбиотическим бактериодам , способствуя фиксации азота .
• Несимбиотический гемоглобин (NsHb): встречается в небобовых растениях и может чрезмерно экспрессироваться в растениях, подвергающихся стрессу .
• Флавогемоглобины (FHb): химерные, с N-концевым доменом глобина и C-концевым доменом связывания НАД/ФАД, подобным ферредоксинредуктазе. FHb обеспечивает защиту от оксида азота через свой C-концевой домен, который переносит электроны на гем в глобине. ^[14]
• Глобин E: глобин, отвечающий за хранение и доставку кислорода к сетчатке у птиц ^[15]
• Сенсоры, связанные с глобином: химерные, с N-концевым миоглобин-подобным доменом и C-концевым доменом, который напоминает цитоплазматический сигнальный домен бактериальных хеморецепторов. Они связывают кислород и действуют, инициируя аэротактический ответ или регулируя экспрессию генов . ^{[16] [17]}
• Протоглобин: однодоменный глобин, обнаруженный в археях , который связан с N-концевым доменом сенсоров, связанных с глобином. ^[18]
• Усеченный 2/2 глобин: отсутствует первая спираль, что дает им 2-над-2 вместо канонического 3-над-3 альфа-спирального сэндвича . Можно разделить на три основные группы (I, II и II) на основе структурных особенностей.
• HbN (или GlbN): усеченный гемоглобин-подобный белок, который кооперативно связывает кислород с очень высоким сродством и медленной скоростью диссоциации , что может исключать его из транспорта кислорода. По-видимому, он участвует в бактериальной детоксикации оксида азота и в нитрозативном стрессе . ^[19]
• Цианоглобин (или GlbN): укороченный гемопротеин, обнаруженный в цианобактериях , который имеет высокое сродство к кислороду и, по-видимому, служит частью терминальной оксидазы, а не дыхательным пигментом. ^[20]
• HbO (или GlbO): усеченный гемоглобин-подобный белок с более низким сродством к кислороду, чем HbN. HbO ассоциируется с мембраной бактериальной клетки , где он значительно увеличивает поглощение кислорода по сравнению с мембранами, в которых отсутствует этот белок. HbO, по-видимому, взаимодействует с терминальной оксидазой и может участвовать в процессе переноса кислорода/электронов, который облегчает перенос кислорода во время аэробного метаболизма . ^[21]
• Glb3: кодируемый ядром укороченный гемоглобин из растений , который, по-видимому, более тесно связан с HbO, чем с HbN. Glb3 из Arabidopsis thaliana (кресс-салат) демонстрирует необычное, независимое от концентрации связывание кислорода и углекислого газа . ^[22]

Глобиновая складка

Глобиновая складка (cd01067) также включает некоторые негемовые белки. Некоторые из них — фикобилипротеины , N-концевой домен двухкомпонентной регуляторной системы гистидинкиназы , RsbR и RsbN .

Смотрите также

• Биологический портал

• Элемент стабильности, богатый углеродом
• Глобулярный белок
• Гемоглобин
• Гем
• Миоглобин
• Фитоглобин

Ссылки

1. Kavanaugh JS, Rogers PH, Case DA, Arnone A (апрель 1992 г.). «Высокоразрешающее рентгеновское исследование дезоксигемоглобина Rothschild 37 beta Trp----Arg: мутация, которая создает межсубъединичный участок связывания хлорида». Biochemistry . 31 (16): 4111–21. doi :10.1021/bi00131a030. PMID  1567857.
2. Виноградов С.Н., Хугевейс Д., Байи X, Мизугути К., Девильде С., Моенс Л., Ванфлетерен Дж.Р. (август 2007 г.). «Модель эволюции глобина». Джин . 398 (1–2): 132–42. дои : 10.1016/j.gene.2007.02.041. ПМИД  17540514.
3. Бранден, Карл; Тузе, Джон (1999). Введение в структуру белка (2-е изд.). Нью-Йорк: Garland Pub. ISBN 978-0815323051.
4. Bolognesi, M; Onesti, S; Gatti, G; Coda, A; Ascenzi, P; Brunori, M (1989). "Миоглобин Aplysia limacina. Кристаллографический анализ при разрешении 1,6 a". Журнал молекулярной биологии . 205 (3): 529–44. doi :10.1016/0022-2836(89)90224-6. PMID  2926816.
5. Виноградов, SN; Хоогевийс, D; Байи, X; Арредондо-Питер, R; Гертин, M; Гоф, J; Девильде, S; Моенс, L; Ванфлетерен, JR (9 августа 2005 г.). «Три линии глобина, принадлежащие к двум структурным классам в геномах из трех царств жизни». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (32): 11385–9. doi : 10.1073/pnas.0502103102 . PMC 1183549. PMID  16061809 . 
6. Виноградов, Серж Н.; Тинахеро-Трехо, Мариана; Пул, Роберт К.; Хогевейс, Дэвид (сентябрь 2013 г.). «Бактериальные и архейные глобины — пересмотренная перспектива» (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Белки и протеомика . 1834 (9): 1789–1800. doi :10.1016/j.bbapap.2013.03.021. PMID  23541529.
7. Keppner, A; Maric, D; Correia, M; Koay, TW; Orlando, IMC; Vinogradov, SN; Hoogewijs, D (октябрь 2020 г.). «Уроки постгеномной эры: разнообразие глобинов за пределами связывания и транспорта кислорода». Redox Biology . 37 : 101687. doi :10.1016/j.redox.2020.101687. PMC 7475203 . PMID  32863222. 
8. Bustamante, JP; Radusky, L; Boechi, L; Estrin, DA; Ten Have, A; Martí, MA (январь 2016 г.). «Эволюционные и функциональные отношения в семействе усеченного гемоглобина». PLOS Computational Biology . 12 (1): e1004701. Bibcode : 2016PLSCB..12E4701B. doi : 10.1371/journal.pcbi.1004701 . PMC 4720485. PMID  26788940 . 
9. Burmester, T; Hankeln, T (июль 2014). «Функция и эволюция глобинов позвоночных». Acta Physiologica . 211 (3): 501–14. doi : 10.1111/apha.12312 . PMID  24811692. S2CID  33770617.
10. Солен Сонг, Виктор Старунов, Ксавье Байи, Кристин Рута, Пьер Кернер, Аннемик Ж. М. Корнелиссен, Гийом Балавуан: Глобины у морских кольчатых червей Platynereis dumerilii проливают новый свет на эволюцию гемоглобина у билатерий. В: BMC Evolutionary Biology Vol. 20, Issue 165. 29 декабря 2020 г. doi:10.1186/s12862-020-01714-4. См. также:
    • Один ген «изобретал» гемоглобин несколько раз. В: EurekAlert! 29 декабря 2020 г. Источник: CNRS
11. Pesce A, Dewilde S, Nardini M, Moens L, Ascenzi P, Hankeln T, Burmester T, Bolognesi M (сентябрь 2003 г.). «Структура нейроглобина человеческого мозга раскрывает особый режим управления сродством к кислороду». Structure . 11 (9): 1087–95. doi : 10.1016/S0969-2126(03)00166-7 . hdl : 10067/455310151162165141 . PMID  12962627.
12. Fago A, Hundahl C, Malte H, Weber RE (2004). «Функциональные свойства нейроглобина и цитоглобина. Взгляд на предковые физиологические роли глобинов». IUBMB Life . 56 (11–12): 689–96. doi : 10.1080/15216540500037299 . PMID  15804833. S2CID  21182182.
13. Royer WE, Omartian MN, Knapp JE (январь 2007 г.). "Кристаллическая структура низкого разрешения эритрокруорина Arenicola: влияние спиральных спиралей на архитектуру мегадальтонового респираторного белка". J. Mol. Biol . 365 (1): 226–36. doi :10.1016/j.jmb.2006.10.016. PMC 1847385. PMID  17084861 . 
14. Mukai M, Mills CE, Poole RK, Yeh SR (март 2001 г.). «Флавогемоглобин, глобин с каталитическим сайтом, подобным пероксидазе». J. Biol. Chem . 276 (10): 7272–7. doi : 10.1074/jbc.M009280200 . PMID  11092893.
15. Blank M, Kiger L, Thielebein A, Gerlach F, Hankeln T, Marden MC, Burmeister T (2011). «Подача кислорода с высоты птичьего полета: глобин E — дыхательный белок в сетчатке курицы». J. Biol. Chem . 286 (30): 26507–15. doi : 10.1074/jbc.M111.224634 . PMC 3143615. PMID  21622558 . 
16. Hou S, Freitas T, Larsen RW, Piatibratov M, Sivozhelezov V, Yamamoto A, Meleshkevitch EA, Zimmer M, Ordal GW, Alam M (июль 2001 г.). "Сенсоры, связанные с глобином: класс сенсоров, содержащих гем, у архей и бактерий". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 98 (16): 9353–8. Bibcode :2001PNAS...98.9353H. doi : 10.1073/pnas.161185598 . PMC 55424 . PMID  11481493. 
17. Freitas TA, Saito JA, Hou S, Alam M (январь 2005 г.). «Сенсоры, связанные с глобином, протоглобины и последний универсальный общий предок». J. Inorg. Biochem . 99 (1): 23–33. doi :10.1016/j.jinorgbio.2004.10.024. PMID  15598488.
18. Freitas TA, Hou S, Dioum EM, Saito JA, Newhouse J, Gonzalez G, Gilles-Gonzalez MA, Alam M (апрель 2004 г.). «Предковые гемоглобины в археях». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 101 (17): 6675–80. Bibcode :2004PNAS..101.6675F. doi : 10.1073/pnas.0308657101 . PMC 404104 . PMID  15096613. 
19. Lama A, Pawaria S, Dikshit KL (июль 2006 г.). «Свойства связывания кислорода и поглощения NO укороченным гемоглобином, HbN, Mycobacterium smegmatis». FEBS Lett . 580 (17): 4031–41. doi : 10.1016/j.febslet.2006.06.037 . PMID  16814781.
20. Yeh DC, Thorsteinsson MV, Bevan DR, Potts M, La Mar GN (февраль 2000 г.). «Исследование полости гема и топологии сворачивания сокращенной цепи 118-остатков глобина из цианобактерии Nostoc commune методом 1H ЯМР». Биохимия . 39 (6): 1389–99. doi :10.1021/bi992081l. PMID  10684619.
21. Патания Р., Навани Н.К., Раджамохан Г., Дикшит К.Л. (май 2002 г.). «Гемоглобин HbO микобактерий туберкулеза ассоциируется с мембранами и стимулирует клеточное дыхание рекомбинантной Escherichia coli». J. Biol. Chem . 277 (18): 15293–302. doi : 10.1074/jbc.M111478200 . PMID  11796724.
22. Watts RA, Hunt PW, Hvitved AN, Hargrove MS, Peacock WJ, Dennis ES (август 2001 г.). «Гемоглобин из растений, гомологичный укороченным гемоглобинам микроорганизмов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 98 (18): 10119–24. Bibcode : 2001PNAS...9810119W. doi : 10.1073/pnas.191349198 . PMC 56925. PMID  11526234 . 

В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR001486