stringtranslate.com

Динамика белка

В молекулярной биологии белки , как правило, принимают уникальные структуры , определяемые их аминокислотными последовательностями. Однако белки не являются строго статическими объектами, а скорее заселяют ансамбли (иногда похожих) конформаций . Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (десятые доли ангстрема до нм) и временных масштабах (нс до с) и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая сигнализация [1] и ферментативный катализ . [2]

Изучение динамики белков наиболее непосредственно связано с переходами между этими состояниями, но может также включать природу и равновесные популяции самих состояний. Эти две перспективы — кинетика и термодинамика , соответственно, — могут быть концептуально синтезированы в парадигме « энергетического ландшафта »: [3] высоконаселенные состояния и кинетика переходов между ними могут быть описаны глубинами энергетических ям и высотами энергетических барьеров, соответственно.

Кинезин , идущий по микротрубочке . Это молекулярная биологическая машина , которая использует динамику домена белка в наномасштабах.

Локальная гибкость: атомы и остатки

Части белковых структур часто отклоняются от состояния равновесия. Некоторые из таких отклонений являются гармоническими , например, стохастические флуктуации химических связей и углов связей. Другие являются ангармоническими , например, боковые цепи, которые прыгают между отдельными дискретными минимумами энергии, или ротамерами . [4]

Доказательства локальной гибкости часто получают из ЯМР-спектроскопии . Гибкие и потенциально неупорядоченные области белка можно обнаружить с помощью индекса случайной катушки . Гибкость в свернутых белках можно определить, проанализировав спиновую релаксацию отдельных атомов в белке. Гибкость также можно наблюдать на картах электронной плотности с очень высоким разрешением, полученных с помощью рентгеновской кристаллографии , [5] особенно когда данные дифракции собираются при комнатной температуре вместо традиционной криогенной температуры (обычно около 100 К). [6] Информацию о распределении частот и динамике локальной гибкости белка можно получить с помощью спектроскопии Рамана и оптического эффекта Керра [7], а также анизотропной микроспектроскопии [8] в терагерцовой частотной области.

Региональная гибкость: внутридоменное многоостаточное связывание

Сеть альтернативных конформаций в каталазе (код Protein Data Bank: 1gwe) с разнообразными свойствами. Множество явлений определяют сеть: ван-дер-ваальсовы взаимодействия (синие точки и линейные сегменты) между боковыми цепями, водородная связь (пунктирная зеленая линия) через частично занятую воду (коричневая), связь через локально подвижный остов (черный) и, возможно, электростатические силы между Lys (зеленый) и близлежащими полярными остатками (синий: Glu, желтый: Asp, фиолетовый: Ser). Эта конкретная сеть удалена от активного сайта и, следовательно, предположительно, не имеет решающего значения для функции.

Многие остатки находятся в тесной пространственной близости в белковых структурах. Это справедливо для большинства остатков, которые являются смежными в первичной последовательности, но также и для многих, которые являются дистальными в последовательности, но при этом контактируют в конечной складчатой ​​структуре. Из-за этой близости энергетические ландшафты этих остатков становятся связанными на основе различных биофизических явлений, таких как водородные связи , ионные связи и взаимодействия Ван-дер-Ваальса (см. рисунок).

Переходы между состояниями для таких наборов остатков, следовательно, становятся коррелированными. [9]

Это, пожалуй, наиболее очевидно для поверхностно-экспонированных петель, которые часто коллективно смещаются, чтобы принять различные конформации в различных кристаллических структурах (см. рисунок). Однако сопряженная конформационная гетерогенность также иногда очевидна во вторичной структуре. [10] Например, последовательные остатки и остатки, смещенные на 4 в первичной последовательности, часто взаимодействуют в α-спиралях . Кроме того, остатки, смещенные на 2 в первичной последовательности, направляют свои боковые цепи к одной и той же поверхности β-слоев и находятся достаточно близко, чтобы взаимодействовать стерически, как и остатки на соседних нитях того же β-слоя. Некоторые из этих конформационных изменений вызваны посттрансляционными модификациями в структуре белка, такими как фосфорилирование и метилирование. [10] [11]

«Ансамбль» из 44 кристаллических структур лизоцима куриного белка из Protein Data Bank, показывающий, что различные условия кристаллизации приводят к различным конформациям для различных выведенных на поверхность петель и концов (красные стрелки).

Когда эти связанные остатки образуют пути, связывающие функционально важные части белка, они могут участвовать в аллостерической сигнализации. Например, когда молекула кислорода связывается с одной субъединицей тетрамера гемоглобина , эта информация аллостерически распространяется на три другие субъединицы, тем самым усиливая их сродство к кислороду. В этом случае связанная гибкость гемоглобина обеспечивает кооперативное связывание кислорода, что физиологически полезно, поскольку обеспечивает быструю загрузку кислорода в легочную ткань и быструю выгрузку кислорода в тканях, лишенных кислорода (например, мышцах).

Глобальная гибкость: несколько доменов

Наличие нескольких доменов в белках приводит к большой гибкости и подвижности , что приводит к динамике доменов белков . [1] Движения доменов могут быть выведены путем сравнения различных структур белка (как в Базе данных молекулярных движений ), или их можно непосредственно наблюдать с помощью спектров [12] [13], измеренных с помощью нейтронной спиновой эхо -спектроскопии. Их также можно предположить путем выборки в обширных траекториях молекулярной динамики [14] и анализа главных компонентов. [15] Движения доменов важны для:

Одним из крупнейших наблюдаемых движений домена является механизм «поворота» в пируватфосфатдикиназе . Фосфоинозитидный домен поворачивается между двумя состояниями, чтобы перенести фосфатную группу из активного центра домена связывания нуклеотидов в центр домена фосфоенолпирувата/пирувата. [23] Фосфатная группа перемещается на расстояние 45 Å, включая движение домена примерно на 100 градусов вокруг одного остатка. В ферментах закрытие одного домена на другой захватывает субстрат с помощью индуцированной подгонки, позволяя реакции проходить контролируемым образом. Подробный анализ Герштейна привел к классификации двух основных типов движения домена: шарнирное и сдвиговое. [20] Только относительно небольшая часть цепи, а именно междоменный линкер и боковые цепи, претерпевают значительные конформационные изменения при перестройке домена. [24]

Шарнирные движения

Движение шарнира в неупорядоченном домене активации в трипсиногене (PDB ID: 2PTN)
Движение шарнира в неупорядоченном домене активации в трипсиногене (PDB ID: 2PTN). Шарниры, предсказанные с помощью PACKMAN. Предсказание шарнира окрашено в синий цвет (остатки 23:28) и красный цвет (остатки 175:182). Зеленый цвет — это активный сайт. Движение генерируется с помощью hdANM.

Исследование Хейворда [25] показало, что концы α-спиралей и β-слоев образуют шарниры в большом количестве случаев. Было обнаружено, что многие шарниры включают два вторичных структурных элемента, действующих как шарниры двери, позволяя происходить открывающему и закрывающему движению. Это может возникнуть, когда две соседние нити в β-слое, расположенном в одном домене, расходятся при присоединении к другому домену. Два полученных конца затем образуют области изгиба между двумя доменами. Было обнаружено, что α-спирали, которые сохраняют свою сеть водородных связей при изгибе, ведут себя как механические шарниры, сохраняя «упругую энергию», которая управляет закрытием доменов для быстрого захвата субстрата. [25] Хаде и др. работали над прогнозированием шарниров [26] в любой конформации и далее построили модель эластичной сети, называемую hdANM [27] , которая может моделировать эти движения.

Спирально-расширенная конформация

Взаимопревращение спиральных и расширенных конформаций на участке границы домена не является чем-то необычным. В кальмодулине торсионные углы изменяются для пяти остатков в середине домена, связывающего α-спираль. Спираль разделена на две, почти перпендикулярные, меньшие спирали, разделенные четырьмя остатками расширенной цепи. [28] [29]

Сдвиговые движения

Сдвиговые движения включают небольшое скользящее движение интерфейсов доменов, контролируемое боковыми цепями аминокислот в интерфейсе. Белки, демонстрирующие сдвиговые движения, часто имеют слоистую архитектуру: укладку вторичных структур. Междоменный линкер играет лишь роль удержания доменов в непосредственной близости. [ необходима цитата ]

Движение доменов и функциональная динамика в ферментах

Анализ внутренней динамики структурно различных, но функционально схожих ферментов выявил общую связь между позиционированием активного центра и двух основных белковых субдоменов. Фактически, для нескольких членов суперсемейства гидролаз каталитический центр расположен близко к интерфейсу, разделяющему два основных квазижестких домена. [14] Такое позиционирование, по-видимому, играет важную роль в поддержании точной геометрии активного центра, при этом допуская заметную функционально ориентированную модуляцию фланкирующих областей, возникающую в результате относительного движения двух субдоменов. [ необходима цитата ]

Последствия для макромолекулярной эволюции

Данные свидетельствуют о том, что динамика белков важна для функции, например, катализ фермента в дигидрофолатредуктазе ( DHFR ), однако также предполагается, что она способствует приобретению новых функций путем молекулярной эволюции . [30] Этот аргумент предполагает, что белки эволюционировали, чтобы иметь стабильные, в основном уникальные складчатые структуры, но неизбежная остаточная гибкость приводит к некоторой степени функциональной неразборчивости, которая может быть усилена/использована/отвлечена последующими мутациями. [ требуется цитирование ] Исследования неразборчивых белков в семействе BCL-2 показали, что динамика белков в масштабе наносекунд может играть решающую роль в поведении связывания белков и, таким образом, в неразборчивости. [31]

Однако растет понимание того, что внутренне неструктурированные белки довольно распространены в эукариотических геномах, [32] что ставит под сомнение простейшую интерпретацию догмы Анфинсена : «последовательность определяет структуру (единичное число)». По сути, новая парадигма характеризуется добавлением двух оговорок: «последовательность и клеточная среда определяют структурный ансамбль».

Ссылки

  1. ^ ab Bu Z, Callaway DJ (2011). "Белки движутся! Динамика белков и аллостерия на большие расстояния в клеточной сигнализации". В Donev R (ред.). Структура белков и заболевания . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том 83. Academic Press. С. 163–221. doi :10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN 9780123812629. PMID  21570668.
  2. ^ Fraser JS, Clarkson MW, Degnan SC, Erion R, Kern D, Alber T (декабрь 2009 г.). «Скрытые альтернативные структуры пролинизомеразы, необходимые для катализа». Nature . 462 (7273): 669–673. Bibcode :2009Natur.462..669F. doi :10.1038/nature08615. PMC 2805857 . PMID  19956261. 
  3. ^ Frauenfelder H, Sligar SG, Wolynes PG (декабрь 1991 г.). «Энергетические ландшафты и движения белков». Science . 254 (5038): 1598–1603. Bibcode :1991Sci...254.1598F. doi :10.1126/science.1749933. PMID  1749933.
  4. ^ Данбрак, Роланд Л. (август 2002 г.). «Библиотеки ротамеров в 21 веке». Current Opinion in Structural Biology . 12 (4): 431–440. doi :10.1016/s0959-440x(02)00344-5. PMID  12163064.
  5. ^ Davis IW, Arendall WB, Richardson DC, Richardson JS (февраль 2006 г.). «Движение трения: как белковый остов пожимает плечами, когда боковая цепь танцует». Структура . 14 (2): 265–274. doi : 10.1016/j.str.2005.10.007 . PMID  16472746.
  6. ^ Fraser JS, van den Bedem H, Samelson AJ, Lang PT, Holton JM, Echols N, Alber T (сентябрь 2011 г.). «Доступ к белковым конформационным ансамблям с использованием рентгеновской кристаллографии при комнатной температуре». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 108 (39): 16247–16252. Bibcode : 2011PNAS..10816247F. doi : 10.1073/pnas.1111325108 . PMC 3182744. PMID  21918110 . 
  7. ^ Turton DA, Senn HM, Harwood T, Lapthorn AJ, Ellis EM, Wynne K (июнь 2014 г.). «Terahertz underdemped quantityal motion управляет связыванием белка с лигандом в растворе». Nature Communications . 5 : 3999. Bibcode :2014NatCo...5.3999T. doi : 10.1038/ncomms4999 . PMID  24893252.
  8. ^ Acbas, G.; Niessen, KA; Snell, EH; Markelz, AG (2014). "Оптические измерения белковых колебаний дальнего действия". Nature Communications . 5 : 3076. doi : 10.1038/ncomms4076 . PMID  24430203.
  9. ^ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (сентябрь 2001 г.). «Динамические режимы и коррелированная структурная динамика в нативном и денатурированном альфа-лактальбумине». Журнал молекулярной биологии . 312 (4): 865–873. doi :10.1006/jmbi.2001.5006. PMID  11575938.
  10. ^ ab Costa CH, Oliveira AR, Dos Santos AM, da Costa KS, Lima AH, Alves CN, Lameira J (октябрь 2019 г.). «Вычислительное исследование конформационных изменений в человеческой 3-гидрокси-3-метилглутарил кофермент редуктазе, вызванных связыванием субстрата». Журнал биомолекулярной структуры и динамики . 37 (16): 4374–4383. doi :10.1080/07391102.2018.1549508. PMID  30470158. S2CID  53717806.
  11. ^ Groban ES, Narayanan A, Jacobson MP (апрель 2006 г.). Shakhnovich E (ред.). "Конформационные изменения в белковых петлях и спиралях, вызванные посттрансляционным фосфорилированием". PLOS Computational Biology . 2 (4): e32. Bibcode : 2006PLSCB ...2...32G. doi : 10.1371/journal.pcbi.0020032 . PMC 1440919. PMID  16628247. 
  12. ↑ Фараго Б., Ли Дж., Корнилеску Дж., Каллауэй DJ, Бу З. (ноябрь 2010 г.). «Активация наноразмерного движения аллостерических белковых доменов, выявленная с помощью нейтронной спин-эхо-спектроскопии». Биофизический журнал . 99 (10): 3473–3482. Бибкод : 2010BpJ....99.3473F. дои : 10.1016/j.bpj.2010.09.058. ПМЦ 2980739 . ПМИД  21081097. 
  13. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (декабрь 2005 г.). «Связанное движение домена белка в полимеразе Taq, выявленное с помощью нейтронной спин-эхо спектроскопии» (PDF) . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 102 (49): 17646–17651. Bibcode :2005PNAS..10217646B. doi : 10.1073/pnas.0503388102 . PMC 1345721 . PMID  16306270. 
  14. ^ ab Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (июнь 2009 г.). «Крупнозернистое описание внутренней динамики белков: оптимальная стратегия разложения белков на жесткие субъединицы». Biophysical Journal . 96 (12): 4993–5002. Bibcode :2009BpJ....96.4993P. doi :10.1016/j.bpj.2009.03.051. PMC 2712024 . PMID  19527659. 
  15. ^ Baron R, Vellore NA (июль 2012 г.). «LSD1/CoREST — это аллостерический наноразмерный зажим, регулируемый молекулярным распознаванием H3-гистонового хвоста». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (31): 12509–14. Bibcode : 2012PNAS..10912509B. doi : 10.1073/pnas.1207892109 . PMC 3411975. PMID  22802671 . 
  16. ^ Понте-Сукре А, изд. (2009). ABC-транспортеры в микроорганизмах . Кайстер Академик. ISBN 978-1-904455-49-3.
  17. ^ Камерлин СК, Варшел А (май 2010). «На заре 21-го века: является ли динамика недостающим звеном для понимания ферментативного катализа?». Белки . 78 (6): 1339–75. doi :10.1002/prot.22654. PMC 2841229. PMID  20099310 . 
  18. ^ Howard J (2001). Механика моторных белков и цитоскелета (1-е изд.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 9780878933334.
  19. ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T, Stingaciu LR, Stanley CB, Heller WT, Bu Z (апрель 2017 г.). «Управляемая активация наномасштабной динамики в неупорядоченном белке изменяет кинетику связывания». Журнал молекулярной биологии . 429 (7): 987–998. doi :10.1016/j.jmb.2017.03.003. PMC 5399307. PMID  28285124 . 
  20. ^ ab Gerstein M, Lesk AM, Chothia C (июнь 1994). «Структурные механизмы движения доменов в белках». Биохимия . 33 (22): 6739–49. doi :10.1021/bi00188a001. PMID  8204609.
  21. ^ Nicholl ID, Matsui T, Weiss TM, Stanley CB, Heller WT, Martel A, Farago B, Callaway DJ, Bu Z (21 августа 2018 г.). «Структура альфа-катенина и наномасштабная динамика в растворе и в комплексе с F-актином». Biophysical Journal . 115 (4): 642–654. Bibcode :2018BpJ...115..642N. doi :10.1016/j.bpj.2018.07.005. hdl :2436/621755. PMC 6104293 . PMID  30037495. 
  22. ^ Воет Д (2011). Биохимия . Воэт, Джудит Г. (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons. ISBN 9780470570951. OCLC  690489261.
  23. ^ Herzberg O, Chen CC, Kapadia G, McGuire M, Carroll LJ, Noh SJ, Dunaway-Mariano D (апрель 1996 г.). «Механизм поворотного домена для ферментативного фосфопереноса между удаленными реакционными участками». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (7): 2652–7. Bibcode : 1996PNAS...93.2652H. doi : 10.1073/pnas.93.7.2652 . PMC 39685. PMID  8610096 . 
  24. ^ Janin J, Wodak SJ (1983). «Структурные домены в белках и их роль в динамике функции белков». Progress in Biophysics and Molecular Biology . 42 (1): 21–78. doi : 10.1016/0079-6107(83)90003-2 . PMID  6353481.
  25. ^ ab Hayward S (сентябрь 1999 г.). "Структурные принципы, управляющие движениями доменов в белках". Proteins . 36 (4): 425–35. doi :10.1002/(SICI)1097-0134(19990901)36:4<425::AID-PROT6>3.0.CO;2-S. PMID  10450084. S2CID  29808315.
  26. ^ Khade, Pranav M.; Kumar, Ambuj; Jernigan, Robert L. (2020-01-17). «Характеристика и прогнозирование белковых шарниров для понимания механистики». Журнал молекулярной биологии . 432 (2): 508–522. doi :10.1016/j.jmb.2019.11.018. ISSN  1089-8638. PMC 7029793. PMID 31786268  . 
  27. ^ Khade, Pranav M.; Scaramozzino, Domenico; Kumar, Ambuj; Lacidogna, Giuseppe; Carpinteri, Alberto; Jernigan, Robert L. (16.11.2021). "hdANM: новая комплексная динамическая модель для белковых шарниров". Biophysical Journal . 120 (22): 4955–4965. doi :10.1016/j.bpj.2021.10.017. ISSN  1542-0086. PMC 8633836 . PMID  34687719. 
  28. ^ Meador WE, Means AR, Quiocho FA (август 1992 г.). «Распознавание целевого фермента кальмодулином: 2.4. Структура комплекса кальмодулин-пептид». Science . 257 (5074): 1251–1255. Bibcode :1992Sci...257.1251M. doi :10.1126/science.1519061. PMID  1519061.
  29. ^ Ikura M, Clore GM, Gronenborn AM, Zhu G, Klee CB, Bax A (май 1992). «Структура раствора комплекса кальмодулин-целевой пептид с помощью многомерного ЯМР». Science . 256 (5057): 632–638. Bibcode :1992Sci...256..632I. doi :10.1126/science.1585175. PMID  1585175.
  30. ^ Tokuriki N, Tawfik DS (апрель 2009 г.). «Динамизм белков и эволюционируемость». Science . 324 (5924): 203–207. Bibcode :2009Sci...324..203T. doi :10.1126/science.1169375. PMID  19359577. S2CID  28576496.
  31. ^ Хекмейер, Филипп Дж.; Руф, Жанетт; Янкович, Бранкица Г.; Хамм, Питер (7 марта 2023 г.). «Промискуитет MCL-1 и структурная устойчивость его партнеров по связыванию». Журнал химической физики . 158 (9). arXiv : 2211.08934 . doi : 10.1063/5.0137239.
  32. ^ Dyson HJ , Wright PE (март 2005). «Внутренне неструктурированные белки и их функции». Nature Reviews Molecular Cell Biology . 6 (3): 197–208. doi :10.1038/nrm1589. PMID  15738986. S2CID  18068406.