Белковый комплекс или мультипротеиновый комплекс представляет собой группу из двух или более связанных полипептидных цепей . Белковые комплексы отличаются от мультидоменных ферментов, в которых несколько каталитических доменов находятся в одной полипептидной цепи. [1]
Белковые комплексы являются формой четвертичной структуры. Белки в белковом комплексе связаны нековалентными белок-белковыми взаимодействиями . Эти комплексы являются краеугольным камнем многих (если не большинства) биологических процессов. Клетка рассматривается как состоящая из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую, дискретную биологическую функцию. [2]
Благодаря близости скорость и селективность связывающих взаимодействий между ферментативным комплексом и субстратами могут быть значительно улучшены, что приведет к более высокой клеточной эффективности. Многие из методов, используемых для проникновения в клетки и выделения белков, по своей сути разрушительны для таких больших комплексов, усложняя задачу определения компонентов комплекса.
Примерами белковых комплексов являются протеасома для молекулярной деградации и большинство РНК-полимераз . В стабильных комплексах большие гидрофобные интерфейсы между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных Ås . [3]
Образование белкового комплекса может активировать или ингибировать один или несколько членов комплекса, и таким образом образование белкового комплекса может быть похоже на фосфорилирование . Отдельные белки могут участвовать в различных белковых комплексах. Различные комплексы выполняют разные функции, и один и тот же комплекс может выполнять несколько функций в зависимости от различных факторов. Факторы включают:
Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). Для этого относительно простого организма изучение белковых комплексов в настоящее время охватывает весь геном , и выяснение большинства его белковых комплексов продолжается. [ необходима цитата ] В 2021 году исследователи использовали программное обеспечение для глубокого обучения RoseTTAFold вместе с AlphaFold для решения структур 712 эукариотических комплексов. Они сравнили 6000 дрожжевых белков с белками 2026 других грибов и 4325 других эукариот. [4]
Если белок может образовывать стабильную хорошо сложенную структуру сам по себе (без какого-либо другого связанного белка) in vivo , то комплексы, образованные такими белками, называются «необлигатными белковыми комплексами». Однако некоторые белки не могут быть найдены для создания стабильной хорошо сложенной структуры в одиночку, но могут быть найдены как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называются «облигатными белковыми комплексами». [5]
Транзиентные белковые комплексы образуются и распадаются временно in vivo , тогда как постоянные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Обычно облигатные взаимодействия (взаимодействия белок-белок в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необлигатные взаимодействия, как было обнаружено, являются либо постоянными, либо временными. [5] Обратите внимание, что нет четкого различия между облигатным и необлигатным взаимодействием, скорее между ними существует континуум, который зависит от различных условий, например, pH, концентрации белка и т. д. [6] Однако существуют важные различия между свойствами транзиторных и постоянных/стабильных взаимодействий: стабильные взаимодействия высококонсервативны, но транзиторные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки по обе стороны стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем белки транзиторного взаимодействия (фактически, вероятность совместной экспрессии между двумя транзиторно взаимодействующими белками не выше, чем у двух случайных белков), и транзиторные взаимодействия гораздо менее колокализованы, чем стабильные взаимодействия. [7] Хотя, будучи временными по своей природе, временные взаимодействия очень важны для клеточной биологии: человеческий интерактом обогащен такими взаимодействиями, эти взаимодействия являются доминирующими игроками в регуляции генов и передаче сигналов, и обнаружено, что белки с внутренне неупорядоченными областями (IDR: области в белке, которые показывают динамические взаимопревращающиеся структуры в нативном состоянии) обогащены временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями. [5]
Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного беспорядка в связанном состоянии. [8] Это означает, что белки не могут полностью сворачиваться ни в временных, ни в постоянных комплексах. Следовательно, определенные комплексы могут иметь неоднозначные взаимодействия, которые варьируются в зависимости от сигналов окружающей среды. Следовательно, различные ансамбли структур приводят к различным (даже противоположным) биологическим функциям. [9] Посттрансляционные модификации, взаимодействия белков или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов, чтобы точно настроить сродство или специфичность взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регуляции в рамках эукариотического транскрипционного аппарата. [10]
Хотя некоторые ранние исследования [12] предполагали сильную корреляцию между эссенциальностью и степенью взаимодействия белков (правило «центральности-летальности»), последующие анализы показали, что эта корреляция слаба для бинарных или транзиторных взаимодействий (например, дрожжевой двугибрид ). [13] [14] Однако корреляция является надежной для сетей стабильных взаимодействий ко-комплексов. Фактически, непропорционально большое количество основных генов принадлежит белковым комплексам. [15] Это привело к выводу, что эссенциальность является свойством молекулярных машин (т. е. комплексов), а не отдельных компонентов. [15] Ван и др. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы с большей вероятностью будут основными, объясняя, почему основные гены с большей вероятностью будут иметь высокую степень взаимодействия ко-комплексов. [16] Райан и др. (2013) назвали наблюдение, что целые комплексы кажутся основными, « модульной эссенциальностью ». [11] Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят либо из незаменимых, либо из несущественных белков, а не демонстрируют случайное распределение (см. рисунок). Однако это не явление типа «все или ничего»: только около 26% (105/401) комплексов дрожжей состоят исключительно из незаменимых или исключительно несущественных субъединиц. [11]
У людей гены, белковые продукты которых принадлежат к одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приведут к одному и тому же фенотипу заболевания. [17] [18] [19]
Субъединицы мультимерного белка могут быть идентичными, как в гомомультимерном (гомоолигомерном) белке, или отличаться, как в гетеромультимерном белке. Многие растворимые и мембранные белки образуют гомомультимерные комплексы в клетке, большинство белков в Protein Data Bank являются гомомультимерными. [20] Гомоолигомеры отвечают за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.
Потенциалзависимые калиевые каналы в плазматической мембране нейрона являются гетеромультимерными белками, состоящими из четырех из сорока известных альфа-субъединиц. Субъединицы должны принадлежать к одному подсемейству, чтобы сформировать мультимерный белковый канал. Третичная структура канала позволяет ионам проходить через гидрофобную плазматическую мембрану. Коннексоны являются примером гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексинов . Кластер коннексонов образует щелевой контакт в двух нейронах, который передает сигналы через электрический синапс .
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном , образуют комплекс, эта белковая структура называется мультимером. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя различными мутантными аллелями определенного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов в отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементарностью (также называемой межаллельной комплементарностью). Внутригенная комплементарность была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерию Salmonella typhimurium ; вирус бактериофаг T4 [21] , РНК-вирус [22] и людей. [23] В таких исследованиях многочисленные мутации, дефектные в одном и том же гене, часто изолировались и картировались в линейном порядке на основе частот рекомбинации для формирования генетической карты гена. Отдельно мутанты тестировались в парных комбинациях для измерения комплементарности. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементарность, в общем, возникает из-за взаимодействия по-разному дефектных полипептидных мономеров с образованием мультимера. [24] Гены, кодирующие полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, являются обычными. Одна из интерпретаций данных заключается в том, что полипептидные мономеры часто выровнены в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в близлежащих участках генетической карты, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует плохо, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в отдаленных участках, как правило, образуют смешанный мультимер, который функционирует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимера, обсуждались Йеле. [25]
Молекулярную структуру белковых комплексов можно определить экспериментальными методами, такими как рентгеновская кристаллография , анализ отдельных частиц или ядерный магнитный резонанс . Все чаще становится доступным теоретический вариант белок-белковой стыковки . Одним из методов, который обычно используется для идентификации меомплексов [ необходимо разъяснение ], является иммунопреципитация . Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении эффективности переноса энергии резонанса Фёрстера (FRET) на уровне пикселей в сочетании со спектрально разрешенным двухфотонным микроскопом . Распределение эффективностей FRET моделируется с использованием различных моделей для получения геометрии и стехиометрии комплексов. [26]
Правильная сборка мультипротеиновых комплексов важна, поскольку неправильная сборка может привести к катастрофическим последствиям. [27] Для изучения сборки пути исследователи изучают промежуточные этапы в пути. Одним из таких методов, позволяющих это сделать, является электрораспылительная масс-спектрометрия , которая может одновременно идентифицировать различные промежуточные состояния. Это привело к открытию того, что большинство комплексов следуют упорядоченному пути сборки. [28] В случаях, когда возможна неупорядоченная сборка, изменение от упорядоченного к неупорядоченному состоянию приводит к переходу от функции к дисфункции комплекса, поскольку неупорядоченная сборка приводит к агрегации. [29]
Структура белков играет роль в том, как собирается мультипротеиновый комплекс. Интерфейсы между белками могут быть использованы для прогнозирования путей сборки. [28] Внутренняя гибкость белков также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия. [30]
Хотя сборка — это процесс, отличный от разборки, оба процесса обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (раз)сборкой.
В гомомультимерных комплексах гомомерные белки собираются способом, который имитирует эволюцию. То есть, промежуточное звено в процессе сборки присутствует в эволюционной истории комплекса. [31] Противоположное явление наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит способом, который сохраняет исходный путь сборки. [28]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )