Мотив EF-hand содержит топологию спираль-петля-спираль, очень похожую на растопыренный большой и указательный пальцы человеческой руки, в которой ионы Ca 2+ координируются лигандами внутри петли. Мотив получил свое название от традиционной номенклатуры , используемой при описании белка парвальбумина , который содержит три таких мотива и, вероятно, участвует в мышечной релаксации посредством своей кальцийсвязывающей активности.
Ион кальция координирован в пятиугольной бипирамидальной конфигурации. Шесть остатков, участвующих в связывании, находятся в положениях 1, 3, 5, 7, 9 и 12; эти остатки обозначены X, Y, Z, -Y, -X и -Z. Инвариант Glu или Asp в положении 12 обеспечивает два атома кислорода для лигандирования кальция (бидентатный лиганд).
Ион кальция связан как с атомами основной цепи белка , так и с боковыми цепями аминокислот , особенно с анионных аминокислотных остатков аспартата и глутамата . Эти остатки заряжены отрицательно и будут взаимодействовать с положительно заряженным ионом кальция. Мотив руки EF был одним из первых структурных мотивов, требования к последовательности которых были подробно проанализированы. Пять остатков петли связывают кальций и, таким образом, отдают предпочтение кислородсодержащим боковым цепям, особенно аспартату и глутамату. Шестой остаток в петле обязательно представляет собой глицин из-за конформационных требований основной цепи. Остальные остатки обычно гидрофобны и образуют гидрофобное ядро , которое связывает и стабилизирует две спирали.
При связывании с Ca 2+ этот мотив может претерпевать конформационные изменения, которые активируют функции, регулируемые Ca 2+ , как это видно в эффекторах Ca 2+ , таких как кальмодулин (CaM) и тропонин C (TnC), и в буферах Ca 2+ , таких как кальретикулин и кальбиндин. Д9к. В то время как большинство известных кальций-связывающих белков (CaBP) EF-hand содержат парные мотивы EF-hand, CaBP с одиночными EF-руками также были обнаружены как у бактерий, так и у эукариот. Кроме того, у ряда бактерий обнаружены «мотивы, подобные EF-руке». Хотя координационные свойства остаются сходными с каноническим мотивом EF-hand спираль-петля-спираль из 29 остатков, EF-hand-подобные мотивы отличаются от EF-hand тем, что они содержат отклонения во вторичной структуре фланкирующих последовательностей и/или изменение длины Са 2+ -координационной петли.
Руки EF обладают очень высокой селективностью в отношении кальция. Например, константа диссоциации альфа- парвальбумина для Ca 2+ в ~1000 раз ниже, чем для аналогичного иона Mg 2+ . [2] Такая высокая селективность обусловлена относительно жесткой координационной геометрией, наличием нескольких заряженных боковых цепей аминокислот в месте связывания, а также свойствами сольватации ионов. [3] [4] [5]
Прогноз
Краткое изложение подписей мотивов, используемых для предсказания EF-рук.
Поиск паттерна (сигнатуры мотива) является одним из наиболее простых способов прогнозирования непрерывных сайтов связывания Ca 2+ EF-hand в белках. На основе результатов выравнивания последовательностей канонических мотивов EF-hand, особенно консервативных боковых цепей, непосредственно участвующих в связывании Ca 2+ , был создан паттерн PS50222 для предсказания канонических сайтов EF-hand. Серверы прогнозов можно найти в разделе внешних ссылок.
Классификация
С момента определения мотива EF-hand в 1973 году семейство белков EF-hand расширилось и теперь включает по меньшей мере 66 подсемейств. Мотивы EF-рук делятся на две основные структурные группы:
Канонические EF-руки , наблюдаемые в кальмодулине (CaM) и прокариотическом CaM-подобном белке калеритрине. Каноническая петля EF-hand из 12 остатков связывает Ca 2+ главным образом через карбоксилаты или карбонилы боковой цепи (положения последовательности петли 1, 3, 5, 12). Остаток на оси –X координирует ион Ca 2+ через мостиковую молекулу воды. Петля EF-hand имеет бидентатный лиганд (Glu или Asp) на оси –Z.
Псевдо-EF-руки встречаются исключительно на N-концах S100 и S100-подобных белков. Петля псевдо-EF-hand из 14 остатков хелатирует Ca 2+ преимущественно через карбонилы основной цепи (положения 1, 4, 6, 9).
Филогенетическое древо семейства белков EF-hand.
Дополнительные моменты:
EF-hand-подобные белки с разнообразными фланкирующими структурными элементами вокруг Ca 2+ -связывающей петли обнаружены у бактерий и вирусов. Эти прокариотические EF-hand-подобные белки широко участвуют в передаче сигналов Ca 2+ и гомеостазе у бактерий. Они содержат гибкие участки Ca 2+ -связывающих петель, которые отличаются от мотивов EF-hand. Однако их координационные свойства напоминают классические мотивы EF-hand.
Например, полунепрерывный сайт связывания Са 2+ в D- галактозосвязывающем белке (GBP) содержит петлю из девяти остатков. Ион Ca 2+ координируется семью атомами кислорода белка, пять из которых принадлежат петле, имитирующей каноническую EF-петлю, тогда как два других принадлежат карбоксилатной группе отдаленного Glu.
Другим примером является новый домен под названием Excalibur (внеклеточная Ca 2+ -связывающая область), выделенный из Bacillus subtilis . Этот домен имеет консервативную Ca 2+ -связывающую петлю из 10 остатков, поразительно похожую на каноническую петлю EF-hand из 12 остатков.
Разнообразие структуры фланкирующей области иллюстрируется обнаружением EF-hand-подобных доменов в бактериальных белках. Например, структура спираль-петля-цепь вместо структуры спираль-петля-спираль имеется в периплазматическом галактозосвязывающем белке ( Salmonella typhimurium , PDB :1gcg ) или альгинатсвязывающем белке ( Sphingomonas sp ., 1kwh ); входящая спираль отсутствует у защитного антигена ( Bacillus anthracis , 1acc ) или докерина ( Clostridium thermocellum , 1daq ).
Среди всех структур, о которых сообщалось на сегодняшний день, большинство мотивов EF-руки спарены либо между двумя каноническими, либо между одним псевдо- и одним каноническим мотивом. Для белков с нечетным числом EF-рук, таких как пента-EF-рука кальпаин, мотивы EF-рук соединялись посредством гомо- или гетеродимеризации. Было показано, что недавно идентифицированный EF-hand, содержащий сенсорный белок Ca 2+ ЭР, молекулы стромального взаимодействия 1 и 2 (STIM1, STIM2), содержит Ca 2+ -связывающий канонический мотив EF-hand, который спаривается с непосредственным, нижестоящим мотивом. атипичная «скрытая» не-Са 2+ -связывающая EF-рука. Одиночные мотивы EF-hand могут служить модулями стыковки белков: например, одиночная EF-рука в белках NKD1 и NKD2 связывает белки Disheveled (DVL1, DVL2, DVL3).
Функционально EF-руки можно разделить на два класса:
сигнальные белки
буферные/транспортные белки.
Первая группа является самой крупной и включает в себя наиболее известные представители семейства, такие как кальмодулин, тропонин С и S100B. Эти белки обычно претерпевают кальций-зависимые конформационные изменения, в результате которых открывается целевой сайт связывания. Последняя группа представлена кальбиндином D9k и эти белки не претерпевают кальцийзависимых конформационных изменений.
Экворин представляет собой кальцийсвязывающий белок (CaBP), выделенный из книдарий Aequorea victoria . Экворин принадлежит к семейству CaBP EF-hand с петлями EF-hand, которые тесно связаны с CaBP у млекопитающих. Кроме того, экворин уже много лет используется в качестве индикатора Ca 2+ и, как было показано, безопасен и хорошо переносится клетками. Экворин состоит из двух компонентов – кальцийсвязывающего компонента апоаекворина (AQ) и хемилюминесцентной молекулы целентеразина . Часть AQ этого белка содержит кальцийсвязывающие домены EF-hand. [6]
Другим отличительным кальций-связывающим мотивом, состоящим из альфа-спиралей, является домен докерина .
Рекомендации
^ Бан С., Рамакришнан Б., Линг К.Ю., Кунг С., Сундаралингам М. (январь 1994 г.). «Структура рекомбинантного кальмодулина Paramecium тетраурелия при разрешении 1,68 А». Акта Кристаллогр. Д. 50 (Часть 1): 50–63. дои : 10.1107/S0907444993007991. ПМИД 15299476.
↑ Шваллер, Б. (13 октября 2010 г.). «Цитозольные Са2+-буферы». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 2 (11): а004051. doi : 10.1101/cshperspect.a004051. ПМК 2964180 . ПМИД 20943758.
^ Гиффорд, Джессика Л.; Уолш, Майкл П.; Фогель, Ханс Дж. (15 июля 2007 г.). «Структура и свойства связывания ионов металлов Ca-связывающих мотивов спираль-петля-спираль EF-hand». Биохимический журнал . 405 (2): 199–221. дои : 10.1042/BJ20070255. ПМИД 17590154.
^ Дудев, Тодор; Лим, Кармей (16 сентября 2013 г.). «Конкуренция между ионами металлов за места связывания с белками: факторы, определяющие селективность ионов металлов в белках». Химические обзоры . 114 (1): 538–556. дои : 10.1021/cr4004665. ПМИД 24040963.
^ Цзин, Чжифэн; Лю, Чэнвэнь; Ци, Руи; Рен, Пэнъюй (23 июля 2018 г.). «Эффект многих тел определяет селективность в отношении кальция и магния в белках». Труды Национальной академии наук . 115 (32): Е7495–Е7501. дои : 10.1073/pnas.1805049115 . ПМК 6094099 . ПМИД 30038003.
Чжоу Ю, Ян В., Кирбергер М., Ли Х.В., Аяласомаяджула Г., Ян Дж.Дж. (ноябрь 2006 г.). «Прогнозирование кальцийсвязывающих белков EF-руки и анализ бактериальных белков EF-руки». Белки . 65 (3): 643–55. дои : 10.1002/prot.21139. PMID 16981205. S2CID 8904181.
Чжоу Ю, Фрей Т.К., Ян Дж.Дж. (июль 2009 г.). «Вирусная кальциомика: взаимодействие между Ca2+ и вирусом». Клеточный кальций . 46 (1): 1–17. doi : 10.1016/j.ceca.2009.05.005. ПМК 3449087 . ПМИД 19535138.
Накаяма С., Монкриф Н.Д., Крецингер Р.Х. (май 1992 г.). «Эволюция белков, модулированных кальцием EF-hand. II. Домены нескольких подсемейств имеют разнообразную эволюционную историю». Дж. Мол. Эвол . 34 (5): 416–48. дои : 10.1007/BF00162998. PMID 1602495. S2CID 34614223.
Байрох А., Кокс Дж.А. (сентябрь 1990 г.). «Мотивы EF-hand в инозитолфосфолипид-специфической фосфолипазе C». ФЭБС Летт . 269 (2): 454–6. дои : 10.1016/0014-5793(90)81214-9 . ПМИД 2401372.
Финн Б.Е., Форсен С. (январь 1995 г.). «Развивающаяся модель структуры, функции и активации кальмодулина». Состав . 3 (1): 7–11. дои : 10.1016/S0969-2126(01)00130-7 . ПМИД 7743133.
Статопулос П.Б., Чжэн Л., Ли Г.Ю., Плевин М.Дж., Икура М. (октябрь 2008 г.). «Структурное и механистическое понимание STIM1-опосредованной инициации поступления кальция в депо». Клетка . 135 (1): 110–22. дои : 10.1016/j.cell.2008.08.006 . ПМИД 18854159.
Ян Дж. «Кальциомика». Государственный университет Джорджии. Архивировано из оригинала 12 октября 2009 г. Проверено 29 августа 2009 г. сервер прогнозирования для кальцийсвязывающих белков EF-hand
