stringtranslate.com

Место привязки

Глюкоза связывается с гексокиназой в активном центре в начале гликолиза.

В биохимии и молекулярной биологии сайт связывания — это область на макромолекуле, такой как белок , которая связывается с другой молекулой со специфичностью . [1] Связывающий партнер макромолекулы часто называется лигандом . [ 2] Лиганды могут включать другие белки (приводящие к белок-белковому взаимодействию ), [3] субстраты ферментов , [4] вторичные мессенджеры , гормоны или аллостерические модуляторы . [5] Событие связывания часто, но не всегда, сопровождается конформационным изменением , которое изменяет функцию белка . [6] Связывание с сайтами связывания белка чаще всего обратимо (транзиторно и нековалентно ), но также может быть ковалентно обратимым [7] или необратимым. [8] [9]

Функция

Связывание лиганда с сайтом связывания на белке часто вызывает изменение конформации в белке и приводит к изменению клеточной функции. Следовательно, сайт связывания на белке является критически важной частью путей передачи сигнала . [10] Типы лигандов включают нейротрансмиттеры , токсины , нейропептиды и стероидные гормоны . [11] Сайты связывания подвергаются функциональным изменениям в ряде контекстов, включая катализ ферментов, молекулярный путь сигнализации, гомеостатическую регуляцию и физиологическую функцию. Электрический заряд , стерическая форма и геометрия сайта избирательно позволяют связываться высокоспецифичным лигандам, активируя определенный каскад клеточных взаимодействий, за которые отвечает белок. [12] [13] [14]

Катализ

Энергия активации уменьшается в присутствии фермента, катализирующего реакцию.

Ферменты осуществляют катализ, связываясь сильнее с переходными состояниями , чем с субстратами и продуктами. В месте каталитического связывания на субстрат могут воздействовать несколько различных взаимодействий. Они варьируются от электрического катализа, кислотного и основного катализа, ковалентного катализа и катализа ионами металлов. [11] Эти взаимодействия снижают энергию активации химической реакции, обеспечивая благоприятные взаимодействия для стабилизации молекулы с высокой энергией. Связывание фермента обеспечивает более тесную близость и исключение веществ, не имеющих отношения к реакции. Побочные реакции также препятствуются этим специфическим связыванием. [15] [11]

Типы ферментов, которые могут выполнять эти действия, включают оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы. [16]

Например, трансфераза гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы для получения глюкозо-6-фосфата. Активные остатки гексокиназы позволяют стабилизировать молекулу глюкозы в активном центре и стимулируют начало альтернативного пути благоприятных взаимодействий, снижая энергию активации. [17]

Ингибирование

Ингибирование белка путем связывания ингибитора может вызвать нарушение регуляции пути, гомеостатической регуляции и физиологической функции.

Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за связывание со свободными ферментами в активных центрах и, таким образом, препятствуют образованию комплекса фермент-субстрат при связывании. Например, отравление угарным газом вызвано конкурентным связыванием угарного газа, а не кислорода в гемоглобине.

Неконкурентные ингибиторы , в свою очередь, связываются одновременно с субстратом в активных центрах. При связывании с комплексом фермент-субстрат (ES) образуется комплекс фермент-субстрат-ингибитор (ESI). Подобно конкурентным ингибиторам, скорость образования продукта также снижается. [4]

Наконец, смешанные ингибиторы способны связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат. Однако, в отличие от конкурентных и неконкурентных ингибиторов, смешанные ингибиторы связываются с аллостерическим сайтом. Аллостерическое связывание вызывает конформационные изменения, которые могут увеличить сродство белка к субстрату. Это явление называется положительной модуляцией. Наоборот, аллостерическое связывание, которое уменьшает сродство белка к субстрату, является отрицательной модуляцией. [18]

Типы

Активный сайт

В активном центре субстрат связывается с ферментом, вызывая химическую реакцию. [19] [20] Субстраты, переходные состояния и продукты могут связываться с активным центром, а также любые конкурентные ингибиторы. [19] Например, в контексте функции белка связывание кальция с тропонином в мышечных клетках может вызывать конформационное изменение тропонина. Это позволяет тропомиозину обнажить сайт связывания актина и миозина, с которым связывается головка миозина, образуя поперечный мостик и вызывая сокращение мышцы . [21]

В контексте крови примером конкурентного связывания является оксид углерода, который конкурирует с кислородом за активный участок на геме . Высокое сродство оксида углерода может вытеснять кислород в присутствии низкой концентрации кислорода. В этих обстоятельствах связывание оксида углерода вызывает изменение конформации, которое препятствует связыванию гема с кислородом, что приводит к отравлению оксидом углерода. [4]

Конкурентное и неконкурентное связывание фермента в активном и регуляторном (аллостерическом) центре соответственно.

Аллостерический сайт

В регуляторном сайте связывание лиганда может вызвать усиленную или подавленную функцию белка. [4] [22] Связывание лиганда с аллостерическим сайтом мультимерного фермента часто вызывает положительную кооперативность, то есть связывание одного субстрата вызывает благоприятное изменение конформации и увеличивает вероятность связывания фермента со вторым субстратом. [23] Лиганды регуляторного сайта могут включать гомотропные и гетеротропные лиганды, в которых один или несколько типов молекул влияют на активность фермента соответственно. [24]

Ферменты, которые строго регулируются, часто необходимы в метаболических путях. Например, фосфофруктокиназа (ФФК), которая фосфорилирует фруктозу в гликолизе, в значительной степени регулируется АТФ. Ее регуляция в гликолизе имеет решающее значение, поскольку это этап, совершающий и ограничивающий скорость пути. ФФК также контролирует количество глюкозы, предназначенной для образования АТФ через катаболический путь. Поэтому при достаточном уровне АТФ ФФК аллостерически ингибируется АТФ. Эта регуляция эффективно сохраняет запасы глюкозы, которые могут быть необходимы для других путей. Цитрат, промежуточное вещество цикла лимонной кислоты, также работает как аллостерический регулятор ФФК. [24] [25]

Одно- и многоцепочечные сайты связывания

Сайты связывания можно также охарактеризовать по их структурным особенностям. Сайты с одной цепью (из «монодесмических» лигандов, μόνος: одиночный, δεσμός: связывание) образованы одной белковой цепью, в то время как сайты с несколькими цепями (из «полидесмических» лигандов, πολοί: много) [26] часто встречаются в белковых комплексах и образованы лигандами, которые связывают более одной белковой цепи, как правило, в белковых интерфейсах или вблизи них. Недавние исследования показывают, что структура сайта связывания имеет глубокие последствия для биологии белковых комплексов (эволюция функции, аллостерия). [27] [28]

Криптовалютные сайты связывания

Криптические сайты связывания — это сайты связывания, которые временно формируются в форме апо или которые индуцируются связыванием лиганда. Рассмотрение криптических сайтов связывания увеличивает размер потенциально « лекарственного » человеческого протеома с ~40% до ~78% белков, связанных с заболеванием. [29] Сайты связывания были исследованы с помощью: машины опорных векторов , примененной к набору данных «CryptoSite», [29] расширения набора данных «CryptoSite», [30] долгосрочного моделирования молекулярной динамики с моделью состояния Маркова и с помощью биофизических экспериментов, [31] и индекса криптического сайта, который основан на относительной доступной площади поверхности . [32]

Кривые переплета

Сигмоидальные и гиперболические паттерны связывания демонстрируют кооперативный и некооперативный характер ферментов.

Кривые связывания описывают поведение связывания лиганда с белком. Кривые могут быть охарактеризованы по форме, сигмоидальной или гиперболической, которая отражает, проявляет ли белок кооперативное или некооперативное поведение связывания соответственно. [33] Обычно ось x описывает концентрацию лиганда, а ось y описывает фракционное насыщение лигандов, связанных со всеми доступными сайтами связывания. [4] Уравнение Михаэлиса-Ментена обычно используется при определении формы кривой. Уравнение Михаэлиса-Ментена выводится на основе стационарных условий и учитывает ферментативные реакции, происходящие в растворе. Однако, когда реакция происходит, пока фермент связан с субстратом, кинетика разыгрывается по-другому. [34]

Моделирование с кривыми связывания полезно при оценке сродства связывания кислорода с гемоглобином и миоглобином в крови. Гемоглобин, который имеет четыре гемовые группы, демонстрирует кооперативное связывание . Это означает, что связывание кислорода с гемовой группой гемоглобина вызывает благоприятное изменение конформации, которое позволяет увеличить благоприятность связывания кислорода для следующих гемовых групп. В этих обстоятельствах кривая связывания гемоглобина будет сигмоидальной из-за его повышенной благоприятности связывания с кислородом. Поскольку миоглобин имеет только одну гемовую группу, он демонстрирует некооперативное связывание, которое является гиперболическим на кривой связывания. [35]

Приложения

Биохимические различия между различными организмами и людьми полезны для разработки лекарств . Например, пенициллин убивает бактерии, ингибируя бактериальный фермент DD -транспептидазу , разрушая развитие клеточной стенки бактерий и вызывая гибель клеток. Таким образом, изучение участков связывания актуально для многих областей исследований, включая механизмы рака, [36] формулирование лекарств, [37] и физиологическую регуляцию. [38] Формулирование ингибитора для подавления функции белка является распространенной формой фармацевтической терапии. [39]

Метотрексат ингибирует дигидрофолатредуктазу, вытесняя субстрат фолиевую кислоту. Место связывания синее, ингибитор зелёный, а субстрат чёрный.

В области рака лиганды, отредактированные так, чтобы иметь вид, похожий на естественный лиганд, используются для ингибирования роста опухоли. Например, метотрексат , химиотерапевтическое средство , действует как конкурентный ингибитор на активном участке дигидрофолатредуктазы . [40] Это взаимодействие ингибирует синтез тетрагидрофолата , прекращая производство ДНК, РНК и белков. [40] Ингибирование этой функции подавляет неопластический рост и улучшает тяжелый псориаз и ревматоидный артрит у взрослых . [39]

При сердечно-сосудистых заболеваниях такие препараты, как бета-блокаторы, используются для лечения пациентов с гипертонией. Бета-блокаторы (β-блокаторы) являются антигипертензивными средствами, которые блокируют связывание гормонов адреналина и норадреналина с β1- и β2-рецепторами в сердце и кровеносных сосудах. Эти рецепторы обычно опосредуют симпатическую реакцию «бей или беги», вызывая сужение кровеносных сосудов. [41]

Конкурентные ингибиторы также в основном встречаются в продаже. Ботулинический токсин , известный под коммерческим названием Botox, является нейротоксином , который вызывает вялый паралич в мышцах из-за связывания с ацетилхолин-зависимыми нервами. Это взаимодействие подавляет мышечные сокращения, создавая видимость гладких мышц. [42]

Прогноз

Разработан ряд вычислительных инструментов для прогнозирования расположения участков связывания на белках. [22] [43] [44] Их можно в целом классифицировать на основанные на последовательности и основанные на структуре. [44] Методы, основанные на последовательности, полагаются на предположение, что последовательности функционально консервативных частей белков, таких как участок связывания, сохраняются. Методы, основанные на структуре, требуют трехмерной структуры белка. Эти методы, в свою очередь, можно подразделить на методы, основанные на шаблонах и карманах. [44] Методы, основанные на шаблонах, ищут трехмерные сходства между целевым белком и белками с известными участками связывания. Методы, основанные на карманах, ищут вогнутые поверхности или скрытые карманы в целевом белке, которые обладают такими характеристиками, как гидрофобность и способность к образованию водородных связей , которые позволили бы им связывать лиганды с высокой аффинностью. [44] Несмотря на то, что здесь используется термин «карман», аналогичные методы можно использовать для прогнозирования участков связывания, используемых во взаимодействиях белок-белок, которые обычно более плоские, а не в карманах. [45]

Ссылки

  1. ^ "Сайт связывания". Медицинские предметные рубрики (MeSH) . Национальная медицинская библиотека США. Части макромолекулы, которые непосредственно участвуют в ее специфической комбинации с другой молекулой.
  2. ^ "Лиганды". Медицинские предметные рубрики (MeSH) . Национальная медицинская библиотека США. Молекула, которая связывается с другой молекулой, используется в основном для обозначения небольшой молекулы, которая специфически связывается с более крупной молекулой.
  3. ^ Amos-Binks A, Patulea C, Pitre S, Schoenrock A, Gui Y, Green JR, Golshani A, Dehne F (июнь 2011 г.). «Предсказание сайта связывания для белок-белковых взаимодействий и открытие новых мотивов с использованием повторяющихся полипептидных последовательностей». BMC Bioinformatics . 12 : 225. doi : 10.1186/1471-2105-12-225 . PMC 3120708 . PMID  21635751. 
  4. ^ abcde Hardin CC, Knopp JA (2013). "Глава 8: Ферменты". Биохимия - Основные концепции . Нью-Йорк: Oxford University Press. С. 51–69. ISBN 978-1-62870-176-0.
  5. ^ Kenakin TP (апрель 2016 г.). «Характеристики аллостеризма в действии лекарств». В Bowery NG (ред.). Модуляция аллостерических рецепторов в нацеливании лекарств . CRC Press. стр. 26. ISBN 978-1-4200-1618-5.
  6. ^ Spitzer R, Cleves AE, Varela R, Jain AN (апрель 2014 г.). «Аннотация функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания». Proteins . 82 (4): 679–94. doi :10.1002/prot.24450. PMC 3949165 . PMID  24166661. 
  7. ^ Bandyopadhyay A, Gao J (октябрь 2016 г.). «Нацеливание биомолекул с помощью обратимой ковалентной химии». Current Opinion in Chemical Biology . 34 : 110–116. doi : 10.1016/j.cbpa.2016.08.011. PMC 5107367. PMID 27599186  . 
  8. ^ Bellelli A, Carey J (январь 2018). "Reversible Ligand Binding". Reversible Ligand Binding: Theory and Experiment . John Wiley & Sons. стр. 278. ISBN 978-1-119-23848-5.
  9. ^ Назем, Фатемех; Гасеми, Фахимех; Фассихи, Афшин; Мехри Дехнави, Алиреза (2021). «3D U-Net: основанный на вокселях метод прогнозирования сайтов связывания структуры белка». Журнал биоинформатики и вычислительной биологии . 19 (2). doi :10.1142/S0219720021500062. PMID  33866960.
  10. ^ Xu D, Jalal SI, Sledge GW, Meroueh SO (октябрь 2016 г.). «Сайты связывания малых молекул для изучения белок-белковых взаимодействий в протеоме рака». Molecular BioSystems . 12 (10): 3067–87. doi :10.1039/c6mb00231e. PMC 5030169 . PMID  27452673. 
  11. ^ abc Wilson K (март 2010). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии . Cambridge University Press. стр. 581–624. doi :10.1017/cbo9780511841477.016. ISBN 9780511841477.
  12. ^ Ахерн К (2015). Биохимия бесплатно для всех . Университет штата Орегон. С. 110–141.
  13. ^ Кумар AP, Лукман S (2018-06-06). "Аллостерические сайты связывания в Rab11 для потенциальных кандидатов на лекарства". PLOS ONE . 13 (6): e0198632. Bibcode : 2018PLoSO..1398632K. doi : 10.1371/journal.pone.0198632 . PMC 5991966. PMID  29874286 . 
  14. ^ Назем, Фатемех; Гасеми, Фахимех; Фассихи, Афшин; Мехри Дехнави, Алиреза (2024). «Сеть глубокого внимания для определения участков связывания лиганда с белком». Журнал вычислительной науки . 81 . doi :10.1016/j.jocs.2024.102368.
  15. ^ Добсон JA, Джеррард AJ, Пратт JA (2008). Основы химической биологии . Oxford University Press. ISBN 9780199248995. OCLC  487962823.
  16. ^ Azzaroni O, Szleifer I (2017-12-04). Полимерные и биополимерные кисти . doi :10.1002/9781119455042. ISBN 978-1-119-45501-1.
  17. ^ Словарь по пищевой науке и технологии (2-е изд.). Международная информационная служба по пищевым продуктам. 2009. ISBN 978-1-4051-8740-4.
  18. ^ Кларк КГ (2013). Биотехнология . Woodhead Publishing. стр. 79–84. doi :10.1533/9781782421689. ISBN 978-1-78242-167-2.
  19. ^ ab Wilson K (март 2010 г.). «Ферменты». В Wilson K, Walker J (ред.). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии . Cambridge University Press. стр. 581–624. doi :10.1017/cbo9780511841477.016. ISBN 9780511841477. Получено 01.11.2018 .
  20. ^ Шашке К (2014). Словарь химической инженерии . Oxford University Press. ISBN 978-1-62870-844-8.
  21. ^ Моррис Дж (2016). Биология. Как устроена жизнь . Соединенные Штаты Америки: WH Freeman and Company. С. 787–792. ISBN 978-1-4641-2609-3.
  22. ^ ab Konc J, Janežič D (апрель 2014 г.). «Сравнение мест связывания для предсказания функций и фармацевтического открытия». Current Opinion in Structural Biology . 25 : 34–9. doi :10.1016/j.sbi.2013.11.012. PMID  24878342.
  23. ^ Fuqua C, White D (2004). "Прокариотическая межклеточная сигнализация". Клеточная сигнализация у прокариот и низших метазоа . Springer Netherlands. стр. 27–71. doi :10.1007/978-94-017-0998-9_2. ISBN 9789048164837.
  24. ^ ab Creighton TE (2010). Биофизическая химия нуклеиновых кислот и белков . Helvetian Press. ISBN 978-0956478115. OCLC  760830351.
  25. ^ Currell BR, van Dam-Mieras MC (1997). Биотехнологические инновации в химическом синтезе . Оксфорд: Butterworth-Heinemann. С. 125–128. ISBN 978-0-7506-0561-8.
  26. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует сворачивание, сборку и деградацию гомомерных белковых комплексов». Журнал молекулярной биологии . 431 (19): 3871–3888. doi :10.1016/j.jmb.2019.07.014. PMC 6739599. PMID  31306664 . 
  27. ^ Abrusan G, Marsh JA (2018). «Структура сайта связывания лиганда влияет на эволюцию функции и топологии белкового комплекса». Cell Reports . 22 (12): 3265–3276. doi :10.1016/j.celrep.2018.02.085. PMC 5873459. PMID  29562182 . 
  28. ^ Abrusan G, Marsh JA (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует аллостерическую передачу сигнала и эволюцию аллостерии в белковых комплексах». Молекулярная биология и эволюция . 36 (8): 1711–1727. doi :10.1093/molbev/msz093. PMC 6657754. PMID  31004156 . 
  29. ^ ab Cimermancic P, Weinkam P, Rettenmaier TJ, Bichmann L, Keedy DA, Woldeyes RA и др. (февраль 2016 г.). «CryptoSite: расширение протеома, поддающегося лекарственным препаратам, путем характеристики и прогнозирования сайтов криптического связывания». Журнал молекулярной биологии . 428 (4): 709–719. doi : 10.1016/j.jmb.2016.01.029 . PMC 4794384. PMID  26854760. 
  30. ^ Beglov D, Hall DR, Wakefield AE, Luo L, Allen KN, Kozakov D, et al. (апрель 2018 г.). «Изучение структурного происхождения криптических участков белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 115 (15): E3416–E3425. Bibcode : 2018PNAS..115E3416B. doi : 10.1073/pnas.1711490115 . PMC 5899430. PMID  29581267 . 
  31. ^ Bowman GR, Bolin ER, Hart KM, Maguire BC, Marqusee S (март 2015 г.). «Открытие множественных скрытых аллостерических участков путем объединения моделей марковских состояний и экспериментов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 112 (9): 2734–9. Bibcode : 2015PNAS..112.2734B. doi : 10.1073/pnas.1417811112 . PMC 4352775. PMID  25730859 . 
  32. ^ Иида С., Накамура Х.К., Машимо Т., Фукуниси И. (ноябрь 2020 г.). «Структурные флуктуации ароматических остатков в апо-форме выявляют криптические сайты связывания: последствия для разработки лекарств на основе фрагментов». Журнал физической химии B. 124 ( 45): 9977–9986. doi : 10.1021/acs.jpcb.0c04963. PMID  33140952. S2CID  226244554.
  33. ^ Ahern K (январь 2017 г.). «Преподавание биохимии онлайн в Университете штата Орегон». Биохимия и образование в области молекулярной биологии . 45 (1): 25–30. doi : 10.1002/bmb.20979 . PMID  27228905.
  34. ^ Anne A, Demaille C (октябрь 2012 г.). «Кинетика действия ферментов на поверхностно-прикрепленные субстраты: практическое руководство по анализу кривой прогресса в любой кинетической ситуации». Langmuir . 28 (41): 14665–71. doi :10.1021/la3030827. PMID  22978617.
  35. ^ Моррис JR, Хартл DL, Нолл AH (19 ноября 2015 г.). Биология: как устроена жизнь (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 9781464126093. OCLC  937824456.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  36. ^ Spitzer R, Cleves AE, Varela R, Jain AN (апрель 2014 г.). «Аннотация функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания». Proteins . 82 (4): 679–94. doi :10.1002/prot.24450. PMC 3949165 . PMID  24166661. 
  37. ^ Peng J, Li XP (ноябрь 2018 г.). «Аполипопротеин A-IV: потенциальная терапевтическая мишень для атеросклероза». Простагландины и другие липидные медиаторы . 139 : 87–92. doi : 10.1016/j.prostaglandins.2018.10.004. PMID  30352313. S2CID  53023273.
  38. ^ McNamara JW, Sadayappan S (декабрь 2018 г.). «Скелетный миозин-связывающий белок-C: все более важный регулятор физиологии поперечно-полосатых мышц». Архивы биохимии и биофизики . 660 : 121–128. doi : 10.1016/j.abb.2018.10.007. PMC 6289839. PMID  30339776 . 
  39. ^ ab Widemann BC, Adamson PC (июнь 2006 г.). «Понимание и управление нефротоксичностью метотрексата». The Oncologist . 11 (6): 694–703. doi : 10.1634/theoncologist.11-6-694 . PMID  16794248.
  40. ^ ab Rajagopalan PT, Zhang Z, McCourt L, Dwyer M, Benkovic SJ, Hammes GG (октябрь 2002 г.). «Взаимодействие дигидрофолатредуктазы с метотрексатом: кинетика ансамбля и одной молекулы». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 99 (21): 13481–6. Bibcode : 2002PNAS...9913481R. doi : 10.1073/pnas.172501499 . PMC 129699. PMID  12359872 . 
  41. ^ Frishman WH, Cheng-Lai A, Chen J, ред. (2000). Современные сердечно-сосудистые препараты . doi :10.1007/978-1-4615-6767-7. ISBN 978-1-57340-135-7. S2CID  38187984.
  42. ^ Montecucco C, Molgó J (июнь 2005 г.). «Ботулинические нейротоксины: возрождение старого убийцы». Current Opinion in Pharmacology . 5 (3): 274–9. doi :10.1016/j.coph.2004.12.006. PMID  15907915.
  43. ^ Roche DB, Brackenridge DA, McGuffin LJ (декабрь 2015 г.). «Белки и их взаимодействующие партнеры: введение в методы прогнозирования сайтов связывания белка с лигандом». International Journal of Molecular Sciences . 16 (12): 29829–42. doi : 10.3390/ijms161226202 . PMC 4691145. PMID  26694353 . 
  44. ^ abcd Broomhead NK, Soliman ME (март 2017 г.). «Можем ли мы полагаться на вычислительные прогнозы для правильной идентификации участков связывания лигандов на новых белковых лекарственных мишенях? Оценка методов прогнозирования участков связывания и протокол для проверки предсказанных участков связывания». Биохимия и биофизика клеток . 75 (1): 15–23. doi :10.1007/s12013-016-0769-y. PMID  27796788. S2CID  6705144.
  45. ^ Джонс С., Торнтон Дж. М. (сентябрь 1997 г.). «Анализ участков взаимодействия белок-белок с использованием поверхностных участков». Журнал молекулярной биологии . 272 ​​(1): 121–32. doi :10.1006/jmbi.1997.1234. PMID  9299342.

Внешние ссылки