stringtranslate.com

Четвертичная структура белка

Protein primary structureProtein secondary structureProtein tertiary structureProtein quaternary structure
Изображение выше содержит кликабельные ссылки.
Изображение выше содержит кликабельные ссылки.
На этой диаграмме (интерактивной) структуры белка в качестве примера используется PCNA . ( PDB : 1AXC ​)

Четвертичная структура белка [a] — четвертый (и высший) классификационный уровень структуры белка . Четвертичная структура белка относится к структуре белков, которые сами состоят из двух или более более мелких белковых цепей (также называемых субъединицами). Четвертичная структура белка описывает количество и расположение многократно свернутых субъединиц белка в комплексе из нескольких субъединиц . Он включает организации от простых димеров до крупных гомоолигомеров и комплексов с определенным или переменным числом субъединиц. [1] В отличие от первых трех уровней структуры белков, не все белки будут иметь четвертичную структуру, поскольку некоторые белки функционируют как отдельные единицы. Четвертичная структура белка может также относиться к биомолекулярным комплексам белков с нуклеиновыми кислотами и другими кофакторами .

Описание и примеры

Многие белки на самом деле представляют собой совокупности нескольких полипептидных цепей. Четвертичная структура относится к числу и расположению субъединиц белка относительно друг друга. [2] Примеры белков с четвертичной структурой включают гемоглобин , ДНК-полимеразу , рибосомы , антитела и ионные каналы .

Ферменты , состоящие из субъединиц с разнообразными функциями, иногда называют голоферментами , в которых некоторые части могут быть известны как регуляторные субъединицы, а функциональное ядро ​​известно как каталитическая субъединица. Другие сборки, называемые мультибелковыми комплексами, также обладают четвертичной структурой. Примеры включают нуклеосомы и микротрубочки . Изменения четвертичной структуры могут происходить за счет конформационных изменений внутри отдельных субъединиц или за счет переориентации субъединиц относительно друг друга. Именно посредством таких изменений, лежащих в основе кооперативности и аллостерии «мультимерных» ферментов, многие белки подвергаются регуляции и выполняют свою физиологическую функцию.

Приведенное выше определение соответствует классическому подходу к биохимии, сложившемуся в те времена, когда было трудно объяснить различие между белком и функциональной белковой единицей. Совсем недавно люди ссылались на белок-белковое взаимодействие при обсуждении четвертичной структуры белков и рассматривали все сборки белков как белковые комплексы .

Номенклатура

Четвертичную структуру этого белкового комплекса можно было бы описать как гомотример, поскольку он состоит из трех идентичных белковых субъединиц меньшего размера (также называемых мономерами или протомерами).

Количество субъединиц в олигомерном комплексе описывается с помощью названий, оканчивающихся на -mer (по-гречески «часть, субъединица»). Формальные и греко-латинские названия обычно используются для первых десяти типов и могут использоваться для двадцати субъединиц, тогда как комплексы более высокого порядка обычно описываются количеством субъединиц, за которым следует -мерный.

* Нет известных примеров

Наименьшая единица, образующая гомоолигомер, то есть одна белковая цепь или субъединица , обозначается как мономер, субъединица или протомер . Последний термин первоначально был разработан для обозначения наименьшей единицы гетероолигомерных белков, но в современной литературе он также применяется к гомоолигомерным белкам. Субъединицы обычно располагаются в циклической симметрии , образуя симметрию замкнутой точечной группы .

Хотя для большинства белков редко наблюдаются комплексы выше октамеров, есть некоторые важные исключения. Вирусные капсиды часто состоят из белков, кратных 60. В клетке также обнаружено несколько молекулярных машин , таких как протеасома (четыре гептамерных кольца = 28 субъединиц), транскрипционный комплекс и сплайсосома . Рибосома , вероятно, является крупнейшей молекулярной машиной и состоит из множества молекул РНК и белков.

В некоторых случаях белки образуют комплексы, которые затем собираются в еще более крупные комплексы. В таких случаях используют номенклатуру, например, «димер димеров» или «тример димеров». Это может свидетельствовать о том, что комплекс может диссоциировать на более мелкие субкомплексы, прежде чем диссоциировать на мономеры. Обычно это означает, что комплекс состоит из различных интерфейсов олигомеризации. Например, тетрамерный белок может иметь одну ось вращения четырехкратного порядка, т.е. симметрию точечной группы 4 или C 4 . В этом случае четыре интерфейса между субблоками идентичны. Он также может иметь симметрию точечной группы 222 или D 2 . Этот тетрамер имеет разные интерфейсы, и тетрамер может диссоциировать на два идентичных гомодимера. Тетрамеры симметрии 222 являются «димерами димеров». Гексамеры 32-точечной группы симметрии представляют собой «тример димеров» или «димер тримеров». Таким образом, номенклатура «димер из димеров» используется для указания симметрии точечной группы или расположения олигомера независимо от информации, касающейся его свойств диссоциации.

Другое различие, которое часто делают при упоминании олигомеров , заключается в том, являются ли они гомомерными или гетеромерными, имея в виду, являются ли более мелкие субъединицы белка, которые собираются вместе, образуя белковый комплекс, одинаковыми (гомомерными) или отличными (гетеромерными) друг от друга. Например, два идентичных мономера белка объединятся, образуя гомодимер, тогда как два разных мономера белка образуют гетеродимер.

Определение структуры

Четвертичная структура белка может быть определена с использованием различных экспериментальных методов, которые требуют образца белка в различных экспериментальных условиях. Эксперименты часто позволяют оценить массу нативного белка и вместе со знанием массы и/или стехиометрии субъединиц позволяют предсказать четвертичную структуру с заданной точностью. Точное определение субъединичного состава не всегда возможно получить по ряду причин.

Число субъединиц в белковом комплексе часто можно определить путем измерения гидродинамического молекулярного объема или массы интактного комплекса, что требует условий нативного раствора. Для свернутых белков массу можно определить по их объему, используя частичный удельный объем 0,73 мл/г. Однако измерения объема менее точны, чем измерения массы, поскольку развернутые белки имеют гораздо больший объем, чем свернутые белки; необходимы дополнительные эксперименты, чтобы определить, развернут ли белок или образовался олигомер.

Общие методы, используемые для изучения четвертичной структуры белка

Прямое измерение массы интактных комплексов

Прямое измерение размера интактных комплексов

Косвенное измерение размера интактных комплексов

Методы измерения массы или объема в условиях разворачивания (такие как масс-спектрометрия MALDI-TOF и SDS-PAGE ), как правило, бесполезны, поскольку ненативные условия обычно вызывают диссоциацию комплекса на мономеры. Однако иногда они могут быть применимы; например, экспериментатор может применить SDS-PAGE после первой обработки интактного комплекса химическими сшивающими реагентами.

Прогнозирование структуры

Были разработаны некоторые методы биоинформатики для прогнозирования свойств четвертичной структуры белков на основе информации об их последовательностях с использованием различных режимов псевдоаминокислотного состава . [2] [8] [9]

Программы прогнозирования сворачивания белков, используемые для прогнозирования третичной структуры белка, также расширяются, чтобы лучше прогнозировать четвертичную структуру белка. Одной из таких разработок является AlphaFold-Multimer [10], построенный на основе модели AlphaFold для прогнозирования третичной структуры белка.

Роль в передаче сотовых сигналов

Четвертичная структура белка также играет важную роль в некоторых сигнальных путях клеток. Путь рецептора, связанного с G-белком, включает гетеротримерный белок, известный как G-белок. G-белки содержат три отдельные субъединицы, известные как субъединицы G-альфа, G-бета и G-гамма. Когда G-белок активируется, он связывается с белком-рецептором, связанным с G-белком, и инициируется клеточный сигнальный путь. Другим примером является путь рецепторной тирозинкиназы (RTK), который инициируется димеризацией двух мономеров рецепторной тирозинкиназы. Когда образуется димер, две киназы могут фосфорилировать друг друга и инициировать клеточный сигнальный путь. [11]

Белково-белковые взаимодействия

Белки способны образовывать очень прочные, но лишь временные комплексы. Например, ингибитор рибонуклеазы связывается с рибонуклеазой А с константой диссоциации примерно 20 фМ . Другие белки эволюционировали, чтобы специфически связываться с необычными фрагментами другого белка, например, с группами биотина (авидин), фосфорилированными тирозинами ( домены SH2 ) или богатыми пролином сегментами ( домены SH3 ). Взаимодействия белок-белок могут быть сконструированы таким образом, чтобы способствовать определенным состояниям олигомеризации. [12]

Внутригенная комплементация

Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, образуют четверичный комплекс, такая белковая структура называется мультимером. [13] Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией (также называемой межаллельной комплементацией). Внутригенная комплементация, по-видимому, является обычным явлением и изучалась во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерия Salmonella typhimurium ; вирус- бактериофаг Т4 , [14] РНК-вирус, [15] и человек. [16] Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимеров, обсуждались Йеле. [17]

Сборка

Прямое взаимодействие двух возникающих белков, возникающих из близлежащих рибосом, по-видимому, является общим механизмом образования олигомеров. [18] Были идентифицированы сотни белковых олигомеров, которые собираются в клетках человека посредством такого взаимодействия. [18] Наиболее распространенная форма взаимодействия была между N-концевыми областями взаимодействующих белков. Образование димеров, по-видимому, может происходить независимо от специальных сборочных машин.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Здесь четверичный означает « структуру четвертого уровня », а не « четырехстороннее взаимодействие». Этимологически четвертичная система правильна: четвертичная система происходит от латинских распределительных чисел и следует за двоичной и троичной системой ; в то время как четвертичный происходит от латинских порядковых чисел и следует за вторичным и третичным . Однако четвертичность является стандартной в биологии.

Рекомендации

  1. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Раздел 3.5 Четвертичная структура: полипептидные цепи могут собираться в многосубъединичные структуры». Биохимия (5. изд., 4. печат. изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк [ua]: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0.
  2. ^ Аб Чоу К.К., Цай Ю.Д. (ноябрь 2003 г.). «Предсказание четвертичной структуры белка по псевдоаминокислотному составу». Белки . 53 (2): 282–289. дои : 10.1002/прот.10500. PMID  14517979. S2CID  23979933.
  3. ^ Стивинг AQ, VanAernum ZL, Буш Ф, Харви С.Р., Сарни Ш., Высоцкий В.Х. (январь 2019 г.). «Поверхностно-индуцированная диссоциация: эффективный метод характеристики четвертичной структуры белка». обзор. Аналитическая химия . 91 (1): 190–209. doi : 10.1021/acs.analchem.8b05071. ПМК 6571034 . ПМИД  30412666. 
  4. ^ аб Миллиган Г., Бувье М. (июнь 2005 г.). «Методы мониторинга четвертичной структуры рецепторов, связанных с G-белком». обзор. Журнал ФЭБС . 272 (12): 2914–2925. дои : 10.1111/j.1742-4658.2005.04731.x. PMID  15955052. S2CID  23274563.
  5. ^ Райку В., Сингх Д.Р. (ноябрь 2013 г.). «FRET-спектрометрия: новый инструмент для определения четвертичной структуры белков в живых клетках». начальный. Биофизический журнал . 105 (9): 1937–1945. Бибкод : 2013BpJ...105.1937R. дои : 10.1016/j.bpj.2013.09.015. ПМЦ 3824708 . ПМИД  24209838. 
  6. ^ Приски Ф, Пасторе А (2016). «Применение ядерного магнитного резонанса и гибридных методов для определения структуры сложных систем». Передовые технологии производства и характеристики белковых комплексов . обзор. Достижения экспериментальной медицины и биологии. Том. 896. стр. 351–368. дои : 10.1007/978-3-319-27216-0_22. ISBN 978-3-319-27214-6. ПМИД  27165336.
  7. ^ Уэллс Дж. Н., Марш Дж. А. (2018). «Экспериментальная характеристика структуры, динамики и сборки белкового комплекса». Сборка белкового комплекса . обзор. Методы молекулярной биологии. Том. 1764. стр. 3–27. дои : 10.1007/978-1-4939-7759-8_1. ISBN 978-1-4939-7758-1. PMID  29605905. Раздел 4: Спектроскопия ядерного магнитного резонанса.
  8. ^ Чжан С.В., Чен В., Ян Ф., Пан Ц. (октябрь 2008 г.). «Использование псевдоаминокислотного состава Чоу для предсказания четвертичной структуры белка: подход PseAAC с сегментированием последовательностей». Аминокислоты . 35 (3): 591–598. дои : 10.1007/s00726-008-0086-x. PMID  18427713. S2CID  689955.
  9. ^ Сяо X, Ван П., Чжоу К.С. (2009). «Прогнозирование четвертичной структурной характеристики белка путем гибридизации состава функционального домена и состава псевдоаминокислот». Журнал прикладной кристаллографии . 42 : 169–173. дои : 10.1107/S0021889809002751.
  10. ^ Эванс Р., О'Нил М., Притцель А., Антропова Н., Старший AW, Грин Т. и др. (4 октября 2021 г.). «Прогнозирование белкового комплекса с помощью AlphaFold-Multimer». bioRxiv : 2021.10.04.463034. дои : 10.1101/2021.10.04.463034. S2CID  238413014.
  11. ^ Хелдин CH (январь 1995 г.). «Димеризация рецепторов клеточной поверхности при передаче сигнала». Клетка . 80 (2): 213–223. дои : 10.1016/0092-8674(95)90404-2 . PMID  7834741. S2CID  18925209.
  12. ^ Ардеяни М.С., Чок XL, Фу CJ, Орнер Б.П. (май 2013 г.). «Полный сдвиг олигомеризации ферритина в сторону сборки наноклеток посредством сконструированных белок-белковых взаимодействий». Химические коммуникации . 49 (34): 3528–3530. дои : 10.1039/C3CC40886H. ПМИД  23511498.
  13. ^ Крик Ф.Х., Оргель Л.Е. (январь 1964 г.). «Теория межаллельной комплементации». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–165. дои : 10.1016/s0022-2836(64)80156-x. ПМИД  14149958.
  14. ^ Бернштейн Х., Эдгар Р.С., Денхардт Г.Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация термочувствительных мутантов бактериофага T4D». Генетика . 51 (6): 987–1002. дои : 10.1093/генетика/51.6.987. ПМЦ 1210828 . ПМИД  14337770. 
  15. ^ Смоллвуд С., Чевик Б., Мойер С.А. (декабрь 2002 г.). «Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай». Вирусология . 304 (2): 235–245. дои : 10.1006/виро.2002.1720 . ПМИД  12504565.
  16. ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Девиат Л.Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. (июнь 2005 г.). «На пути к модели, объясняющей внутригенную комплементацию гетеромультимерной протеинпропионил-КоА-карбоксилазы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1740 (3): 489–498. дои : 10.1016/j.bbadis.2004.10.009 . ПМИД  15949719.
  17. ^ Джеле Х (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–524. Бибкод : 1963PNAS...50..516J. дои : 10.1073/pnas.50.3.516 . ПМК 221211 . ПМИД  16578546. 
  18. ^ ab Бертолини М., Фенцл К., Кац И., Врук Ф., Типпманн Ф., Шмитт Дж. и др. (январь 2021 г.). «Взаимодействия между возникающими белками, транслируемые соседними рибосомами, приводят к сборке гомомера». начальный. Наука . 371 (6524): 57–64. Бибкод : 2021Sci...371...57B. doi : 10.1126/science.abc7151. ПМЦ 7613021 . PMID  33384371. S2CID  229935047. 

Внешние ссылки