Мотив EF-hand содержит топологию спираль–петля–спираль, очень похожую на расставленные большой и указательный пальцы человеческой руки, в которой ионы Ca2 + координируются лигандами внутри петли. Мотив берет свое название от традиционной номенклатуры, используемой при описании белка парвальбумина , который содержит три таких мотива и, вероятно, участвует в расслаблении мышц посредством своей кальций-связывающей активности.
Ион кальция координируется в пентагональной бипирамидальной конфигурации. Шесть остатков, участвующих в связывании, находятся в положениях 1, 3, 5, 7, 9 и 12; эти остатки обозначены как X, Y, Z, -Y, -X и -Z. Инвариантный Glu или Asp в положении 12 обеспечивает два кислорода для лигандирования кальция (бидентатный лиганд).
Ион кальция связан как атомами белкового остова, так и боковыми цепями аминокислот , в частности остатками анионных аминокислот 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, имеют сильное предпочтение к кислородсодержащим боковым цепям, особенно аспартату и глутамату. Шестой остаток в петле обязательно является глицином из-за конформационных требований остова. Остальные остатки, как правило, гидрофобны и образуют гидрофобное ядро , которое связывает и стабилизирует две спирали.
При связывании с Ca 2+ этот мотив может претерпевать конформационные изменения, которые позволяют Ca 2+ -регулируемым функциям, как это видно в эффекторах Ca 2+, таких как кальмодулин (CaM) и тропонин C (TnC), и буферах Ca 2+, таких как кальретикулин и кальбиндин D9k. В то время как большинство известных EF-hand кальций-связывающих белков (CaBP) содержат парные EF-hand мотивы, CaBP с одинарными EF руками также были обнаружены как у бактерий, так и у эукариот. Кроме того, «EF-hand-like мотивы» были обнаружены у ряда бактерий. Хотя координационные свойства остаются схожими с каноническим мотивом EF-руки из 29 остатков спираль–петля–спираль, мотивы, подобные EF-руке, отличаются от EF-рук тем, что содержат отклонения во вторичной структуре фланкирующих последовательностей и/или вариации в длине координирующей петли Ca 2+ .
Руки EF обладают очень высокой селективностью по отношению к кальцию. Например, константа диссоциации альфа- парвальбумина для Ca 2+ в ~1000 раз ниже, чем для аналогичного иона Mg 2+ . [2] Эта высокая селективность обусловлена относительно жесткой геометрией координации, наличием множественных заряженных боковых цепей аминокислот в месте связывания, а также свойствами сольватации ионов. [3] [4] [5]
Прогноз
Сводка сигнатур мотивов, используемых для прогнозирования EF-рук.
Поиск паттерна (сигнатуры мотива) является одним из самых простых способов предсказать непрерывные сайты 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 предсказаний можно найти в разделе внешних ссылок.
Классификация
С момента выделения мотива EF-hand в 1973 году семейство белков EF-hand расширилось и на сегодняшний день включает не менее 66 подсемейств. Мотивы EF-hand делятся на две основные структурные группы:
Канонические EF-руки , как видно в кальмодулине (CaM) и прокариотическом CaM-подобном белке калеритрине. Каноническая петля EF-руки из 12 остатков связывает Ca 2+ в основном через карбоксилаты боковой цепи или карбонилы (позиции последовательности петли 1, 3, 5, 12). Остаток на оси –X координирует ион Ca 2+ через мостиковую молекулу воды. Петля EF-руки имеет бидентатный лиганд (Glu или Asp) на оси –Z.
Псевдо-EF-руки , обнаруженные исключительно на N-концах S100 и S100-подобных белков. Петля псевдо-EF-руки из 14 остатков хелатирует Ca 2+ в основном через карбонилы основной цепи (позиции 1, 4, 6, 9).
Филогенетическое древо семейства белков EF-hand.
Дополнительные пункты:
Белки типа EF-hand с разнообразными фланкирующими структурными элементами вокруг петли связывания Ca 2+ были зарегистрированы в бактериях и вирусах. Эти прокариотические белки типа EF-hand широко вовлечены в сигнализацию Ca 2+ и гомеостаз у бактерий. Они содержат гибкие длины петель связывания Ca 2+ , которые отличаются от мотивов EF-hand. Однако их координационные свойства напоминают классические мотивы EF-hand.
Например, полунепрерывный сайт связывания Ca 2+ в D- галактозосвязывающем белке (GBP) содержит петлю из девяти остатков. Ион Ca 2+ координируется семью атомами кислорода белка, пять из которых находятся в петле, имитирующей каноническую EF-петлю, тогда как два других находятся в карбоксилатной группе отдаленного Glu.
Другим примером является новый домен под названием Excalibur (внеклеточная область связывания Ca 2+ ), выделенный из Bacillus subtilis . Этот домен имеет консервативную петлю связывания Ca 2+ из 10 остатков , поразительно похожую на каноническую петлю EF-hand из 12 остатков.
Разнообразие структуры фланкирующей области иллюстрируется открытием доменов типа EF-hand в бактериальных белках. Например, спираль-петля-нить вместо структуры спираль-петля-спираль присутствует в периплазматическом галактозосвязывающем белке ( Salmonella typhimurium , PDB : 1gcg ) или альгинатсвязывающем белке ( Sphingomonas sp ., 1kwh ); входящая спираль отсутствует в протективном антигене ( Bacillus anthracis , 1acc ) или докерине ( Clostridium thermocellum , 1daq ).
Среди всех структур, о которых сообщалось на сегодняшний день, большинство мотивов EF-hand спариваются либо между двумя каноническими, либо между одним псевдо- и одним каноническим мотивом. Для белков с нечетным числом EF-hand, таких как пента-EF-hand кальпаин, мотивы EF-hand были связаны посредством гомо- или гетеродимеризации. Недавно идентифицированная EF-hand, содержащая белок-сенсор ER Ca 2+ , молекула стромального взаимодействия 1 и 2 (STIM1, STIM2), как было показано, содержит связывающий Ca 2+ канонический мотив EF-hand, который спаривается с непосредственным, нижестоящим атипичным «скрытым» не связывающим Ca 2+ EF-hand. Отдельные мотивы EF-hand могут служить модулями стыковки белков: например, отдельная EF-hand в белках NKD1 и NKD2 связывает белки Dishevelled (DVL1, DVL2, DVL3).
Функционально EF-руки можно разделить на два класса:
сигнальные белки
буферные/транспортные белки.
Первая группа является самой большой и включает в себя наиболее известных членов семейства, таких как кальмодулин, тропонин C и S100B. Эти белки обычно подвергаются кальций-зависимому конформационному изменению, которое открывает целевой сайт связывания. Последняя группа представлена кальбиндином D9k, и эти белки не подвергаются кальций-зависимым конформационным изменениям.
Aequorin — это белок, связывающий кальций (CaBP), выделенный из книдарий Aequorea victoria . Aequorin принадлежит к семейству CaBP EF-hand с петлями EF-hand, которые тесно связаны с CaBP у млекопитающих. Кроме того, aequorin в течение многих лет использовался в качестве индикатора Ca 2+ и, как было показано, безопасен и хорошо переносится клетками. Aequorin состоит из двух компонентов — компонента, связывающего кальций, апоэкворина (AQ) и хемилюминесцентной молекулы целентеразина . Часть AQ этого белка содержит домены связывания кальция EF-hand. [6]
^ Шваллер, Б. (13 октября 2010 г.). «Цитозольные буферы Ca2+». Cold Spring Harbor Perspectives in Biology . 2 (11): a004051. doi :10.1101/cshperspect.a004051. PMC 2964180. PMID 20943758 .
^ Гиффорд, Джессика Л.; Уолш, Майкл П.; Фогель, Ганс Дж. (15 июля 2007 г.). «Структуры и свойства связывания ионов металлов мотивов Ca-связывающей спирали–петли–спирали EF-руки». Biochemical Journal . 405 (2): 199–221. doi :10.1042/BJ20070255. PMID 17590154.
^ Дудев, Тодор; Лим, Кармей (16 сентября 2013 г.). «Конкуренция между ионами металлов за сайты связывания с белками: детерминанты селективности ионов металлов в белках». Chemical Reviews . 114 (1): 538–556. doi :10.1021/cr4004665. PMID 24040963.
^ Цзин, Чжифэн; Лю, Чэнвэнь; Ци, Руи; Жэнь, Пэнъюй (23 июля 2018 г.). «Эффект многих тел определяет селективность для Ca и Mg в белках». Труды Национальной академии наук . 115 (32): E7495–E7501. doi : 10.1073/pnas.1805049115 . PMC 6094099. PMID 30038003 .
^ Detert JA, Adams EL, Lescher JD, Lyons JA, Moyer JR (2013). «Предварительная обработка апоэкворином защищает нейроны гиппокампа CA1 от недостатка кислорода и глюкозы». PLOS ONE . 8 (11): e79002. doi : 10.1371/journal.pone.0079002 . PMC 3823939. PMID 24244400 .
Дальнейшее чтение
Branden C, Tooze J (1999). "Глава 2: Мотивы структуры белка". Введение в структуру белка . Нью-Йорк: Garland Pub. стр. 24–25. ISBN 0-8153-2305-0.
Накаяма С., Крецингер Р. Х. (1994). «Эволюция семейства белков EF-hand». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 23 : 473–507. doi :10.1146/annurev.bb.23.060194.002353. PMID 7919790.
Zhou Y, Yang W, Kirberger M, Lee HW, Ayalasomayajula G, Yang JJ (ноябрь 2006 г.). «Прогнозирование кальций-связывающих белков EF-hand и анализ бактериальных белков EF-hand». Proteins . 65 (3): 643–55. doi :10.1002/prot.21139. PMID 16981205. S2CID 8904181.
Zhou Y, Frey TK, Yang JJ (июль 2009 г.). «Вирусная кальциомика: взаимодействие Ca2+ и вируса». Cell Calcium . 46 (1): 1–17. doi :10.1016/j.ceca.2009.05.005. PMC 3449087 . PMID 19535138.
Nakayama S, Moncrief ND, Kretsinger RH (май 1992). «Эволюция кальций-модулируемых белков EF-hand. II. Домены нескольких подсемейств имеют различную эволюционную историю». J. Mol. Evol . 34 (5): 416–48. doi :10.1007/BF00162998. PMID 1602495. S2CID 34614223.
Hogue CW, MacManus JP, Banville D, Szabo AG (июль 1992 г.). "Сравнение усиления люминесценции тербия (III) в мутантах EF-ручных кальций-связывающих белков". J. Biol. Chem . 267 (19): 13340–7. doi : 10.1016/S0021-9258(18)42216-8 . PMID 1618836.
Bairoch A, Cox JA (сентябрь 1990 г.). "Мотивы EF-hand в специфической для инозитола фосфолипидной фосфолипазе C". FEBS Lett . 269 (2): 454–6. doi : 10.1016/0014-5793(90)81214-9 . PMID 2401372.
Finn BE, Forsén S (январь 1995). "Эволюционирующая модель структуры, функции и активации кальмодулина". Structure . 3 (1): 7–11. doi : 10.1016/S0969-2126(01)00130-7 . PMID 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.
Nelson MR, Thulin E, Fagan PA, Forsén S, Chazin WJ (февраль 2002 г.). «Домен EF-hand: глобально кооперативная структурная единица». Protein Sci . 11 (2): 198–205. doi :10.1110/ps.33302. PMC 2373453 . PMID 11790829.
Yang J. "Calciomics". Georgia State University. Архивировано из оригинала 2009-10-12 . Получено 2009-08-29 . сервер прогнозирования для кальций-связывающих белков EF-hand
