stringtranslate.com

Четвертичная структура белка

Protein primary structureProtein secondary structureProtein tertiary structureProtein quaternary structure
Изображение выше содержит кликабельные ссылки
Изображение выше содержит кликабельные ссылки
Эта диаграмма (которая является интерактивной) структуры белка использует PCNA в качестве примера. ( PDB : 1AXC ​)

Четвертичная структура белка [a] — это четвертый (и самый высокий) уровень классификации структуры белка . Четвертичная структура белка относится к структуре белков, которые сами состоят из двух или более меньших белковых цепей (также называемых субъединицами). Четвертичная структура белка описывает количество и расположение множественных свернутых белковых субъединиц в многосубъединичном комплексе . Она включает организации от простых димеров до крупных гомоолигомеров и комплексов с определенным или переменным числом субъединиц. [1] В отличие от первых трех уровней структуры белка, 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 являются сборками нескольких полипептидных цепей. Четвертичная структура относится к числу и расположению субъединиц белка по отношению друг к другу. [2] Примерами белков с четвертичной структурой являются гемоглобин , ДНК-полимераза , 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 вместо этого мультипротеиновыми комплексами, также обладают четвертичной структурой. Примерами являются нуклеосомы и микротрубочки . Изменения в четвертичной структуре могут происходить посредством конформационных изменений внутри отдельных субъединиц или посредством переориентации субъединиц относительно друг друга. Именно посредством таких изменений, которые лежат в основе кооперативности и аллостерии в «мультимерных» ферментах, многие белки подвергаются регуляции и выполняют свою физиологическую функцию.

Вышеприведенное определение следует классическому подходу к биохимии, установленному во времена, когда было трудно провести различие между белком и функциональной белковой единицей. В последнее время люди ссылаются на взаимодействие белок-белок при обсуждении четвертичной структуры белков и рассматривают все сборки белков как белковые комплексы .

Номенклатура

Четвертичную структуру этого белкового комплекса можно описать как гомотримерную, поскольку она состоит из трех идентичных меньших белковых субъединиц (также называемых мономерами или протомерами).

Число субъединиц в олигомерном комплексе описывается с помощью названий, которые заканчиваются на -mer (греч. «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 числом субъединиц, за которым следует -meric.

* Примеры неизвестны.

Наименьшая единица, образующая гомоолигомер, т. е. одну белковую цепь или субъединицу , обозначается как мономер, субъединица или протомер . Последний термин был первоначально придуман для обозначения наименьшей единицы гетероолигомерных белков, но в современной литературе также применяется к гомоолигомерным белкам. Субъединицы обычно располагаются в циклической симметрии, образуя замкнутые точечные групповые симметрии .

Хотя комплексы выше октамеров редко наблюдаются для большинства белков, есть некоторые важные исключения. Вирусные капсиды часто состоят из кратных 60 белков. Несколько молекулярных машин также обнаружены в клетке, такие как протеасома (четыре гептамерных кольца = 28 субъединиц), транскрипционный комплекс и сплайсосома . Рибосома , вероятно, является самой большой 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 означать, что комплекс может диссоциировать на более мелкие субкомплексы перед диссоциацией на мономеры. Обычно это подразумевает, что комплекс состоит из различных интерфейсов олигомеризации. Например, тетрамерный белок может иметь одну ось вращения четверного порядка, т. е. точечную группу симметрии 4 или C 4 . В этом случае четыре интерфейса между субъединицами идентичны. Он также может иметь точечную группу симметрии 222 или D 2 . Этот тетрамер имеет различные интерфейсы, и тетрамер может диссоциировать на два идентичных гомодимера. Тетрамеры с симметрией 222 являются «димером димеров». Гексамеры с симметрией 32 являются «тримером димеров» или «димером тримеров». Таким образом, номенклатура «димер димеров» используется для указания точечной групповой симметрии или расположения олигомера, независимо от информации, касающейся его свойств диссоциации.

Другое различие, которое часто делается при упоминании олигомеров, заключается в том, являются ли они гомомерными или гетеромерными, имея в виду, являются ли меньшие белковые субъединицы, которые объединяются для создания белкового комплекса, одинаковыми (гомомерными) или разными (гетеромерными) друг от друга. Например, два идентичных белковых мономера объединятся, чтобы сформировать гомодимер, тогда как два разных белковых мономера создадут гетеродимер.

Определение структуры

Четвертичную структуру белка можно определить с помощью различных экспериментальных методов, которые требуют образца белка в различных экспериментальных условиях. Эксперименты часто дают оценку массы нативного белка и, вместе со знанием масс и/или стехиометрии субъединиц, позволяют предсказать четвертичную структуру с заданной точностью. Не всегда возможно получить точное определение состава субъединицы по ряду причин.

Число субъединиц в белковом комплексе часто можно определить, измерив гидродинамический молекулярный объем или массу неповрежденного комплекса, что требует условий нативного раствора. Для сложенных белков массу можно вывести из его объема, используя парциальный удельный объем 0,73 мл/г. Однако измерения объема менее точны, чем измерения массы, поскольку развернутые белки, по-видимому, имеют гораздо больший объем, чем сложенные; требуются дополнительные эксперименты, чтобы определить, развернут ли белок или образовал олигомер.

Распространенные методы, используемые для изучения четвертичной структуры белков

Прямое измерение массы целых комплексов

Прямое измерение размера целых комплексов

Косвенное измерение размера целых комплексов

Методы, измеряющие массу или объем в условиях разворачивания (такие как масс-спектрометрия MALDI-TOF и SDS-PAGE ), как правило, бесполезны, поскольку ненативные условия обычно приводят к диссоциации 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 четвертичных структурных атрибутов белков на основе информации об их последовательности с использованием различных режимов псевдоаминокислотного состава . [2] [8] [9]

Программы предсказания сворачивания белка, используемые для предсказания третичной структуры белка, также расширяются для лучшего предсказания четвертичной структуры белка. Одной из таких разработок является AlphaFold-Multimer [10], построенный на основе модели AlphaFold для предсказания третичной структуры белка.

Роль в клеточной сигнализации

Четвертичная структура белка также играет важную роль в определенных сигнальных путях клетки. Путь рецептора, сопряженного с G-белком, включает гетеротримерный белок, известный как G-белок. G-белки содержат три отдельных субъединицы, известные как субъединицы G-альфа, G-бета и G-гамма. Когда G-белок активируется, он связывается с белком рецептора, сопряженным с G-белком, и инициируется сигнальный путь клетки. 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 сигнальный путь клетки. [11]

Белково-белковые взаимодействия

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

Внутригенная комплементарность

Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном , образуют четвертичный комплекс, эта белковая структура называется мультимером. [13] 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, по-видимому, распространена и была изучена во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерию Salmonella typhimurium ; вирус бактериофаг T4 , [14] РНК-вирус, [15] и людей. [16] Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимеров, обсуждались Йеле. [17]

Сборка

Прямое взаимодействие двух зарождающихся белков, появляющихся 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 распространенной формой взаимодействия было взаимодействие между N-концевыми областями взаимодействующих белков. Образование димеров, по-видимому, может происходить независимо от специализированных сборочных машин.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Здесь quaternary означает « структуру четвертого уровня », а не « четырехстороннее взаимодействие». Этимологически quartary является правильным: quaternary происходит от латинских распределительных чисел и следует за binary и ternary ; в то время как quartary происходит от латинских порядковых чисел и следует за secondary и tretiary . Однако quaternary является стандартным в биологии.

Ссылки

  1. ^ Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). «Раздел 3.5 Четвертичная структура: полипептидные цепи могут собираться в многосубъединичные структуры». Биохимия (5-е изд., 4-е печатное изд.). Нью-Йорк, Нью-Йорк [ua]: WH Freeman. ISBN 0-7167-3051-0.
  2. ^ ab Chou KC, Cai YD (ноябрь 2003 г.). «Предсказание четвертичной структуры белка по псевдоаминокислотному составу». Белки . 53 (2): 282–289. doi :10.1002/prot.10500. PMID  14517979. S2CID  23979933.
  3. ^ Stiving AQ, VanAernum ZL, Busch F, Harvey SR, Sarni SH, Wysocki VH (январь 2019 г.). «Диссоциация, вызванная поверхностью: эффективный метод характеристики четвертичной структуры белка». обзор. Аналитическая химия . 91 (1): 190–209. doi :10.1021/acs.analchem.8b05071. PMC 6571034. PMID  30412666 . 
  4. ^ ab Milligan G, Bouvier M (июнь 2005 г.). «Методы мониторинга четвертичной структуры рецепторов, сопряженных с G-белком». обзор. The FEBS Journal . 272 ​​(12): 2914–2925. doi :10.1111/j.1742-4658.2005.04731.x. PMID  15955052. S2CID  23274563.
  5. ^ Raicu V, Singh DR (ноябрь 2013 г.). «FRET-спектрометрия: новый инструмент для определения четвертичной структуры белка в живых клетках». primary. Biophysical Journal . 105 (9): 1937–1945. Bibcode : 2013BpJ...105.1937R. doi : 10.1016/j.bpj.2013.09.015. PMC 3824708. PMID  24209838. 
  6. ^ Prischi F, Pastore A (2016). "Применение ядерного магнитного резонанса и гибридных методов для определения структуры сложных систем". Advanced Technologies for Protein Complex Production and Characterization . обзор. Advances in Experimental Medicine and Biology. Vol. 896. pp. 351–368. doi :10.1007/978-3-319-27216-0_22. ISBN 978-3-319-27214-6. PMID  27165336.
  7. ^ Уэллс Дж. Н., Марш Дж. А. (2018). «Экспериментальная характеристика структуры, динамики и сборки белкового комплекса». Сборка белкового комплекса . обзор. Методы в молекулярной биологии. Том 1764. стр. 3–27. doi :10.1007/978-1-4939-7759-8_1. ISBN 978-1-4939-7758-1. PMID  29605905. Раздел 4: Спектроскопия ядерного магнитного резонанса
  8. ^ Zhang SW, Chen W, Yang F, Pan Q (октябрь 2008 г.). «Использование псевдоаминокислотного состава Чжоу для предсказания четвертичной структуры белка: подход PseAAC с сегментацией последовательности». Аминокислоты . 35 (3): 591–598. doi :10.1007/s00726-008-0086-x. PMID  18427713. S2CID  689955.
  9. ^ Xiao X, Wang P, Chou KC (2009). «Предсказание четвертичного структурного атрибута белка путем гибридизации состава функционального домена и псевдоаминокислотного состава». Журнал прикладной кристаллографии . 42 : 169–173. doi :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. ^ Heldin CH (январь 1995). «Димеризация рецепторов клеточной поверхности при передаче сигнала». Cell . 80 (2): 213–223. doi : 10.1016/0092-8674(95)90404-2 . PMID  7834741. S2CID  18925209.
  12. ^ Ardejani MS, Chok XL, Foo CJ, Orner BP (май 2013 г.). «Полный сдвиг олигомеризации ферритина в сторону сборки наноклеток посредством сконструированных белок-белковых взаимодействий». Chemical Communications . 49 (34): 3528–3530. doi :10.1039/C3CC40886H. PMID  23511498.
  13. ^ Crick FH, Orgel LE (январь 1964). «Теория межаллельной комплементарности». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–165. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID  14149958.
  14. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH (июнь 1965). «Внутригенная комплементарность среди температурно-чувствительных мутантов бактериофага T4D». Genetics . 51 (6): 987–1002. doi :10.1093/genetics/51.6.987. PMC 1210828 . PMID  14337770. 
  15. ^ Smallwood S, Cevik B, Moyer SA (декабрь 2002 г.). «Внутригенная комплементация и олигомеризация L-субъединицы РНК-полимеразы вируса Сендай». Вирусология . 304 (2): 235–245. doi : 10.1006/viro.2002.1720 . PMID  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. ^ Jehle H (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–524. Bibcode :1963PNAS...50..516J. doi : 10.1073/pnas.50.3.516 . PMC 221211 . PMID  16578546. 
  18. ^ ab Bertolini M, Fenzl K, Kats I, Wruck F, Tippmann F, Schmitt J, et al. (январь 2021 г.). «Взаимодействия между зарождающимися белками, транслируемыми соседними рибосомами, управляют сборкой гомомеров». primary. Science . 371 (6524): 57–64. Bibcode :2021Sci...371...57B. doi :10.1126/science.abc7151. PMC 7613021 . PMID  33384371. S2CID  229935047. 

Внешние ссылки