Белковый комплекс или мультибелковый комплекс представляет собой группу из двух или более связанных полипептидных цепей . Белковые комплексы отличаются от мультидоменных ферментов, в которых несколько каталитических доменов находятся в одной полипептидной цепи. [1]
Белковые комплексы представляют собой форму четвертичной структуры. Белки в белковом комплексе связаны нековалентными белок-белковыми взаимодействиями . Эти комплексы являются краеугольным камнем многих (если не большинства) биологических процессов. Видно, что клетка состоит из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую дискретную биологическую функцию. [2]
Благодаря близости скорость и селективность связывающих взаимодействий между ферментативным комплексом и субстратами могут быть значительно улучшены, что приводит к более высокой клеточной эффективности. Многие методы, используемые для проникновения в клетки и выделения белков, по своей сути разрушительны для таких больших комплексов, что усложняет задачу определения компонентов комплекса.
Примеры белковых комплексов включают протеасому для молекулярной деградации и большинство РНК-полимераз . В стабильных комплексах большие гидрофобные границы раздела между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных Ås . [3]
Образование белкового комплекса может активировать или ингибировать один или несколько членов комплекса, и таким образом образование белкового комплекса может быть похоже на фосфорилирование . Отдельные белки могут участвовать в различных белковых комплексах. Разные комплексы выполняют разные функции, а один и тот же комплекс может выполнять несколько функций в зависимости от разных факторов. Факторы включают в себя:
Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (дрожжи). Для этого относительно простого организма изучение белковых комплексов в настоящее время охватывает весь геном , и выяснение большинства его белковых комплексов продолжается. [ нужна ссылка ] В 2021 году исследователи использовали программное обеспечение глубокого обучения RoseTTAFold вместе с AlphaFold для определения структур 712 комплексов эукариот . Они сравнили 6000 белков дрожжей с белками 2026 других грибов и 4325 других эукариот. [4]
Если белок может образовывать стабильную хорошо свернутую структуру самостоятельно (без какого-либо другого связанного белка) in vivo , то комплексы, образуемые такими белками, называются «необлигатными белковыми комплексами». Однако невозможно обнаружить, что некоторые белки сами по себе создают стабильную хорошо свернутую структуру, а могут быть обнаружены как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называются «облигатными белковыми комплексами». [5]
Временные белковые комплексы образуются и временно разрушаются in vivo , тогда как постоянные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Обычно облигатные взаимодействия (белково-белковые взаимодействия в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необлигатные взаимодействия оказываются либо постоянными, либо временными. [5] Обратите внимание, что не существует четкого различия между обязательным и необлигатным взаимодействием, скорее, между ними существует континуум, который зависит от различных условий, например, pH, концентрации белка и т. д. [6] Однако существуют важные различия между свойствами временные и постоянные/стабильные взаимодействия: стабильные взаимодействия высококонсервативны, но временные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки по обе стороны стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем белки временного взаимодействия (фактически, ко- вероятность экспрессии между двумя временно взаимодействующими белками не выше, чем между двумя случайными белками), а временные взаимодействия гораздо менее колокализованы, чем стабильные взаимодействия. [7] Несмотря на то, что временные взаимодействия по своей природе являются временными, временные взаимодействия очень важны для клеточной биологии: интерактом человека обогащен такими взаимодействиями, эти взаимодействия являются доминирующими игроками в регуляции генов и передаче сигналов, а белки с внутренне неупорядоченными областями (IDR: области в белке, который демонстрирует динамические взаимопревращающие структуры в нативном состоянии), обогащен временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями. [5]
Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного нарушения в связанном состоянии. [8] Это означает, что белки не могут полностью складываться ни в временные, ни в постоянные комплексы. Следовательно, специфические комплексы могут иметь неоднозначные взаимодействия, которые варьируются в зависимости от сигналов окружающей среды. Следовательно, разные ансамбли структур приводят к разным (даже противоположным) биологическим функциям. [9] Посттрансляционные модификации, белковые взаимодействия или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов для точной настройки сродства или специфичности взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регуляции механизма транскрипции эукариот . [10]
Хотя некоторые ранние исследования [12] предположили сильную корреляцию между существенностью и степенью взаимодействия белков (правило «центральности-летальности»), последующие анализы показали, что эта корреляция слаба для бинарных или временных взаимодействий (например, двугибридных дрожжей ). [13] [14] Однако корреляция устойчива для сетей стабильных кокомплексных взаимодействий. Фактически, непропорционально большое количество незаменимых генов принадлежит белковым комплексам. [15] Это привело к выводу, что существенность является свойством молекулярных машин (т.е. комплексов), а не отдельных компонентов. [15] Ван и др. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы с большей вероятностью будут существенными, что объясняет, почему незаменимые гены с большей вероятностью будут иметь высокую степень взаимодействия кокомплексов. [16] Райан и др. (2013) назвали наблюдение, что целые комплексы существенными, « модульной существенностью ». [11] Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят из незаменимых или несущественных белков, а не имеют случайное распределение (см. Рисунок). Однако это не явление «все или ничего»: только около 26% (105/401) дрожжевых комплексов состоят исключительно из незаменимых или исключительно несущественных субъединиц. [11]
У человека гены, белковые продукты которых принадлежат к одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приводят к одному и тому же фенотипу заболевания. [17] [18] [19]
Субъединицы мультимерного белка могут быть идентичными, как в гомомультимерном (гомоолигомерном) белке, или разными, как в гетеромультимерном белке. Многие растворимые и мембранные белки образуют в клетке гомомультимерные комплексы, большинство белков в Банке данных белков являются гомомультимерными. [20] Гомоолигомеры ответственны за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.
Потенциал -управляемые калиевые каналы в плазматической мембране нейрона представляют собой гетеромультимерные белки, состоящие из четырех из сорока известных альфа-субъединиц. Субъединицы должны принадлежать к одному и тому же подсемейству, чтобы сформировать мультимерный белковый канал. Третичная структура канала позволяет ионам проходить через гидрофобную плазматическую мембрану. Коннексоны представляют собой пример гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексинов . Группа коннексонов образует щелевой переход в двух нейронах, которые передают сигналы через электрический синапс .
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, образуют комплекс, такая белковая структура называется мультимером. 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 была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерия Salmonella typhimurium ; вирус -бактериофаг Т4 , [21] РНК-вирус [22] и человек. [23] В таких исследованиях многочисленные мутации , дефектные в одном и том же гене, часто выделялись и картировались в линейном порядке на основе частот рекомбинации для формирования генетической карты гена. Отдельно мутанты тестировали в парных комбинациях для измерения комплементации. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает в результате взаимодействия разнодефектных полипептидных мономеров с образованием мультимера. [24] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, широко распространены. Одна из интерпретаций данных состоит в том, что мономеры полипептидов часто выстраиваются в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в соседних участках генетической карты, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который плохо функционирует, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в отдаленных участках, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который плохо функционирует. смешанный мультимер, который действует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно, ответственные за самораспознавание и образование мультимеров, обсуждались Йеле. [25]
Молекулярная структура белковых комплексов может быть определена экспериментальными методами, такими как рентгеновская кристаллография , анализ одиночных частиц или ядерный магнитный резонанс . Все чаще становится доступной теоретическая возможность докинга между белками . Одним из методов, который обычно используется для идентификации меомплексов [ необходимы пояснения ], является иммунопреципитация . Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении эффективности резонансной передачи энергии Фёрстера (FRET) на уровне пикселей в сочетании с двухфотонным микроскопом со спектральным разрешением . Распределение эффективности FRET моделируется с использованием различных моделей, чтобы получить геометрию и стехиометрию комплексов. [26]
Правильная сборка мультибелковых комплексов важна, поскольку неправильная сборка может привести к катастрофическим последствиям. [27] Чтобы изучить сборку пути, исследователи рассматривают промежуточные этапы пути. Одним из таких методов, который позволяет это сделать, является масс-спектрометрия электрораспылением , которая может одновременно идентифицировать различные промежуточные состояния. Это привело к открытию, что большинство комплексов следуют упорядоченному пути сборки. [28] В тех случаях, когда возможна неупорядоченная сборка, переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному приводит к переходу от функции к дисфункции комплекса, поскольку неупорядоченная сборка приводит к агрегации. [29]
Структура белков играет роль в сборке мультибелкового комплекса. Интерфейсы между белками можно использовать для прогнозирования путей сборки. [28] Присущая белкам гибкость также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия. [30]
Хотя сборка отличается от процесса разборки, они обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (разборкой).
В гомомультимерных комплексах гомомерные белки собираются таким образом, что имитирует эволюцию. То есть промежуточное звено в процессе сборки присутствует в истории эволюции комплекса. [31] Противоположное явление наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит таким образом, что сохраняется исходный путь сборки. [28]
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )