Dynamika proteinů - Protein dynamics

Proteiny obecně se předpokládá, že přijímají jedinečné struktury určené jejich aminokyselina sekvence, jak je uvedeno v Anfinsenovo dogma Proteiny však nejsou přísně statické objekty, ale spíše vyplňují soubory (někdy podobných) konformací. Přechody mezi těmito stavy se vyskytují v různých délkových stupnicích (desetiny Å až nm) a časových stupnicích (ns až s) a mají byly spojeny s funkčně relevantními jevy jako např alosterická signalizace[1] a enzymová katalýza.[2]

Studium dynamika bílkovin se nejvíce přímo dotýká přechodů mezi těmito státy, ale může zahrnovat i povahu a rovnovážné populace samotných států. Tyto dva pohledy -kinetika a termodynamika - lze koncepčně syntetizovat v paradigmatu „energetické krajiny“:[3]vysoce osídlené státy a kinetiku přechodů mezi nimi lze popsat hloubkami energetických vrtů, respektive výškami energetických bariér.

Kinesin chůze na a mikrotubul. Je to molekulární biologický stroj který používá dynamika proteinové domény na nanoměřítky

Místní flexibilita: atomy a zbytky

Části proteinových struktur se často odchylují od rovnovážného stavu. Některé takové exkurze jsou harmonický, jako jsou stochastické fluktuace chemické vazby a vazebné úhly. Jiní jsou anharmonie, například postranní řetězce, které skákají mezi samostatnými diskrétními energetickými minimy, nebo rotamery.[Citace je zapotřebí ]

Důkazy o místní flexibilitě se často získávají z NMR spektroskopie. Flexibilní a potenciálně neuspořádané oblasti proteinu lze detekovat pomocí náhodný index cívky. Flexibilitu skládaných proteinů lze identifikovat analýzou relaxace točení jednotlivých atomů v proteinu. Flexibilitu lze pozorovat také na mapách elektronové hustoty s velmi vysokým rozlišením vytvořených pomocí Rentgenová krystalografie,[4]zvláště když se difrakční data shromažďují při pokojové teplotě namísto tradiční kryogenní teploty (obvykle blízké 100 K).[5] Informace o distribuci kmitočtů a dynamice flexibility místního proteinu lze získat pomocí Ramanovy a optické Kerr-efektové spektroskopie v terahertzové frekvenční doméně.[6]

Regionální flexibilita: vazba mezi zbytky uvnitř domény

Síť alternativních konformací v kataláze (kód Protein Data Bank: 1gwe) s různými vlastnostmi. Síť definuje více jevů: van der Waalsovy interakce (modré tečky a úsečky) mezi postranními řetězci, vodíková vazba (tečkovaná zelená čára) přes vodu s částečným obsazením (hnědá), vazba přes lokálně mobilní páteř (černá) a možná elektrostatické síly mezi Lys (zelená) a blízkými polárními zbytky (modrá: Glu, žlutá: Asp, fialová: Ser). Tato konkrétní síť je vzdálená od aktivního místa, a proto není údajně pro funkci kritická.

Mnoho zbytků je v těsné prostorové blízkosti v proteinových strukturách. To platí pro většinu zbytků, které sousedí v primární sekvenci, ale také pro mnoho, které jsou vzdálené v sekvenci, ale jsou přivedeny do kontaktu v konečné složené struktuře. Kvůli této blízkosti tyto zbytkové energetické krajiny se spojí na základě různých biofyzikálních jevů, jako jsou Vodíkové vazby, iontové vazby, a van der Waalsovy interakce Přechody mezi stavy pro takové sady reziduí proto vzájemně korelují.[7]

To je možná nejzřetelnější u smyček exponovaných na povrchu, které se často kolektivně mění, aby přijaly různé konformace v různých krystalových strukturách (viz obrázek). Spojená konformační heterogenita je však někdy patrná i v sekundární struktuře. Například po sobě jdoucí zbytky a zbytky posunuté o 4 v primární sekvenci často interagují v α šroubovice Zbytky posunuté o 2 také v primární sekvenci směřují své postranní řetězce směrem ke stejné straně β listy a jsou dostatečně blízko k tomu, aby stéricky interagovaly, stejně jako zbytky na sousedních řetězcích β list.

"Soubor" 44 krystalových struktur lysozymu slepičího vaječného bílku z Protein Data Bank, který ukazuje, že různé podmínky krystalizace vedou k různým konformacím pro různé povrchově exponované smyčky a konce (červené šipky).

Když tyto vázané zbytky tvoří dráhy spojující funkčně důležité části proteinu, mohou se na nich podílet alosterický Například, když se molekula kyslíku váže na jednu podjednotku hemoglobin tetramer, tato informace se alostericky šíří na další tři podjednotky, čímž se zvyšuje jejich afinita ke kyslíku. V tomto případě spojená flexibilita v hemoglobinu umožňuje kooperativní vazbu kyslíku, což je fyziologicky užitečné, protože umožňuje rychlé nasávání kyslíku v plicní tkáni a rychlé vypouštění kyslíku do tkání zbavených kyslíku (např. svalů).

Globální flexibilita: více domén

Přítomnost více domén v proteinech vede k velkému nárůstu flexibilita a mobilita, vedoucí k dynamika proteinové domény.[1]Pohyby domén lze odvodit porovnáním různých struktur proteinu (jako v Databáze molekulárních pohybů ), nebo je lze přímo pozorovat pomocí spekter[8][9]měřeno neutronová spinová ozvěna Lze je také navrhnout vzorkováním v rozsáhlých trajektoriích molekulární dynamiky[10] a analýza hlavních komponent.[11] Pohyby domény jsou důležité pro:

Jedním z největších pozorovaných doménových pohybů je „otočný“ mechanismus v pyruvát fosfát dikináza. Fosfoinositidová doména se otáčí mezi dvěma stavy, aby přivedla fosfátovou skupinu z aktivního místa domény vázající nukleotidy na místo fosfoenolpyruvátové / pyruvátové domény.[19] Fosfátová skupina se pohybuje na vzdálenost 45 Á zahrnující pohyb domény asi 100 stupňů kolem jediného zbytku. V enzymech uzavírání jedné domény na druhou zachycuje substrát indukovaným spojením, což umožňuje, aby reakce probíhala kontrolovaným způsobem. Podrobná analýza Gersteina vedla ke klasifikaci dvou základních typů pohybu domény; závěs a střih.[16] Pouze relativně malá část řetězce, jmenovitě mezidoménový linker a postranní řetězce, procházejí významnými konformačními změnami po přesmyku domény.[20]

Závěsy podle sekundárních struktur

Studie Hayward[21] zjistili, že konce α-šroubovic a β-listů tvoří závěsy ve velkém počtu případů. Bylo zjištěno, že mnoho závěsů zahrnuje dva prvky sekundární struktury, které fungují jako závěsy dveří, což umožňuje otevírání a zavírání pohybu. To může nastat, když se dva sousední řetězce v β-listu nacházejícím se v jedné doméně rozcházejí, když se připojují k druhé doméně. Dva výsledné konce pak tvoří oblasti ohybu mezi dvěma doménami. Zjistilo se, že α-helice, které si při ohýbání zachovávají svoji vodíkovou vazebnou síť, se chovají jako mechanické závěsy, které uchovávají „elastickou energii“, která pohání uzavření domén pro rychlé zachycení substrátu.[21]

Spirálovitě rozšířená konformace

Interkonverze šroubovicových a rozšířených konformací v místě hranice domény není neobvyklá. V klimodulinu se torzní úhly mění u pěti zbytků uprostřed domény spojující α-šroubovici. Spirála je rozdělena na dvě, téměř kolmé, menší šroubovice oddělené čtyřmi zbytky prodlouženého vlákna.[22][23]

Smykové pohyby

Smykové pohyby zahrnují malý posuvný pohyb doménových rozhraní, který je řízen postranními řetězci aminokyselin v rozhraní. Proteiny vykazující smykové pohyby mají často vrstvenou architekturu: skládání sekundárních struktur. Linker mezi doménami má pouze roli udržování domén v těsné blízkosti.[Citace je zapotřebí ]

Pohyb domény a funkční dynamika v enzymech

Analýza vnitřní dynamiky strukturně odlišných, ale funkčně podobných enzymů zdůraznila společný vztah mezi umístěním aktivního místa a dvěma hlavními proteinovými subdoménami. Ve skutečnosti je pro několik členů nadrodiny hydrolázy katalytické místo umístěno blízko rozhraní oddělujícího dvě hlavní kvazi-tuhé domény.[10] Takové umístění se jeví jako pomocné pro udržení přesné geometrie aktivního místa, zatímco umožňuje znatelnou funkčně orientovanou modulaci sousedních oblastí vyplývající z relativního pohybu dvou subdomén.

Důsledky pro makromolekulární evoluci

Důkazy naznačují, že pro funkci je důležitá dynamika bílkovin, např. enzymová katalýza v DHFR, přesto jsou také navrženy tak, aby usnadnily získávání nových funkcí pomocí molekulární evoluce.[24]Tento argument naznačuje, že proteiny se vyvinuly tak, aby měly stabilní, většinou jedinečné skládané struktury, ale nevyhnutelná zbytková flexibilita vede k určitému stupni funkční promiskuity, kterou lze amplifikovat / využít / odklonit následnými mutacemi.

Roste však povědomí o tom vnitřně nestrukturované proteiny jsou velmi rozšířené v eukaryotických genomech,[25]další zpochybňování nejjednodušší interpretace Anfinsenovo dogma: „posloupnost určuje strukturu (singulární)". Nové paradigma je ve skutečnosti charakterizováno přidáním dvou upozornění: „posloupnost a buněčné prostředí určují strukturální soubor".

Viz také: Konformační změna, Alosterická regulace, a Jiskrově nestrukturované proteiny

Reference

  1. ^ A b Bu Z, Callaway DJ (2011). Proteiny se pohybují! Dynamika proteinů a allostery dlouhého dosahu v buněčné signalizaci. Pokroky v chemii proteinů a strukturní biologii. 83. str. 163–221. doi:10.1016 / B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN  9780123812629. PMID  21570668.
  2. ^ Fraser JS, Clarkson MW, Degnan SC, Erion R, Kern D, Alber T (prosinec 2009). „Skryté alternativní struktury prolin izomerázy nezbytné pro katalýzu“. Příroda. 462 (7273): 669–673. Bibcode:2009Natur.462..669F. doi:10.1038 / nature08615. PMC  2805857. PMID  19956261.
  3. ^ Frauenfelder H, Sligar SG, Wolynes PG (prosinec 1991). „Energetické krajiny a pohyby bílkovin“. Věda. 254 (5038): 1598–1603. Bibcode:1991Sci ... 254.1598F. doi:10.1126 / science.1749933. PMID  1749933.
  4. ^ Davis IW, Arendall WB, Richardson DC, Richardson JS (únor 2006). „Zpětný pohyb: jak páteř bílkovin pokrčí rameny, když postranní řetězec tančí“. Struktura. 14 (2): 265–274. doi:10.1016 / j.str.2005.10.007. PMID  16472746.
  5. ^ Fraser JS, van den Bedem H, Samelson AJ, Lang PT, Holton JM, Echols N, Alber T (září 2011). „Přístup k proteinovým konformačním souborům pomocí rentgenové krystalografie pokojové teploty“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 108 (39): 16247–16252. Bibcode:2011PNAS..10816247F. doi:10.1073 / pnas.1111325108. PMC  3182744. PMID  21918110.
  6. ^ Turton, David A .; Senn, Hans Martin; Harwood, Thomas; Lapthorn, Adrian J .; Ellis, Elizabeth M .; Wynne, Klaas (06.06.2014). „Terahertzův tlumený vibrační pohyb řídí vazbu proteinu-ligandu v roztoku“. Příroda komunikace. 5: ncomms4999. Bibcode:2014NatCo ... 5,3999T. doi:10.1038 / ncomms4999. PMID  24893252.
  7. ^ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (září 2001). "Dynamické režimy a korelovaná strukturální dynamika v nativním a denaturovaném alfa-laktalbuminu". Journal of Molecular Biology. 312 (4): 865–873. doi:10.1006 / jmbi.2001.5006. PMID  11575938.
  8. ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (listopad 2010). "Aktivace alosterické proteinové domény v nanoměřítku odhalena neutronovou spinovou echovou spektroskopií". Biofyzikální deník. 99 (10): 3473–3482. Bibcode:2010BpJ .... 99,3473F. doi:10.1016 / j.bpj.2010.09.058. PMC  2980739. PMID  21081097.
  9. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (prosinec 2005). "Pohyb vázané proteinové domény v Taq polymeráze odhalen neutronovou spin-echo spektroskopií" (PDF). Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 102 (49): 17646–17651. Bibcode:2005PNAS..10217646B. doi:10.1073 / pnas.0503388102. PMC  1345721. PMID  16306270.
  10. ^ A b Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (červen 2009). „Hrubozrnný popis vnitřní dynamiky bílkovin: optimální strategie pro rozklad bílkovin v tuhých podjednotkách“. Biofyzikální deník. 96 (12): 4993–5002. Bibcode:2009BpJ .... 96,4993P. doi:10.1016 / j.bpj.2009.03.051. PMC  2712024. PMID  19527659.
  11. ^ Baron R, Vellore NA (červenec 2012). „LSD1 / CoREST je alosterická svorka v nanoměřítku regulovaná molekulárním rozpoznáváním H3-histon-ocas“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 109 (31): 12509–14. Bibcode:2012PNAS..10912509B. doi:10.1073 / pnas.1207892109. PMC  3411975. PMID  22802671.
  12. ^ Ponte-Sucre A, ed. (2009). Transportéry ABC v mikroorganismech. Caister Academic. ISBN  978-1-904455-49-3.
  13. ^ Kamerlin SC, Warshel A (květen 2010). „Na úsvitu 21. století: Je dynamika chybějícím článkem pro pochopení enzymové katalýzy?“. Proteiny. 78 (6): 1339–75. doi:10,1002 / prot.22654. PMC  2841229. PMID  20099310.
  14. ^ Howard, Jonathan (2001). Mechanika motorických proteinů a cytoskelet (1. vyd.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN  9780878933334.
  15. ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T, Stingaciu LR, Stanley CB, Heller WT, Bu Z (duben 2017). „Řízená aktivace dynamiky nanoměřítka v neuspořádaném proteinu mění kinetiku vazby“. Journal of Molecular Biology. 429 (7): 987–998. doi:10.1016 / j.jmb.2017.03.003. PMC  5399307. PMID  28285124.
  16. ^ A b Gerstein M, Lesk AM, Chothia C (červen 1994). "Strukturální mechanismy pro pohyby domén v proteinech". Biochemie. 33 (22): 6739–49. doi:10.1021 / bi00188a001. PMID  8204609.
  17. ^ Nicholl ID, Matsui T, Weiss TM, Stanley CB, Heller WT, Martel A, Farago B, Callaway DJ, Bu Z (21. srpna 2018). "Struktura alfa-kateninu a dynamika nanoměřítka v roztoku a v komplexu s F-aktinem". Biofyzikální deník. 115 (4): 642–654. Bibcode:2018BpJ ... 115..642N. doi:10.1016 / j.bpj.2018.07.005. hdl:2436/621755. PMC  6104293. PMID  30037495.
  18. ^ Donald, Voet (2011). Biochemie. Voet, Judith G. (4. vydání). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons. ISBN  9780470570951. OCLC  690489261.
  19. ^ Herzberg O, Chen CC, Kapadia G, McGuire M, Carroll LJ, Noh SJ, Dunaway-Mariano D (duben 1996). "Mechanismus otočné domény pro enzymatický fosfotransfer mezi vzdálenými reakčními místy". Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 93 (7): 2652–7. Bibcode:1996PNAS ... 93.2652H. doi:10.1073 / pnas.93.7.2652. PMC  39685. PMID  8610096.
  20. ^ Janin J, Wodak SJ (1983). "Strukturální domény v proteinech a jejich role v dynamice proteinové funkce". Pokrok v biofyzice a molekulární biologii. 42 (1): 21–78. doi:10.1016/0079-6107(83)90003-2. PMID  6353481.
  21. ^ A b Hayward S (září 1999). "Strukturální principy řídící doménové pohyby v proteinech". Proteiny. 36 (4): 425–35. doi:10.1002 / (SICI) 1097-0134 (19990901) 36: 4 <425 :: AID-PROT6> 3.0.CO; 2-S. PMID  10450084.
  22. ^ Meador WE, znamená AR, Quiocho FA (srpen 1992). "Rozpoznávání cílového enzymu kalmodulinem: 2.4 Struktura komplexu kalmodulin-peptid". Věda. 257 (5074): 1251–1255. Bibcode:1992Sci ... 257.1251M. doi:10.1126 / science.1519061. PMID  1519061.
  23. ^ Ikura M, Clore GM, Gronenborn AM, Zhu G, Klee CB, Bax A (květen 1992). "Struktura roztoku komplexu kalmodulin-cílový peptid pomocí multidimenzionální NMR". Věda. 256 (5057): 632–638. Bibcode:1992Sci ... 256..632I. doi:10.1126 / science.1585175. PMID  1585175.
  24. ^ Tokuriki N, Tawfik DS (duben 2009). „Proteinová dynamika a vyvíjitelnost“. Věda. 324 (5924): 203–207. Bibcode:2009Sci ... 324..203T. doi:10.1126 / science.1169375. PMID  19359577.
  25. ^ Dyson HJ, Wright PE (březen 2005). "Jiskrově nestrukturované proteiny a jejich funkce". Nature Reviews Molecular Cell Biology. 6 (3): 197–208. doi:10.1038 / nrm1589. PMID  15738986.