Белковая динамика - Protein dynamics
Обычно считается, что белки имеют уникальные структуры, определяемые их аминокислотными последовательностями. Однако белки не являются строго статическими объектами, а скорее населяют ансамбли (иногда похожие) конформаций. Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (от десятых Å до нм) и временных масштабах (от нс до с) и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая передача сигналов и ферментативный катализ.
Изучение динамики белков наиболее непосредственно связано с переходами между этими состояниями, но также может включать природу и равновесные популяции самих состояний. Эти две точки зрения - кинетика и термодинамика соответственно - могут быть концептуально синтезированы в парадигме «энергетического ландшафта»: густонаселенные состояния и кинетика переходов между ними могут быть описаны соответственно глубиной энергетических ям и высотой энергетических барьеров.
Локальная гибкость: атомы и остатки
Части белковых структур часто отклоняются от состояния равновесия. Некоторые из таких отклонений являются гармоническими , например, стохастические колебания химических связей и валентных углов. Другие являются ангармоническими , например, боковые цепи, которые прыгают между отдельными дискретными минимумами энергии, или ротамеры .
Доказательства локальной гибкости часто получают с помощью ЯМР-спектроскопии . Гибкие и потенциально неупорядоченные области белка могут быть обнаружены с помощью индекса случайной катушки . Гибкость свернутых белков можно определить путем анализа спиновой релаксации отдельных атомов в белке. Гибкость также можно наблюдать на картах электронной плотности с очень высоким разрешением, созданных с помощью рентгеновской кристаллографии , особенно когда дифракционные данные собираются при комнатной температуре вместо традиционной криогенной температуры (обычно около 100 К). Информация о частотном распределении и динамике локальной гибкости белка может быть получена с помощью рамановской спектроскопии и оптической спектроскопии эффекта Керра в терагерцевой частотной области.
Региональная гибкость: внутридоменное соединение с несколькими остатками
Многие остатки в белковых структурах находятся в непосредственной пространственной близости. Это верно для большинства остатков, которые являются смежными в первичной последовательности, но также и для многих остатков, которые являются дистальными по последовательности, но приводят в контакт в окончательной складчатой структуре. Из-за этой близости энергетические ландшафты этих остатков становятся связанными на основе различных биофизических явлений, таких как водородные связи , ионные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия (см. Рисунок). Таким образом, переходы между состояниями для таких наборов остатков становятся коррелированными.
Это, пожалуй, наиболее очевидно для открытых петель, которые часто коллективно смещаются, принимая различные конформации в различных кристаллических структурах (см. Рисунок). Однако сопряженная конформационная гетерогенность также иногда очевидна во вторичной структуре. Например, последовательные остатки и остатки, смещенные на 4 в первичной последовательности, часто взаимодействуют в α-спиралях . Кроме того, остатки, смещенные на 2 в первичной последовательности, направляют свои боковые цепи к одной и той же стороне β-листов и достаточно близки для стерического взаимодействия, как и остатки на соседних нитях одного и того же β-листа . Некоторые из этих конформационных изменений вызываются посттрансляционными модификациями структуры белка, такими как фосфорилирование и метилирование.
Когда эти связанные остатки образуют пути, связывающие функционально важные части белка, они могут участвовать в аллостерической передаче сигналов. Например, когда молекула кислорода связывается с одной субъединицей тетрамера гемоглобина , эта информация аллостерически распространяется на другие три субъединицы, тем самым повышая их сродство к кислороду. В этом случае сопряженная гибкость гемоглобина позволяет кооперативному связыванию кислорода, что является физиологически полезным, поскольку обеспечивает быструю кислородную нагрузку в ткани легких и быструю разгрузку кислородом в тканях, лишенных кислорода (например, в мышцах).
Глобальная гибкость: несколько доменов
Наличие нескольких доменов в белках дает большую гибкость и подвижность , что приводит к динамике белковых доменов . Движения доменов могут быть выведены путем сравнения различных структур белка (как в базе данных молекулярных движений ) или их можно непосредственно наблюдать с помощью спектров, измеренных с помощью спектроскопии спинового эха нейтронов . Они также могут быть предложены путем отбора проб в обширных траекториях молекулярной динамики и анализа главных компонент. Движение домена важно для:
- Автовозы ABC
- катализ
- клеточное движение и моторные белки
- образование белковых комплексов
- ионные каналы
- механорецепторы и механотрансдукция
- регулирующая деятельность
- транспорт метаболитов через клеточные мембраны
Одно из самых крупных наблюдаемых движений домена - это «поворотный» механизм в пируватфосфатдикиназе . Фосфоинозитидный домен переключается между двумя состояниями, чтобы переместить фосфатную группу из активного сайта нуклеотид-связывающего домена в фосфоенолпируватный / пируватный домен. Фосфатная группа перемещается на расстояние 45 Å с движением домена около 100 градусов вокруг единственного остатка. В ферментах замыкание одного домена на другой захватывает субстрат за счет индуцированной подгонки, позволяя реакции протекать контролируемым образом. Подробный анализ Герштейна привел к классификации двух основных типов движения домена; шарнир и ножницы. Только относительно небольшая часть цепи, а именно междоменный линкер и боковые цепи претерпевают значительные конформационные изменения при перестройке домена.
Петли второстепенными конструкциями
Исследование Хейворда показало, что концы α-спиралей и β-листов во многих случаях образуют шарниры. Было обнаружено, что многие петли включают в себя два вторичных элемента конструкции, действующих как дверные петли, позволяя открывать и закрывать двери. Это может возникнуть, когда две соседние нити в β-листе, расположенные в одном домене, расходятся, когда они присоединяются к другому домену. Два результирующих конца затем образуют области изгиба между двумя доменами. Было обнаружено, что α-спирали, которые сохраняют свою сеть водородных связей при изгибе, ведут себя как механические шарниры, накапливая "упругую энергию", которая приводит к закрытию доменов для быстрого захвата субстрата.
От спиральной до расширенной конформации
Взаимопревращение спиральных и протяженных конформаций на участке границы домена не является чем-то необычным. В кальмодулине торсионные углы изменяются для пяти остатков в середине домена, связывающего α-спираль. Спираль разделена на две почти перпендикулярные более мелкие спирали, разделенные четырьмя остатками удлиненной цепи.
Сдвиговые движения
Сдвиговые движения включают в себя небольшое скользящее движение границ раздела доменов, контролируемое боковыми цепями аминокислот внутри границы раздела. Белки, демонстрирующие сдвиговые движения, часто имеют многоуровневую архитектуру: складывание вторичных структур. Междоменный линкер выполняет лишь роль удержания доменов в непосредственной близости.
Движение доменов и функциональная динамика в ферментах
Анализ внутренней динамики структурно различных, но функционально подобных ферментов выявил общую взаимосвязь между расположением активного сайта и двух основных субдоменов белка. Фактически, для некоторых членов суперсемейства гидролаз каталитический сайт расположен близко к границе раздела двух основных квазижестких доменов. Такое позиционирование, по-видимому, является инструментом для поддержания точной геометрии активного сайта, в то же время обеспечивая заметную функционально ориентированную модуляцию фланкирующих областей в результате относительного движения двух субдоменов.
Последствия для макромолекулярной эволюции
Данные свидетельствуют о том, что динамика белков важна для функционирования, например, для ферментативного катализа при DHFR , но также предполагается, что они облегчают приобретение новых функций в результате молекулярной эволюции . Этот аргумент предполагает, что белки эволюционировали, чтобы иметь стабильные, в основном уникальные складчатые структуры, но неизбежная остаточная гибкость приводит к некоторой степени функциональной неразборчивости, которая может быть усилена / задействована / отклонена с помощью последующих мутаций.
Однако растет понимание того, что внутренне неструктурированные белки довольно широко распространены в геномах эукариот, что ставит под сомнение простейшую интерпретацию догмы Анфинсена : «последовательность определяет структуру (единичное число)». Фактически, новая парадигма характеризуется добавлением двух оговорок: «последовательность и клеточная среда определяют структурный ансамбль».