Proteindynamik - Protein dynamics
Det menes generelt, at proteiner adopterer unikke strukturer bestemt af deres aminosyresekvenser . Imidlertid er proteiner ikke strengt statiske objekter, men snarere befolker ensembler af (undertiden lignende) konformationer. Overgange mellem disse tilstande forekommer på en række længdeskalaer (tiendedele Å til nm) og tidsskalaer (ns til s) og er blevet knyttet til funktionelt relevante fænomener som allosterisk signalering og enzymkatalyse.
Undersøgelsen af proteindynamik vedrører mest direkte overgangene mellem disse tilstande, men kan også involvere staternes natur og ligevægtspopulationer. Disse to perspektiver - henholdsvis kinetik og termodynamik - kan konceptuelt syntetiseres i et "energilandskab" -paradigme: stærkt befolkede stater og kinetikken i overgange mellem dem kan beskrives ved henholdsvis dybderne i energibrønde og energibarrieres højder.
Lokal fleksibilitet: atomer og rester
Dele af proteinstrukturer afviger ofte fra ligevægtstilstanden. Nogle sådanne udflugter er harmoniske , såsom stokastiske udsving i kemiske bindinger og bindingsvinkler. Andre er anharmoniske , f.eks. Sidekæder, der springer mellem separate diskrete energiminimaer eller rotamerer .
Beviser for lokal fleksibilitet opnås ofte fra NMR -spektroskopi . Fleksible og potentielt uordnede områder af et protein kan påvises ved hjælp af tilfældigt spoleindeks . Fleksibilitet i foldede proteiner kan identificeres ved at analysere spin -afslapning af individuelle atomer i proteinet. Fleksibilitet kan også observeres i elektroner med meget høj opløsning, der fremstilles ved røntgenkrystallografi , især når diffraktionsdata indsamles ved stuetemperatur i stedet for den traditionelle kryogene temperatur (typisk nær 100 K). Information om frekvensfordelingen og dynamikken i lokal proteinfleksibilitet kan opnås ved hjælp af Raman og optisk Kerr-effekt-spektroskopi i terahertz-frekvensdomænet.
Regional fleksibilitet: multi-residual-kobling inden for domænet
Mange rester er i tæt rumlig nærhed i proteinstrukturer. Dette gælder for de fleste rester, der er sammenhængende i den primære sekvens, men også for mange, der er distale i sekvens, men alligevel bringes i kontakt i den endelige foldede struktur. På grund af denne nærhed bliver disse resters energilandskaber koblet baseret på forskellige biofysiske fænomener, såsom hydrogenbindinger , ioniske bindinger og van der Waals -interaktioner (se figur). Overgange mellem stater for sådanne sæt rester bliver derfor korrelerede.
Dette er måske mest indlysende for overfladeeksponerede sløjfer, som ofte skifter kollektivt for at vedtage forskellige konformationer i forskellige krystalstrukturer (se figur). Imidlertid er koblet konformationel heterogenitet også undertiden tydelig i sekundær struktur. For eksempel interagerer på hinanden følgende rester og rester forskudt med 4 i den primære sekvens ofte i a -spiraler . Rester, der er forskudt af 2 i den primære sekvens, peger også deres sidekæder mod den samme flade af β -ark og er tæt nok til at interagere sterisk, ligesom rester på tilstødende tråde af det samme β -ark . Nogle af disse konformationelle ændringer induceres af posttranslationelle ændringer i proteinstruktur, såsom phosphorylering og methylering.
Når disse koblede rester danner veje, der forbinder funktionelt vigtige dele af et protein, kan de deltage i allosterisk signalering. For eksempel, når et iltmolekyle binder sig til en underenhed af hæmoglobintetrameren , spredes denne information allosterisk til de tre andre underenheder og derved øger deres affinitet for ilt. I dette tilfælde giver den koblede fleksibilitet i hæmoglobin mulighed for kooperativ iltbinding, hvilket er fysiologisk nyttigt, fordi det tillader hurtig iltbelastning i lungevæv og hurtig iltudlæsning i iltfremkaldte væv (f.eks. Muskel).
Global fleksibilitet: flere domæner
Tilstedeværelsen af flere domæner i proteiner giver anledning til stor fleksibilitet og mobilitet , hvilket fører til proteindomæne dynamik . Domænebevægelser kan udledes ved at sammenligne forskellige strukturer af et protein (som i Database of Molecular Motions ), eller de kan observeres direkte ved hjælp af spektre målt ved neutronspinekospektroskopi . De kan også foreslås ved at prøveudtagning i omfattende molekylære dynamikbaner og hovedkomponentanalyse. Domænebevægelser er vigtige for:
- ABC transportører
- katalyse
- cellulær bevægelse og motoriske proteiner
- dannelse af proteinkomplekser
- ionkanaler
- mekanoreceptorer og mekanotransduktion
- regulerende aktivitet
- transport af metabolitter over cellemembraner
En af de største observerede domænebevægelser er 'drejningsmekanismen' i pyruvatphosphatdikinase . Phosphoinositiddomænet svinger mellem to tilstande for at bringe en phosphatgruppe fra det aktive sted i nukleotidbindingsdomænet til phosphoenolpyruvat/pyruvat -domænet. Fosfatgruppen flyttes over en afstand på 45 Å, der involverer en domænebevægelse på ca. 100 grader omkring en enkelt rest. I enzymer fanger lukningen af et domæne til et andet et substrat ved en induceret tilpasning, så reaktionen kan finde sted på en kontrolleret måde. En detaljeret analyse af Gerstein førte til klassificeringen af to grundlæggende typer domænebevægelse; hængsel og forskydning. Kun en relativt lille del af kæden, nemlig interdomæne-linkeren og sidekæderne undergår betydelige konformationsændringer ved domænearrangering.
Hængsler ved sekundære strukturer
En undersøgelse foretaget af Hayward fandt ud af, at terminalerne af α-helixer og β-ark danner hængsler i et stort antal tilfælde. Mange hængsler viste sig at involvere to sekundære strukturelementer, der fungerer som hængsler på en dør, hvilket tillader en åbnings- og lukkebevægelse. Dette kan opstå, når to nabostråde inden for et β-ark, der er placeret i det ene domæne, afviger fra hinanden, når de slutter sig til det andet domæne. De to resulterende terminaler danner derefter bøjningsområderne mellem de to domæner. α-spiraler, der bevarer deres hydrogenbindingsnetværk, når de er bøjede, viser sig at opføre sig som mekaniske hængsler, der lagrer `` elastisk energi '', der driver lukning af domæner for hurtig indfangning af et substrat.
Spiralformet til udvidet opbygning
Interkonvertering af spiralformede og udvidede konformationer på stedet for en domænegrænse er ikke ualmindelig. I calmodulin ændres torsionsvinkler for fem rester i midten af et domæne, der forbinder α-helix. Helixen er delt i to, næsten vinkelrette, mindre spiraler adskilt af fire rester af en forlænget streng.
Forskydningsbevægelser
Forskydningsbevægelser involverer en lille glidende bevægelse af domænegrænseflader, der styres af aminosyresidekæderne i grænsefladen. Proteiner, der viser forskydningsbevægelser, har ofte en lagdelt arkitektur: stabling af sekundære strukturer. Interdomæne linker har kun den rolle at holde domæner i umiddelbar nærhed.
Domæne bevægelse og funktionel dynamik i enzymer
Analysen af den interne dynamik af strukturelt forskellige, men funktionelt ensartede enzymer har fremhævet en fælles sammenhæng mellem placeringen af det aktive sted og de to vigtigste proteindel-domæner. Faktisk er det katalytiske sted for flere medlemmer af hydrolase-superfamilien placeret tæt på grænsefladen, der adskiller de to hovedkvasi-stive domæner. En sådan positionering forekommer instrumentel til at opretholde den præcise geometri af det aktive sted, samtidig med at det muliggør en mærkbar funktionelt orienteret modulering af de flankerende områder som følge af den relative bevægelse af de to underdomæner.
Implikationer for makromolekylær udvikling
Beviser tyder på, at proteindynamik er vigtig for funktion, f.eks. Enzymkatalyse i DHFR , men alligevel er de også beregnet til at lette erhvervelsen af nye funktioner ved molekylær udvikling . Dette argument antyder, at proteiner har udviklet sig til at have stabile, for det meste unikke foldede strukturer, men den uundgåelige restfleksibilitet fører til en vis grad af funktionel promiskuitet, som kan forstærkes/udnyttes/afledes ved efterfølgende mutationer.
Imidlertid er der en stigende bevidsthed om, at iboende ustrukturerede proteiner er ganske udbredt i eukaryote genomer, hvilket sætter yderligere tvivl om den enkleste fortolkning af Anfinsens dogme : "sekvens bestemmer struktur (ental)". I virkeligheden er det nye paradigme præget af tilføjelsen af to forbehold: "sekvens og mobilmiljø bestemmer strukturelt ensemble".