Proteindynamik - Protein dynamics
Proteiner antas i allmänhet anta unika strukturer som bestäms av deras aminosyrasekvenser . Proteiner är emellertid inte strikt statiska objekt, utan fyller snarare ensembler av (ibland liknande) konformationer. Övergångar mellan dessa tillstånd sker på olika längdskalor (tiondelar Å till nm) och tidsskalor (ns till s) och har kopplats till funktionellt relevanta fenomen som allosterisk signalering och enzymkatalys.
Studien av proteindynamik är mest direkt relaterad till övergångarna mellan dessa tillstånd, men kan också involvera staternas natur och jämviktspopulationer. Dessa två perspektiv - kinetik respektive termodynamik - kan konceptuellt syntetiseras i ett "energilandskap" -paradigm: högt befolkade stater och kinetiken för övergångar mellan dem kan beskrivas av energibrunnarnas djup respektive energibarriärets höjder.
Lokal flexibilitet: atomer och rester
Delar av proteinstrukturer avviker ofta från jämviktstillståndet. Vissa sådana utflykter är harmoniska , såsom stokastiska fluktuationer av kemiska bindningar och bindningsvinklar. Andra är anharmoniska , till exempel sidkedjor som hoppar mellan separata diskreta energiminima eller rotamer .
Bevis för lokal flexibilitet erhålls ofta från NMR -spektroskopi . Flexibla och potentiellt störda regioner av ett protein kan detekteras med hjälp av slumpspoleindex . Flexibilitet i vikta proteiner kan identifieras genom att analysera rotationsavslappningen för enskilda atomer i proteinet. Flexibilitet kan också observeras i mycket högupplösta elektrontäthetskartor som produceras med röntgenkristallografi , särskilt när diffraktionsdata samlas in vid rumstemperatur istället för den traditionella kryogena temperaturen (vanligtvis nära 100 K). Information om frekvensfördelningen och dynamiken i lokal proteinflexibilitet kan erhållas med Raman och optisk Kerr-effekt-spektroskopi i terahertz-frekvensområdet.
Regional flexibilitet: koppling inom flera domäner
Många rester är i nära rumslig närhet i proteinstrukturer. Detta gäller för de flesta rester som är sammanhängande i den primära sekvensen, men också för många som är distala i sekvens men ändå bringas i kontakt i den slutliga vikta strukturen. På grund av denna närhet blir dessa resters energilandskap kopplade baserat på olika biofysiska fenomen som vätebindningar , joniska bindningar och van der Waals interaktioner (se figur). Övergångar mellan tillstånd för sådana uppsättningar av rester blir därför korrelerade.
Detta är kanske mest uppenbart för ytexponerade slingor, som ofta skiftar kollektivt för att anta olika konformationer i olika kristallstrukturer (se figur). Emellertid är kopplad konformationell heterogenitet ibland också uppenbar i sekundärstruktur. Till exempel interagerar på varandra följande rester och rester som kompenseras av 4 i den primära sekvensen ofta i a -spiraler . Även rester som förskjutits av 2 i den primära sekvensen pekar sina sidkedjor mot samma yta på p -ark och är tillräckligt nära för att interagera steriskt, liksom rester på intilliggande strängar av samma p -ark . Några av dessa konformationsförändringar induceras av posttranslationella modifieringar i proteinstruktur, såsom fosforylering och metylering.
När dessa kopplade rester bildar vägar som länkar funktionellt viktiga delar av ett protein kan de delta i allosterisk signalering. Till exempel, när en syremolekyl binder till en subenhet av hemoglobintetrameren , sprids den informationen allosteriskt till de tre andra subenheterna, vilket förbättrar deras affinitet för syre. I detta fall möjliggör den kopplade flexibiliteten i hemoglobin kooperativ syrebindning, vilket är fysiologiskt användbart eftersom det möjliggör snabb syrgasbelastning i lungvävnad och snabb syrladdning i syreberövade vävnader (t.ex. muskler).
Global flexibilitet: flera domäner
Förekomsten av flera domäner i proteiner ger upphov till stor flexibilitet och rörlighet , vilket leder till proteindomaindynamik . Domänrörelser kan härledas genom att jämföra olika strukturer för ett protein (som i Database of Molecular Motions ), eller så kan de observeras direkt med hjälp av spektra mätt med neutronspinekospektroskopi . De kan också föreslås genom provtagning i omfattande molekylära dynamikbanor och huvudkomponentanalys. Domänrörelser är viktiga för:
- ABC -transportörer
- katalys
- cellulär rörelse och motorproteiner
- bildning av proteinkomplex
- jonkanaler
- mekanoreceptorer och mekanotransduktion
- reglerande verksamhet
- transport av metaboliter över cellmembranen
En av de största observerade domänrörelserna är "svängningsmekanismen" i pyruvatfosfatdikinas . Fosfoinositiddomänen svänger mellan två tillstånd för att föra en fosfatgrupp från den aktiva platsen i nukleotidbindningsdomänen till fosfoenolpyruvat/pyruvat -domänen. Fosfatgruppen förflyttas över ett avstånd av 45 Å med en domänrörelse på cirka 100 grader runt en enda rest. I enzymer fångar förslutningen av en domän till en annan ett substrat med en inducerad passform, vilket gör att reaktionen kan ske på ett kontrollerat sätt. En detaljerad analys av Gerstein ledde till klassificeringen av två grundläggande typer av domänrörelse; gångjärn och skjuv. Endast en relativt liten del av kedjan, nämligen länken mellan sidorna och sidokedjorna genomgår betydande konformationsförändringar vid domänomläggning.
Gångjärn av sekundära strukturer
En studie av Hayward fann att terminalerna av α-helixer och β-ark bildar gångjärn i ett stort antal fall. Många gångjärn befanns innehålla två sekundära strukturelement som fungerar som gångjärn i en dörr, vilket möjliggör en öppnings- och stängningsrörelse. Detta kan uppstå när två närliggande strängar i ett β-ark som ligger i en domän skiljer sig åt när de går med i den andra domänen. De två resulterande ändarna bildar sedan böjningsregionerna mellan de två domänerna. α-spiraler som bevarar sitt vätebindningsnätverk när de böjs uppträder som mekaniska gångjärn och lagrar `` elastisk energi '' som driver stängning av domäner för snabb uppsamling av ett substrat.
Spiralformad till utökad konformation
Interkonversionen av spiralformade och utökade konformationer på platsen för en domängräns är inte ovanlig. I calmodulin ändras torsionsvinklar för fem rester i mitten av en domän som länkar α-helix. Helixen är uppdelad i två, nästan vinkelräta, mindre spiraler separerade med fyra rester av en förlängd sträng.
Skjuvrörelser
Skjuvningsrörelser involverar en liten glidande rörelse av domängränssnitt, som styrs av aminosyrasidokedjorna i gränssnittet. Proteiner som visar skjuvrörelser har ofta en skiktad arkitektur: stapling av sekundära strukturer. Interdomän -länken har bara rollen att hålla domänerna i närheten.
Domänrörelse och funktionell dynamik i enzymer
Analysen av den inre dynamiken hos strukturellt olika, men funktionellt liknande enzymer har belyst ett gemensamt samband mellan placeringen av den aktiva platsen och de två huvudsakliga proteindelområdena. Faktum är att för flera medlemmar av hydrolas-superfamiljen är den katalytiska platsen belägen nära gränssnittet som skiljer de två huvudsakligen kvasi-styva domänerna. Sådan positionering verkar vara avgörande för att upprätthålla den exakta geometrin för den aktiva platsen, samtidigt som den möjliggör en märkbart funktionellt orienterad modulering av de flankerande områdena som är resultatet av den relativa rörelsen mellan de två underdomänerna.
Konsekvenser för makromolekylär utveckling
Bevis tyder på att proteindynamik är viktig för funktion, t.ex. enzymkatalys i DHFR , men de är också avsedda att underlätta förvärv av nya funktioner genom molekylär utveckling . Detta argument antyder att proteiner har utvecklats till att ha stabila, mest unika vikta strukturer, men den oundvikliga kvarvarande flexibiliteten leder till en viss funktionell promiskuitet, som kan förstärkas/utnyttjas/avledas av efterföljande mutationer.
Det finns dock en ökad medvetenhet om att i sig ostrukturerade proteiner är ganska utbredda i eukaryota genomer, vilket sätter ytterligare tvivel på den enklaste tolkningen av Anfinsens dogm : "sekvens bestämmer struktur (singular)". I själva verket kännetecknas det nya paradigmet av tillägget av två varningar: "sekvens och cellmiljö bestämmer strukturell ensemble".
