Пятеричная структура белков - Protein quinary structure

Пятеричная структура белков относится к особенностям белок поверхности, сформированные эволюционная адаптация к физиологический контекст живые клетки..[1][2][3][4] Таким образом, пятеричная структура представляет собой пятый уровень сложности белка, помимо белка. начальный, вторичный, высшее и четвертичный конструкции. В отличие от первых четырех уровней структуры белка, которые имеют отношение к изолированным белкам в разбавленных условиях, пятеричная структура возникает из-за тесноты клеточного контекста. [5], в котором преходящие встречи среди макромолекулы постоянно происходят.

Чтобы выполнять свои функции, белкам часто необходимо найти конкретный аналог, с которым они будут связываться в течение относительно длительного времени. В очень переполненном цитозоле, в котором белки участвуют в обширной и сложной сети притягивающих и отталкивающих взаимодействий, такой поиск становится сложной задачей, потому что он включает в себя выборку огромного пространства возможных партнеров, из которых очень немногие будут продуктивными. Решение этой проблемы требует, чтобы белки тратили как можно меньше времени на каждую встречу, чтобы они могли исследовать большее количество поверхностей, одновременно делая это взаимодействие как можно более интимным, поэтому, если они действительно сталкиваются с правильным партнером, они не пропущу [6]. В этом смысле пятеричная структура является результатом ряда адаптаций, присутствующих на поверхности белков, которые позволяют белкам ориентироваться в сложной клеточной среде.

Ранние наблюдения

В том смысле, в каком он используется сегодня, термин пятеричная структура впервые появился в творчестве МакКонки, в 1989 г. [7]. В своей работе МакКонки работает Гели для 2D-электрофореза от общего содержания белка хомяка (CHO ) и человека (HeLa ) клетки. В эксперименте с 2D-электрофорезом в геле координаты белка зависят от его молекулярный вес и это изоэлектрическая точка. Учитывая эволюционное расстояние между людьми и хомяками и учитывая скорость эволюции, типичную для млекопитающих, можно было бы ожидать, что между хомяками и людьми произошло большое количество замен, часть из которых будет связана с кислыми (аспартат и глутамат ) и базовый (аргинин и лизин ) остатков, что приводит к изменению изоэлектрическая точка многих белков. Поразительно, что клетки хомяка и человека дали почти идентичные отпечатки пальцев в эксперименте, что означает, что на самом деле произошло намного меньше этих замен. МакКонки предложил в этой статье [7] что причина, по которой белки людей и хомяков не расходились так сильно, как он ожидал, заключалась в том, что дополнительные селективное давление должны быть связаны со многими неспецифическими «взаимодействиями, которые по своей природе временны», испытываемые белками в цитоплазме и которые «составляют пятый уровень белок организация ».

Белковые взаимодействия и пятеричная структура

Несмотря на грубость эксперимента МакКонки, его интерпретация результатов была верной. Вместо того, чтобы просто быть гидрофильный, поверхности белков должны быть тщательно модулированы эволюцией и адаптированы к этой сети слабых взаимодействий, часто называемой пятеричные взаимодействия. Важно отметить, что белок-белковые взаимодействия, ответственные за появление пятикомпонентной структуры, фундаментально отличаются от специфических взаимодействий с белками. Последние являются результатом связывания с относительно высокой стабильностью, часто связанного с функционально значимыми событиями, многие из которых уже были описаны. [8]- в то время как первые часто интерпретируются как некоторый фоновый шум физиологически непродуктивного неправильное взаимодействие которые усложняют интерпретацию белковых сетей, и их следует избегать, чтобы нормальные клеточные функции могли продолжаться.[9][10][11].

Временный характер этих встреч с белками усложняет изучение пятеричной структуры. В самом деле, взаимодействия, ответственные за этот верхний уровень белковой организации, являются слабыми и недолговечными, и, следовательно, не могут производить комплексы белок-белок, которые можно выделить обычными биохимическими методами. Следовательно, пятеричную структуру можно понять только in vivo [12].

ЯМР в ячейке и пятеричная структура

Внутриклеточный ЯМР - это экспериментальный метод, известный в области исследования пятеричной структуры белков. Физический принцип ЯМР в ячейке размеры идентичны обычным белок ЯМР, но эксперименты полагаются на экспрессию высоких концентраций зондирующего белка, который должен оставаться растворимым и содержаться в клеточном пространстве; что вносит дополнительные трудности и ограничения. Однако эти эксперименты предоставляют критическую информацию о перекрестных помехах между пробным белком и внутриклеточной средой.

Ранние попытки использовать внутриклеточный ЯМР для изучения пятикомпонентной структуры белков были затруднены из-за ограничения, вызванного самим явлением, которое они пытались понять. Оказалось, что многие тестовые белки, протестированные в этих экспериментах, производят широкие сигналы, близкие к пределу обнаружения метода, при измерении внутри клеток кишечная палочка. В частности, казалось, что эти белки падают, как если бы их молекулярная масса была намного больше, чем соответствующие их размеру. Эти наблюдения, по-видимому, указывают на то, что белки прилипают к другим макромолекулам, что привело бы к плохому расслабление характеристики [13]

Другие внутриклеточные эксперименты с ЯМР показали, что отдельные аминокислотные изменения поверхностных остатков могут использоваться для последовательной модуляции переворачивания трех разных белков внутри бактериальных клеток. [14]. Было показано, что заряженные и гидрофобные остатки оказывают наибольшее влияние на внутриклеточную подвижность белка. В частности, более отрицательно заряженные белки будут падать быстрее по сравнению с почти нулевыми или положительно заряженными белками. Напротив, наличие многих гидрофобные остатки на поверхности белка замедлит внутриклеточное переворачивание белка. Протеин дипольный момент, показатель разделения зарядов в белке, как было показано, вносит значительный вклад в подвижность белка, где высокие дипольные моменты коррелируют с более медленным переворачиванием.

Рекомендации

  1. ^ Коэн, Рэйчел Д .; Пиелак, Гэри Дж. (2016). «Электростатический вклад в пятеричную структуру белка». Журнал Американского химического общества. 138 (40): 13139–13142. Дои:10.1021 / jacs.6b07323. PMID  27676610.
  2. ^ Эдельштейн, С. Дж. (Октябрь 1980 г.). «Паттерны в пятикомпонентных структурах белков. Пластичность и неэквивалентность отдельных молекул в спиральных массивах серповидноклеточного гемоглобина и тубулина». Биофизический журнал. 32 (1): 347–360. Bibcode:1980BpJ .... 32..347E. Дои:10.1016 / S0006-3495 (80) 84961-7. ЧВК  1327314. PMID  7248453.
  3. ^ «Исследование пятеричных взаимодействий белков с помощью внутриклеточного ЯМР». ResearchGate. Получено 2019-09-02.
  4. ^ Шехтман, Александр; Burz, Дэвид С .; ДеМотт, Кристофер; Брейндел, Леонард (2018). "Ядерный магнитный резонанс в клетке в реальном времени: антибиотики, нацеленные на рибосомы, модулируют взаимодействия пяточных белков". Биохимия. НАС.: Министерство сельского хозяйства США. 57 (5): 540–546. Дои:10.1021 / acs.biochem.7b00938. ЧВК  5801172. PMID  29266932. Получено 2019-09-02.
  5. ^ Danielsson, J .; Оливеберг, М. (2017). «Сравнивая поведение белков in vitro и in vivo, о чем на самом деле говорят нам данные?». Текущее мнение в структурной биологии. 42: 129–135. Дои:10.1016 / j.sbi.2017.01.002. PMID  28126529.
  6. ^ Яцек Т. Мика; Берт Пулман (2011). «Диффузия и удержание макромолекул в прокариотических клетках». Текущее мнение в области биотехнологии. 22 (1): 117–126. Дои:10.1016 / j.copbio.2010.09.009. PMID  20952181.
  7. ^ а б МакКонки, Э. Х. (1989). «Молекулярная эволюция, внутриклеточная организация и пятеричная структура белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 79 (10): 3236–3240. Дои:10.1073 / pnas.79.10.3236. ЧВК  346390. PMID  6954476.
  8. ^ Влодарский, Т .; Загрович, Б. (2009). «Конформационный отбор и механизм индуцированной подгонки лежат в основе специфичности нековалентных взаимодействий с убиквитином». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 106 (46): 3236–3240. Bibcode:2009PNAS..10619346W. Дои:10.1073 / pnas.0906966106. ЧВК  2780739. PMID  19887638.
  9. ^ Schreiber, G .; Фершт, А. Р. (1996). «Быстрая ассоциация белков с электростатической поддержкой». Структурная биология природы. 3 (5): 427–431. Дои:10.1038 / nsb0596-427. PMID  8612072. S2CID  25318867.
  10. ^ Дело, Э. Дж .; Ashenberg, O .; Шахнович, Э. И. (2006). «С обложки: простая физическая модель для масштабирования сетей белок-белкового взаимодействия». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 103 (2): 311–316. arXiv:q-bio / 0509001. Bibcode:2006ПНАС..103..311Д. Дои:10.1073 / pnas.0509715102. ЧВК  1326177. PMID  16384916.
  11. ^ Цзянь-Ронг Ян; Бен-Ян Ляо; Ши-Мэй Чжуан; Цзяньчжи Чжан (2012). «Избегание неправильного взаимодействия белков приводит к медленной эволюции высокоэкспрессированных белков». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 109 (14): E831 – E840. Дои:10.1073 / pnas.1117408109. ЧВК  3325723. PMID  22416125.
  12. ^ Wirth, A.J .; Грюбеле, М. (2013). «Пятеричная структура белка и последствия скопления живых клеток: Оставив пробирку позади». BioEssays. 35 (11): 984–993. Дои:10.1002 / bies.201300080. PMID  23943406. S2CID  33478753.
  13. ^ Питер Б. Кроули; Elysian Chow; Татьяна Папковская (2011). «Взаимодействие с белками в цитозоле Escherichia coli: препятствие для внутриклеточной ЯМР-спектроскопии». ChemBioChem. 12 (7): 1043–1048. Дои:10.1002 / cbic.201100063. PMID  21448871. S2CID  44250541.
  14. ^ Синь Му; Сонгил Чой; Лиза Лэнг; Дэвид Моурей; Николай В. Дохолян; Йенс Даниэльссон; Микаэль Оливеберг (2017). «Физико-химический код взаимодействия пяти белков в Escherichia coli». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 114 (23): E4556 – E4563. Дои:10.1073 / pnas.1621227114. ЧВК  5468600. PMID  28536196.