Структура белка

редактировать
Трехмерное расположение атомов в молекуле аминокислотной цепи

Изображение выше содержит интерактивные links Интерактивная диаграмма структуры белка на примере PCNA. (PDB : 1AXC ​)

Структура белка - это трехмерное расположение атомов в аминокислотной -цепочке молекулы. Белки представляют собой полимеры, в частности полипептиды, образованные из последовательностей аминокислот, мономеров полимера. Мономер одной аминокислоты также может называться остатком, указывающим на повторяющееся звено полимера. Белки образуются из аминокислот, претерпевающих реакции конденсации, в которых аминокислоты теряют одну воды молекула на реакцию, чтобы присоединиться друг к другу с помощью пептидной связи. По соглашению, цепь из 30 аминокислот часто идентифицируется как пептид, а не белок. Чтобы иметь возможность выполнять свою биологическую функцию, белки складываются в одну или несколько конкретных пространственных конформаций, управляемых рядом нековалентных взаимодействий, таких как водородная связь, ионные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобная упаковка. Чтобы понять функции белков на молекулярном уровне, часто необходимо определить их трехмерную структуру. Это тема научной области структурной биологии, в которой используются такие методы, как рентгеновская кристаллография, ЯМР-спектроскопия, криоэлектронная микроскопия ( крио-ЭМ) и интерферометрия с двойной поляризацией для определения структуры белков.

Белковые структуры имеют размер от десятков до нескольких тысяч аминокислот. По физическому размеру белки классифицируются как наночастицы, размером от 1 до 100 нм. Очень большие агрегаты могут быть образованы из белковых субъединиц. Например, многие тысячи молекул актина собираются в микрофиламент.

. Белок обычно претерпевает обратимые структурные изменения при выполнении своей биологической функции. Альтернативные структуры одного и того же белка называются разными конформационными изомерами или просто конформациями, а переходы между ними называются конформационными изменениями.

Содержание

  • 1 Уровни структуры белка
    • 1.1 Первичная структура
    • 1.2 Вторичная структура
    • 1.3 Третичная структура
    • 1.4 Четвертичная структура
  • 2 Домены, мотивы и складки в структуре белка
    • 2.1 Структурный домен
    • 2.2 Структурный мотив и мотив последовательности
    • 2.3 Супервторичная структура
    • 2.4 Белковая складка
    • 2.5 Супердомен
  • 3 Динамика белка
  • 4 Фолдинг белка
  • 5 Стабильность белка
  • 6 Определение структуры белка
    • 6.1 Анализ последовательности белков: Ансамбли
  • 7 Базы данных структуры белка
  • 8 Классификация структуры
  • 9 Расчетное предсказание структуры белка
  • 10 См. Также
  • 11 Ссылки
  • 12 Дополнительная литература
  • 13 Внешние ссылки

Уровни структуры белка

Существует четыре различных уровня структуры белка.

Первичная структура

Первичная структура белка относится к последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура удерживается вместе пептидными связями, которые образуются в процессе биосинтеза белка. Два конца полипептидной цепи называются карбоксильным концом (С-конец) и аминным концом (N-конец) в зависимости от природы. свободной группы на каждой конечности. Подсчет остатков всегда начинается с N-конца (NH 2 -группа), который является концом, на котором аминогруппа не участвует в пептидной связи. Первичная структура белка определяется геном , соответствующим белку. Конкретная последовательность нуклеотидов в ДНК транскрибируется в мРНК, которая считывается рибосомой в процесс называется перевод. Последовательность аминокислот в инсулине была обнаружена Фредериком Сэнгером, установив, что белки имеют определяющие аминокислотные последовательности. Последовательность белка уникальна для этого белка и определяет структуру и функцию белка. Последовательность белка можно определить такими методами, как деградация по Эдману или тандемная масс-спектрометрия. Однако часто он считывается непосредственно из последовательности гена с использованием генетического кода. При обсуждении белков строго рекомендуется использовать слова «аминокислотные остатки», потому что при образовании пептидной связи молекула воды теряется, и поэтому белки состоят из аминокислотных остатков. Посттрансляционная модификация, такая как фосфорилирование и гликозилирование, обычно также считаются частью первичной структуры и не могут быть прочитаны из гена. Например, инсулин состоит из 51 аминокислоты в 2 цепях. Одна цепь состоит из 31 аминокислоты, а другая - из 20 аминокислот.

Вторичная структура

α-спираль с водородными связями (желтые точки)

Вторичная структура относится к очень регулярным локальным субструктурам на фактической основной цепи полипептида. Два основных типа вторичной структуры, α-спираль и β-цепь или β-листы, были предложены в 1951 году Линусом Полингом и др. Эти вторичные структуры определяются типом водородных связей между пептидными группами основной цепи. Они имеют правильную геометрию, ограниченную конкретными значениями двугранных углов ψ и φ на графике Рамачандрана. Как α-спираль, так и β-лист представляют собой способ насыщения всех доноров и акцепторов водородных связей в основной цепи пептида. Некоторые части белка упорядочены, но не образуют регулярных структур. Их не следует путать с случайной спиралью, развернутой полипептидной цепью, не имеющей какой-либо фиксированной трехмерной структуры. Несколько последовательных вторичных структур могут образовывать «сверхвторичную единицу ".

Третичная структура

Третичная структура относится к трехмерной структуре мономерных и мультимерных белковых молекул. Α-спирали и β-складки складываются в компактную глобулярную структуру. Складывание происходит за счет неспецифических гидрофобных взаимодействий, захоронения гидрофобных остатков из воды, но структура является стабильной только тогда, когда части белкового домена заблокированы на месте с помощью специфических третичных взаимодействий, таких как солевые мостики, водородные связи и плотная упаковка боковых сторон. цепей и дисульфидных связей. Дисульфидные связи чрезвычайно редки в цитозольных белках, поскольку цитозоль (внутриклеточная жидкость) обычно является восстанавливающей средой.

Четвертичная структура

Четвертичная структура - это трехмерная структура, состоящая из агрегации двух или более отдельных поли пептидные цепи (субъединицы), которые действуют как единая функциональная единица (мультимер ). Полученный мультимер стабилизируется теми же нековалентными взаимодействиями и дисульфидными связями, что и в третичной структуре. Есть много возможных организаций четвертичной структуры. Комплексы из двух или более полипептидов (т.е. множества субъединиц) называются мультимерами. В частности, он будет называться димером, если он содержит две субъединицы, тримером, если он содержит три субъединицы, тетрамером, если он содержит четыре субъединицы, и пентамер, если он содержит пять субъединиц. Субъединицы часто связаны друг с другом посредством операций симметрии, таких как ось 2-го порядка в димере. Мультимеры, состоящие из идентичных субъединиц, обозначаются префиксом «гомо-», а мультимеры, состоящие из различных субъединиц, обозначаются префиксом «гетеро-», например, гетеротетрамер, такой как два альфа и два бета. цепи гемоглобина.

Домены, мотивы и складки в структуре белка

Домены белка. Две показанные белковые структуры имеют общий домен (темно-бордовый), домен PH, который участвует в связывании фосфатидилинозитол (3,4,5) -трисфосфата

. описывается как состоящий из нескольких структурных единиц. Эти единицы включают домены, мотивы и складки. Несмотря на то, что существует около 100000 различных белков, экспрессируемых в эукариотических системах, существует гораздо меньше различных доменов, структурных мотивов и складок.

Структурный домен

A структурный домен является элементом общей структуры белка, который является самостабилизирующимся и часто складывается независимо от остальной части белковой цепи. Многие домены не являются уникальными для белковых продуктов одного гена или одного семейства генов, но вместо этого появляются во множестве белков. Домены часто называют и выделяют, потому что они играют важную роль в биологической функции белка, к которому они принадлежат; например, «кальций -связывающий домен кальмодулина ». Поскольку они являются независимо стабильными, домены могут быть «обменены» с помощью генной инженерии между одним белком и другим, чтобы образовать химерные белки.

Структурный мотив и мотив последовательности

Мотивы структурной и последовательности относятся к коротким сегментам трехмерной структуры белка или аминокислотной последовательности, которые были обнаружены в большом количестве различных белков.

Сверхвторичная структура

Сверхвторичная структура относится к особой комбинации элементов вторичной структуры, таких как β-α-β-звенья или спираль-поворот-спираль мотив. Некоторые из них можно также назвать структурными мотивами.

Белковая складка

Белковая складка относится к общей архитектуре белка, например, спиральный пучок, β-ствол, Россманнская складка или различные «складки», предусмотренные в Базе данных Структурной классификации белков. Родственная концепция - это топология белка, которая относится к расположению контактов внутри белка.

Супердомен

Супердомен состоит из двух или более номинально неродственных структурных доменов, которые наследуются как единое целое и встречаются в разных белках. Примером может служить пара домена протеинтирозинфосфатазы и домена C2 в PTEN, нескольких белков тензин, ауксилина и белки в растениях и грибах. Супердомен PTP-C2, очевидно, возник до расхождения грибов, растений и животных, поэтому, вероятно, ему около 1,5 миллиарда лет.

Динамика белка

A рибосома является биологическая машина, которая использует динамику белка на наномасштабе

Тем не менее, белки не являются строго статическими объектами, а скорее населяют ансамбли конформационных состояний. Переходы между этими состояниями обычно происходят на наномасштабах и были связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая передача сигналов и ферментный катализ. Динамика белков и конформационные изменения позволяют белкам функционировать как наноразмерные биологические машины внутри клеток, часто в форме мультибелковых комплексов. Примеры включают моторные белки, такие как миозин, который отвечает за сокращение мышц, кинезин, который перемещает грузы внутри клеток от ядро ​​ вдоль микротрубочек и динеин, который перемещает груз внутри клеток к ядру и вызывает биение аксонем подвижных ресничек и жгутик. «[В результате] [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую из, возможно, более 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины... Гибкие линкеры позволяют мобильным белковые домены, связанные ими, чтобы рекрутировать своих партнеров по связыванию и индуцировать дальнодействующую аллостерию через динамику белковых доменов. "

сворачивание белка

Как это переводится, полипептиды выходят из рибосомы в виде случайной спирали и сворачиваются в свое нативное состояние. Поскольку складка определяется сетью взаимодействий между аминокислотами в полипептиде, конечная структура белковой цепи определяется ее аминокислотной последовательностью (догма Анфинсена ).

стабильность белка

стабильность белка зависит от нескольких факторов, таких как 1) Нековалентные электростатические взаимодействия 2) Гидрофобные взаимодействия Эти энергии взаимодействия составляют порядка 20-40 кДж / моль. Белки очень чувствительны к изменению температуры, и изменение температуры может привести к разворачиванию или денатурации. Денатурация белка может привести к потере функции и потере нативного состояния. Или это может быть также примитивное состояние.

Рентгеновская кристаллография и калориметрия указывают на отсутствие общего механизма, описывающего влияние температуры изменение функций и структуры белков. Это связано с тем, что белки не представляют собой единый класс химических веществ с энергетической точки зрения. Структура и стабильность отдельного белка зависит от соотношения его полярных и неполярных остатков. Они вносят вклад в конформационные и чистые энтальпии локальных и нелокальных взаимодействий.

Принимая во внимание слабые межмолекулярные взаимодействия, ответственные за структурную целостность, трудно предсказать влияние температуры, потому что существует слишком много неизвестных факторов, влияющих на гипотетический баланс свободной энергии и его температурную зависимость. Внутренние солевые связи обеспечивают термическую стабильность, и неизвестно, приводит ли низкая температура к дестабилизации этих связей.

В принципе, свободная энергия стабилизации растворимых глобулярных белков не превышает 50-100 кДж / моль. Стабилизация основана на эквиваленте небольшого числа водородных связей, ионных пар или гидрофобных взаимодействий, хотя многочисленные внутримолекулярные взаимодействия приводят к стабилизации. Принимая во внимание большое количество водородных связей, которые имеют место для стабилизации вторичных структур, и стабилизации внутреннего ядра посредством гидрофобных взаимодействий, свободная энергия стабилизации проявляется как небольшая разница между большими числами. Следовательно, структура нативного белка не оптимизирована для обеспечения максимальной стабильности.

Определение структуры белка

Примеры структур белка из PDB Скорость определения структуры белка по методам и годам

Около 90% белковых структур, доступных в банке данных по белкам, были определены с помощью рентгеновской кристаллографии. Этот метод позволяет измерить трехмерное (3-D) распределение плотности электронов в белке в кристаллизованном состоянии и, таким образом, вывести Трехмерные координаты всех атомов должны быть определены с определенным разрешением. Примерно 9% известных белковых структур были получены методами ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Для более крупных белковых комплексов криоэлектронная микроскопия может определить белковые структуры. Разрешение обычно ниже, чем у рентгеновской кристаллографии или ЯМР, но максимальное разрешение постоянно увеличивается. Этот метод все еще является особенно ценным для очень больших белковых комплексов, таких как белки оболочки вируса и амилоидные волокна.

Общий состав вторичной структуры можно определить с помощью кругового дихроизма. Колебательная спектроскопия также может использоваться для характеристики конформации пептидов, полипептидов и белков. Двумерная инфракрасная спектроскопия стала ценным методом исследования структур гибких пептидов и белков, которые невозможно изучить другими методами. Более качественную картину структуры белка часто получают с помощью протеолиза, который также полезен для скрининга более кристаллизующихся образцов белка. Новые реализации этого подхода, включая быстрый параллельный протеолиз (FASTpp), позволяют исследовать структурированную фракцию и ее стабильность без необходимости очистки. После того, как структура белка была определена экспериментально, дальнейшие подробные исследования могут быть выполнены с помощью вычислений с использованием молекулярно-динамического моделирования этой структуры.

Анализ последовательности белка: ансамбли

Схематическое изображение двух основных моделей ансамбля. подходы.

Белки часто считаются относительно стабильными структурами, которые имеют заданную третичную структуру и претерпевают конформационные изменения в результате модификации другими белками или как часть ферментативной активности. Однако белки имеют разную степень стабильности, и некоторые из менее стабильных вариантов являются протеинами с внутренней неупорядоченностью. Эти белки существуют и функционируют в относительно «неупорядоченном» состоянии, в котором отсутствует стабильная третичная структура. В результате их трудно описать в стандартной модели структуры белка, которая была разработана для белков с фиксированной третичной структурой. Конформационные ансамбли были разработаны как способ обеспечить более точное и «динамическое» представление конформационного состояния внутренне неупорядоченных белков. Конформационные ансамбли функционируют, пытаясь представить различные конформации внутренне неупорядоченных белков в файле ансамбля (тип, найденный в базе данных ансамблей белков ).

Белковые файлы ансамбля представляют собой белок, который можно рассматривать как имеющий гибкую структуру. Создание этих файлов требует определения того, какие из различных теоретически возможных белковых конформаций действительно существуют. Один из подходов заключается в применении вычислительных алгоритмов к данным о белках, чтобы попытаться определить наиболее вероятный набор конформаций для файла ансамбля.

Существует несколько методов подготовки данных для базы данных ансамбля белков, которые делятся на две общие методологии - подходы пула и молекулярной динамики (МД) (схематически изображены на рисунке). Подход на основе пула использует аминокислотную последовательность белка для создания огромного пула случайных конформаций. Затем этот пул подвергается дополнительной вычислительной обработке, которая создает набор теоретических параметров для каждой конформации на основе структуры. Выбираются конформационные подмножества из этого пула, средние теоретические параметры которых близко соответствуют известным экспериментальным данным для этого белка.

Подход молекулярной динамики принимает несколько случайных конформаций одновременно и подвергает все их экспериментальным данным. Здесь экспериментальные данные служат в качестве ограничений, налагаемых на конформации (например, известные расстояния между атомами). Принимаются только конформации, которые остаются в пределах, установленных экспериментальными данными. Этот подход часто применяет большие объемы экспериментальных данных к конформациям, что является очень сложной задачей с вычислительной точки зрения.

БелокТип данныхПротоколPED IDСсылки
Sic1 / Cdc4 ЯМР и SAXS на основе пулаPED9AAA
p15 PAF ЯМР и SAXS на основе пулаPED6AAA
MKK7 ЯМР на основе пулаPED5AAB
на основе бета-синуклеина ЯМР на основе MDPED1AAD
P27 KIDЯМР на основе MDPED2AAA

(адаптировано из изображения в «Вычислительных подходах к выводу функций внутренне неупорядоченных белков. ")

Базы данных структуры белков

A База данных структуры белков - это база данных, которая смоделирована на основе различных экспериментально определенных структур белков. Целью большинства баз данных о структуре белков является организация и аннотирование структур белков, предоставляя биологическому сообществу доступ к экспериментальным данным в удобной форме. Данные, включенные в базы данных структур белков, часто включают трехмерные координаты, а также экспериментальную информацию, такую ​​как размеры элементарных ячеек и углы для рентгеновской кристаллографии структур, определенных. Хотя в большинстве случаев, в данном случае белки или определения конкретной структуры белка, также содержат информацию о последовательности, а некоторые базы данных даже предоставляют средства для выполнения запросов на основе последовательности, основным атрибутом базы данных структуры является структурная информация, тогда как последовательность базы данных сосредоточены на информации о последовательности и не содержат структурной информации для большинства записей. Базы данных структуры белков имеют решающее значение для многих усилий в вычислительной биологии, таких как дизайн лекарств на основе структуры, как при разработке используемых вычислительных методов, так и при предоставлении большого экспериментального набора данных, используемого некоторыми методами для обеспечения понимание функции белка.

Классификация структуры

Белковые структуры можно сгруппировать на основе их структурного сходства, топологического класса или общего эволюционного происхождение. База данных Структурная классификация белков и База данных CATH предоставляет две различные структурные классификации белков. Когда структурное сходство велико, два белка, возможно, отошли от общего предка, и общая структура белков считается доказательством гомологии. Сходство структуры можно затем использовать для группировки белков в суперсемейства белков. Если общая структура значительна, но общая доля мала, общий фрагмент может быть следствием более драматического эволюционного события, такого как горизонтальный перенос генов, и объединение белков, разделяющих эти фрагменты, в суперсемейства белков больше не оправдано. Топология белка также может использоваться для классификации белков. Теория узлов и топология цепи - это две топологические структуры, разработанные для классификации белковых складок на основе пересечения цепей и внутрицепочечных контактов соответственно.

Расчетное прогнозирование структуры белка

Создание последовательности белка намного проще, чем определение структуры белка. Однако структура белка дает гораздо больше информации о функции белка, чем его последовательность. Поэтому был разработан ряд методов для компьютерного предсказания структуры белка по его последовательности. В методах предсказания ab initio используется только последовательность белка. Использование потоков и моделирования гомологии позволяет построить трехмерную модель для белка неизвестной структуры из экспериментальных структур эволюционно связанных белков, называемых семейством белков .

См. также

Ссылки

Дополнительная литература

Внешние ссылки

  • Связанные со СМИ на Белковые структуры на Wikimedia Commons
Последняя правка сделана 2021-06-02 08:35:04
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте