Informacija

Koje su proteinske strukture Perutza et al. osim 3₁₀ heliksa bile točne?

Koje su proteinske strukture Perutza et al. osim 3₁₀ heliksa bile točne?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Godine 1950. Bragg, Kendrew i Perutz objavili su "Konfiguracije polipeptidnih lanaca u kristalnim proteinima" (otvoreni pristup) i koje su Pauling, Corey i Branson nadaleko 'dokazali pogrešnima' sljedeće godine, u radu koji je dokumentirao alfa i gama spirale, "Dvije spiralne konfiguracije polipeptidnog lanca povezane s vodikom" (također OA)

Čitam o ovome (kao što je ovdje recenzirano na primjer) gdje je ideja da je Bragg et al bili su odbijeni - riječima Paulingovog papira:

Niti jedan od ovih autora ne predlaže ni našu spiralu od 3,7 ostatka [α] ili našu spiralu s ostatkom 5,1 [γ]. S druge strane, mi bismo svojim osnovnim postulatima eliminirali sve strukture koje oni predlažu. Razlog za razliku u rezultatima koje su drugi istraživači i mi dobili putem suštinski sličnih argumenata je taj što su i Bragg i njegovi suradnici… detaljno raspravljali samo o spiralnim strukturama s integralnim brojem ostataka po zavoju, a osim toga pretpostavljaju samo grubu aproksimaciju zahtjevi o međuatomskim udaljenostima, veznim kutovima i planarnosti konjugirane amidne skupine, kao što je dano našim istraživanjima jednostavnijih tvari. Tvrdimo da se ove stereokemijske značajke moraju vrlo dobro zadržati u stabilnim konfiguracijama polipeptidnih lanaca u proteinima, te da ne postoji posebna stabilnost povezana s integralnim brojem ostataka po zavoju u spiralnoj molekuli.

Međutim, postojala je jedna, 310 helix koji je Perutzova grupa ispravno identificirala 1950. Trenutno nemam pristup knjižničnim sadržajima, a internetski resursi nisu baš isti kao čvrsti udžbenik. Zanima me je li neki od ostalih opisanih oblika bio točan?

Za popis, to su bili:

  • 27a
  • 27b
  • 28
  • 213
  • 214
  • 38
  • ( 310 )
  • 411
  • 413
  • 213

Nastavit ću tražiti u međuvremenu, ali teško je pretraživati ​​kada u imenima postoje indeksi, a mislim da bi mi iskusniji proteinski znanstvenici mogli dati brži odgovor (ili me jednostavno uputiti tamo gdje bih trebao čitati)


Mislim da imate popis dobrih predviđanja iz časopisa Bragg, Perutz i Kendrick. I 310 helix također nije bio u pravu - ipak se pokazalo da se povremeno pojavljuje u proteinskim strukturama.

U to vrijeme svi ovi elementi sekundarne strukture bili su dobro dokazani iz podataka nekristalne difrakcije i kristalnih struktura malih molekula. Primjeri su kolagen iz kose i uzorci difrakcije vlakana paukove svile. Difrakcija vlakana kose, čija se uređena struktura sastoji uglavnom od alfa spirala donekle poravnanih s osi vlakana (duž duljine kose) ili uglavnom beta listova koji čine svilu.

Budući da se znalo da te tvari uglavnom sadrže proteine, gradili su modele koji bi pokazali kako će obični peptidni polimeri proizvoditi te obrasce. To se dogodilo na odjelima za kemiju i fiziku diljem svijeta. Rad koji citirate reprezentativan je za područje.

Pauling je izazvao potres u proljeće 1951. objavljivanjem opisa alfa heliksa i beta lista (i paralelnih i antiparalelnih). Glavna prednost koju je Pauling imao bila je to što je proučavao strukturu jednostavnih di-aminokiselinskih struktura (posebno glicil-glicin) i shvatio da peptidna veza ima neka svojstva poput dvostruke veze koja joj sprječavaju slobodno rotiranje. Kao otkrivač teorije valentne veze, koja je ujedinila kvantnu mehaniku i kemiju i uspostavila osnovu za barem većinu organskih/bioloških kemijskih struktura, Pauling je u to vrijeme morao biti praktički sam u tom uvidu.

Ovo je sljedeće postavilo pozornicu za dramatičnu utrku u otkrivanju strukture DNK. Ako čitate Watsonsove memoare, on opisuje kako je MRC u Cambridgeu još uvijek osjećao vrućinu, natječući se s CalTechom i Paulingom. On i mladi tamošnji laboratorij držali su se protiv MRC Cambridgea s njegovim višestrukim nobelovcima; laboratorij koji je utvrdio odnos difrakcije rendgenskih zraka i kemijske strukture (zanimljive su bilješke o 7. poglavlju - slijedite poveznicu).

Osvrćući se na to, Paulingova glavna prednost bila je u tome što je razumio peptidnu vezu bolje od ostatka svijeta. U vrijeme kada je DNK bio razriješen, mnogi su razumjeli konformacije organskih molekula i teren je trebao biti više jednak. Nisam siguran da prihvaćam argumente da bi Pauling dobio strukturu bez uvida u uzorke difrakcije, a čak i tada možda ne. Možda ne bih toliko vjerovao ideji da bi Pauling tako brzo dobio strukturu DNK da je mogao putovati.

Naravno, Perutz i Kendrew su sami provjerili peptidnu alfa spiralu kada su riješili prve kristalne strukture hemoglobina i mioglobina, dajući posljednju riječ. Strukture sadrže malu količinu 310 heliksa ali su inače puni alfa spirala. Nisam siguran da je sekundarna struktura bila u potpunosti potvrđena sve do 1958. kada je mioglobin razriješen.


Analiza netočno presavijenih proteinskih modela: implikacije za predviđanja strukture☆

Proteini s homolognim sekvencama aminokiselina imaju slične nabore i pretpostavlja se da se nepoznata trodimenzionalna struktura može dobiti iz poznate homologne strukture supstitucijom novih bočnih lanaca u okosnicu polipeptidnog lanca, nakon čega slijedi relativno mala prilagodba modela. Kako bismo ispitali ovaj pristup predviđanju strukture i, općenito, izolirali karakteristike nativnih proteina, konstruirali smo dva pogrešno presavijena proteinska modela. Za istraživanje su odabrani hemeritrin morskog crva i varijabilna domena κ-lanca imunoglobulina miša, dva proteina bez homologije sekvence, prvi se sastoji od snopa od četiri α-heliksa, a drugi se sastoji od dva 4-lančana β-lista . Automatskim računalnim postupkom, bočni lanci hemeritrina su zamijenjeni u domenu imunoglobulina i obratno. Strukture su energetski minimizirane programom CHARMM i rezultirajuće strukture u usporedbi s ispravno presavijenim oblicima. Utvrđeno je da se pogrešni bočni lanci mogu lako ugraditi u obje vrste struktura (α-heliksa, β-limovi) uz samo male strukturne prilagodbe. Nakon ograničene minimizacije energije, što je dovelo do prosječnog pomaka atomskih koordinata od ne više od 0,7 do 0,9 Å, pogrešno presavijeni modeli došli su do vrijednosti potencijalne energije usporedive s onima ispravnih struktura. Detaljna analiza energetskih rezultata pokazuje da netočne strukture imaju manje stabilizirajuće elektrostatičke, van der Waalsove i vodikove veze. Razlika je posebno izražena kada se elektrostatički i van der Waalsov energetski pojmovi izračunavaju modificiranim jednadžbama koje uključuju približan prikaz učinaka otapala. Neispravno presavijene strukture također imaju znatno veću površinu pristupačnu otapalu i veći udio nepolarnih atoma bočnog lanca izloženih otapalu. Ispitivanje njihove unutrašnjosti pokazuje da pakiranje bočnih lanaca na sučeljima sekundarne strukture, iako odgovara sterički dopuštenim konformacijama, odstupa od karakteristika koje se nalaze u normalnim proteinima. Analiza pogrešno presavijenih struktura jasno je pokazala da odsutnost loših nevezanih kontakata, iako nužna, nije dovoljna za dokazivanje valjanosti konstrukcija izgrađenih po modelu i da modeliranje homolognih struktura mora biti popraćeno temeljitom kvantitativnom ocjenom rezultata. Nadalje, određene značajke koje karakteriziraju prirodne proteine ​​vidljive su njihovim odsutnošću u pogrešno savijenim modelima.


Kiralni vanzemaljci dr. Paulinga

[Gostujući post koji proširuje Paulingovu ideju za znanstvenofantastični roman. Post koji je napisao blog’s East Coast Bureau Chief, dr. John Leavitt, Nerac, Inc., Tolland, CT.]

Pauling drži predavanje s “modelom ribe” (prednji plan) kojim je demonstrirao kiralnost, ca. 1960-ih godina.

U osnovnoj kemiji imamo nešto što se zove "kiralnost" što se odnosi na molekulu s dvije moguće konfiguracije koje se ne mogu preklapati. Jedan od načina da to zamislite je da pogledate svoje ruke i stavite jednu na drugu (ne dlan na dlan) – vaše lijeva i desna ruka su u biti istog oblika, ali im je oblik obrnut. Na molekularnoj razini možemo upotrijebiti jedan od glavnih građevnih blokova svih proteina i cijelog života – aminokiselinu alanin, prikazanu na slici ispod – da bismo ispitali sposobnost ruku.

Dijagram prikazuje raspored atoma dviju molekula alanina, od kojih obje postoje u prirodi, raspoređenih tako da su zrcalne slike. To su iste molekule, ali ako okrenete onu s desne strane tako da je okrenuta u istom smjeru kao i ona s lijeve strane, R (jedan atom ugljika u alaninu s tri vezana atoma vodika) na ovoj molekuli alanina okrenuta prema dlanu, a COOH dio (karboksilna skupina) i NH2 dio (amino skupina) okrenuti su prema van od dlana.

Bez obzira na to kako rotirate alanin na desnoj strani, ne možete postići da se tri dijela vezana na središnji ugljik poravnaju u istom položaju kao alanin na lijevoj strani. Isto tako, ne možete natjerati te ruke da se super-nametnu jedna drugoj bez obzira koliko ih uvijali i okretali. Dakle, alanin s lijeve strane naziva se L-alanin (levo- za smjer u kojem molekula rotira fotone), a alanin s desne strane naziva se D-alanin (dekstro- za smjer u kojem molekula rotira fotone). Oni se nazivaju “enantiomeri” ili kiralni oblici alanina, i oba postoje u prirodi s identičnim kemijskim svojstvima osim načina na koji rotiraju polariziranu svjetlost.

Postoji dvadeset prirodnih aminokiselina koje sačinjavaju gradivne blokove svih proteina. Od ovih dvadeset, samo je glicin simetričan oko središnjeg atoma ugljika i stoga glicin nema enantiomera. Ostalih devetnaest može postojati u L- i D-konformaciji.

Smiješna stvar, međutim, samo L-enantiomer se koristi za proizvodnju proteina od strane proteinske sintetske mašinerije svih oblika života, od jednostaničnih organizama do ljudi. Prilično je lako razumjeti zašto se jedan enantiomer koristi u životu umjesto nasumične upotrebe bilo kojeg enantiomera. Objašnjavajući ovo, obratite pozornost na slike u nastavku, koje prikazuju trodimenzionalnu globularnu strukturu ljudskog beta-aktina s lijeve strane i, desno, arhitektonski raspored ovog aktina u citoplazmi stanice.

Protein sastavljen od 374 aminokiseline ima zamršen uzorak savijanja sa zavojnicama što ne bi bilo moguće da su oba enantiomera aminokiselina za devetnaest aminokiselina nasumično ugrađena u protein. Ova trodimenzionalna struktura mora biti sačuvana kako bi aktin obavljao svoju dinamičku arhitektonsku funkciju unutar živih stanica, kao što je prikazano na slici desno. Zavojnice su moguće jer su sve aminokiseline L-aminokiseline, a glicin je neutralan inače bi se protein ponašao kao mokri rezanci. Precizna struktura proteina aktina određuje njegovu funkciju, koja je sačuvana i očuvana od nastanka svih eukariotskih oblika života (odnosno stanica s citoplazmom i jezgrom). Razumijevanje atomskih sila koje savijaju proteine ​​u jedinstveni oblik dio je razloga zašto je Linus Pauling dobio Nobelovu nagradu za kemiju 1954. godine.

Osim onih koji pomno prate ovaj blog, nije dobro poznato da je Linus Pauling bio strastveni čitatelj znanstvene fantastike. U intervjuu s biografom Thomasom Hagerom iz 1992. opisao je svoju motivaciju da napiše znanstvenofantastični roman. Priča je trebala biti otkriće ljudske rase s drugog planeta koja je evoluirala da koristi samo D-aminokiseline (D-ljudi) umjesto L-izoforme (L-ljudi). Objasnio je da nikada nije stigao napisati ovaj roman jer mu je prava znanost kojom se bavio oduzimala svo vrijeme.

Kad bi se naši L-ljudi susreli s tim D-ljudima, kakve bi posljedice bile? Pa, ono što bismo vidjeli kod D-ljudi su ljudi koji se praktički ne razlikuju od nas samih – osim, naravno, mogućnosti da su se ti vanzemaljci razvili iz neke nezemaljske ekološke niše. Međutim, ne bi bilo moguće parenje, dijeljenje krvi ili tkiva između ove dvije rase.

Da biste to objasnili, razmislite o iskustvu koje ste doživjeli kada ste slučajno stavili ruku u pogrešnu rukavicu. Kao što znate, ovo ne funkcionira dobro. Sve proteinske interakcije i reakcije katalizirane enzimima zahtijevaju izravnu prilagodbu za rad. Supstrati enzima moraju precizno stati u katalitičko aktivno mjesto enzima, kao što vaša ruka stane u ispravnu rukavicu. Budući da L-ljudi imaju drugačiju kiralnost od D-ljudi, ništa ne bi odgovaralo niti se moglo prenijeti zbog asimetrične nekompatibilnosti između L- i D-makromolekula. Čak ni hrana na našem planetu vjerojatno ne bi bila hranjiva za D-ljude jer su sva živa bića na Zemlji L-organizmi. U D-životnim oblicima, aktinske zavojnice bi se smotale u suprotnom smjeru, a dvostruka spirala DNA bi se također morala spiralno uvijati u suprotnom smjeru inače se analogni D-proteini ne bi vezali ili pristajali na kromosomsku DNK.

Čini se razumnim da se D-ljudi mogu naći na drugim planetima ako uzmete u obzir kako je život započeo. Po čudu prirode na Zemlji, L-aminokiseline su dobile prednost i samosastavile se u peptide (male proteine) kada je započeo ovaj esencijalni proces za život kakav poznajemo. Sastavljanje samo jedne izoforme enantiomera u peptid možda je termodinamički preferirano u odnosu na ko-slučajno sastavljanje L- i D-izoforma. Ovaj esencijalni proces evoluirao je u dobro organiziran, membranom zaštićen i energetski vođen stroj za sintezu proteina u jednostaničnim organizmima poput bakterija. Danas ljudi imaju u osnovi isti proteinski sintetski stroj koji je evoluirao u primordijalnim bakterijama i svi oblici života na Zemlji imaju isti genetski kod.

Postoje dva esencijalna enzima koja zajedno rade na katalizaciji sinteze proteina u svim živim stanicama. Jedan enzim, nazvan aminokacil-tRNA sintetaza, veže aminokiselinu na prijenosnu RNA molekulu (postoji jedan od ovih enzima i specifična tRNA za svaku od dvadeset aminokiselina). Drugi enzim, peptidil transferaza, katalizira stvaranje peptidne veze koja povezuje dvije aminokiseline na početku lanca i čini to iznova i iznova dok se protein pune duljine ne sintetizira i presavije u svoju funkcionalnu konformaciju. Ova dva esencijalna enzima ne prepoznaju D-izoforme devetnaest asimetričnih aminokiselina. Tako je naša kiralna L-specifičnost sačuvana od početka života.

Ne mogu se sjetiti niti jednog razloga zašto D-aminokiseline ne bi podržale život, ali to mora biti jedna ili druga izoforma, a ne obje. Očito je Pauling osjećao isto. Ako se to ikada dogodi, D-ljudi će biti zanimljivi za upoznavanje i jednako će biti zainteresirani upoznati nas, nadamo se bez obostranog razočaranja.


Položaj spiralnih područja u proteinima koji sadrže tetrapirol analizom spiralnog hidrofobnog momenta. Primjena na fitokrom.

Helične regije u mnogim tetrapirolnim proteinima su visoko amfifilne, jedna strana u interakciji s hidrofobnom jezgrom, a druga strana u interakciji s polarnim otapalom. Srednji spiralni hidrofobni moment je mjera amfifilnosti zavojnice. Helikalne regije u mioglobinu, alfa i beta podjedinice C-fikocijanina i citokroma c mogu se razlikovati od neheličkih regija pomoću analize hidrofobnog momenta. Ovom analizom locirano je 24 od 27 (89%) spiralnih područja u ovim proteinima. Proračuni su također provedeni na kimotripsinu, ribonukleazi i papainu, koji nemaju tako izraženu hidrofobnu jezgru kao proteini koji sadrže tetrapirol. Manje od 50% spiralnih područja bilo je ispravno locirano, što ukazuje na nedostatak amfifilnosti u spiralama ovih proteina. Analiza hidrofobnog momenta također je korištena za predviđanje spiralnih područja u fitokromu, sveprisutnom fotoreceptoru u biljkama. Dodatno, ova se analiza koristi za brzo lociranje unutarnjih hidrofilnih ostataka koji mogu biti funkcionalno važni. Određena je raspodjela hidrofobnih momenata iz slučajnog niza kako bi se mogle napraviti kvalitativna i donekle kvantitativne usporedbe između različitih amfifilnih spirala.


CALTECH

Sastavili smo Fourierove karte uz pomoć Beeversovih i Lipsonovih traka, koje su bile tanke papirnate trake koje su sadržavale vrijednosti sinusa i kosinusa za zadane amplitude i frekvencije uzorkovane u odgovarajućim intervalima, koje smo sastavili i zatim zbrojili da bismo dobili projekciju elektronske gustoće. Nakon nekoliko godina od toga ispunio sam zahtjeve za moj D. Phil. i, zahvaljujući Dunitzovoj sugestiji, otišao sam na Caltech na postdoc s Paulingom i Coreyjem. Ovo je bilo zapanjujuće iskustvo po mnogim točkama. Kad smo stigli u Pasadenu, nakon niskog leta u Grand Canyon, odsjeli smo u Athenaeumu, Caltech Faculty Clubu. Prvog jutra otvorio sam rolete i bio zapanjen kad sam vidio pročelje Mount Wilsona od 6000 stopa. Dunitz nikada nije spomenuo ovu blizinu planina gotovo dvostruko viših od Snowdona, najviše planine u Walesu. Zatim se smog spustio i prošla su dva mjeseca prije nego što smo ponovno vidjeli Mount Wilson. Za nas, koji dolazimo iz Engleske koja je tek izašla iz racioniranja iz Drugog svjetskog rata, Kalifornija je bila zemlja prepuna mlijeka i meda. Zatim je bilo vrijeme, gdje su mjeseci mogli proći bez kiše, a sezonske razlike su bile male. Društvena atmosfera Caltecha bila je otvorena i prijateljska, a postojao je stupanj druženja između profesora i studenata koji bi bio nezamisliv na Oxfordu. Osim oceana, bili smo na udarnoj udaljenosti od pustinje i planina, a mnoge vikende proveli smo u istraživanju planina Sierra Nevade i Doline smrti.

Međutim, politička klima u Kaliforniji bila je jezivo konzervativna. Richard Nixon je izabran za potpredsjednika Eisenhowera nedugo nakon našeg dolaska. Postdoktoranti i diplomski studenti opće ga nisu voljeli zbog načina na koji je vodio kampanju protiv Jerryja Voorhisa i Helen Gahagan Douglas. Međutim, najupečatljivija manifestacija opće potpore refleksnom antikomunizmu leži u fenomenu senatora Joea McCarthyja, čiji su se uspon i pad dogodili tijekom našeg boravka u Kaliforniji.Pauling, koji je bio otvoren u političkim pitanjima, posebno u vezi s kontrolom nuklearnog oružja, i sam je bio žrtva ove atmosfere i u jednom trenutku mu je uskraćena putovnica za posjet sastanku Kraljevskog društva u Londonu.

Caltech je, međutim, bio prekrasno mjesto i najviše nas je dojmio kalibar diplomiranih studenata i postdoktorata, od kojih je većina otišla u istaknute karijere u znanstveno-istraživačkom radu. Bio sam partner s Joeom Blumom, fiziologom koji je došao na Caltech kako bi naučio kristalografiju kako bi na kraju mogao raditi na strukturi mišića. Na Caltechu je još uvijek postojao aktivan program kristalografije usmjeren na točne strukture malih molekula sličnih peptidima kako bi se poboljšala preciznost baze podataka koja je bila sastavljena za konstrukciju α-heliksa i β-limova. Zamolili su me da se pridružim ovom programu, a Joe i ja smo utvrdili strukturu strukture od osam atoma koja se zove parabanska kiselina. Prikupili smo set filmova koji su sadržavali trodimenzionalne rendgenske podatke, a svaki smo samostalno izmjerili intenzitete vizualno, usporedbom sa ljestvicom intenziteta koju smo konstruirali. Odjel za kemiju Caltecha bio je u to vrijeme vjerojatno najbolje mjesto za vježbanje kristalografije. Postojao je niz IBM-ovih računala s bušenim karticama koje smo mogli koristiti, a procedure za njihovo korištenje bile su dobro uspostavljene. Svaki se stroj mogao "programirati" ožičenjem priključne ploče, a oni su se kretali od jednostavnog razvrstavanja do IBM 604, računala koje je imalo tisuću vakuumskih cijevi i moglo izvesti šezdeset jednostavnih operacija za prolaz svake kartice. Kada smo izračunali konačnu kartu razlike za kristal parabanske kiseline, pronašli smo neočekivane vrhove koji su ukazivali da molekula ima anizotropne toplinske vibracije. Dakle, uz savjet Johna Rolletta, koji je došao iz Leedsa, Joe i ja smo razvili postupak najmanjih kvadrata za pročišćavanje pojedinačnih parametara atomske anizotropne toplinske vibracije koristeći trodimenzionalne podatke. To je uklonilo neželjene vrhove u karti razlika, dalo prikladno nizak R faktor i pružilo izvanredno precizan skup atomskih dimenzija. Na drugoj godini sam ponovio ovaj postupak sa sukcinamidom i čak sam mogao vidjeti što je izgledalo kao vezni elektroni. S modernim računalima ovaj se postupak sada rutinski primjenjuje na svako određivanje kristalne strukture, ali u to vrijeme prvi put je to raditi bilo uzbudljivo (6, 7).

U jesen 1953. održan je sastanak na Caltechu koji je, vjerujem, izvorno trebao prikupiti podršku za Paulingove i Coreyjeve strukture. Model α-heliksa predvidio je snažnu refleksiju X-zraka blizu meridijana na razmaku od 5,4 Å, dok su Astburyjevi uzorci vlakana pokazivali refleksiju od 5,1 Å i to je predstavljalo problem za strukturu zbog koje je Pauling odgodio objavljivanje na neko vrijeme . Međutim, u godini koja je prethodila konferenciji dogodilo se nekoliko izvanrednih događaja. Prvo, Crick je pružio pametno i uvjerljivo objašnjenje za razliku između promatranih i izračunatih razmaka predlažući strukturu zavojnice koja bi rezultirala refleksijom od 5,1 Å. Drugo, Max Perutz i njegovi kolege David Green i Vernon Ingram upravo su postigli prvu uspješnu izomorfnu zamjenu u kristalima hemoglobina koristeći derivat žive koji im je omogućio izračunavanje faza za projekciju molekule, čime su uvjerljivo pokazali da je određivanje proteinskih struktura bilo moguće. Treće, Watson i Crick su upravo odredili strukturu DNK. Ovi događaji su u kombinaciji učinili ovo najnevjerojatnijim sastankom strukturne biologije na kojem sam ikad prisustvovao i natjerali su čak i predanog kristalografa malih molekula da cijeni blago koje je trebalo otkriti proučavanjem bioloških makromolekula.

Međutim, to nije trebalo biti odmah i vratio sam se u Englesku na industrijski posao u Oldburyju, zapadno od Birminghama na rubu “Crne zemlje”. Radio sam u istraživačkom odjelu tvrtke koja je proizvodila fosforne fine kemikalije. Bilo je to moje prvo upoznavanje s industrijskom Engleskom, gdje je kanal bio zelen i mastan, a magle neprobojne. Međutim, istraživački odjel imao je mali, ali učinkovit rendgenski laboratorij i uspio sam odrediti kristalnu strukturu natrijevog trifosfata.


Dorothy Hodgkin, koja je spojila biografiju i kristalografiju

Iako Dorothy Crowfoot Hodgkin nije bila prva koja je odredila kristalnu strukturu proteina, njezin doprinos području makromolekularne kristalografije bio je uistinu monumentalan. U početku je studirala kemiju, a zatim je postala suradnica Bernala u Cambridgeu. Vrlo brzo je stekla izvrsno majstorstvo kristalografije, potkrijepljeno prvoklasnim znanjem kemije. Radila je s Bernalom na snimanju prvih proteinskih difrakcijskih slika kristala pepsina [16] i, samostalno, već u Oxfordu, na dobivanju difrakcijskih fotografija inzulina [21]. Inzulin je postao njezin životni interes, okrunjen na kraju, nakon gotovo 35 godina truda, rješavanjem strukture ovog važnog proteinskog hormona [22]. Iako molekula inzulina nije osobito velika, rješavanje strukture bilo je komplicirano zbog prisutnosti dvije molekule u asimetričnoj jedinici u svemirskoj skupini R3. Ovoj prostornoj skupini nedostaju centrične refleksije, koje su bile kritične za rješavanje prvih kristalnih struktura hemoglobina i mioglobina (vidi dolje). Hodgkin je nastavila strukturalne studije inzulina do kraja svoje aktivne znanstvene karijere, objavivši najvjerojatnije najduži rad u povijesti kristalografije proteina, koji je obišao čitav broj Filozofske transakcije Londonskog kraljevskog društva, serija B [23] . Koautori ovog monumentalnog djela, koji su navedeni abecednim redom i koje je Hodgkin trenirao, uključuju poznate strukturne biologe kao što su Ted Baker, Tom Blundell, Eleanor i Guy Dodson, te Mamannamana Vijayan, između ostalih. Guy Dodson (1937.–2012.), posebice, nastavio je proučavanje inzulina još mnogo godina, sudjelujući u radu koji je kulminirao u ključnom radu koji opisuje strukturu njegovog kompleksa s inzulinskim receptorom [24].

Dorothy Hodgkin je i prije uspjeha s inzulinom bila praktički biomakromolekularni kristalograf jer su strukture koje je uspješno riješila bile ne samo teške i velike za to razdoblje (1930. – 1960.), nego su bile i iznimno važne s kemijskog i biološkog stajališta. Kemičari u to vrijeme uopće nisu bili sigurni u točnu strukturu sterola i bilo je nekoliko mogućih formula s četiri alifatska prstena povezana na različite načine. Kristalna struktura jod derivata kolesterola nedvosmisleno je utvrdila ispravnu strukturu sterola [25]. Kristalna struktura penicilina, utvrđena početkom 1940-ih, imala je sličan ogroman utjecaj, iznenadivši neke kemičare s neočekivanim četveročlanim β-laktamskim prstenom. Ovo postignuće otvorilo je put za izradu polusintetičkih verzija ovog antibiotika, iako je objavljen tek 1949. zbog njegove vojne uporabe na kraju Drugog svjetskog rata [26] . Krunski dragulj rada Dorothy Hodgkin, za koji je 1964. dobila Nobelovu nagradu za kemiju, bila je struktura vitamina B12, najveća kristalna struktura riješena u to vrijeme. Ponovno je otkrio nekoliko neočekivanih značajki, kao što je struktura korinog prstena i kovalentna veza između atoma kobalta i ugljika, čineći vitamin B12 prvi identificirani organometalni spoj. Ovaj rad uključivao je pionirsku primjenu ranih elektroničkih računala u suradnji na daljinu s Kenom Truebloodom (1920-1998) u Kaliforniji [27].


Sadržaj

Antoine Fourcroy i drugi prepoznali su proteine ​​kao posebnu klasu bioloških molekula u osamnaestom stoljeću, a razlikovali su se po sposobnosti molekula da koaguliraju ili flokuliraju pod tretmanima toplinom ili kiselinom. [1] Zapaženi primjeri u to vrijeme uključivali su albumin iz bjelanjaka, albumin krvnog seruma, fibrin i pšenični gluten.

Proteine ​​je prvi opisao nizozemski kemičar Gerardus Johannes Mulder, a imenovao ih je švedski kemičar Jöns Jacob Berzelius 1838. [2] [3] Mulder je izvršio elementarnu analizu uobičajenih proteina i otkrio da gotovo svi proteini imaju istu empirijsku formulu, C400H620N100O120P1S1. [4] Došao je do pogrešnog zaključka da bi mogli biti sastavljeni od jedne vrste (vrlo velike) molekule. Izraz "protein" za opisivanje ovih molekula predložio je Mulderov suradnik Berzelius protein je izveden iz grčke riječi πρώτειος (proteios), što znači "primarni", [5] "na čelu", ili "stajati ispred", [6] + -u. Mulder je nastavio identificirati produkte razgradnje proteina kao što je aminokiselina leucin za koju je pronašao (gotovo točnu) molekularnu težinu od 131 Da. [4] Prije "proteina", korišteni su drugi nazivi, poput "albumini" ili "albuminski materijali" (Eiweisskörper, na njemačkom). [7]

Rani nutricionisti poput Nijemca Carla von Voita vjerovali su da je protein najvažniji nutrijent za održavanje strukture tijela, jer se općenito vjerovalo da „meso čini meso“. [8] Karl Heinrich Ritthausen proširio je poznate oblike proteina identifikacijom glutaminske kiseline. Na Poljoprivrednoj eksperimentalnoj postaji u Connecticutu detaljan pregled biljnih proteina sastavio je Thomas Burr Osborne. Radeći s Lafayette Mendelom i primjenom Liebigovog zakona minimuma u hranjenju laboratorijskih štakora, ustanovljene su nutritivno esencijalne aminokiseline. Rad je nastavio i priopćio William Cumming Rose. Razumijevanje proteina kao polipeptida došlo je kroz rad Franza Hofmeistera i Hermanna Emila Fischera 1902. [9] [10] Središnja uloga proteina kao enzima u živim organizmima nije bila u potpunosti cijenjena sve do 1926., kada je James B. Sumner pokazao da enzim ureaza je zapravo bio protein. [11]

Poteškoće u pročišćavanju proteina u velikim količinama činile su ih vrlo teškim za proučavanje ranim proteinskim biokemičarima. Stoga su se rane studije usredotočile na proteine ​​koji se mogu pročistiti u velikim količinama, npr. krv, bjelanjak, razne toksine i probavne/metaboličke enzime dobivene iz klaonica. U 1950-ima, Armor Hot Dog Co. pročistio je 1 kg čiste goveđe pankreasne ribonukleaze A i učinio je slobodno dostupnim znanstvenicima. Ova gesta pomogla je ribonukleazi A da postane glavna meta biokemijskih studija u sljedećim desetljećima. [4]

Linus Pauling je zaslužan za uspješno predviđanje regularnih sekundarnih struktura proteina temeljenih na vodikovim vezama, ideju koju je prvi iznio William Astbury 1933. [12] Kasniji rad Waltera Kauzmanna o denaturaciji, [13] [14] koji se dijelom temelji na prethodnim studije Kaj Linderstrøm-Langa, [15] pridonijele su razumijevanju savijanja proteina i strukture posredovane hidrofobnim interakcijama.

Prvi protein koji je sekvencioniran bio je inzulin, Fredericka Sangera, 1949. Sanger je ispravno odredio slijed aminokiselina inzulina, čime je uvjerljivo pokazao da se proteini sastoje od linearnih polimera aminokiselina, a ne od razgranatih lanaca, koloida ili ciklola. [16] Za ovo postignuće dobio je Nobelovu nagradu 1958. [17]

Prve proteinske strukture koje su riješene bile su hemoglobin i mioglobin, od strane Maxa Perutza i Sir Johna Cowderyja Kendrewa, redom, 1958. [18] [19] Od 2017. [ažuriranje], Protein Data Bank ima preko 126.060 struktura atomske rezolucije bjelančevina. [20] U novije vrijeme, krioelektronska mikroskopija velikih makromolekularnih sklopova [21] i računalno predviđanje strukture proteina malih proteinskih domena [22] su dvije metode koje se približavaju atomskoj rezoluciji.

Broj proteina kodiranih u genomu otprilike odgovara broju gena (iako može postojati značajan broj gena koji kodiraju RNA proteina, npr. ribosomske RNA). Virusi obično kodiraju nekoliko do nekoliko stotina proteina, arheje i bakterije nekoliko stotina do nekoliko tisuća, dok eukarioti tipično kodiraju nekoliko tisuća do nekoliko desetaka tisuća proteina (vidi veličinu genoma za popis primjera).

Većina proteina sastoji se od linearnih polimera izgrađenih iz serije do 20 različitih L-α- aminokiseline. Sve proteinogene aminokiseline posjeduju zajedničke strukturne značajke, uključujući α-ugljik na koji su vezane amino skupina, karboksilna skupina i varijabilni bočni lanac. Samo se prolin razlikuje od ove osnovne strukture jer sadrži neobičan prsten za aminsku skupinu N-kraja, koji tjera CO–NH amidni dio u fiksnu konformaciju. [23] Bočni lanci standardnih aminokiselina, detaljno opisani na popisu standardnih aminokiselina, imaju veliku raznolikost kemijskih struktura i svojstava, a kombinirani učinak svih bočnih lanaca aminokiselina u proteinu u konačnici određuje njegovu trodimenzionalnu strukturu i njezinu kemijsku reaktivnost. [24] Aminokiseline u polipeptidnom lancu povezane su peptidnim vezama. Nakon što se poveže u proteinski lanac, pojedinačna aminokiselina naziva se a talog, a povezani niz atoma ugljika, dušika i kisika poznati su kao glavni lanac ili proteinska okosnica. [25] : 19

Peptidna veza ima dva rezonantna oblika koja pridonose karakteru dvostruke veze i inhibiraju rotaciju oko svoje osi, tako da su alfa ugljici otprilike komplanarni. Druga dva diedralna kuta u peptidnoj vezi određuju lokalni oblik koji preuzima proteinska kralježnica. [25] : 31 Kraj sa slobodnom amino grupom poznat je kao N-terminus ili amino kraj, dok je kraj proteina sa slobodnom karboksilnom grupom poznat kao C-terminus ili karboksi kraj (slijed proteina piše se od N-kraja do C-kraja, s lijeva na desno).

Riječi protein, polipeptid, i peptid su malo dvosmisleni i mogu se preklapati u značenju. Protein općenito se koristi za označavanje kompletne biološke molekule u stabilnoj konformaciji, dok peptid je općenito rezerviran za kratke oligomere aminokiselina kojima često nedostaje stabilna 3D struktura. Ali granica između njih nije dobro definirana i obično leži blizu 20-30 ostataka. [26] Polipeptid može se odnositi na bilo koji pojedinačni linearni lanac aminokiselina, obično bez obzira na duljinu, ali često implicira odsutnost definirane konformacije.

Interakcije

Obilje u stanicama

Procjenjuje se da bakterije prosječne veličine sadrže oko 2 milijuna proteina po stanici (npr. E coli i Staphylococcus aureus). Manje bakterije, kao npr mikoplazma ili spirohete sadrže manje molekula, od 50.000 do 1 milijun. Nasuprot tome, eukariotske stanice su veće i stoga sadrže mnogo više proteina. Na primjer, procjenjuje se da stanice kvasca sadrže oko 50 milijuna proteina, a ljudske stanice reda 1 do 3 milijarde. [30] Koncentracija pojedinačnih kopija proteina kreće se od nekoliko molekula po stanici do 20 milijuna. [31] Nisu svi geni koji kodiraju proteine ​​izraženi u većini stanica i njihov broj ovisi o, na primjer, tipu stanice i vanjskim podražajima. Na primjer, od oko 20 000 proteina koje kodira ljudski genom, samo 6 000 ih je otkriveno u limfoblastoidnim stanicama. [32]

Biosinteza

Proteini se sastavljaju od aminokiselina pomoću informacija kodiranih u genima. Svaki protein ima svoju jedinstvenu sekvencu aminokiselina koja je određena nukleotidnom sekvencom gena koji kodira ovaj protein. Genetski kod je skup skupova od tri nukleotida koji se nazivaju kodoni i svaka kombinacija od tri nukleotida označava aminokiselinu, na primjer AUG (adenin–uracil–guanin) je kod za metionin. Budući da DNK sadrži četiri nukleotida, ukupan broj mogućih kodona je 64, stoga postoji određena redundancija u genetskom kodu, a neke aminokiseline specificiraju više od jednog kodona. [29] : 1002–42 Geni kodirani u DNA prvo se transkribiraju u pre-glasničku RNA (mRNA) pomoću proteina kao što je RNA polimeraza. Većina organizama tada obrađuje pre-mRNA (također poznatu kao a primarni prijepis) korištenjem različitih oblika post-transkripcijskih modifikacija za stvaranje zrele mRNA, koja se zatim koristi kao predložak za sintezu proteina od strane ribosoma. Kod prokariota mRNA se može ili koristiti čim se proizvede, ili biti vezana ribosomom nakon što se udaljila od nukleoida. Nasuprot tome, eukarioti stvaraju mRNA u staničnoj jezgri, a zatim je translociraju preko nuklearne membrane u citoplazmu, gdje se zatim odvija sinteza proteina. Stopa sinteze proteina veća je u prokariota nego u eukariota i može doseći do 20 aminokiselina u sekundi. [33]

Proces sinteze proteina iz šablona mRNA poznat je kao translacija. mRNA se učitava na ribosom i čita tri nukleotida odjednom tako što se svaki kodon uparuje s njegovim antikodonom uparivanja baza koji se nalazi na prijenosnoj RNA molekuli, koja nosi aminokiselinu koja odgovara kodonu koji prepoznaje. Enzim aminoacil tRNA sintetaza "napunjava" molekule tRNA ispravnim aminokiselinama. Rastući polipeptid se često naziva nastali lanac. Proteini se uvijek biosintetiziraju od N-kraja do C-kraja. [29] : 1002–42

Veličina sintetiziranog proteina može se mjeriti brojem aminokiselina koje sadrži i njegovom ukupnom molekularnom masom, koja se obično izražava u jedinicama daltona (sinonim za jedinice atomske mase), ili izvedenica jedinica kilodalton (kDa). Prosječna veličina proteina raste od Archaea do Bacteria do Eukariota (283, 311, 438 ostataka i 31, 34, 49 kDa respektivno) zbog većeg broja proteinskih domena koje čine proteine ​​u višim organizmima. [34] Na primjer, proteini kvasca su u prosjeku dugi 466 aminokiselina i 53 kDa u masi. [26] Najveći poznati proteini su titini, sastavni dio mišićnog sarkomera, s molekularnom masom od gotovo 3.000 kDa i ukupnom duljinom od gotovo 27.000 aminokiselina. [35]

Kemijska sinteza

Kratki proteini se također mogu sintetizirati kemijski pomoću obitelji metoda poznatih kao sinteza peptida, koje se oslanjaju na tehnike organske sinteze kao što je kemijska ligacija za proizvodnju peptida s visokim prinosom. [36] Kemijska sinteza omogućuje uvođenje neprirodnih aminokiselina u polipeptidne lance, kao što je vezanje fluorescentnih sondi na bočne lance aminokiselina. [37] Ove metode su korisne u laboratorijskoj biokemiji i biologiji stanica, iako općenito nisu za komercijalne primjene. Kemijska sinteza je neučinkovita za polipeptide dulje od oko 300 aminokiselina, a sintetizirani proteini možda neće lako preuzeti svoju nativnu tercijarnu strukturu.Većina metoda kemijske sinteze ide od C-kraja do N-kraja, suprotno biološkoj reakciji. [38]

Većina proteina sklapa se u jedinstvene 3D strukture. Oblik u koji se protein prirodno savija poznat je kao njegova nativna konformacija. [25] : 36 Iako se mnogi proteini mogu presavijati bez pomoći, jednostavno kroz kemijska svojstva svojih aminokiselina, drugi zahtijevaju pomoć molekularnih pratilaca da bi se preklopili u svoja nativna stanja. [25] : 37 Biokemičari često govore o četiri različita aspekta strukture proteina: [25] : 30–34

  • Primarna struktura: sekvenca aminokiselina. Protein je poliamid.
  • Sekundarna struktura: redovito ponavljajuće lokalne strukture stabilizirane vodikovim vezama. Najčešći primjeri su α-helix, β-list i zavoji. Budući da su sekundarne strukture lokalne, mnoge regije različite sekundarne strukture mogu biti prisutne u istoj proteinskoj molekuli.
  • Tercijarna struktura: ukupni oblik jedne proteinske molekule prostorni odnos sekundarnih struktura jedna prema drugoj. Tercijarna struktura općenito se stabilizira nelokalnim interakcijama, najčešće stvaranjem hidrofobne jezgre, ali i preko mostova soli, vodikovih veza, disulfidnih veza, pa čak i posttranslacijskih modifikacija. Pojam "tercijarna struktura" često se koristi kao sinonim za pojam preklopiti. Tercijarna struktura je ono što kontrolira osnovnu funkciju proteina.
  • Kvartarna struktura: struktura koju čini nekoliko proteinskih molekula (polipeptidnih lanaca), obično tzv proteinske podjedinice u ovom kontekstu, koji funkcioniraju kao jedan proteinski kompleks.
  • Kvinarna struktura: potpisi površine proteina koji organiziraju pretrpanu staničnu unutrašnjost. Kvinarna struktura ovisi o prolaznim, ali bitnim, makromolekularnim interakcijama koje se događaju unutar živih stanica.

Proteini nisu posve krute molekule. Osim ovih razina strukture, proteini se mogu mijenjati između nekoliko povezanih struktura dok obavljaju svoje funkcije. U kontekstu ovih funkcionalnih preuređivanja, te tercijarne ili kvartarne strukture obično se nazivaju "konformacije", a prijelazi između njih se nazivaju konformacijske promjene. Takve promjene često su inducirane vezanjem molekule supstrata na aktivno mjesto enzima ili fizičku regiju proteina koja sudjeluje u kemijskoj katalizi. U otopini proteini također prolaze kroz varijacije u strukturi zbog toplinskih vibracija i sudara s drugim molekulama. [29] : 368–75

Proteini se neformalno mogu podijeliti u tri glavne klase, koje su u korelaciji s tipičnim tercijarnim strukturama: globularni proteini, vlaknasti proteini i membranski proteini. Gotovo svi globularni proteini su topljivi i mnogi su enzimi. Vlaknasti proteini su često strukturni, kao što je kolagen, glavna komponenta vezivnog tkiva, ili keratin, proteinska komponenta kose i noktiju. Membranski proteini često služe kao receptori ili osiguravaju kanale za prolazak polarnih ili nabijenih molekula kroz staničnu membranu. [29] : 165–85

Poseban slučaj intramolekularnih vodikovih veza unutar proteina, koji su slabo zaštićeni od napada vode i stoga pospješuju vlastitu dehidraciju, nazivaju se dehidroni. [39]

Proteinske domene

Mnogi proteini se sastoje od nekoliko proteinskih domena, tj. segmenata proteina koji se savijaju u različite strukturne jedinice. Domene obično također imaju specifične funkcije, kao što su enzimske aktivnosti (npr. kinaza) ili služe kao vezni moduli (npr. SH3 domena se veže na sekvence bogate prolinom u drugim proteinima).

Motiv niza

Kratke sekvence aminokiselina unutar proteina često djeluju kao mjesta prepoznavanja za druge proteine. [40] Na primjer, SH3 domene se obično vežu na kratke PxxP motive (tj. 2 prolina [P], odvojena s dvije nespecificirane aminokiseline [x], iako okolne aminokiseline mogu odrediti točnu specifičnost vezanja). Mnogi takvi motivi prikupljeni su u bazi podataka Eukaryotic Linear Motif (ELM).

Proteini su glavni akteri unutar stanice, za koje se kaže da obavljaju dužnosti određene informacijama kodiranim u genima. [26] S izuzetkom određenih tipova RNA, većina drugih bioloških molekula su relativno inertni elementi na koje djeluju proteini. Proteini čine polovinu suhe težine jednog Escherichia coli stanica, dok druge makromolekule kao što su DNA i RNA čine samo 3%, odnosno 20%. [41] Skup proteina izraženih u određenoj stanici ili tipu stanice poznat je kao njezin proteom.

Glavna karakteristika proteina koja također omogućuje njihov raznolik skup funkcija je njihova sposobnost da specifično i čvrsto vežu druge molekule. Područje proteina odgovornog za vezanje druge molekule poznato je kao vezno mjesto i često je udubljenje ili "džep" na površini molekule. Ova sposobnost vezivanja je posredovana tercijarne strukture proteina, koja definira džep na mjestu vezanja, i kemijskim svojstvima bočnih lanaca okolnih aminokiselina. Vezivanje proteina može biti izuzetno čvrsto i specifično, na primjer, protein inhibitor ribonukleaze veže se na humani angiogenin uz subfemtomolarnu konstantu disocijacije (<10 -15 M), ali se uopće ne veže na svoju homolog onkonazu vodozemaca (>1 M). Ekstremno male kemijske promjene kao što je dodavanje jedne metilne skupine veznom partneru ponekad mogu biti dovoljne da se gotovo eliminira vezanje, na primjer, aminoacil tRNA sintetaza specifična za aminokiselinu valin diskriminira vrlo sličan bočni lanac aminokiseline izoleucin. [42]

Proteini se mogu vezati na druge proteine, kao i na supstrate malih molekula. Kada se proteini specifično vežu na druge kopije iste molekule, mogu se oligomerizirati u formiranje fibrila, ovaj proces se često događa u strukturnim proteinima koji se sastoje od globularnih monomera koji se samopovezuju da tvore kruta vlakna. Interakcije protein-protein također reguliraju enzimsku aktivnost, kontroliraju napredovanje kroz stanični ciklus i omogućuju sastavljanje velikih proteinskih kompleksa koji provode mnoge blisko povezane reakcije sa zajedničkom biološkom funkcijom. Proteini se također mogu vezati na stanične membrane ili čak biti integrirani u njih. Sposobnost veznih partnera da induciraju konformacijske promjene u proteinima omogućuje izgradnju enormno složenih signalnih mreža. [29] : 830–49 Kako su interakcije između proteina reverzibilne i uvelike ovise o dostupnosti različitih skupina proteina partnera za formiranje agregata koji su sposobni obavljati diskretne skupove funkcija, proučavanje interakcija između specifičnih proteina je ključ razumjeti važne aspekte stanične funkcije, i konačno svojstva koja razlikuju određene tipove stanica. [43] [44]

Enzimi

Najpoznatija uloga proteina u stanici je kao enzimi koji kataliziraju kemijske reakcije. Enzimi su obično vrlo specifični i ubrzavaju samo jednu ili nekoliko kemijskih reakcija. Enzimi provode većinu reakcija uključenih u metabolizam, kao i manipuliranje DNK u procesima kao što su replikacija DNK, popravak DNK i transkripcija. Neki enzimi djeluju na druge proteine ​​kako bi dodali ili uklonili kemijske skupine u procesu poznatom kao posttranslacijska modifikacija. Poznato je da je oko 4000 reakcija katalizirano enzimima. [45] Ubrzanje brzine dodijeljeno enzimskom katalizom često je enormno - čak 10 17-struko povećanje brzine u odnosu na nekataliziranu reakciju u slučaju orotat dekarboksilaze (78 milijuna godina bez enzima, 18 milisekundi s enzimom). [46]

Molekule vezane i na koje djeluju enzimi nazivaju se supstrati. Iako se enzimi mogu sastojati od stotina aminokiselina, obično je samo mali dio ostataka koji dolazi u kontakt sa supstratom, a još manji dio - u prosjeku tri do četiri ostatka - koji su izravno uključeni u katalizu. [47] Područje enzima koje veže supstrat i sadrži katalitičke ostatke poznato je kao aktivno mjesto.

Dirigent proteini su članovi klase proteina koji diktiraju stereokemiju spoja sintetiziranog drugim enzimima. [48]

Stanična signalizacija i vezanje liganda

Mnogi proteini su uključeni u proces stanične signalizacije i transdukcije signala. Neki proteini, kao što je inzulin, su izvanstanični proteini koji prenose signal iz stanice u kojoj su sintetizirani do drugih stanica u udaljenim tkivima. Drugi su membranski proteini koji djeluju kao receptori čija je glavna funkcija vezati signalnu molekulu i inducirati biokemijski odgovor u stanici. Mnogi receptori imaju vezno mjesto izloženo na površini stanice i efektorsku domenu unutar stanice, koja može imati enzimsku aktivnost ili može proći kroz konformacijsku promjenu koju detektiraju drugi proteini unutar stanice. [28] : 251–81

Antitijela su proteinske komponente adaptivnog imunološkog sustava čija je glavna funkcija vezati antigene, ili strane tvari u tijelu, i ciljati ih na uništenje. Antitijela se mogu izlučiti u izvanstaničnu okolinu ili usidriti u membranama specijaliziranih B stanica poznatih kao plazma stanice. Dok su enzimi ograničeni u svom afinitetu vezanja za svoje supstrate zbog potrebe provođenja njihove reakcije, antitijela nemaju takva ograničenja. Afinitet vezanja antitijela za njegovu metu je izuzetno visok. [29] : 275–50

Mnogi transportni proteini liganda vežu određene male biomolekule i transportiraju ih na druga mjesta u tijelu višestaničnog organizma. Ovi proteini moraju imati visok afinitet vezanja kada je njihov ligand prisutan u visokim koncentracijama, ali također moraju oslobađati ligand kada je prisutan u niskim koncentracijama u ciljnom tkivu. Kanonski primjer proteina koji veže ligand je hemoglobin, koji prenosi kisik iz pluća u druge organe i tkiva kod svih kralježnjaka i ima bliske homologe u svakom biološkom kraljevstvu. [29] : 222–29 Lektini su proteini koji vežu šećer koji su vrlo specifični za svoje šećerne dijelove. Lektini obično imaju ulogu u fenomenima biološkog prepoznavanja koji uključuju stanice i proteine. [49] Receptori i hormoni su visoko specifični vezni proteini.

Transmembranski proteini također mogu poslužiti kao transportni proteini liganda koji mijenjaju propusnost stanične membrane za male molekule i ione. Sama membrana ima hidrofobnu jezgru kroz koju polarne ili nabijene molekule ne mogu difundirati. Membranski proteini sadrže unutarnje kanale koji omogućuju takvim molekulama da uđu i izađu iz stanice. Mnogi proteini ionskih kanala specijalizirani su za odabir samo za određeni ion, na primjer, kalijevi i natrijevi kanali često diskriminiraju samo jedan od dva iona. [28] : 232–34

Strukturni proteini

Strukturni proteini daju krutost i krutost inače tekućim biološkim komponentama. Većina strukturnih proteina su vlaknasti proteini, na primjer, kolagen i elastin su kritične komponente vezivnog tkiva kao što je hrskavica, a keratin se nalazi u tvrdim ili filamentoznim strukturama kao što su kosa, nokti, perje, kopita i neke životinjske školjke. [29] : 178–81 Neki globularni proteini također mogu igrati strukturne funkcije, na primjer, aktin i tubulin su globularni i topljivi kao monomeri, ali se polimeriziraju kako bi formirali duga, čvrsta vlakna koja čine citoskelet, što omogućuje stanici da zadrži svoj oblik i veličina.

Ostali proteini koji služe strukturnim funkcijama su motorni proteini kao što su miozin, kinezin i dinein, koji su sposobni generirati mehaničke sile. Ovi proteini su ključni za staničnu pokretljivost jednostaničnih organizama i sperme mnogih višestaničnih organizama koji se razmnožavaju spolno. Oni također stvaraju sile koje djeluju kontrakcijom mišića [29] : 258–64, 272 i igraju bitnu ulogu u unutarstaničnom transportu.

Ključno pitanje u molekularnoj biologiji je kako proteini evoluiraju, tj. kako mutacije (ili bolje rečeno promjene u slijedu aminokiselina) mogu dovesti do novih struktura i funkcija? Većina aminokiselina u proteinu može se promijeniti bez ometanja aktivnosti ili funkcije, kao što se može vidjeti iz brojnih homolognih proteina među vrstama (kao što je prikupljeno u specijaliziranim bazama podataka za obitelji proteina, npr. PFAM). [50] Kako bi se spriječile dramatične posljedice mutacija, gen se može duplicirati prije nego što može slobodno mutirati. Međutim, to također može dovesti do potpunog gubitka funkcije gena, a time i pseudogena. [51] Češće, promjene jedne aminokiseline imaju ograničene posljedice iako neke mogu značajno promijeniti funkciju proteina, posebno u enzimima. Na primjer, mnogi enzimi mogu promijeniti svoju specifičnost supstrata jednom ili nekoliko mutacija. [52] Promjene u specifičnosti supstrata su olakšane promiskuitet supstrata, tj. sposobnost mnogih enzima da vežu i obrađuju više supstrata. Kada se pojave mutacije, može se povećati (ili smanjiti) specifičnost enzima, a time i njegova enzimska aktivnost. [52] Dakle, bakterije (ili drugi organizmi) mogu se prilagoditi različitim izvorima hrane, uključujući neprirodne supstrate kao što je plastika. [53]

Aktivnosti i strukture proteina mogu se ispitati in vitro, in vivo i in silico. In vitro studije pročišćenih proteina u kontroliranim okruženjima korisne su za učenje kako protein obavlja svoju funkciju: na primjer, studije kinetike enzima istražuju kemijski mehanizam katalitičke aktivnosti enzima i njegov relativni afinitet za različite moguće molekule supstrata. Po kontrastu, in vivo eksperimenti mogu pružiti informacije o fiziološkoj ulozi proteina u kontekstu stanice ili čak cijelog organizma. U silikonu studije koriste računske metode za proučavanje proteina.

Pročišćavanje proteina

Izvoditi in vitro analize, protein mora biti pročišćen daleko od ostalih staničnih komponenti. Ovaj proces obično počinje lizom stanice, u kojoj se stanična membrana poremeti i njezin unutarnji sadržaj se oslobađa u otopinu poznatu kao sirovi lizat. Rezultirajuća smjesa može se pročistiti ultracentrifugiranjem, koje frakcionira različite stanične komponente u frakcije koje sadrže topive proteine, membranske lipide i proteine ​​stanične organele i nukleinske kiseline. Precipitacija metodom poznatom kao isoljavanje može koncentrirati proteine ​​iz ovog lizata. Različite vrste kromatografije se zatim koriste za izolaciju proteina ili proteina od interesa na temelju svojstava kao što su molekularna težina, neto naboj i afinitet vezanja. [25] : 21–24 Razina pročišćavanja može se pratiti korištenjem različitih vrsta gel elektroforeze ako su poznati molekularna težina i izoelektrična točka željenog proteina, spektroskopijom ako protein ima prepoznatljiva spektroskopska svojstva, ili enzimskim testovima ako protein ima enzimska aktivnost. Dodatno, proteini se mogu izolirati prema njihovom naboju pomoću elektrofokusiranja. [54]

Za prirodne proteine ​​može biti potreban niz koraka pročišćavanja kako bi se dobio protein dovoljno čist za laboratorijske primjene. Kako bi se pojednostavio ovaj proces, genetski inženjering se često koristi za dodavanje kemijskih značajki proteinima koje ih čine lakšim za pročišćavanje bez utjecaja na njihovu strukturu ili aktivnost. Ovdje je "oznaka" koja se sastoji od specifične sekvence aminokiselina, često niza histidinskih ostataka ("His-tag"), pričvršćena na jedan kraj proteina. Kao rezultat toga, kada se lizat prođe preko kromatografske kolone koja sadrži nikal, ostaci histidina povezuju nikal i vežu se na kolonu dok neoznačene komponente lizata prolaze nesmetano. Razvijeno je više različitih oznaka kako bi se pomoglo istraživačima u pročišćavanju specifičnih proteina iz složenih smjesa. [55]

Stanična lokalizacija

Proučavanje proteina in vivo često se bavi sintezom i lokalizacijom proteina unutar stanice. Iako se mnogi intracelularni proteini sintetiziraju u citoplazmi, a proteini vezani za membranu ili se izlučuju u endoplazmatskom retikulumu, specifičnosti načina na koji su proteini ciljani na specifične organele ili stanične strukture često su nejasne. Korisna tehnika za procjenu stanične lokalizacije koristi genetski inženjering za ekspresiju u stanici fuzijskog proteina ili himere koja se sastoji od prirodnog proteina od interesa povezanog s "reporterom" kao što je zeleni fluorescentni protein (GFP). [56] Položaj spojenog proteina unutar stanice može se jasno i učinkovito vizualizirati pomoću mikroskopije, [57] kao što je prikazano na slici suprotnoj.

Druge metode za razjašnjavanje stanične lokacije proteina zahtijevaju korištenje poznatih odjeljačkih markera za regije kao što su ER, Golgi, lizosomi ili vakuole, mitohondrije, kloroplasti, plazma membrana, itd. Uz korištenje fluorescentno označenih verzija ovih markera ili antitijela na poznate markere, postaje mnogo jednostavnije identificirati lokalizaciju proteina od interesa. Na primjer, neizravna imunofluorescencija će omogućiti kolokalizaciju fluorescencije i pokazivanje lokacije. Fluorescentne boje koriste se za označavanje staničnih odjeljaka u sličnu svrhu. [58]

Postoje i druge mogućnosti. Na primjer, imunohistokemija obično koristi protutijelo na jedan ili više proteina od interesa koji su konjugirani s enzimima dajući ili luminescentne ili kromogene signale koji se mogu usporediti između uzoraka, omogućujući informacije o lokalizaciji. Druga primjenjiva tehnika je kofrakcioniranje u gradijentima saharoze (ili drugog materijala) korištenjem izopikničkog centrifugiranja. [59] Iako ova tehnika ne dokazuje kolokalizaciju odjeljka poznate gustoće i proteina od interesa, povećava vjerojatnost i podložnija je studijama velikih razmjera.

Konačno, metoda zlatnog standarda stanične lokalizacije je imunoelektronska mikroskopija. Ova tehnika također koristi antitijelo na protein od interesa, zajedno s klasičnim tehnikama elektronske mikroskopije. Uzorak se priprema za uobičajeni elektronski mikroskopski pregled, a zatim se tretira antitijelom na protein od interesa koji je konjugiran s izuzetno elektro-gustim materijalom, obično zlatom. To omogućuje lokalizaciju ultrastrukturnih detalja kao i proteina od interesa. [60]

Kroz drugu primjenu genetskog inženjeringa poznatu kao mutageneza usmjerena na mjesto, istraživači mogu promijeniti proteinski slijed, a time i njegovu strukturu, staničnu lokalizaciju i podložnost regulaciji. Ova tehnika čak dopušta ugradnju neprirodnih aminokiselina u proteine, koristeći modificirane tRNA, [61] i može omogućiti racionalan dizajn novih proteina s novim svojstvima. [62]

Proteomika

Ukupni komplement proteina prisutnih u jednom trenutku u stanici ili tipu stanice poznat je kao njezin proteom, a proučavanje takvih velikih skupova podataka definira polje proteomike, nazvano po analogiji srodnim poljem genomike. Ključne eksperimentalne tehnike u proteomici uključuju 2D elektroforezu, [63] koja omogućuje odvajanje mnogih proteina, masenu spektrometriju, [64] koja omogućuje brzu identifikaciju proteina visoke propusnosti i sekvenciranje peptida (najčešće nakon probave u gelu), proteina mikronizove, koji omogućuju otkrivanje relativnih razina različitih proteina prisutnih u stanici, i dvohibridni probir, koji omogućuje sustavno istraživanje interakcija protein-protein. [65] Ukupni komplement biološki mogućih takvih interakcija poznat je kao interaktom. [66] Sustavni pokušaj određivanja struktura proteina koji predstavljaju svaki mogući nabor poznat je kao strukturna genomika. [67]

Određivanje strukture

Otkrivanje tercijarne strukture proteina, ili kvartarne strukture njegovih kompleksa, može dati važne naznake o tome kako protein obavlja svoju funkciju i kako na njega može utjecati, tj. u dizajnu lijeka. Budući da su proteini premali da bi se mogli vidjeti pod svjetlosnim mikroskopom, moraju se koristiti druge metode za određivanje njihove strukture. Uobičajene eksperimentalne metode uključuju kristalografiju X-zraka i NMR spektroskopiju, od kojih obje mogu proizvesti strukturne informacije pri atomskoj rezoluciji. Međutim, NMR eksperimenti mogu pružiti informacije iz kojih se može procijeniti podskup udaljenosti između parova atoma, a konačne moguće konformacije za protein se određuju rješavanjem problema geometrije udaljenosti. Dvopolarizacija interferometrija je kvantitativna analitička metoda za mjerenje ukupne konformacije proteina i konformacijskih promjena zbog interakcija ili drugih podražaja. Kružni dikroizam je još jedna laboratorijska tehnika za određivanje unutarnjeg β-list / α-helikalnog sastava proteina. Krioelektronska mikroskopija koristi se za proizvodnju strukturnih informacija niže razlučivosti o vrlo velikim proteinskim kompleksima, uključujući sastavljene viruse [28] : 340-41 varijanta poznata kao elektronska kristalografija također može proizvesti informacije visoke razlučivosti u nekim slučajevima, posebno za dvodimenzionalne kristale membranskih proteina. [68] Riješene strukture obično se pohranjuju u Protein Data Bank (PDB), besplatno dostupnom resursu iz kojeg se mogu dobiti strukturni podaci o tisućama proteina u obliku kartezijanskih koordinata za svaki atom u proteinu. [69]

Poznato je mnogo više genskih sekvenci od proteinskih struktura. Nadalje, skup riješenih struktura je pristran prema proteinima koji se lako mogu podvrgnuti uvjetima potrebnim u rendgenskoj kristalografiji, jednoj od glavnih metoda određivanja strukture. Konkretno, globularne proteine ​​je relativno lako kristalizirati u pripremi za rendgensku kristalografiju. Nasuprot tome, membranski proteini i veliki proteinski kompleksi teško se kristaliziraju i nedovoljno su zastupljeni u PDB-u. [70] Inicijative strukturalne genomike pokušale su ispraviti ove nedostatke sustavnim rješavanjem reprezentativnih struktura glavnih klasa nabora. Metode predviđanja strukture proteina pokušavaju osigurati način za generiranje uvjerljive strukture za proteine ​​čije strukture nisu eksperimentalno određene. [71]

Predviđanje strukture

Komplementarno polju strukturne genomike, predviđanje strukture proteina razvija učinkovite matematičke modele proteina za računalno predviđanje molekularnih formacija u teoriji, umjesto otkrivanja struktura s laboratorijskim promatranjem. [72] Najuspješniji tip predviđanja strukture, poznat kao modeliranje homologije, oslanja se na postojanje strukture "predloška" sa sličnošću sekvence sa proteinom koji se modelira. Cilj strukturne genomike je osigurati dovoljnu zastupljenost u riješenim strukturama za modeliranje većine oni koji ostaju. [73] Iako proizvodnja točnih modela ostaje izazov kada su dostupne samo udaljene strukture predložaka, sugerirano je da je poravnanje sekvenci usko grlo u ovom procesu, budući da se prilično točni modeli mogu proizvesti ako je poznato "savršeno" poravnanje sekvence. [74] Mnoge metode predviđanja strukture poslužile su za informiranje o novonastajućem području proteinskog inženjerstva, u kojem su već dizajnirani novi proteinski nabori. [75] Također proteini (u eukariota

33%) sadrži velike nestrukturirane, ali biološki funkcionalne segmente i mogu se klasificirati kao intrinzično poremećeni proteini. [76] Predviđanje i analiza poremećaja proteina je, stoga, važan dio karakterizacije proteinske strukture. [77]

Bioinformatika

Razvijen je široki niz računalnih metoda za analizu strukture, funkcije i evolucije proteina. Razvoj takvih alata potaknut je velikom količinom genomskih i proteomskih podataka dostupnih za razne organizme, uključujući ljudski genom. Jednostavno je nemoguće eksperimentalno proučiti sve proteine, stoga je samo nekoliko podvrgnuto laboratorijskim eksperimentima dok se računski alati koriste za ekstrapolaciju na slične proteine. Takvi homologni proteini mogu se učinkovito identificirati u daleko srodnim organizmima poravnavanjem sekvenci. Genom i sekvence gena mogu se pretraživati ​​raznim alatima za određena svojstva. Alati za profiliranje sekvenci mogu pronaći mjesta restrikcijskih enzima, otvoriti okvire čitanja u nukleotidnim sekvencama i predvidjeti sekundarne strukture. Filogenetska stabla mogu se konstruirati i razvijati evolucijske hipoteze pomoću posebnog softvera poput ClustalW u vezi s podrijetlom modernih organizama i genima koje oni izražavaju. Područje bioinformatike danas je nezamjenjivo za analizu gena i proteina.

In silico simulacija dinamičkih procesa

Složeniji računski problem je predviđanje međumolekularnih interakcija, kao što je molekularno spajanje, [78] savijanje proteina, interakcija protein-protein i kemijska reaktivnost. Matematički modeli za simulaciju ovih dinamičkih procesa uključuju molekularnu mehaniku, posebice molekularnu dinamiku. u tom smislu, u silikonu simulacije su otkrile savijanje malih α-helikalnih proteinskih domena kao što je glava villina, [79] pomoćni protein HIV-a [80] i hibridne metode koje kombiniraju standardnu ​​molekularnu dinamiku s kvantnom mehaničkom matematikom istražile su elektronska stanja rodopsina. [81]

Osim klasične molekularne dinamike, metode kvantne dinamike omogućuju simulaciju proteina u atomističkim detaljima s točnim opisom kvantnomehaničkih učinaka. Primjeri uključuju višeslojnu višekonfiguracijsku vremenski ovisnu Hartree metodu (MCTDH) i pristup hijerarhijskim jednadžbama gibanja (HEOM), koji su primijenjeni na kriptokrome biljaka [82] i komplekse za prikupljanje svjetlosti bakterija, [83]. I kvantne i klasične mehaničke simulacije bioloških sustava iznimno su računski zahtjevne, pa inicijative za distribuirano računanje (na primjer, projekt [email protected] [84] ) olakšavaju molekularno modeliranje iskorištavanjem napretka u GPU paralelnoj obradi i Monte Carlo tehnikama.

Kemijska analiza

Ukupni sadržaj dušika u organskoj tvari uglavnom čine amino skupine u proteinima. Ukupni Kjeldahlov dušik (TKN) je mjera dušika koja se široko koristi u analizi (otpadne) vode, tla, hrane, hrane za životinje i organske tvari općenito. Kao što naziv govori, primjenjuje se Kjeldahlova metoda. Dostupne su osjetljivije metode. [85] [86]

Većina mikroorganizama i biljaka može biosintetizirati svih 20 standardnih aminokiselina, dok životinje (uključujući ljude) moraju dobiti neke od aminokiselina iz prehrane. [41] Aminokiseline koje organizam ne može sam sintetizirati nazivaju se esencijalnim aminokiselinama. Ključni enzimi koji sintetiziraju određene aminokiseline nisu prisutni u životinjama – kao što je aspartokinaza, koja katalizira prvi korak u sintezi lizina, metionina i treonina iz aspartata. Ako su aminokiseline prisutne u okolišu, mikroorganizmi mogu sačuvati energiju uzimajući aminokiseline iz svoje okoline i smanjujući njihove biosintetske putove.

Kod životinja se aminokiseline dobivaju konzumiranjem hrane koja sadrži proteine. Progutani proteini se zatim razgrađuju na aminokiseline kroz probavu, koja obično uključuje denaturaciju proteina kroz izlaganje kiselini i hidrolizu enzima zvanim proteaze. Neke unesene aminokiseline koriste se za biosintezu proteina, dok se druge pretvaraju u glukozu putem glukoneogeneze ili unose u ciklus limunske kiseline. Ova upotreba proteina kao goriva posebno je važna u uvjetima gladovanja jer omogućuje korištenje tjelesnih vlastitih proteina za održavanje života, osobito onih koji se nalaze u mišićima. [87]

Kod životinja kao što su psi i mačke, proteini održavaju zdravlje i kvalitetu kože potičući rast folikula dlake i keratinizaciju, a time smanjujući vjerojatnost problema s kožom koji izazivaju neugodne mirise. [88] Proteini loše kvalitete također imaju ulogu u pogledu zdravlja gastrointestinalnog trakta, povećavajući potencijal za nadutost i neugodne spojeve kod pasa jer kada proteini dođu do debelog crijeva u neprobavljenom stanju, fermentiraju se proizvodeći plinovit sumporovodik, indol i skatol. [89] Psi i mačke bolje probavljaju životinjske bjelančevine od onih iz biljaka, ali proizvodi životinjskog podrijetla niske kvalitete se loše probavljaju, uključujući kožu, perje i vezivno tkivo. [89]


ZAHVALA

Autori zahvaljuju Dimi Kozakovu što je omogućio pristup poslužitelju ClusPro te Olivieru Michielinu i VIncentu Zoeteu za pristup poslužitelju SwissDock.

Dodatne informacije o podršci mogu se pronaći u internetskoj verziji ovog članka.

Napomena: Izdavač nije odgovoran za sadržaj ili funkcionalnost bilo koje prateće informacije koje su dali autori. Sve upite (osim sadržaja koji nedostaje) treba uputiti odgovarajućem autoru članka.


Sadržaj

Početkom 1930-ih, William Astbury je pokazao da postoje drastične promjene u difrakciji rendgenskih vlakana vlažnih vlakana vune ili dlake nakon značajnog rastezanja. Podaci sugeriraju da su nerastegnuta vlakna imala smotanu molekularnu strukturu s karakterističnim ponavljanjem od ≈5,1 ångströma (0,51 nanometar).

Astbury je u početku predložio strukturu povezanih lanaca za vlakna. Kasnije se pridružio drugim istraživačima (osobito američkom kemičaru Mauriceu Hugginsu) u predlaganju da:

  • nerastegnute proteinske molekule formirale su spiralu (koju je nazvao α-oblik)
  • istezanje je uzrokovalo odmotavanje spirale, formirajući prošireno stanje (koje je nazvao β-oblik).

Iako netočni u svojim detaljima, Astburyjevi modeli ovih oblika bili su točni u biti i odgovaraju modernim elementima sekundarne strukture, α-helixu i β-lancu (zadržana je Astburyjeva nomenklatura), koje su razvili Linus Pauling, Robert Corey i Herman Branson je 1951. (vidi dolje) u tom radu pokazao i desno i lijevo zavojnice, iako je 1960. kristalna struktura mioglobina [1] pokazala da je desni oblik uobičajen. Hans Neurath je prvi pokazao da Astburyjevi modeli ne mogu biti točni u detaljima, jer su uključivali sukobe atoma. [2] Neurathov rad i Astburyjevi podaci inspirirali su H. S. Taylora, [3] Mauricea Hugginsa [4] i Bragga i suradnike [5] da predlože modele keratina koji donekle podsjećaju na modernu α-helix.

Dva ključna razvoja u modeliranju moderne α-heliksa bila su: ispravna geometrija veze, zahvaljujući određivanju kristalne strukture aminokiselina i peptida i Paulingovo predviđanje planarni peptidne veze i njegovo odustajanje od pretpostavke o integralnom broju ostataka po zavoju spirale. Ključni trenutak dogodio se u rano proljeće 1948., kada se Pauling prehladio i otišao u krevet. Budući da mu je dosadno, nacrtao je polipeptidni lanac otprilike točnih dimenzija na traku papira i presavio ga u spiralu, pazeći da zadrži planarne peptidne veze. Nakon nekoliko pokušaja, proizveo je model s fizički vjerojatnim vodikovim vezama. Pauling je tada radio s Coreyjem i Bransonom kako bi potvrdio svoj model prije objave. [6] Godine 1954. Pauling je dobio svoju prvu Nobelovu nagradu "za svoja istraživanja prirode kemijske veze i njene primjene na razjašnjavanje strukture složenih tvari" [7] (kao što su proteini), uključujući strukturu α-heliksa.

Geometrija i vodikova veza Uredi

Aminokiseline u α-heliksu raspoređene su u desnoj spiralnoj strukturi gdje svaki aminokiselinski ostatak odgovara zavoju od 100° u spirali (tj. spirala ima 3,6 ostataka po zavoju), a prijevod od 1,5 Å ( 0,15 nm) duž zavojne osi. Dunitz [8] opisuje kako Paulingov prvi članak o toj temi zapravo pokazuje lijevu spiralu, enantiomer prave strukture. Kratki komadići lijevog heliksa ponekad se javljaju s velikim sadržajem ahiralnih glicinskih aminokiselina, ali su nepovoljni za druge normalne, biološke L-aminokiseline. Korak alfa-heliksa (okomita udaljenost između uzastopnih zavoja spirale) je 5,4 Å (0,54 nm), što je umnožak 1,5 i 3,6. Ono što je najvažnije je da N-H skupina aminokiseline stvara vodikovu vezu sa C=O skupinom aminokiseline četiri ostaci ranije ovo se ponovilo i + 4 → i vodikova veza najistaknutija je karakteristika α-heliksa. Službena međunarodna nomenklatura [9] [10] navodi dva načina definiranja α-heliksa, pravilo 6.2 u smislu ponavljanja φ, ψ torzijski kutovi (vidi dolje) i pravilo 6.3 u smislu kombiniranog uzorka koraka i vodikove veze. α-helike se mogu identificirati u strukturi proteina korištenjem nekoliko računskih metoda, od kojih je jedna DSSP (Define Secondary Structure of Protein). [11]

Slične strukture uključuju 310 spirala (i + 3 → i vodikova veza) i π-heliks (i + 5 → i vodikova veza). α-heliks se može opisati kao 3.613 helix, budući da je i + 4 razmaka dodaje tri atoma više u H-vezanu petlju u usporedbi s čvršćim 310 heliksa, a u jednom prstenu α-heliksa u prosjeku je uključeno 3,6 aminokiselina. Indeksi se odnose na broj atoma (uključujući vodik) u zatvorenoj petlji formiranoj vodikovom vezom. [12]

Ostaci u α-heliksima obično usvajaju okosnicu (φ, ψ) diedralni kutovi oko (−60°, −45°), kao što je prikazano na slici desno. Općenito govoreći, oni usvajaju diedralne kutove takve da je ψ diedralni kut jednog ostatka i φ diedralni kut od Sljedeći zbroj ostatka na otprilike -105°. Kao posljedica toga, α-helikalni diedralni kutovi, općenito, padaju na dijagonalnu traku na Ramachandranovom dijagramu (nagiba −1), u rasponu od (−90°, −15°) do (−35°, −70°) . Za usporedbu, zbroj diedralnih kutova za 310 spirala je otprilike -75°, dok je za π-helix otprilike -130°. Opća formula za kut rotacije Ω po ostatku bilo koje polipeptidne spirale s trans izomeri su dani jednadžbom [14] [15]

3 koz Ω = 1 − 4 cos 2 φ + ψ / 2

α-heliks je čvrsto nabijen i gotovo da nema slobodnog prostora unutar spirale. Bočni lanci aminokiselina nalaze se na vanjskoj strani zavojnice i usmjereni su otprilike "dolje" (tj. prema N-kraju), poput grana zimzelenog drvca (efekt božićnog drvca). Ova se usmjerenost ponekad koristi u preliminarnim kartama elektronske gustoće niske razlučivosti za određivanje smjera proteinske kralježnice. [16]

Uredi stabilnost

Zavojnice opažene u proteinima mogu biti duge od četiri do preko četrdeset ostataka, ali tipična spirala sadrži oko deset aminokiselina (oko tri zavoja). Općenito, kratki polipeptidi ne pokazuju mnogo α-helikalne strukture u otopini, budući da entropijski trošak povezan sa presavijanjem polipeptidnog lanca nije nadoknađen dovoljnom količinom stabilizacijskih interakcija. Općenito, vodikove veze okosnice α-heliksa smatraju se nešto slabijim od onih koje se nalaze u β-limovima i lako ih napadaju molekule vode iz okoline. Međutim, u više hidrofobnim okruženjima kao što je plazma membrana, ili u prisutnosti ko-otapala kao što je trifluoroetanol (TFE), ili izolirani iz otapala u plinskoj fazi, [17] oligopeptidi lako usvajaju stabilnu α-heličnu strukturu. Nadalje, poprečne veze se mogu ugraditi u peptide kako bi se konformacijsko stabilizirali spiralni nabori. Poprečne veze stabiliziraju zavojno stanje entropijskim destabiliziranjem nesavijenog stanja i uklanjanjem entalpijski stabiliziranih "varalica" nabora koji se natječu s potpuno zavojnim stanjem. [18] Pokazalo se da su α-zavojnice stabilnije, robusnije na mutacije i dizajnirane od β-lanaca u prirodnim proteinima, [19] i također u umjetno dizajniranim proteinima. [20]

Budući da je α-heliks definiran svojim vodikovim vezama i konformacijom okosnice, najdetaljniji eksperimentalni dokazi za α-heličnu strukturu dolaze iz kristalografije rendgenskih zraka atomske razlučivosti, kao što je primjer prikazan desno. Jasno je da su svi karbonilni kisikovi okosnice usmjereni prema dolje (prema C-kraju), ali se lagano rašire, a H-veze su približno paralelne s osi spirale. Proteinske strukture iz NMR spektroskopije također dobro pokazuju zavojnice, s karakterističnim opažanjima vezanja nuklearnog Overhauserovog učinka (NOE) između atoma na susjednim spiralnim zavojima. U nekim slučajevima, pojedinačne vodikove veze mogu se promatrati izravno kao mala skalarna sprega u NMR.

Postoji nekoliko metoda niže razlučivosti za dodjelu opće spiralne strukture. NMR kemijski pomaci (osobito C α , C β i C′) i zaostale dipolarne sprege često su karakteristične za spirale. Daleki UV (170–250 nm) kružni dikroistički spektar spirala također je idiosinkratičan, pokazujući izražen dvostruki minimum na oko 208 i 222 nm. Infracrvena spektroskopija se rijetko koristi, budući da α-helikalni spektar nalikuje spektru nasumične zavojnice (iako se to može uočiti npr. razmjenom vodik-deuterij). Konačno, krio-elektronska mikroskopija sada je sposobna razlučiti pojedinačne α-heliksa unutar proteina, iako je njihovo pripisivanje ostacima još uvijek aktivno područje istraživanja.

Dugi homopolimeri aminokiselina često tvore spirale ako su topljivi. Tako duge, izolirane spirale također se mogu detektirati drugim metodama, kao što su dielektrična relaksacija, dvostruki lom protoka i mjerenje konstante difuzije.Strože rečeno, ove metode otkrivaju samo karakterističan hidrodinamički oblik spirale ili njezin veliki dipolni moment.

Različite sekvence aminokiselina imaju različite sklonosti formiranju α-helikalne strukture. Metionin, alanin, leucin, glutamat i lizin nenabijeni ("MALEK" u aminokiselinama od 1 slova) svi imaju posebno visoke sklonosti stvaranju spirale, dok prolin i glicin imaju slabu sklonost stvaranju spirale. [21] Prolin ili lomi ili savija spiralu, i zato što ne može donirati amidnu vodikovu vezu (bez amidnog vodika), a također i zato što njegov bočni lanac interferira sterički s okosnicom prethodnog zavoja – unutar spirale, to prisiljava savijanje od oko 30° u osi zavojnice. [12] Međutim, na prolin se često gleda kao na prvi ostatak spirale, pretpostavlja se zbog njegove strukturne krutosti. S druge strane, glicin također ima tendenciju poremetiti spirale jer njegova visoka konformacijska fleksibilnost čini entropijski skupim usvajanje relativno ograničene α-helikalne strukture.

Tablica standardnih alfa-helikalnih sklonosti aminokiselina Uredi

Procijenjene razlike u slobodnoj energiji, Δ(ΔG), procijenjeno u kcal/mol po ostatku u α-zavojnoj konfiguraciji, u odnosu na alanin proizvoljno postavljen na nulu. Veći brojevi (više pozitivnih slobodnih energija) su manje pogodni. Moguća su značajna odstupanja od ovih prosječnih brojeva, ovisno o identitetima susjednih ostataka.

Razlike u slobodnoj energiji po ostatku [22]
Amino kiselina 3-
pismo
1-
pismo
Helikalna kazna
kcal/mol kJ/mol
alanin Ala A 0.00 0.00
arginin Arg R 0.21 0.88
Asparagin Asn N 0.65 2.72
Asparaginska kiselina Asp D 0.69 2.89
cistein Cys C 0.68 2.85
Glutaminska kiselina Glu E 0.40 1.67
Glutamin Gln P 0.39 1.63
glicin Gly G 1.00 4.18
Histidin Njegovo H 0.61 2.55
izoleucin Ile ja 0.41 1.72
leucin Leu L 0.21 0.88
Lizin Lys K 0.26 1.09
metionin Met M 0.24 1.00
fenilalanin Phe F 0.54 2.26
Prolin Pro P 3.16 13.22
Serine Ser S 0.50 2.09
treonin Thr T 0.66 2.76
Triptofan Trp W 0.49 2.05
tirozin Tyr Y 0.53 2.22
Valine Val V 0.61 2.55

Zavojnica ima ukupni dipolni moment zbog agregatnog učinka pojedinačnih mikrodipola iz karbonilnih skupina peptidne veze usmjerene duž osi zavojnice. [23] Učinci ovog makrodipola su predmet nekih kontroverzi. α-helike se često javljaju s N-terminalnim krajem vezanim negativno nabijenom skupinom, ponekad bočnim lancem aminokiselina kao što je glutamat ili aspartat, ili ponekad fosfatnim ionom. Neki smatraju da makrodipol spirale djeluje elektrostatički s takvim skupinama. Drugi smatraju da je to pogrešno i realnije je reći da se potencijal vodikove veze slobodnih NH skupina na N-kraju α-heliksa može zadovoljiti vodikovom vezom, što se također može smatrati skupom interakcija između lokalnih mikrodipoli kao što su C=O···H−N . [24] [25]

α spirale sa namotanim zavojnicama su vrlo stabilni oblici u kojima se dvije ili više zavojnica omotaju jedna oko druge u strukturu "superzavojnice". Namotane zavojnice sadrže vrlo karakterističan motiv niza poznat kao a heptad ponoviti, u kojem se motiv ponavlja svakih sedam ostataka duž niza (amino kiselina ostaci, a ne parovi baza DNA). Prvi i posebno četvrti ostaci (poznati kao a i d položaji) su gotovo uvijek hidrofobni, četvrti ostatak je tipično leucin – to dovodi do naziva strukturnog motiva koji se zove a leucinski patentni zatvarač, što je vrsta coiled-coil. Ovi hidrofobni ostaci se skupljaju u unutrašnjosti snopa spirale. Općenito, peti i sedmi ostaci ( e i g položaji) imaju suprotne naboje i tvore solni most stabiliziran elektrostatičkim interakcijama. Vlaknasti proteini kao što su keratin ili "stabljike" miozina ili kinezina često usvajaju strukture zavojnice, kao i nekoliko dimerizirajućih proteina. Par namotanih zavojnica – snop s četiri spirale – vrlo je čest strukturni motiv u proteinima. Na primjer, javlja se u ljudskom hormonu rasta i nekoliko vrsta citokroma. Protein Rop, koji potiče replikaciju plazmida u bakterijama, zanimljiv je slučaj u kojem jedan polipeptid tvori namotanu zavojnicu, a dva monomera se sastavljaju u snop s četiri spirale.

Aminokiseline koje čine određenu spiralu mogu se ucrtati na zavojni kotač, prikaz koji ilustrira orijentacije sastavnih aminokiselina (pogledajte članak za leucinski zatvarač za takav dijagram). Često u globularnim proteinima, kao iu specijaliziranim strukturama kao što su zavojnice i leucinski patentni zatvarači, α-helix će pokazati dva "lica" - jedno koje sadrži pretežno hidrofobne aminokiseline orijentirano prema unutrašnjosti proteina, u hidrofobnoj jezgri, i onaj koji sadrži pretežno polarne aminokiseline usmjerene prema površini proteina izloženoj otapalu.

Promjene u orijentaciji vezanja također se javljaju za facijalno organizirane oligopeptide. Ovaj obrazac je osobito čest kod antimikrobnih peptida, a osmišljeni su mnogi modeli koji opisuju kako se to odnosi na njihovu funkciju. Zajedničko za mnoge od njih je da hidrofobno lice antimikrobnog peptida stvara pore u plazma membrani nakon povezivanja s masnim lancima u jezgri membrane. [26] [27]

Mioglobin i hemoglobin, prva dva proteina čije su strukture riješene rendgenskom kristalografijom, imaju vrlo slične nabore koji se sastoje od oko 70% α-heliksa, s tim da su ostali dijelovi koji se ne ponavljaju, ili "petlje" koje povezuju spirale. U klasificiranju proteina prema njihovom dominantnom naboru, baza podataka o strukturnoj klasifikaciji proteina održava veliku kategoriju posebno za sve-α proteine.

Hemoglobin tada ima još veću kvartarnu strukturu, u kojoj se funkcionalna molekula koja veže kisik sastoji od četiri podjedinice.

Vezanje DNK Uredi

α-Helices imaju posebno značenje u motivima vezanja DNA, uključujući motive spirale-zavojnice, motive leucinskog zatvarača i motive cinkovih prstiju. To je zbog prikladne strukturne činjenice da je promjer α-helixa oko 12 Å (1,2 nm) uključujući prosječan skup bočnih lanaca, otprilike jednak širini glavnog žlijeba u DNA-oblici, a također i zbog toga što Dimeri spiralnih spirala (ili leucinskog patentnog zatvarača) mogu lako postaviti par međusobnih površina kako bi kontaktirali vrstu simetričnog ponavljanja uobičajenog u dvostrukoj spiralnoj DNK. [28] Primjer oba aspekta je transkripcijski faktor Max (vidi sliku lijevo), koji koristi spiralnu zavojnicu za dimerizaciju, pozicionirajući još jedan par spirala za interakciju u dva uzastopna zavoja glavnog žlijeba DNK.

Membranski raspon Uredi

α-Helices su također najčešći element proteinske strukture koji prelazi biološke membrane (transmembranski protein), [29] pretpostavlja se jer spiralna struktura može zadovoljiti sve vodikove veze okosnice unutarnje, ne ostavljajući polarne skupine izložene membrani ako bočni lanci su hidrofobni. Proteini su ponekad usidreni jednom spiralom koja se proteže kroz membranu, ponekad parom, a ponekad snopom spirale, koji se najčešće sastoji od sedam spirala raspoređenih gore-dolje u prstenu kao što su rodopsini (vidi sliku desno) ili za G protein-coupled receptore (GPCR). Strukturna stabilnost između parova α-Helikalnih transmembranskih domena ovisi o očuvanim motivima interheličkog pakiranja membrane, na primjer, Glycine-xxx-Glycine (ili small-xxx-small) motivu. [30]

Mehanička svojstva Uredi

α-Heliks pod aksijalnom vlačnom deformacijom, karakteristično stanje opterećenja koje se pojavljuje u mnogim filamentima i tkivima bogatim alfa-heliksom, rezultira karakterističnim trofaznim ponašanjem tangentnog modula kruto-meko-kruto. [31] Faza I odgovara režimu male deformacije tijekom kojeg se spirala rasteže homogeno, a slijedi faza II, u kojoj se alfa-helikalni zavoji prekidaju posredovani rupturom skupina H-veza. Faza III je tipično povezana s rastezanjem kovalentne veze velikih deformacija.

Alfa spirale u proteinima mogu imati niskofrekventno gibanje nalik harmonici kako je promatrano Ramanovom spektroskopijom [32] i analizirano kvazikontinuumskim modelom. [33] [34] Zavojnice koje nisu stabilizirane tercijalnim interakcijama pokazuju dinamičko ponašanje, što se uglavnom može pripisati trošenju spirale s krajeva. [35]

Homopolimeri aminokiselina (kao što je polilizin) mogu usvojiti α-zavojnu strukturu na niskoj temperaturi koja se "otopi" na visokim temperaturama. Ovaj prijelaz spirala–zavojnica nekoć se smatralo da je analogna denaturaciji proteina. Statistička mehanika ovog prijelaza može se modelirati korištenjem elegantne metode prijenosne matrice, koju karakteriziraju dva parametra: sklonost pokretanju zavojnice i sklonost proširenju spirale.

Najmanje pet umjetnika eksplicitno se osvrnulo na α-helix u svom radu: Julie Newdoll u slikarstvu i Julian Voss-Andreae, Bathsheba Grossman, Byron Rubin i Mike Tyka u skulpturi.

Umjetnica iz područja San Francisca Julie Newdoll, [36] koja je diplomirala mikrobiologiju s diplomom umjetnosti, specijalizirala se za slike inspirirane mikroskopskim slikama i molekulama od 1990. Njena slika "Uspon alfa heliksa" (2003.) prikazuje ljudske figure raspoređeni u α spiralni raspored. Prema riječima umjetnika, "cvijeće odražava različite vrste bočnih lanaca koje svaka aminokiselina pruža svijetu". [36] Ista metafora je odjek i sa strane znanstvenika: "β listovi ne pokazuju krutu ponavljajuću pravilnost, već teku u gracioznim, uvijajućim krivuljama, a čak je i α-helix pravilnija više na način cvjetne stabljike, čija je čvorovi grananja pokazuju utjecaj okoline, razvojnu povijest i evoluciju svakog dijela kako bi odgovarao njegovoj vlastitoj idiosinkratskoj funkciji." [12]

Julian Voss-Andreae je kipar njemačkog porijekla s diplomom eksperimentalne fizike i kiparstva. Od 2001. Voss-Andreae stvara "proteinske skulpture" [37] temeljene na strukturi proteina s α-helixom koji je jedan od njegovih omiljenih objekata. Voss-Andreae je napravio α-helix skulpture od različitih materijala uključujući bambus i cijela stabla. Spomenik koji je Voss-Andreae kreirao 2004. kako bi proslavio sjećanje na Linusa Paulinga, otkrića α-heliksa, izrađen je od velike čelične grede preuređene u strukturi α-heliksa. Jarkocrvena skulptura visoka 10 stopa (3 m) stoji ispred Paulingove kuće iz djetinjstva u Portlandu, Oregon.

Trakasti dijagrami α-heliksa istaknuti su element u laserski ugraviranim kristalnim skulpturama proteinskih struktura koje je stvorila umjetnica Bathsheba Grossman, poput onih od inzulina, hemoglobina i DNA polimeraze. [38] Byron Rubin bivši je kristalograf proteina, a sada profesionalni kipar u metalu proteina, nukleinskih kiselina i molekula lijekova – od kojih mnoge sadrže α-helike, kao što su subtilizin, ljudski hormon rasta i fosfolipaza A2. [39]

Mike Tyka je računalni biokemičar na Sveučilištu Washington koji radi s Davidom Bakerom. Tyka od 2010. izrađuje skulpture proteinskih molekula od bakra i čelika, uključujući ubikvitin i tetramer kalijevih kanala. [40]


RASPRAVA

Ovo istraživanje istražuje utjecaj pozitivno nabijenog M2 4′lizinskog ostatka na funkciju rekombinantnog 5-HT3A receptor. Podaci pokazuju da je ovaj ostatak determinanta kinetike desenzibilizacije, ali ne i niske vodljivosti receptora. Na nekoliko svojstava receptora nije uvelike utjecalo kada je ostatak 4′K zamijenjen nizom aminokiselina koje se razlikuju po naboju i duljini bočnog lanca uključujući arginin (R), glutamin (Q), serin (S) ili glicin (G ). U tim slučajevima, eksprimirani receptori su bili funkcionalni i pokazivali su stope aktivacije i Hillove koeficijente slične onima kod WT 5-HT3A receptora, što sugerira da cjelokupna struktura mutantnih proteina nije bila grubo promijenjena.

4′ mutacije i jednokanalna vodljivost

Jednokanalna vodljivost 5-HT3 receptor nativni za neurone i neuronske stanične linije varira oko 60 puta između pripravaka (tj. 0,3-19 pS Lambert et al. 1989. Yang, 1990. Peters et al. 1993. Hussy et al. 1994. Jones & Surprenant, 1994. Zhong et al. 1999) i postoje dokazi koji upućuju na ekspresiju receptora s različitim provodljivostima unutar iste stanice (Derkach et al. 1989. Yang et al. 1992 Hussy et al. 1994.). Nedavne studije (Davies et al. 1999) opisujući vrlo veliku razliku u vodljivosti 5-HT3 receptori sastavljeni od ljudskog 5-HT3A (< 1 pS smeđa et al. 1998), ili ljudski 5-HT3A i 5-HT3B podjedinice (� pS Davies et al. 1999), daju potencijalno objašnjenje za takve varijacije.

Međutim, jedno neriješeno pitanje je zašto jednokanalna vodljivost homo-oligomernog 5-HT3A receptor je tako mali. Ovaj rad eliminira jednu mogućnost: 4′lizinski ostatak koji je jedinstven, unutar obitelji Cys-loop receptora, za 5-HT3 M2 sekvence receptorske podjedinice. Poznato je da prisutnost pozitivno nabijenih ostataka unutar područja pora kationskih selektivnih ionskih kanala, kao što je prikazano na Q/R mjestu AMPA receptora sastavljenih od GluR2 podjedinica, značajno potiskuje jednokanalnu provodljivost (Swanson et al. 1997.). Analogno, ako bi 4′lizin stajao na površini M2 α spirale koja oblaže lumen kanala, očekivalo bi se da će rezultirajući prsten od pet pozitivnih naboja dramatično utjecati na tok kationa. Nedostatak učinka bilo koje od četiri supstitucije aminokiselina na jednokanalnu provodljivost snažno se protivi ovoj mogućnosti. Nijedan od mutantnih receptora nije imao jednokanalnu vodljivost koja se značajno razlikovala od one od 390 fS pronađene za WT 5-HT3A receptor (Slika 6, Tablica 3), vrijednost koja se dobro uspoređuje s prethodnim procjenama od 360 fS (Hussy et al. 1994) i 420 fS (Gill et al. 1995) dobiveno analizom fluktuacija. Malo je vjerojatno da će ovaj negativni nalaz odražavati nemogućnost otkrivanja suptilnih promjena u vodljivosti analizom fluktuacija, jer smo mi i drugi prethodno koristili ovu tehniku ​​kako bismo demonstrirali svojstva unutarnjeg ispravljanja 5-HT3A receptorski kanal i modulaciju njegove provodljivosti izvanstaničnih dvovalentnih kationa (Hussy et al. 1994 Smeđa et al. 1998.). Da je tehnika analize sposobna otkriti razlike u vodljivosti 5-HT3 receptorskih kanala dodatno je prikazana vodljivost kanala od 3,7 pS dobivena za receptor endogene neurone superiornog cervikalnog ganglija štakora (SCG) (Tablica 3 M. J. Gunthorpe & J. A. Peters, neobjavljena opažanja). Ova vrijednost je slična prethodnim procjenama od 2,6 pS i 3,4 pS dobivenim za štakora (Yang et al. 1992) i 3,4 pS za miša (Hussy et al. 1994) SCG neuroni, odnosno, korištenjem analize fluktuacija. Stoga se čini da prisutnost nabijenog ostatka na poziciji 4′ M2 domene ne doprinosi niskoj jednokanalnoj vodljivosti 5-HT3A receptor. Isto tako, izmjena nenabijenih ostataka alanina i polarnog serina koji se nalaze na 4′ poziciji nikotinskog acetilkolina γ i ε podjedinica mišićnog tipa ne doprinosi razlici u provodljivosti uočenoj za fetus (㬑2㬡γδ) i odrasli (㬑2㬡εδ) receptori (Herlitze et al. 1996).

Ova zapažanja dodaju podršku prostornom rasporedu koji se zaključuje primjenom metode pristupačnosti supstituiranog cisteina na nikotinske i GABAA receptorske podjedinice, pri čemu je 4′ ostatak okrenut prema unutrašnjosti proteina (Akabas et al. 1994. Xu & Akabas, 1996.). To je moguće zamisliti, kao što je prvotno predložio Maricq et al. (1991.), da 4′lizin tvori solni most s aspartatnim ostatkom (D265) koji se nalazi unutar susjedne sekvence M1. Potonji je također jedinstven za 5-HT3A i 5-HT3B sekvencije podjedinica, budući da drugi receptori Cys-petlje eksprimiraju ili serin, alanin ili alifatski ostatak na ovoj poziciji. Nedostatak učinka bilo koje od mutacija na poziciji 4′ na vodljivost kanala mogao bi pružiti neizravni dokaz da se stvaranje solnog mosta zapravo događa. Modeliranje 5-HT3A ionski kanal receptora sugerira da čak i ako se 4′lizinski ostatak nalazi na licu α-heliksa nasuprot lumena, on i dalje može imati elektrostatički učinak kroz prostor dovoljan da utječe na provodljivost kanala (MSP Sansom, osobna komunikacija) . Odsutnost takvog učinka podrazumijeva neutralizaciju pozitivnog naboja stvaranjem solnog mosta ili, što je mnogo manje vjerojatno s obzirom na bočni lanac pKa lizina (negativni log konstante kiselinske disocijacije, 10,4 u otopini), deprotonacija u hidrofobnoj unutrašnjosti receptorskog proteina.

Ako je gornji scenarij točan, može se razumno predvidjeti da će ostaci prisutni na pozicijama 3′ (tj. F) i 5′ (tj. I) hidrofobno reagirati sa susjednom α spiralom na obje strane, dopuštajući polarnu ostaci 2′treonina (2′T) i 6′serina (6′S) za oblaganje pora. Stoga, možda ne iznenađuje da je promjena 3𠌯 u glutamat (E), ili lizin, i 5′I u glutamat, rezultirala ili potpunim nedostatkom ili vrlo niskim razinama vezanja selektivnog antagonista [3H]granisetrona na membrane pripremljen od transficiranih stanica. Zanimljivo je da je zadržavanje vezivanja uočeno kada je 5′I zamijenjen lizinom. To sugerira da se strukturne promjene koje unose nabijeni ostaci bolje podnose proteinom na ovom položaju, iako se vjerojatno može prihvatiti samo lizin, možda zato što je fleksibilniji ostatak od glutamata. Međutim, činilo se da su rezultirajući receptori nefunkcionalni, što sugerira da su ili ovi ostaci lizina barem djelomično okrenuti prema porama u konformaciji otvorenog kanala i sprječavaju protok iona, ili da se u tim mutantnim receptorima kanal zapravo ne može otvoriti.

4′ mutacije i osjetljivost na agoniste

Bez obzira na izvršenu zamjenu, malo (otprilike 2 puta) smanjenje EC-a50 za 5-HT je uočen. S obzirom na mjesto ostatka, malo je vjerojatno da će ovaj učinak proizaći iz izravnog utjecaja na vezno mjesto za 5-HT. Umjesto toga, M2 mutanti 5-HT3A i drugi kanali s odašiljačem (npr. Revah et al. 1991. Yakel et al. 1993) može izazvati promjenu u stabilnosti otvorenog protiv zatvorena stanja receptora (Filatov & White, 1995. Labarca et al. 1995.). Takvi učinci na funkciju receptora su, u nekim slučajevima, povezani s fizikalno-kemijskim karakterom supstituirane aminokiseline. Na primjer, u studiji rekombinantnog 5-HT3A receptori izraženi u Xenopus oociti, polarne supstitucije na 9′leucinu (9′L) rezultirale su receptorima s povećanom osjetljivošću na agoniste (EC50, 0,3-0,6 μ m ) u usporedbi s WT (1,4 μ m ) ili hidrofobnim supstitucijama (1𠄱.3 μ m Yakel et al. 1993.). Sličan redoslijed učinka pronađen je za ekvivalentne supstitucije u nikotinskom 㬗 nACh receptoru (Revah et al. 1991.). Nasuprot tome, sve četiri 4′K zamjene ispitane u ovoj studiji, iako su uključivale aminokiseline s vrlo različitim svojstvima, dovele su do sličnog povećanja snage 5-HT.

4′K mutacije i desenzibilizacija

WT i 5-HT3A receptori mutirani na poziciji 4′K, svi su potpuno desenzibilizirani u produljenoj prisutnosti supramaksimalne koncentracije agonista, ali je brzina trenutnog propadanja bila znatno sporija za sve četiri mutantne podjedinice. Prijavljeno je (Yakel et al. 1993) da je brzina desenzibilizacije WT receptora ubrzana prisutnošću dvovalentnih kationa, posebno [Ca 2+ ], u ekstracelularnoj otopini (ali vidi Boddeke et al. 1996.). U ovoj studiji, makroskopski strujni odgovor u ‘nula’ otopini kalcija ([Ca 2+ ]o� nM) desenzibilizirane su otprilike 2 puta sporije od struja zabilježenih s [Ca 2+ ]o postavljen na 1,8 mM (slika 4). Stoga su eksperimenti koji ispituju kinetiku desenzibilizacije provedeni u nominalnoj odsutnosti izvanstaničnog Ca 2+ kako bi se eliminirao potencijalno zbunjujući utjecaj koji bi mogao proizaći iz razlika u priljevu Ca 2+ između mutiranih kanala, iako potonja mogućnost nije posebno obrađena.

Redoslijed učinka 4′K zamjena na 5-HT3A desenzibilizacija receptora bila je arginin > glicin > serin > glutamin > lizin (WT), a supstitucija argininom rezultirala je više od 5 puta sporijom stopom desenzibilizacije u usporedbi s WT (Slika 2.5). Dakle, kvantitativni učinak mutacija 4′K na desenzibilizaciju, za razliku od potencije agonista (vidi gore), ovisi o supstituiranoj aminokiselini. Međutim, učinak 4′K mutacija na desenzibilizaciju ne korelira jednostavno sa svojstvima bočnog lanca supstituirane aminokiseline. Zamjena ostatka M2 4′lizina slično nabijenim argininskim ostatkom, koji je opisan kao ‘sigurna’ supstitucija u mutagenezi usmjerenoj na mjesto (Bordo & Argos, u stvari najveće smanjenje 1991.) stopa desenzibilizacije. U drugim klasama ionskih kanala, zamjena, lizinom, ostataka arginina koji sudjeluju u navodnim solnim mostovima koji bi mogli stabilizirati strukturu proteina ima različite učinke. Za regulator vodljivosti cistične fibroze (CTFR), takva supstitucija unutar šeste transmembranske domene (tj. R347K) se dobro podnosi i pretpostavlja se da održava stabilnost pora u stanju visoke vodljivosti (Cotten & Walsh, 1999.). Nasuprot tome, na unutarnjem ispravljajućem kalijevom kanalu (IRK1), mutacija R148K koja se nalazi unutar regije pora (ili H5) proizvodi nefunkcionalne kanale (Yang et al. 1997.). Yang et al. pretpostaviti da ova mutacija narušava solni most koji je izložen u IRK1 kanalu. Predlažemo da je takav prekid navodnog mosta soli između ostataka 4′ i M1 D265 manje vjerojatan unutar hidrofobne jezgre 5-HT3A receptor proteina (vidi također Cotten & Walsh, 1999). Nedostatak učinka mutacije na vodljivost kanala (putem elektrostatičkog efekta kroz prostor – vidi gore) u skladu je s ovom interpretacijom. Umjesto toga, usporavanje brzine desenzibilizacije uzrokovane uvođenjem argininskog ostatka moglo bi biti povezano sa smanjenom fleksibilnošću tog ostatka u usporedbi s lizinom, što bi moglo rezultirati lokalnim strukturnim promjenama koje su neophodne kako bi se omogućilo daljnje stvaranje solnog mosta. eksperimenti su nužni kako bi se utvrdilo mogu li takve promjene utjecati na stopu promjene(a) konformacije potrebne za ulazak u desenzibilizirano stanje(a), što bi moglo pružiti objašnjenje za naše podatke.

Ako je gornja interpretacija točna, kako se može objasniti utjecaj preostalih supstitucija aminokiselina na stopu desenzibilizacije? U nedostatku strukturnih informacija, iz općih principa savijanja proteina moglo bi se nagađati da će mutacije 4′ ostatka koje ostavljaju negativno nabijeni ostatak D265 nesparenim u membrani dovesti do preorijentacije unutar proteina koja smanjuje energije ovog iona unutar niske dielektrične konstante (npr. Perutz, 1979). Konformacijska sloboda dostupna za ‘solvat’ ostatka D265 mogla bi korelirati s volumenom bočnog lanca aminokiseline koja zamjenjuje 4′lizinski ostatak. Doista, povećanje u t1/2 desenzibilizacija je u obrnutoj korelaciji s volumenom bočnog lanca (tj. Q > S > G). Ova shema je, naravno, čisto nagađana. Međutim, zanimljivo je primijetiti da promjene u kinetici otvaranja kanala mišićnog nACh receptora nastale mutacijom valinskog ostatka unutar TM3 domene mogu biti povezane s volumenom supstituiranog ostatka (Wang et al. 1999).

Zaključci

Zaključno, ovdje prikazani rezultati pokazuju da lizinski ostatak na poziciji 4′ u M2 domeni 5-HT3A receptor ima važnu ulogu u funkciji receptora, ali nije determinanta niske jednokanalne provodljivosti ovog receptora. Na većinu biofizičkih svojstava ispitivanog receptora ne utječe supstitucija lizina s aminokiselinama različitog naboja i/ili duljine bočnog lanca, ali svaka je uzrokovala smanjenje stope desenzibilizacije. U kombinaciji s podacima iz 3𠌯 i 5′I mutanata, čini se da 4′K, a analogno tome i lokacija 4′ drugih kanala s odašiljačem Cys petlje, nije izložen lumenu kanala tijekom gating ili otvoreno stanje kanala, ali je vjerojatno uključeno u konformacijski prijelaz iz otvorenog u desenzibilizirano stanje(a) receptora.


Gledaj video: PROTEIN FOOD HAUL. KAUFLAND. OSNOVE O PROTEINIMA (Srpanj 2022).


Komentari:

  1. Uchdryd

    Savjetujem vam da pokušate pretražiti na google.com

  2. Errando

    hurray, hurray ... wait

  3. Keahi

    Pozdrav dragi korisnici ovog bloga koji ste se ovdje okupili u istu svrhu kao i ja. Nakon što sam se popela na desetke stranica sličnih tema, odlučila sam se odlučiti baš za ovaj blog. Mislim da je to najkompetentnije i najkorisnije za ljude koji preferiraju ovu temu. Nadam se da ću ovdje pronaći puno mojih kolega i, naravno, puno informativnih informacija. Hvala svima koji su me podržavali i podržavat će me u budućnosti!



Napišite poruku