Динамика белков

Кинезин, идущий по микротрубочке. Это молекулярно-биологическая машина, которая использует динамику белковых доменов на наномасштабе.

Считается, что белки имеют уникальные структуры, определяемые их аминокислотными последовательностями. Однако белки не являются строго статическими объектами, а скорее представляют ансамбли (иногда похожие) конформаций. Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (от десятых Å до нм) и временных масштабах (от нс до с) и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая передача сигналов и ферментативный катализ.

Изучение динамики белков наиболее непосредственно связано с переходами между этими состояниями, но также может включать природу и равновесные популяции самих состояний. Эти две точки зрения — кинетика и термодинамика соответственно — могут быть концептуально синтезированы в парадигме «энергетического ландшафта»: распространённые состояния и кинетика переходов между ними может быть описана глубиной энергетических ям и высотой энергетических барьеров, соответственно.

Локальная гибкость: атомы и аминокислотные остатки

Части белковых структур часто отклоняются от состояния равновесия. Некоторые из таких отклонений являются гармоническими, например, стохастические колебания химических связей и валентных углов. Другие являются ангармоническими, например, боковые цепи, которые прыгают между отдельными дискретными минимумами энергии, или ротамеры.

Доказательства локальной гибкости часто получают с помощью ЯМР-спектроскопии. Гибкие и потенциально неупорядоченные области белка можно обнаружить с помощью индекса случайной катушки. Гибкость свернутых белков можно определить путем анализа спиновой релаксации отдельных атомов в белке. Гибкость также можно наблюдать на картах электронной плотности с очень высоким разрешением, созданных с помощью рентгеновской кристаллографии особенно когда дифракционные данные собираются при комнатной температуре вместо традиционной криогенной температуры (обычно около 100 К). Информация о частотном распределении и динамике локальной гибкости белка может быть получена с помощью рамановской спектроскопии и оптической спектроскопии эффекта Керра в терагерцевой частотной области.

Региональная гибкость: внутридоменное соединение с несколькими остатками

Сеть альтернативных конформаций каталазы (код банка данных белков: 1gwe) с различными свойствами. Сеть определяется множеством явлений: ван-дер-ваальсовы взаимодействия (синие точки и линейные сегменты) между боковыми цепями, водородная связь (пунктирная зелёная линия) через частично заполненную воду (коричневый), связь через локально подвижность цепи (черный) и, возможно, электростатические силы между Lys (зеленый) и соседними полярными остатками (синий: Glu, жёлтый: Asp, фиолетовый: Ser). Эта конкретная сеть удалена от активного сайта и, следовательно, предположительно не критична для работы.

Многие остатки в белковых структурах находятся в непосредственной пространственной близости. Это верно для большинства остатков, которые являются смежными в первичной последовательности, но также и для многих остатков, которые являются дистальными по последовательности, но вступают в контакт в окончательной складчатой структуре. Из-за этой близости энергетические ландшафты этих остатков становятся связанными на основе различных биофизических явлений, таких как водородные связи, ионные связи и ван-дер-ваальсовы взаимодействия (см. рисунок). Таким образом, переходы между состояниями для таких наборов остатков становятся коррелированными.

Это, пожалуй, наиболее очевидно для открытых петель, которые часто коллективно смещаются, принимая различные конформации в различных кристаллических структурах (см. рисунок). Однако сопряженная конформационная гетерогенность также иногда очевидна во вторичной структуре. Например, последовательные остатки и остатки, смещенные на 4 в первичной последовательности, часто взаимодействуют в α-спиралях. Кроме того, остатки, смещенные на 2 в первичной последовательности, направляют свои боковые цепи к одной и той же стороне β-листов и достаточно близки для стерического взаимодействия, как и остатки на соседних нитях одного и того же β-листа. Некоторые из этих конформационных изменений индуцируются посттрансляционными модификациями структуры белка, такими как фосфорилирование и метилирование.

«Ансамбль» из 44 кристаллических структур лизоцима белка куриного яйца из банка данных по белкам, показывающий, что разные условия кристаллизации приводят к различным конформациям для различных открытых петель и концов (красные стрелки).

Когда эти связанные остатки образуют пути, связывающие функционально важные части белка, они могут участвовать в аллостерической передаче сигналов. Например, когда молекула кислорода связывается с одной субъединицей тетрамера гемоглобина, эта информация аллостерически распространяется на другие три субъединицы, тем самым повышая их сродство к кислороду. В этом случае сопряженная гибкость гемоглобина позволяет кооперативному связыванию кислорода, что является физиологически полезным, поскольку оно обеспечивает быструю кислородную нагрузку в ткани легких и быструю разгрузку кислородом в тканях, лишенных кислорода (например, в мышцах).

Глобальная гибкость: несколько доменов

Наличие нескольких доменов в белках дает большую гибкость и подвижность, что приводит к динамике белковых доменов. Движения доменов могут быть выведены путем сравнения различных структур белка (как в базе данных молекулярных движений), или их можно непосредственно наблюдать с помощью спектров измеренных с помощью спектроскопии спинового эха нейтронов. Они также могут быть предложены путем отбора проб в обширных траекториях молекулярной динамики и анализа главных компонент. Движение домена важно для:

• ABC транспортеры
• Катализ
• Клеточная локомоции и моторные белки
• Образование белковых комплексов
• Ионные каналы
• Механорецепторы и механотрансдукция
• Регулирующая деятельность
• Транспорт метаболитов через клеточные мембраны 

Одно из самых крупных наблюдаемых перемещений домена — это «поворотный» механизм в пируватфосфатдикиназе. Фосфоинозитидный домен переключается между двумя состояниями, чтобы переместить фосфатную группу из активного центра нуклеотид-связывающего домена в фосфоенолпируватный/пируватный домен. Фосфатная группа перемещается на расстояние 45 Å с движением домена на около 100 градусов вокруг единственного остатка. В ферментах замыкание одного домена на другой захватывает субстрат за счет индуцированной подгонки, позволяя реакции протекать контролируемым образом. Подробный анализ Герштейна привел к классификации двух основных типов движения домена; шарнир и ножницы. Только относительно небольшая часть цепи, а именно междоменный линкер и боковые цепи претерпевают значительные конформационные изменения при перестройке домена.

Шарниры с помощью вторичных структур

Исследование Хейворда показало, что концы α-спиралей и β-листов во многих случаях образуют шарниры. Было обнаружено, что многие петли включают в себя два вторичных элемента конструкции, действующих как дверные петли, позволяя открывать и закрывать двери. Это может возникнуть, когда две соседние нити в β-листе, расположенные в одном домене, расходятся, когда они присоединяются к другому домену. Два результирующих конца затем образуют области изгиба между двумя доменами. Было обнаружено, что α-спирали, которые сохраняют свою сеть водородных связей при изгибе, ведут себя как механические шарниры, накапливая «упругую энергию», которая управляет закрытием доменов для быстрого захвата субстрата.

От спиральной до расширенной конформации

Взаимопревращение спиральных и протяженных конформаций на участке границы домена не является чем-то необычным. В кальмодулине торсионные углы изменяются для пяти остатков в середине домена, связывающего α-спираль. Спираль разделена на две почти перпендикулярные более мелкие спирали, разделенные четырьмя остатками удлиненной цепи.

Сдвиговые движения

Сдвиговые движения включают в себя небольшое скользящее движение границ раздела доменов, контролируемое боковыми цепями аминокислот внутри границы раздела. Белки, демонстрирующие сдвиговые движения, часто имеют многоуровневую архитектуру: складывание вторичных структур. Междоменный линкер выполняет лишь роль удержания доменов в непосредственной близости. 

Движение домена и функциональная динамика в ферментах

Анализ внутренней динамики структурно различных, но функционально подобных ферментов выявил общую взаимосвязь между расположением активного сайта и двух основных субдоменов белка. Фактически, для некоторых членов суперсемейства гидролаз каталитический центр расположен близко к границе раздела двух основных квазижестких доменов. Такое позиционирование, по-видимому, является инструментом для поддержания точной геометрии активного сайта, в то же время обеспечивая заметную функционально ориентированную модуляцию фланкирующих областей в результате относительного движения двух субдоменов.

Последствия для макромолекулярной эволюции

Данные свидетельствуют о том, что динамика белков важна для функционирования, например, для ферментативного катализа при DHFR, но также предполагается, что они облегчают приобретение новых функций в результате молекулярной эволюции. Этот аргумент предполагает, что белки эволюционировали, чтобы иметь стабильные, в основном уникальные складчатые структуры, но неизбежная остаточная гибкость приводит к некоторой степени функциональной неразборчивости, которая может быть усилена/задействована/отклонена с помощью последующих мутаций.

Однако растет понимание того, что внутренне неструктурированные белки довольно распространены в геномах эукариот ставит под сомнение простейшую интерпретацию догмы Анфинсена: «последовательность определяет структуру (единую)». Фактически, новая парадигма характеризуется добавлением двух оговорок: «последовательность и клеточная среда определяют структурный ансамбль».