Сайт привязки - Википедия - Binding site

Глюкоза связывается с гексокиназой в активном центре в начале гликолиза.

В биохимии и молекулярной биологии сайт привязки это регион на макромолекула например, белок который связывается с другой молекулой с помощью специфичность.[1] Связывающий партнер макромолекулы часто называют лиганд.[2] Лиганды могут включать другие белки (что приводит к белок-белковое взаимодействие ),[3] ферментные субстраты,[4] вторые мессенджеры, гормоны, или же аллостерические модуляторы.[5] Связывающее событие часто, но не всегда, сопровождается конформационное изменение который изменяет белок функция.[6] Связывание с сайтами связывания с белками чаще всего обратимо (временное и нековалентный ), но также может быть ковалентно обратимым[7] или необратимо.[8]

Функция

Связывание лиганда с сайтом связывания на белке часто вызывает изменение конформации белка и приводит к изменению клеточной функции. Следовательно, сайт связывания на белке является важной частью преобразование сигнала пути.[9] Типы лигандов включают нейротрансмиттеры, токсины, нейропептиды, и стероидные гормоны.[10] Сайты связывания подвергаются функциональным изменениям в ряде контекстов, включая ферментативный катализ, передачу сигналов молекулярного пути, гомеостатическую регуляцию и физиологическую функцию. Электрический заряд стерическая форма и геометрия сайта избирательно позволяют связывать высокоспецифичные лиганды, активируя определенный каскад клеточных взаимодействий, за которые отвечает белок.[11][12]

Катализ

Энергия активации снижается в присутствии фермента, катализирующего реакцию.

Ферменты вызывают катализ, более прочно связываясь с переходными состояниями, чем субстраты и продукты. В сайте каталитического связывания на субстрат могут действовать несколько различных взаимодействий. Они варьируются от электрического катализа, кислотного и основного катализа, ковалентного катализа и катализа ионами металлов.[10] Эти взаимодействия уменьшают энергию активации химической реакции, обеспечивая благоприятные взаимодействия для стабилизации молекулы с высокой энергией. Связывание с ферментами обеспечивает более близкую близость и исключение веществ, не имеющих отношения к реакции. Это специфическое связывание также препятствует побочным реакциям.[13][10]

Типы ферментов, которые могут выполнять эти действия, включают оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы и лигазы.[14]

Например, гексокиназа трансферазы катализирует фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Остатки активного сайта гексокиназы позволяют стабилизировать молекулу глюкозы в активном центре и стимулировать начало альтернативного пути благоприятных взаимодействий, снижая энергию активации.[15]

Торможение

Ингибирование белка связыванием ингибитора может вызвать нарушение регуляции пути, регуляции гомеостаза и физиологической функции.

Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за связывание со свободными ферментами в активных центрах и, таким образом, препятствуют образованию комплекса фермент-субстрат при связывании. Например, отравление угарным газом вызвано конкурентным связыванием окиси углерода, а не кислорода в гемоглобине.

Неконкурентоспособные ингибиторы, альтернативно, связываются одновременно с субстратом в активных центрах. При связывании с комплексом ферментного субстрата (ES) образуется комплекс ингибитора ферментного субстрата (ESI). Подобно конкурентным ингибиторам, также снижается скорость образования продукта.[4]

Наконец, смешанные ингибиторы способны связываться как со свободным ферментом, так и с комплексом фермент-субстрат. Однако, в отличие от конкурентных и неконкурентных ингибиторов, смешанные ингибиторы связываются с аллостерическим сайтом. Аллостерическое связывание вызывает конформационные изменения, которые могут увеличивать сродство белка к субстрату. Это явление называется положительной модуляцией. И наоборот, аллостерическое связывание, которое снижает сродство белка к субстрату, является отрицательной модуляцией.[16]

Типы

Активный сайт

В активном центре субстрат связывается с ферментом, вызывая химическую реакцию.[17][18] Субстраты, переходные состояния и продукты могут связываться с активным сайтом, как и любые конкурентные ингибиторы.[17] Например, в контексте функции белков связывание кальция с тропонином в мышечных клетках может вызывать конформационные изменения тропонина. Это позволяет тропомиозину открывать сайт связывания актин-миозин, с которым связывается головка миозина, образуя мост и вызвать сокращение мышц.[19]

В контексте крови примером конкурентного связывания является окись углерода, которая конкурирует с кислородом за активный центр на гем. Высокое сродство окиси углерода может превосходить кислород в присутствии низкой концентрации кислорода. В этих обстоятельствах связывание монооксида углерода вызывает изменение конформации, которое препятствует связыванию гема с кислородом, что приводит к отравлению монооксидом углерода.[4]

Конкурентное и неконкурентное связывание ферментов в активном и регуляторном (аллостерическом) сайте соответственно.

Аллостерический сайт

В регуляторном сайте связывание лиганда может вызывать усиление или ингибирование функции белка.[4][20] Связывание лиганда с аллостерическим сайтом мультимерного фермента часто вызывает положительную кооперативность, то есть связывание одного субстрата вызывает благоприятное изменение конформации и увеличивает вероятность связывания фермента со вторым субстратом.[21] Лиганды регуляторных сайтов могут включать гомотропный и гетеротропный лиганды, в которых один или несколько типов молекул влияют на активность фермента соответственно.[22]

Регулируемые ферменты часто играют важную роль в метаболических путях. Например, фосфофруктокиназа (PFK), который фосфорилирует фруктозу при гликолизе, в значительной степени регулируется АТФ. Его регуляция в гликолизе является обязательной, потому что это этап метаболизма, ограничивающий скорость. PFK также контролирует количество глюкозы, предназначенной для образования АТФ через катаболический путь. Следовательно, при достаточном уровне АТФ, PFK аллостерически ингибируется АТФ. Это регулирование эффективно сохраняет запасы глюкозы, которые могут потребоваться для других путей. Цитрат, промежуточный продукт цикла лимонной кислоты, также работает как аллостерический регулятор PFK.[22][23]

Одно- и многоцепочечные сайты связывания

Сайты связывания можно охарактеризовать также по их структурным особенностям. Одноцепочечные сайты («монодесмических» лигандов, μόνος: одиночные, δεσμός: связывание) образованы одной белковой цепью, в то время как многоцепочечные сайты («полидесмических» лигандов, πολοί: многие) [24] часто встречаются в белковых комплексах и образуются лигандами, которые связывают более одной белковой цепи, как правило, на границах раздела белков или рядом с ними. Недавние исследования показывают, что структура сайта связывания имеет серьезные последствия для биологии белковых комплексов (эволюция функции, аллостерия).[25][26]

Кривые привязки

Сигмоидальный и гиперболический паттерны связывания демонстрируют кооперативный и некооперативный характер ферментов.

Кривые связывания описывают поведение связывания лиганда с белком. Кривые можно охарактеризовать своей формой, сигмовидный или гиперболические, которые отражают, проявляет ли белок кооператив или некооперативное поведение привязки соответственно.[27] Как правило, ось абсцисс описывает концентрацию лиганда, а ось ординат описывает фракционное насыщение лигандов, связанных со всеми доступными сайтами связывания.[4] Уравнение Михаэлиса Ментен обычно используется при определении формы кривой. Уравнение Михаэлиса Ментен выводится на основе стационарных условий и учитывает ферментативные реакции, происходящие в растворе. Однако, когда реакция происходит, когда фермент связан с субстратом, кинетика проявляется по-другому.[28]

Моделирование с помощью кривых связывания полезно при оценке аффинности связывания кислорода с гемоглобин и миоглобин в крови. Гемоглобин, который имеет четыре группы гема, проявляет совместная привязка. Это означает, что связывание кислорода с гемовой группой на гемоглобине вызывает благоприятное изменение конформации, которое позволяет повысить благоприятность связывания кислорода для следующих гемовых групп. В этих обстоятельствах кривая связывания гемоглобина будет сигмоидальной из-за его повышенной способности связываться с кислородом. Поскольку миоглобин имеет только одну гемовую группу, он проявляет некооперативное связывание, которое является гиперболическим на кривой связывания.[29]

Приложения

Биохимические различия между разными организмами и людьми полезны для разработки лекарств. Например, пенициллин убивает бактериальные ферменты, подавляя DD-транспептидаза, разрушая развитие бактериальной клеточной стенки и вызывая гибель клеток. Таким образом, изучение сайтов связывания актуально для многих областей исследований, включая механизмы рака,[30] лекарственная форма,[31] и физиологическая регуляция.[32] Состав ингибитора для подавления функции белка является распространенной формой фармацевтической терапии.[33]

Метотрексат подавляет дигидрофолатредуктазу, превосходя фолиевую кислоту субстрата. Сайт связывания выделен синим, ингибитор - зеленым, а субстрат - черным.

В области рака лиганды, которые отредактированы, чтобы иметь внешний вид, подобный природному лиганду, используются для подавления роста опухоли. Например, Метотрексат, а химиотерапевтический, действует как конкурентный ингибитор на дигидрофолатредуктаза активный сайт.[34] Это взаимодействие подавляет синтез тетрагидрофолат, прекращая производство ДНК, РНК и белков.[34] Подавление этой функции подавляет неопластический рост и улучшает тяжелые псориаз и взрослый ревматоидный артрит.[33]

При сердечно-сосудистых заболеваниях для лечения пациентов с гипертонией используются такие препараты, как бета-блокаторы. Бета-блокаторы (β-блокаторы) представляют собой антигипертензивные агенты, которые блокируют связывание гормонов адреналина и норадреналина с рецепторами β1 и β2 в сердце и кровеносных сосудах. Эти рецепторы обычно опосредуют симпатическую реакцию «бей или беги», вызывая сужение кровеносных сосудов.[35]

Конкурентные ингибиторы также широко распространены в продаже. Ботулинический токсин, известный под коммерческим названием Ботокс, представляет собой нейротоксин, вызывающий вялый паралич мышц из-за связывания с ацетилхолинзависимыми нервами. Это взаимодействие подавляет мышечные сокращения, создавая вид гладких мышц.[36]

Прогноз

Был разработан ряд вычислительных инструментов для предсказания местоположения сайтов связывания на белках.[20][37][38] Их можно в целом разделить на основанные на последовательности или на основе структуры.[38] Способы, основанные на последовательностях, основаны на предположении, что последовательности функционально консервативных частей белков, таких как сайт связывания, являются консервативными. Для методов, основанных на структуре, требуется трехмерная структура белка. Эти методы, в свою очередь, можно подразделить на методы на основе шаблонов и карманные.[38] Методы на основе шаблонов ищут 3D-сходства между целевым белком и белками с известными сайтами связывания. Методы на основе карманов ищут вогнутые поверхности или скрытые карманы в целевом белке, которые обладают такими свойствами, как гидрофобность и водородная связь способность, которая позволила бы им связывать лиганды с высоким сродством.[38] Несмотря на то, что здесь используется термин «карман», аналогичные методы можно использовать для прогнозирования сайтов связывания, используемых в белок-белковых взаимодействиях, которые обычно более плоские, а не в карманах.[39]

Рекомендации

  1. ^ «Связывающий сайт». Медицинские предметные рубрики (MeSH). Национальная медицинская библиотека США. Части макромолекулы, которые непосредственно участвуют в ее специфической комбинации с другой молекулой.
  2. ^ «Лиганды». Медицинские предметные рубрики (MeSH). Национальная медицинская библиотека США. Молекула, которая связывается с другой молекулой, особенно используется для обозначения небольшой молекулы, которая специфически связывается с большей молекулой.
  3. ^ Амос-Бинкс А., Патулеа С., Питре С., Шенрок А., Гуи Ю., Грин Дж. Р., Гольшани А., Дене Ф (июнь 2011 г.). «Предсказание сайта связывания для белок-белковых взаимодействий и открытие нового мотива с использованием повторяющихся полипептидных последовательностей». BMC Bioinformatics. 12: 225. Дои:10.1186/1471-2105-12-225. ЧВК  3120708. PMID  21635751.
  4. ^ а б c d е Хардин CC, Кнопп JA (2013). «Глава 8: Ферменты». Биохимия - основные понятия. Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 51–69. ISBN  978-1-62870-176-0.
  5. ^ Кенакин Т.П. (апрель 2016 г.). «Характеристики аллостеризма в действии лекарств». В Бауэри Н.Г. (ред.). Модуляция аллостерических рецепторов при нацеливании на лекарства. CRC Press. п. 26. ISBN  978-1-4200-1618-5.
  6. ^ Спитцер Р., Клевес А.Э., Варела Р., Джайн А.Н. (апрель 2014 г.). «Аннотации функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания». Белки. 82 (4): 679–94. Дои:10.1002 / prot.24450. ЧВК  3949165. PMID  24166661.
  7. ^ Bandyopadhyay A, Gao J (октябрь 2016 г.). «Нацеливание на биомолекулы с обратимой ковалентной химией». Современное мнение в области химической биологии. 34: 110–116. Дои:10.1016 / j.cbpa.2016.08.011. ЧВК  5107367. PMID  27599186.
  8. ^ Беллелли А., Кэри Дж. (Январь 2018 г.). «Обратимое связывание лиганда». Обратимое связывание лиганда: теория и эксперимент. Джон Вили и сыновья. п. 278. ISBN  978-1-119-23848-5.
  9. ^ Сюй Д., Джалал С.И., Санки Г.В., Меруэ С.О. (октябрь 2016 г.). «Сайты связывания малых молекул для изучения белок-белковых взаимодействий в протеоме рака». Молекулярные биосистемы. 12 (10): 3067–87. Дои:10.1039 / c6mb00231e. ЧВК  5030169. PMID  27452673.
  10. ^ а б c Уилсон К. (март 2010 г.). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии. Издательство Кембриджского университета. С. 581–624. Дои:10.1017 / cbo9780511841477.016. ISBN  9780511841477.
  11. ^ Ахерн К (2015). Биохимия - бесплатно для всех. Государственный университет Орегона. С. 110–141.
  12. ^ Кумар А.П., Лукман С. (06.06.2018). «Аллостерические сайты связывания в Rab11 для потенциальных кандидатов в лекарства». PLOS One. 13 (6): e0198632. Дои:10.1371 / journal.pone.0198632. ЧВК  5991966. PMID  29874286.
  13. ^ Добсон CM, Джеррард Дж. А., Пратт А. Дж. (2008). Основы химической биологии. Издательство Оксфордского университета. ISBN  9780199248995. OCLC  487962823.
  14. ^ Аззарони О., Шлейфер I (04.12.2017). Полимерные и биополимерные кисти. Дои:10.1002/9781119455042. ISBN  978-1-119-45501-1.
  15. ^ Словарь пищевых наук и технологий (2-е издание). Международная служба продовольственной информации. 2009 г. ISBN  978-1-4051-8740-4.
  16. ^ Кларк К.Г. (2013). Биопроцессная инженерия. Издательство Вудхед. С. 79–84. Дои:10.1533/9781782421689. ISBN  978-1-78242-167-2.
  17. ^ а б Уилсон К. (март 2010 г.). «Ферменты». В Уилсон К., Уокер Дж. (Ред.). Принципы и методы биохимии и молекулярной биологии. Издательство Кембриджского университета. С. 581–624. Дои:10.1017 / cbo9780511841477.016. ISBN  9780511841477. Получено 2018-11-01.
  18. ^ Schaschke C (2014). Словарь химической инженерии. Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-1-62870-844-8.
  19. ^ Моррис Дж (2016). Биология Как устроена жизнь. Соединенные Штаты Америки: W.H. Фримен и компания. С. 787–792. ISBN  978-1-4641-2609-3.
  20. ^ а б Konc J, Janežič D (апрель 2014 г.). «Сравнение сайтов связывания для предсказания функции и открытия фармацевтических препаратов». Текущее мнение в структурной биологии. 25: 34–9. Дои:10.1016 / j.sbi.2013.11.012. PMID  24878342.
  21. ^ Fuqua C, Белый D (2004). Прокариотическая межклеточная передача сигналов. Передача сигналов в клетках прокариот и нижних метазоа. Springer Нидерланды. С. 27–71. Дои:10.1007/978-94-017-0998-9_2. ISBN  9789048164837.
  22. ^ а б Creighton TE (2010). Биофизическая химия нуклеиновых кислот и белков. Helvetian Press. ISBN  978-0956478115. OCLC  760830351.
  23. ^ Currell BR, van Dam-Mieras MC (1997). Биотехнологические инновации в химическом синтезе. Оксфорд: Баттерворт-Хайнеманн. С. 125–128. ISBN  978-0-7506-0561-8.
  24. ^ Абрусан Г., Марш Дж. А. (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует складывание, сборку и деградацию гомомерных белковых комплексов». Журнал молекулярной биологии. 431 (19): 3871–3888. Дои:10.1016 / j.jmb.2019.07.014. ЧВК  6739599. PMID  31306664.
  25. ^ Абрусан Г., Марш Дж. А. (2018). «Структура сайта связывания лиганда влияет на эволюцию функции и топологии белкового комплекса». Отчеты по ячейкам. 22 (12): 3265–3276. Дои:10.1016 / j.celrep.2018.02.085. ЧВК  5873459. PMID  29562182.
  26. ^ Абрусан Г., Марш Дж. А. (2019). «Структура сайта связывания лиганда формирует передачу аллостерического сигнала и эволюцию аллостерии в белковых комплексах». Молекулярная биология и эволюция. 36 (8): 1711–1727. Дои:10.1093 / molbev / msz093. ЧВК  6657754. PMID  31004156.
  27. ^ Ахерн К. (январь 2017 г.). «Преподавание биохимии онлайн в Университете штата Орегон». Образование в области биохимии и молекулярной биологии. 45 (1): 25–30. Дои:10.1002 / bmb.20979. PMID  27228905.
  28. ^ Анн А., Демаль С. (октябрь 2012 г.). «Кинетика действия фермента на прикрепленных к поверхности субстратах: практическое руководство по анализу кривой прогресса в любой кинетической ситуации». Langmuir. 28 (41): 14665–71. Дои:10.1021 / la3030827. PMID  22978617.
  29. ^ Моррис JR, Хартл DL, Knoll AH. Биология: как устроена жизнь (Второе изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN  9781464126093. OCLC  937824456.
  30. ^ Спитцер Р., Клевес А.Э., Варела Р., Джайн А.Н. (апрель 2014 г.). «Аннотации функции белка по сходству поверхности локального сайта связывания». Белки. 82 (4): 679–94. Дои:10.1002 / prot.24450. ЧВК  3949165. PMID  24166661.
  31. ^ Пэн Дж., Ли ХР (ноябрь 2018 г.). «Аполипопротеин A-IV: потенциальная терапевтическая мишень для атеросклероза». Простагландины и другие липидные медиаторы. 139: 87–92. Дои:10.1016 / j.prostaglandins.2018.10.004. PMID  30352313.
  32. ^ Макнамара Дж. У., Садаяппан С. (декабрь 2018 г.). «Скелетный миозин-связывающий белок-C: все более важный регулятор физиологии поперечно-полосатых мышц». Архивы биохимии и биофизики. 660: 121–128. Дои:10.1016 / j.abb.2018.10.007. ЧВК  6289839. PMID  30339776.
  33. ^ а б Widemann BC, Adamson PC (июнь 2006 г.). «Понимание и лечение нефротоксичности метотрексата». Онколог. 11 (6): 694–703. Дои:10.1634 / теонколог. 11-6-694. PMID  16794248.
  34. ^ а б Rajagopalan PT, Zhang Z, McCourt L, Dwyer M, Benkovic SJ, Hammes GG (октябрь 2002 г.). «Взаимодействие дигидрофолатредуктазы с метотрексатом: ансамбль и одномолекулярная кинетика». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 99 (21): 13481–6. Дои:10.1073 / pnas.172501499. ЧВК  129699. PMID  12359872.
  35. ^ Frishman WH, Cheng-Lai A, Chen J, ред. (2000). Современные сердечно-сосудистые препараты. Дои:10.1007/978-1-4615-6767-7. ISBN  978-1-57340-135-7.
  36. ^ Монтекукко К., Мольго Дж. (Июнь 2005 г.). «Ботулинические нейротоксины: возрождение старого убийцы». Текущее мнение в фармакологии. 5 (3): 274–9. Дои:10.1016 / j.coph.2004.12.006. PMID  15907915.
  37. ^ Roche DB, Brackenridge DA, McGuffin LJ (декабрь 2015 г.). «Белки и их взаимодействующие партнеры: введение в методы прогнозирования сайтов связывания белок-лиганд». Международный журнал молекулярных наук. 16 (12): 29829–42. Дои:10.3390 / ijms161226202. ЧВК  4691145. PMID  26694353.
  38. ^ а б c d Брумхед Н.К., Солиман М.Э. (март 2017 г.). «Можем ли мы полагаться на компьютерные прогнозы для правильной идентификации сайтов связывания лигандов на новых белковых мишенях? Оценка методов прогнозирования сайтов связывания и протокол для проверки предполагаемых сайтов связывания». Биохимия клетки и биофизика. 75 (1): 15–23. Дои:10.1007 / s12013-016-0769-у. PMID  27796788.
  39. ^ Jones, S .; Торнтон, Дж. М. (1997-09-12). «Анализ сайтов белок-белкового взаимодействия с использованием участков поверхности». Журнал молекулярной биологии. 272 (1): 121–132. Дои:10.1006 / jmbi.1997.1234. ISSN  0022-2836. PMID  9299342.

внешняя ссылка