Белковый комплекс - Protein complex

Кинезин белковый комплекс, функционирующий как молекулярный биологическая машина. Оно использует динамика домена белка на наномасштаб

А белковый комплекс или же мультипротеиновый комплекс группа из двух или более связанных полипептидные цепи. Различные полипептидные цепи могут иметь разные функции. Это отличается от мультиферментный комплекс, в котором несколько каталитические домены находятся в одной полипептидной цепи.[1]

Белковые комплексы представляют собой форму четвертичная структура. Белки в белковый комплекс связаны между собой нековалентный белок-белковые взаимодействия, и разные белковые комплексы имеют разную степень стабильности во времени. Эти комплексы являются краеугольным камнем многих (если не большинства) биологических процессов, и вместе они образуют различные типы молекулярная машина которые выполняют широкий спектр биологических функций. Видно, что клетка состоит из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую дискретную биологическую функцию.[2]

Благодаря близости скорость и селективность связывающих взаимодействий между ферментативным комплексом и субстратами могут быть значительно улучшены, что приводит к более высокой клеточной эффективности. Многие методы, используемые для взлома клеток и выделения белков, по своей природе разрушают такие большие комплексы, поэтому часто бывает трудно определить компоненты комплекса. Примеры белковых комплексов включают протеасома для молекулярной деградации и большинства РНК-полимеразы. В стабильных комплексах большие гидрофобные границы раздела между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных метров. В качестве.[3]

Функция

В Bacillus amyloliquefaciens рибонуклеаза Barnase (цветной) и его ингибитор (синий) в комплексе

Образование белкового комплекса иногда служит для активации или ингибирования одного или нескольких членов комплекса, и, таким образом, образование белкового комплекса может быть аналогично фосфорилирование. Отдельные белки могут участвовать в образовании множества различных белковых комплексов. Разные комплексы выполняют разные функции, и один и тот же комплекс может выполнять очень разные функции, которые зависят от множества факторов. Вот некоторые из этих факторов:

  • В каком клеточном компартменте находится комплекс, когда он содержится
  • На какой стадии клеточного цикла присутствуют комплексы
  • Состояние питания клетки[нужна цитата ]

Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме. Saccharomyces cerevisiae (штамм дрожжей). Для этого относительно простого организма изучение белковых комплексов в настоящее время проводится в масштабе всего генома, и продолжается выяснение большинства белковых комплексов дрожжей.[нужна цитата ]

Типы белковых комплексов

Облигатный против необлигатного белкового комплекса

Если белок может сам по себе образовывать стабильную хорошо сложенную структуру (без других связанных белков) in vivo, то комплексы, образованные такими белками, называют «необязательными белковыми комплексами». Однако нельзя обнаружить, что некоторые белки сами по себе создают стабильную хорошо сложенную структуру, но их можно найти как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называют «облигатными белковыми комплексами».[4]

Переходный или постоянный / стабильный белковый комплекс

Временные белковые комплексы образуются и временно разрушаются in vivo, тогда как перманентные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Как правило, облигатные взаимодействия (белок-белковые взаимодействия в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необязательные взаимодействия, как было установлено, являются постоянными или временными.[4] Обратите внимание, что нет четкого различия между облигатным и необязательным взаимодействием, скорее между ними существует континуум, который зависит от различных условий, например pH, концентрация белка и т. д.[5] Однако существуют важные различия между свойствами временных и постоянных / стабильных взаимодействий: стабильные взаимодействия высококонсервативны, но временные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки по обе стороны стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем те временного взаимодействия (фактически, вероятность совместной экспрессии между двумя временно взаимодействующими белками не выше, чем двумя случайными белками), а временные взаимодействия гораздо менее локализованы вместе, чем стабильные взаимодействия.[6] Хотя временные по своей природе, временные взаимодействия очень важны для клеточной биологии: человеческий интерактом обогащен такими взаимодействиями, эти взаимодействия являются доминирующими участниками регуляции генов и передачи сигналов, а белки с внутренне неупорядоченные области (IDR: области в белке, которые показывают динамические взаимопревращающие структуры в нативном состоянии), как обнаружено, обогащены временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями.[4]

Нечеткий комплекс

Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного беспорядка в связанном состоянии.[7] Это означает, что белки не могут полностью складываться ни в временные, ни в постоянные комплексы. Следовательно, определенные комплексы могут иметь неоднозначные взаимодействия, которые варьируются в зависимости от сигналов окружающей среды. Следовательно, разные ансамбли структур приводят к различным (даже противоположным) биологическим функциям.[8] Посттрансляционные модификации, белковые взаимодействия или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов, чтобы точно настроить сродство или специфичность взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регулирования внутри эукариотическая транскрипция машины.[9]

Незаменимые белки в белковых комплексах

Незаменимые белки в дрожжевых комплексах встречаются гораздо реже, чем случайно. Изменено после того, как Райан и др. 2013[10]

Хотя некоторые ранние исследования[11] предположили сильную корреляцию между существенностью и степенью взаимодействия белков (правило «центральность-летальность»), последующий анализ показал, что эта корреляция является слабой для бинарных или временных взаимодействий (например, дрожжевой двугибридный ).[12][13] Однако корреляция устойчива для сетей стабильных сопряженных взаимодействий. На самом деле непропорционально большое количество основные гены относятся к белковым комплексам.[14] Это привело к выводу, что существенность - это свойство молекулярных машин (то есть комплексов), а не отдельных компонентов.[14] Wang et al. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы с большей вероятностью будут иметь важное значение, объяснив, почему важные гены с большей вероятностью имеют высокую степень взаимодействия ко-комплексов.[15] Райан и др. (2013) ссылались на наблюдение, что целые комплексы кажутся важными, как "модульная сущность".[10] Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят из незаменимых или несущественных белков, а не демонстрируют случайное распределение (см. Рисунок). Тем не менее, это не явление «все или ничего»: только около 26% (105/401) дрожжевых комплексов состоят исключительно из существенных или исключительно несущественных субъединиц.[10]

У людей гены, белковые продукты которых принадлежат к одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приводят к одному и тому же фенотипу заболевания.[16][17][18]

Гомомультимерные и гетеромультимерные белки

Субъединицы мультимерного белка могут быть идентичными, как в гомомультимерном (гомоолигомерном) белке, или разными, как в гетеромультимерном белке. Многие растворимые и мембранные белки образуют гомомультимерные комплексы в клетке, большинство белков в клетке. Банк данных белков гомомультимерные.[19] Гомоолигомеры отвечают за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.

В потенциалзависимые калиевые каналы В плазматической мембране нейрона находятся гетеромультимерные белки, состоящие из четырех из сорока известных альфа-субъединиц. Субъединицы должны принадлежать к одному подсемейству, чтобы сформировать мультимерный белковый канал. Третичная структура канала позволяет ионам проходить через гидрофобную плазматическую мембрану. Коннексоны являются примером гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексины. Кластер коннексонов образует щелевое соединение в двух нейронах, передающих сигналы через электрический синапс.

Внутригенное дополнение

Когда несколько копий полипептида, кодируемого ген образуют комплекс, эта белковая структура называется мультимером. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутант аллели конкретного гена смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление упоминается как внутригенная комплементация (также называется межаллельной комплементацией). Внутригенная комплементация была продемонстрирована во многих различных генах различных организмов, включая грибы. Neurospora crassa, Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe; бактерия Сальмонелла тифимурий; вирус бактериофаг Т4,[20] РНК-вирус[21] и люди.[22] В таких исследованиях многочисленные мутации дефектные в том же гене часто выделяли и картировали в линейном порядке на основе рекомбинация частоты, чтобы сформировать генетическая карта гена. Отдельно мутанты тестировали в парных комбинациях для измерения комплементации. Анализ результатов таких исследований привел к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает в результате взаимодействия различных дефектных мономеров полипептидов с образованием мультимера.[23] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, распространены. Одна из интерпретаций данных состоит в том, что полипептидные мономеры часто выровнены в мультимере таким образом, что мутантные полипептиды, дефектные в соседних сайтах генетической карты, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который плохо функционирует, тогда как мутантные полипептиды, дефектные в удаленных сайтах, имеют тенденцию образовывать смешанный мультимер, который действует более эффективно. Межмолекулярные силы, вероятно ответственные за самопознание и образование мультимеров, обсуждались Jehle.[24]

Определение структуры

В молекулярная структура белковых комплексов можно определить экспериментальными методами, такими как Рентгеновская кристаллография, Анализ отдельных частиц или же ядерный магнитный резонанс. Все чаще теоретический вариант белок-белковая стыковка также становится доступным. Один метод, который обычно используется для идентификации меомплексов[требуется разъяснение ] иммунопреципитация. Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении пиксельного уровня Фёрстеровский резонансный перенос энергии (FRET) эффективность в сочетании с двухфотонным микроскопом со спектральным разрешением. Распределение эффективности FRET моделируется с использованием различных моделей, чтобы получить геометрию и стехиометрию комплексов.[25]

сборка

Правильная сборка мультибелковых комплексов важна, так как неправильная сборка может привести к плачевным последствиям.[26] Чтобы изучить сборку пути, исследователи изучают промежуточные этапы пути. Одним из таких приемов, позволяющих это сделать, является электрораспылительная масс-спектрометрия, которые могут одновременно идентифицировать разные промежуточные состояния. Это привело к открытию, что большинство комплексов следует упорядоченному пути сборки.[27] В случаях, когда возможна неупорядоченная сборка, переход от упорядоченного состояния к неупорядоченному приводит к переходу от функции к дисфункции комплекса, поскольку неупорядоченная сборка приводит к агрегации.[28]

Структура белков играет роль в сборке мультибелкового комплекса. Интерфейсы между белками можно использовать для предсказания путей сборки.[27] Внутренняя гибкость белков также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия.[29]

Хотя сборка - это процесс, отличный от разборки, эти два процесса обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (раз) сборкой.

Эволюционное значение сборки мультипротеинового комплекса

В гомомультимерных комплексах гомомерный белки собираются способом, имитирующим эволюцию. То есть промежуточное звено в процессе сборки присутствует в эволюционной истории комплекса.[30]Противоположный феномен наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит таким образом, чтобы сохранить исходный путь сборки.[27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Прайс NC, Стивенс Л. (1999). Основы энзимологии: клеточная и молекулярная биология каталитических белков (3-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  0-19-850229-X.
  2. ^ Хартвелл Л. Х., Хопфилд Дж. Дж., Лейблер С., Мюррей А. В. (декабрь 1999 г.). «От молекулярной к модульной клеточной биологии». Природа. 402 (6761 Дополнение): C47–52. Дои:10.1038/35011540. PMID  10591225.
  3. ^ Перейра-Леал Дж. Б., Леви Э. Д., Тейхманн С.А. (март 2006 г.). «Истоки и эволюция функциональных модулей: уроки белковых комплексов». Филос. Пер. R. Soc. Лондон. B Biol. Наука. 361 (1467): 507–17. Дои:10.1098 / rstb.2005.1807. ЧВК  1609335. PMID  16524839.
  4. ^ а б c Амуциас Г, Ван де Пер Y (2010). "Дупликации одного и целого генома и эволюция сетей белок-белкового взаимодействия. Эволюционная геномика и системная биология". В Caetano-Anolles G (ред.). Эволюционная геномика. С. 413–429. Дои:10.1002 / 9780470570418.ch19.
  5. ^ Нурен И.М., Торнтон Дж. М. (июль 2003 г.). «Разнообразие белковых взаимодействий». EMBO J. 22 (14): 3486–92. Дои:10.1093 / emboj / cdg359. ЧВК  165629. PMID  12853464.
  6. ^ Браун К.Р., Юрисица I (2007). «Неравная эволюционная консервация взаимодействий белков человека в интерологических сетях». Геном Биол. 8 (5): R95. Дои:10.1186 / gb-2007-8-5-r95. ЧВК  1929159. PMID  17535438.
  7. ^ Tompa P, Fuxreiter M (январь 2008 г.). «Нечеткие комплексы: полиморфизм и структурное нарушение белок-белковых взаимодействий». Trends Biochem. Наука. 33 (1): 2–8. Дои:10.1016 / j.tibs.2007.10.003. PMID  18054235.
  8. ^ Fuxreiter M (январь 2012 г.). «Нечеткость: связь регулирования с динамикой белка». Мол Биосист. 8 (1): 168–77. Дои:10.1039 / c1mb05234a. PMID  21927770.
  9. ^ Fuxreiter M, Simon I, Bondos S (август 2011 г.). «Динамическое распознавание ДНК-белка: за гранью того, что можно увидеть». Trends Biochem. Наука. 36 (8): 415–23. Дои:10.1016 / j.tibs.2011.04.006. PMID  21620710.
  10. ^ а б c Ryan, C.J .; Krogan, N.J .; Cunningham, P; Кэгни, Г. (2013). «Все или ничего: белковые комплексы меняют сущность между отдаленно родственными эукариотами». Геномная биология и эволюция. 5 (6): 1049–59. Дои:10.1093 / gbe / evt074. ЧВК  3698920. PMID  23661563.
  11. ^ Jeong, H; Mason, S.P .; Barabási, A. L .; Олтвай, З. Н. (2001). «Летальность и центральность в белковых сетях». Природа. 411 (6833): 41–2. arXiv:cond-mat / 0105306. Bibcode:2001 Натур.411 ... 41J. Дои:10.1038/35075138. PMID  11333967.
  12. ^ Yu, H; Браун, П; Йилдирим, М. А .; Лемменс, I; Венкатесан, К; Сахали, Дж; Hirozane-Kishikawa, T; Гебреаб, Ф; Ли, Н; Simonis, N; Хао, Т; Rual, J. F .; Дрико, А; Васкес, А; Мюррей, Р. Р .; Саймон, C; Тардиво, Л; Там, S; Сврзикапа, Н; Вентилятор, C; Де Смет, А. С .; Мотыль, А; Hudson, M.E .; Парк, Дж; Синь, Х; Cusick, M.E .; Мур, Т; Бун, C; Снайдер, М; Рот, Ф. П. (2008). «Качественная бинарная карта взаимодействия белков дрожжевой интерактомной сети». Наука. 322 (5898): 104–10. Bibcode:2008Sci ... 322..104Y. Дои:10.1126 / science.1158684. ЧВК  2746753. PMID  18719252.
  13. ^ Зотенко, Э; Местре, Дж; О'Лири, Д. П.; Пржитицка, Т. М. (2008). «Почему хабы в сети взаимодействия дрожжевых белков имеют тенденцию быть важными: пересмотр связи между топологией сети и существенностью». PLOS вычислительная биология. 4 (8): e1000140. Bibcode:2008PLSCB ... 4E0140Z. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1000140. ЧВК  2467474. PMID  18670624.
  14. ^ а б Hart, G.T .; Ли, я; Маркотт, Э. Р. (2007). «Консенсусная карта дрожжевых белковых комплексов с высокой точностью показывает модульную природу существенности генов». BMC Bioinformatics. 8: 236. Дои:10.1186/1471-2105-8-236. ЧВК  1940025. PMID  17605818.
  15. ^ Wang, H; Какарадов, Б; Collins, S. R .; Каротки, Л; Fiedler, D; Сланцы, М; Шокат, К. М .; Walther, T. C .; Krogan, N.J .; Коллер, Д. (2009). «Комплексная реконструкция интерактома Saccharomyces cerevisiae». Молекулярная и клеточная протеомика. 8 (6): 1361–81. Дои:10.1074 / mcp.M800490-MCP200. ЧВК  2690481. PMID  19176519.
  16. ^ Fraser, H.B .; Плоткин, Дж. Б. (2007). «Использование белковых комплексов для прогнозирования фенотипических эффектов генной мутации». Геномная биология. 8 (11): R252. Дои:10.1186 / gb-2007-8-11-r252. ЧВК  2258176. PMID  18042286.
  17. ^ Lage, K; Карлберг, Э. О .; Størling, Z. M .; Olason, P. I .; Педерсен, А.Г .; Ригина, О; Hinsby, A.M .; Тюмер, Z; Pociot, F; Tommerup, N; Моро, Y; Брунак, S (2007). «Человеческая феномен-интерактомная сеть белковых комплексов, вовлеченных в генетические нарушения». Природа Биотехнологии. 25 (3): 309–16. Дои:10.1038 / nbt1295. PMID  17344885.
  18. ^ Оти, М; Бруннер, Х. Г. (2007). «Модульный характер генетических заболеваний». Клиническая генетика. 71 (1): 1–11. Дои:10.1111 / j.1399-0004.2006.00708.x. PMID  17204041.
  19. ^ Хашимото К., Ниши Х., Брайант С., Панченко А.Р. (июнь 2011 г.). «В ловушке самовзаимодействия: эволюционные и функциональные механизмы гомоолигомеризации белков». Phys Biol.. 8 (3): 035007. Bibcode:2011ФБио ... 8c5007H. Дои:10.1088/1478-3975/8/3/035007. ЧВК  3148176. PMID  21572178.
  20. ^ Bernstein, H; Эдгар, RS; Денхардт, Г. Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация среди чувствительных к температуре мутантов бактериофага T4D». Генетика. 51: 987–1002. ЧВК  1210828. PMID  14337770.
  21. ^ Смоллвуд С., Чевик Б., Мойер С.А. Внутригенная комплементация и олигомеризация субъединицы L РНК-полимеразы вируса Сендай. Вирусология. 2002; 304 (2): 235-245. DOI: 10.1006 / viro.2002.1720
  22. ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Десвиат Л. Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. К модели, объясняющей внутригенную комплементацию в гетеромультимерном протеине пропионил-КоА-карбоксилазе. Biochim Biophys Acta. 2005; 1740 (3): 489-498. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2004.10.009
  23. ^ Крик Ф.Х., Оргель ЛЕ. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958
  24. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  25. ^ Райку В., Стоунман М.Р., Фунг Р., Мельничук М., Янсма Д. Б., Пистерзи Л. Ф., Рат С., Фокс, М., Уэллс, Д. В., Салдин Д. К. (2008). «Определение надмолекулярной структуры и пространственного распределения белковых комплексов в живых клетках». Природа Фотоника. 3 (2): 107–113. Дои:10.1038 / nphoton.2008.291.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  26. ^ Добсон, Кристофер М (декабрь 2003 г.). «Сворачивание и неправильная сворачивание белков». Природа. 426 (6968): 884–90. Bibcode:2003Натура.426..884D. Дои:10.1038 / природа02261. PMID  14685248.
  27. ^ а б c Marsh JA, Hernández H, Hall Z, Ahnert SE, Perica T, Robinson CV, Teichmann SA (апрель 2013 г.). «Белковые комплексы подвергаются эволюционному отбору и собираются упорядоченными путями». Клетка. 153 (2): 461–470. Дои:10.1016 / j.cell.2013.02.044. ЧВК  4009401. PMID  23582331.
  28. ^ Судха, Говиндараджан; Нусинов, Рут; Шринивасан, Нараянасвами (2014). «Обзор последних достижений в структурной биоинформатике белок-белковых взаимодействий и руководство по их принципам». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии. 116 (2–3): 141–50. Дои:10.1016 / j.pbiomolbio.2014.07.004. PMID  25077409.
  29. ^ Марш, Джозеф; Тайхманн, Сара А. (май 2014 г.). «Гибкость белка способствует сборке и эволюции четвертичной структуры». PLOS Биология. 12 (5): e1001870. Дои:10.1371 / journal.pbio.1001870. ЧВК  4035275. PMID  24866000.
  30. ^ Леви, Эммануэль Д.; Боэри Эрба, Элизабетта; Робинсон, Кэрол V; Тайхманн, Сара А. (июль 2008 г.). «Сборка отражает эволюцию белковых комплексов». Природа. 453 (7199): 1262–5. Bibcode:2008 Натур.453.1262L. Дои:10.1038 / природа06942. ЧВК  2658002. PMID  18563089.

внешняя ссылка