Белковый комплекс - Protein complex
Белковый комплекс или белковый комплекс представляет собой группу из двух или более связанных с ним полипептидных цепей . Различные полипептидные цепи могут иметь разные функции. Это отличается от мультиферментного комплекса , в котором несколько каталитических доменов находятся в одной полипептидной цепи.
Белковые комплексы представляют собой форму четвертичной структуры. Белки в белковом комплексе связаны нековалентными межбелковыми взаимодействиями , 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 молекулярных механизмов, которые выполняют широкий спектр биологических функций. Видно, что клетка состоит из модульных супрамолекулярных комплексов, каждый из которых выполняет независимую дискретную биологическую функцию.
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 протеасомы для молекулярной деградации и большинство РНК-полимераз . В стабильных комплексах большие гидрофобные границы раздела между белками обычно скрывают площади поверхности, превышающие 2500 квадратных Å .
Функция
Образование белкового комплекса иногда служит для активации или ингибирования одного или нескольких членов комплекса, и, таким образом, образование белкового комплекса может быть аналогично фосфорилированию . 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
Многие белковые комплексы хорошо изучены, особенно в модельном организме Saccharomyces cerevisiae (штамм дрожжей). Для этого относительно простого организма исследование белковых комплексов в настоящее время проводится в масштабе всего генома, и продолжается выяснение большинства белковых комплексов дрожжей.
Типы белковых комплексов
Облигатный против необлигатного белкового комплекса
Если белок может образовывать стабильную хорошо сложенную структуру самостоятельно (без какого-либо другого ассоциированного белка) in vivo , то комплексы, образованные такими белками, называются «необязательными белковыми комплексами». Однако нельзя обнаружить, что некоторые белки сами по себе создают стабильную хорошо сложенную структуру, но могут быть обнаружены как часть белкового комплекса, который стабилизирует составляющие белки. Такие белковые комплексы называют «облигатными белковыми комплексами».
Переходный или постоянный / стабильный белковый комплекс
Временные белковые комплексы образуются и временно разрушаются in vivo , тогда как постоянные комплексы имеют относительно длительный период полураспада. Как правило, облигатные взаимодействия (белок-белковые взаимодействия в облигатном комплексе) являются постоянными, тогда как необязательные взаимодействия оказываются постоянными или временными. Обратите внимание, что нет четкого различия между облигатным и необязательным взаимодействием, скорее существует континуум между ними, который зависит от различных условий, например, pH, концентрации белка и т. Д. Однако есть важные различия между свойствами временных и постоянных / стабильных взаимодействий. : стабильные взаимодействия высококонсервативны, но временные взаимодействия гораздо менее консервативны, взаимодействующие белки на двух сторонах стабильного взаимодействия имеют большую тенденцию к совместной экспрессии, чем белки временного взаимодействия (фактически, вероятность совместной экспрессии между двумя временно взаимодействующими белков не превышает двух случайных белков), и временные взаимодействия гораздо менее локализованы, чем стабильные взаимодействия. 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 также белками с внутренне неупорядоченными участками (IDR: участки в белке, которые показывают динамические взаимопревращающие структуры в нативном состоянии), как обнаружено, обогащены временными регуляторными и сигнальными взаимодействиями.
Нечеткий комплекс
Нечеткие белковые комплексы имеют более одной структурной формы или динамического структурного беспорядка в связанном состоянии. 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. Посттрансляционные модификации, белковые взаимодействия или альтернативный сплайсинг модулируют конформационные ансамбли нечетких комплексов для точной настройки аффинности или специфичности взаимодействий. Эти механизмы часто используются для регуляции в аппарате транскрипции эукариот .
Незаменимые белки в белковых комплексах
Хотя некоторые ранние исследования предполагали 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, двугибридных дрожжей ). Однако корреляция устойчива для сетей стабильных сопряженных взаимодействий. На самом деле непропорционально большое количество основных генов принадлежит белковым комплексам. Это привело к выводу, что существенность - это свойство молекулярных машин (то есть комплексов), а не отдельных компонентов. Wang et al. (2009) отметили, что более крупные белковые комплексы, скорее всего, будут важны, объясняя, почему важные гены с большей вероятностью имеют высокую степень взаимодействия сложных комплексов. Райан и др. (2013) ссылаются на наблюдение, что целостные комплексы кажутся существенными, как на « модульную сущность ». Эти авторы также показали, что комплексы, как правило, состоят из незаменимых или несущественных белков, а не демонстрируют случайное распределение (см. Рисунок). Однако это не феномен «все или ничего»: только около 26% (105/401) дрожжевых комплексов состоят исключительно из незаменимых или исключительно несущественных субъединиц.
У людей гены, белковые продукты которых принадлежат одному и тому же комплексу, с большей вероятностью приводят к одному и тому же фенотипу заболевания.
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 базе данных по белкам гомомультимерные. Гомоолигомеры несут ответственность за разнообразие и специфичность многих путей, могут опосредовать и регулировать экспрессию генов, активность ферментов, ионных каналов, рецепторов и процессы клеточной адгезии.
Управляемые напряжением калиевые каналы в плазматической мембране нейрона представляют собой 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 представляют собой пример гомомультимерного белка, состоящего из шести идентичных коннексинов . Кластер коннексонов образует щелевое соединение в двух нейронах, которые передают сигналы через электрический синапс.
Внутригенная комплементация
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, образуют комплекс, эта структура белка называется мультимером. Когда мультимер формируется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией (также называемой межаллельной комплементацией). Внутригенная комплементация была продемонстрирована во многих различных генах у множества организмов, включая грибы Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae и Schizosaccharomyces pombe ; бактерия Salmonella typhimurium ; вирус бактериофага Т4 , вирус РНК и человека. В таких исследованиях множество дефектных мутаций в одном и том же гене часто выделяли и картировали в линейном порядке на основе частот рекомбинации, чтобы сформировать генетическую карту 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 полипептидных мономеров с образованием мультимера. Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, распространены. Одна интерпретация 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.
Определение структуры
Молекулярная структура белковых комплексов может быть определена с помощью экспериментальных методов , таких как рентгеновская кристаллография , анализа одной частицы или ядерного магнитного резонанса . Все больше становится доступной теоретическая возможность стыковки белок-белок . Одним из методов, который обычно используется для идентификации меомплексов, является иммунопреципитация . Недавно Райку и его коллеги разработали метод определения четвертичной структуры белковых комплексов в живых клетках. Этот метод основан на определении эффективности резонансной передачи энергии Фёрстера (FRET) на уровне пикселей в сочетании с двухфотонным микроскопом со спектральным разрешением. Распределение эффективности FRET моделируется на основе различных моделей, чтобы получить геометрию и стехиометрию комплексов.
сборка
Правильная сборка мультибелковых комплексов важна, так как неправильная сборка может привести к плачевным последствиям. Чтобы изучить сборку пути, исследователи изучают промежуточные этапы пути. Одним из таких методов, который позволяет это сделать, является масс-спектрометрия с электрораспылением , которая может одновременно идентифицировать различные промежуточные состояния. Это привело к открытию, что большинство комплексов следует упорядоченному пути сборки. 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.
Структура белков играет роль в сборке мультибелкового комплекса. Интерфейсы между белками можно использовать для предсказания путей сборки. Внутренняя гибкость белков также играет роль: более гибкие белки обеспечивают большую площадь поверхности, доступную для взаимодействия.
Хотя сборка - это процесс, отличный от разборки, они обратимы как в гомомерных, так и в гетеромерных комплексах. Таким образом, весь процесс можно назвать (раз) сборкой.
Эволюционное значение сборки мультипротеинового комплекса
В гомомультимерными комплексах гомомерные белки собираются в пути этой эволюции в мнемосхемах. То есть промежуточное звено в процессе сборки присутствует в эволюционной истории комплекса. Противоположный феномен наблюдается в гетеромультимерных комплексах, где слияние генов происходит таким образом, чтобы сохранить исходный путь сборки.
Смотрите также
использованная литература
внешние ссылки
- Мультипротеин + комплексы в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)