Eiwitdynamiek

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Voorbeeld van allosterie: Wisseling tussen de T- en R-vorm van hemoglobine.

Eiwitdynamiek heeft betrekking op de overgangen van conformaties van eiwitten. Over het algemeen wordt aangenomen dat eiwitten unieke structuren aannemen die worden bepaald door hun aminozuurvolgordes. Eiwitten zijn echter geen strikt statische objecten, maar zijn eerder groepen van (soms vergelijkbare) conformaties. Overgangen tussen deze toestanden vinden plaats op verschillende lengteschalen (tienden van Å (Ångstrom) tot nm (nanometer) en tijdschalen (ns (nanoseconde) tot s (seconde)) en zijn in verband gebracht met functioneel relevante verschijnselen zoals allosterische regulatie[1] en enzymatische katalyse.[2] Allosterische regulatie is de regulatie van een enzym of een ander proteïne door binding aan een effectormolecuul bij de allosterische zijde van het proteïne, hetgeen een andere zijde is dan de actieve zijde van het proteïne.

De studie van de eiwitdynamiek houdt zich het meest direct bezig met de overgangen tussen deze toestanden, maar het kan ook de aard en evenwichtspopulaties van de toestanden zelf betreffen. Deze twee perspectieven – respectievelijk kinetiek en thermodynamica – kunnen conceptueel worden gesynthetiseerd in een ‘energielandschap’-paradigma:[3] sterkgevulde overgangen en de kinetiek van de overgangen daartussen kunnen worden beschreven door respectievelijk de diepten van de energiebronnen en de hoogten van de energiebarrières.

Kinesine die op een microtubulus loopt, is een moleculaire biologische machine die gebruik maakt van eiwitdynamiek op nanoschaal.

Lokale flexibiliteit: atomen en resten (aminozuurmonomeren)[bewerken | brontekst bewerken]

Delen van eiwitstructuren wijken vaak af van de evenwichtstoestand. Sommige van dergelijke afwijkingen zijn harmonisch, zoals stochastische fluctuaties van chemische bindingen en bindingshoeken. Anderen zijn niet harmonisch, zoals zijketens die tussen afzonderlijke discrete energieminima springen of conformatie-isomeren.[4]

Bewijs voor lokale flexibiliteit wordt vaak verkregen uit NMR-spectroscopie. Flexibele en potentieel ongeordende gebieden van een eiwit kunnen worden gedetecteerd met behulp van de willekeurige spoelindex. Flexibiliteit in gevouwen eiwitten kan worden geïdentificeerd door de kernspinrelaxatie van individuele atomen in het eiwit te analyseren. Flexibiliteit kan ook worden waargenomen in elektronendichtheidskaarten met zeer hoge resolutie die worden geproduceerd door röntgenkristallografie,[5] vooral wanneer diffractiegegevens worden verzameld bij kamertemperatuur in plaats van bij de traditionele cryogene temperatuur (meestal nabij 100 K).[6] Informatie over de frequentieverdeling en dynamiek van lokale eiwitflexibiliteit kan worden verkregen met behulp van Raman- en optische Kerr-effectspectroscopie[7], evenals anisotropische terahertz microspectroscopie[8] in het terahertz-frequentiedomein.

Regionale flexibiliteit: multi-restenkoppeling binnen eiwitdomeinen[bewerken | brontekst bewerken]

Een netwerk van alternatieve conformaties in katalase (Protein Data Bank-code: 1gwe) met diverse eigenschappen. Meerdere fenomenen definiëren het netwerk: van der Waals-interacties (blauwe stippen en lijnsegmenten) tussen zijketens, een waterstofbrug (groene gestippelde lijn) door een gedeeltelijk bezet water (H2O) (bruin), koppeling via de lokaal mobiele ruggengraat (zwart), en misschien elektrostatische krachten tussen de Lys (lysine) (groen) en nabijgelegen polaire resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) (blauw: Glu (glutamine), geel: Asp (asparaginezuur), paars: Ser (serine)). Dit specifieke netwerk bevindt zich distaal van de actieve site en is daarom vermoedelijk niet kritisch voor het functioneren.

Veel resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) bevinden zich in de ruimtelijke nabijheid in eiwitstructuren. Dit geldt voor de meeste resten die aaneengesloten zijn in de primaire sequentie, maar ook voor veel resten die distaal in de sequentie liggen maar toch met elkaar in contact worden gebracht in de uiteindelijke gevouwen structuur. Vanwege deze nabijheid raken de energielandschappen van deze resten gekoppeld op basis van verschillende biofysische verschijnselen zoals waterstofbruggen, ionische bindingen en van der Waals-interacties (zie figuur).

Overgangen tussen toestanden voor dergelijke sets resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) raken daarom gecorreleerd.[9]

Dit is misschien het meest voor de hand liggend voor aan het oppervlak blootgestelde lussen, die vaak collectief verschuiven om verschillende conformaties in verschillende kristalstructuren aan te nemen (zie figuur). Gekoppelde conformationele heterogeniteit is echter soms ook duidelijk in de secundaire structuur.[10] Opeenvolgende resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) en resten die met 4 zijn gecompenseerd in de primaire sequentie, werken bijvoorbeeld vaak samen in α-helixen. Ook wijzen resten die met 2 zijn verschoven in de primaire sequentie hun zijketens naar hetzelfde vlak van β-sheets en zijn ze dichtbij genoeg om sterisch te interageren (op elkaar inwerken), net als resten op aangrenzende strengen van dezelfde β-sheet. Sommige van deze conformationele veranderingen worden veroorzaakt door post-translationele modificaties in de eiwitstructuur, zoals fosforylering en methylering.[10][11]

Globale flexibiliteit: meerdere domeinen[bewerken | brontekst bewerken]

Lintdiagram van Bacillus amyloliquefaciens eiwitten in een complex
Geïnduceerde passing: hexokinase verandert van vorm zodat de substraten adenosinetrifosfaat en xylose volledig worden omsloten. Bindingsplaats in blauw, substraten in zwart en co-factor in geel.

De aanwezigheid van meerdere domeinen in eiwitten zorgt voor een grote mate van flexibiliteit en mobiliteit, wat leidt tot de dynamiek van eiwitdomeinen.[1] Domeinbewegingen kunnen worden gevonden door verschillende structuren van een eiwit te vergelijken (zoals in de Database of Macromolecular Motions) of ze kunnen direct worden waargenomen met behulp van spectra[12][13] gemeten met neutronenspin-echospectroscopie. Ze kunnen ook worden gevonden door bemonstering in uitgebreide moleculaire dynamica-trajecten[14] en hoofdcomponentenanalyse.[15]

Domeinbewegingen zijn belangrijk voor:

Een van de grootste waargenomen domeinbeweging is het 'draaimechanisme' in pyruvaatfosfaatdikinase. Het fosfoinositide-domein draait tussen twee toestanden om een fosfaatgroep van de actieve plaats van het nucleotide-bindende domein naar die van het fosfoenolpyruvaat/pyruvaat-domein te brengen. De fosfaatgroep wordt over een afstand van 45 Å verplaatst, waarbij een domeinbeweging van ongeveer 100 graden rond een enkele rest (aminozuurmonomeer) betrokken is. Bij enzymen kan de reactie op een gecontroleerde manier plaatsvinden doordat het ene domein het andere domein omsluit en zo een substraat invangt door een geïnduceerde passing. Een gedetailleerde analyse door Gerstein leidde tot de classificatie van twee basistypen domeinbeweging; scharnier en schuif.[20] Slechts een relatief klein deel van de keten, namelijk de interdomein linker (beweeglijke verbinding tussen de eiwitdomeinen) en zijketens, ondergaan significante conformationele veranderingen bij domeinherschikking.

Scharnierbewegingen[bewerken | brontekst bewerken]

Scharnierbeweging in ongeordend activeringsdomein in trypsine (PDB ID:[23]). De voorspelde scharnieren met behulp van PACKMAN[24] De scharniervoorspellingen zijn blauw (resten 23:28) en rood (resten 175:182) gekleurd. Het groen gekleurde gebied is de actieve plaats. De beweging wordt gegenereerd met behulp van hdANM.

Uit een onderzoek van Hayward[25] is gebleken dat de uiteinden van α-helices en β-sheets in een groot aantal gevallen scharnieren vormen. Bij veel scharnieren bleken twee secundaire structuurelementen te bestaan die als scharnieren van een deur fungeerden, waardoor een openings- en sluitbeweging kon plaatsvinden. Dit kan gebeuren wanneer twee aangrenzende strengen binnen een β-sheet die zich in het ene domein bevinden, uiteengaan als ze met het andere domein samengaan. De twee resulterende uiteinden vormen dan de buiggebieden tussen de twee domeinen. α-helices die hun waterstofbindingsnetwerk behouden wanneer ze gebogen zijn, blijken zich te gedragen als mechanische scharnieren, waarbij 'elastische energie' wordt opgeslagen die de sluiting van domeinen aanstuurt voor het snel invangen van een substraat.[25] Khade et. al. werkte aan het voorspellen van de scharnieren[26] in elke conformatie en bouwde verder een elastisch netwerkmodel genaamd hdANM[27] dat deze bewegingen kan modelleren.

Van helixvormige tot gestrekte conformatie[bewerken | brontekst bewerken]

Lintdiagram van calmoduline. links gesloten, rechts open met vier gebonden Ca2+

De onderlinge conversie van helixvormige en gestrekte conformaties op de plaats van een domeingrens is niet ongewoon. In het zeer flexibele calmoduline veranderen de torsiehoeken voor vijf resten in het midden van een domein dat de α-helix verbindt. De helix is gesplitst in twee, bijna loodrechte, kleinere helices, gescheiden door vier resten van een gestrekte streng.[28][29]

Schuifbewegingen[bewerken | brontekst bewerken]

Schuifbewegingen omvatten een kleine glijdende beweging van domeininterfaces bestuurt door de aminozuurzijketens binnen de interface. Eiwitten die schuifbewegingen vertonen hebben vaak een gelaagde bouw: stapeling van secundaire structuren. De interdomein-linker heeft slechts de rol om de domeinen dicht bij elkaar te houden.[30]

Domeinbeweging en functionele dynamiek in enzymen[bewerken | brontekst bewerken]

De analyse van de interne dynamiek van structureel verschillende, maar functioneel vergelijkbare enzymen heeft een gemeenschappelijke relatie tussen de positionering van de actieve plaats en de twee belangrijkste eiwitsubdomeinen benadrukt. Voor verschillende leden van de hydrolase-superfamilie bevindt de katalytische plaats zich feitelijk dicht bij het grensvlak dat de twee belangrijkste quasi-stijve domeinen scheidt.[14] Een dergelijke positionering lijkt behulpzaam voor het behouden van de precieze geometrie van de actieve plaats, terwijl een aanzienlijke functioneel georiënteerde modulatie van de flankerende gebieden mogelijk wordt gemaakt als gevolg van de relatieve beweging van de twee subdomeinen.

Implicaties voor macromoleculaire evolutie[bewerken | brontekst bewerken]

Er zijn aanwijzingen dat de eiwitdynamiek belangrijk is voor het functioneren, bijvoorbeeld enzymkatalyse in DHFR, maar er wordt ook beweerd dat ze de verwerving van nieuwe functies door moleculaire evolutie vergemakkelijken. Dit argument suggereert dat eiwitten zijn geëvolueerd om stabiele, meestal unieke gevouwen structuren te hebben, maar de onvermijdelijke resterende flexibiliteit leidt tot een zekere mate van functionele promiscuïteit, die kan worden versterkt/benut/omgeleid door daaropvolgende mutaties.

Er is echter een groeiend besef dat intrinsiek ongestructureerd eiwitten vrij veel voorkomen in eukaryotische genomen,[31] waardoor er nog meer twijfel ontstaat over de eenvoudigste interpretatie van Anfinsens dogma: "sequentie bepaalt structuur (enkelvoud)". In feite wordt het nieuwe paradigma gekenmerkt door de toevoeging van twee kanttekeningen: "sequentie en cellulaire omgeving bepalen het structurele geheel".

Referenties[bewerken | brontekst bewerken]

  1. ↑ a b Protein Structure and Diseases. Academic Press. DOI:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7 (2011), "Proteins move! Protein dynamics and long-range allostery in cell signaling", 163–221. ISBN 9780123812629.
  2. ↑ (Dec 2009). Hidden alternative structures of proline isomerase essential for catalysis. Nature 462 (7273): 669–673. PMID 19956261. PMC 2805857. DOI: 10.1038/nature08615.
  3. ↑ (Dec 1991). The energy landscapes and motions of proteins. Science 254 (5038): 1598–1603. PMID 1749933. DOI: 10.1126/science.1749933.
  4. ↑ Dunbrack, Roland L (August 2002). Rotamer Libraries in the 21st Century. Current Opinion in Structural Biology 12 (4): 431–440. PMID 12163064. DOI: 10.1016/s0959-440x(02)00344-5.
  5. ↑ (Feb 2006). The backrub motion: how protein backbone shrugs when a sidechain dances. Structure 14 (2): 265–274. PMID 16472746. DOI: 10.1016/j.str.2005.10.007.
  6. ↑ (Sep 2011). Accessing protein conformational ensembles using room-temperature X-ray crystallography. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 108 (39): 16247–16252. PMID 21918110. PMC 3182744. DOI: 10.1073/pnas.1111325108.
  7. ↑ (June 2014). Terahertz underdamped vibrational motion governs protein-ligand binding in solution. Nature Communications 5: 3999. PMID 24893252. DOI: 10.1038/ncomms4999.
  8. ↑ Acbas, G., Niessen, K. A., Snell, E. H., Markelz, A. G. (2014). Protein Optical measurements of long-range protein vibrations. Nature Communications 5: 3076. PMID 24430203. DOI: 10.1038/ncomms4076.
  9. ↑ (Sep 2001). Dynamic regimes and correlated structural dynamics in native and denatured alpha-lactalbumin. Journal of Molecular Biology 312 (4): 865–873. PMID 11575938. DOI: 10.1006/jmbi.2001.5006.
  10. ↑ a b (October 2019). Computational study of conformational changes in human 3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme reductase induced by substrate binding. Journal of Biomolecular Structure & Dynamics 37 (16): 4374–4383. PMID 30470158. DOI: 10.1080/07391102.2018.1549508.
  11. ↑ (April 2006). Conformational changes in protein loops and helices induced by post-translational phosphorylation. PLOS Computational Biology 2 (4): e32. PMID 16628247. PMC 1440919. DOI: 10.1371/journal.pcbi.0020032.
  12. ↑ (Nov 2010). Activation of nanoscale allosteric protein domain motion revealed by neutron spin echo spectroscopy. Biophysical Journal 99 (10): 3473–3482. PMID 21081097. PMC 2980739. DOI: 10.1016/j.bpj.2010.09.058.
  13. ↑ (Dec 2005). Coupled protein domain motion in Taq polymerase revealed by neutron spin-echo spectroscopy. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 102 (49): 17646–17651. PMID 16306270. PMC 1345721. DOI: 10.1073/pnas.0503388102.
  14. ↑ a b (Jun 2009). Coarse-grained description of protein internal dynamics: an optimal strategy for decomposing proteins in rigid subunits. Biophysical Journal 96 (12): 4993–5002. PMID 19527659. PMC 2712024. DOI: 10.1016/j.bpj.2009.03.051.
  15. ↑ (Jul 2012). LSD1/CoREST is an allosteric nanoscale clamp regulated by H3-histone-tail molecular recognition. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 109 (31): 12509–14. PMID 22802671. PMC 3411975. DOI: 10.1073/pnas.1207892109.
  16. ↑ ABC Transporters in Microorganisms. Caister Academic (2009). ISBN 978-1-904455-49-3.
  17. ↑ (May 2010). At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for understanding enzyme catalysis?. Proteins 78 (6): 1339–75. PMID 20099310. PMC 2841229. DOI: 10.1002/prot.22654.
  18. ↑ Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton, 1st. Sinauer Associates, Sunderland,MA (2001). ISBN 9780878933334.
  19. ↑ (Apr 2017). Controllable Activation of Nanoscale Dynamics in a Disordered Protein Alters Binding Kinetics. Journal of Molecular Biology 429 (7): 987–998. PMID 28285124. PMC 5399307. DOI: 10.1016/j.jmb.2017.03.003.
  20. ↑ a b (Jun 1994). Structural mechanisms for domain movements in proteins. Biochemistry 33 (22): 6739–49. PMID 8204609. DOI: 10.1021/bi00188a001.
  21. ↑ (21 augustus 2018). Alpha-catenin structure and nanoscale dynamics in solution and in complex with F-actin. Biophysical Journal 115 (4): 642–654. PMID 30037495. PMC 6104293. DOI: 10.1016/j.bpj.2018.07.005.
  22. ↑ Biochemistry, Voet, Judith G., 4th. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ (2011). ISBN 9780470570951.
  23. ↑ structuur/2PTN 2PTN
  24. ↑ PACKMAN
  25. ↑ a b (Sep 1999). Structural principles governing domain motions in proteins. Proteins 36 (4): 425–35. PMID 10450084. DOI: <425::AID-PROT6>3.0.CO;2-S 10.1002/(SICI)1097-0134(19990901)36:4<425::AID-PROT6>3.0.CO;2-S.
  26. ↑ Khade, Pranav M., Kumar, Ambuj, Jernigan, Robert L. (17 januari 2020). Characterizing and Predicting Protein Hinges for Mechanistic Insight. Journal of Molecular Biology 432 (2): 508–522. ISSN: 1089-8638. PMID 31786268. PMC 7029793. DOI: 10.1016/j.jmb.2019.11.018.
  27. ↑ Khade, Pranav M., Scaramozzino, Domenico, Kumar, Ambuj, Lacidogna, Giuseppe, Carpinteri, Alberto (16 november 2021). hdANM: a new comprehensive dynamics model for protein hinges. Biophysical Journal 120 (22): 4955–4965. ISSN: 1542-0086. PMID 34687719. PMC 8633836. DOI: 10.1016/j.bpj.2021.10.017.
  28. ↑ (Aug 1992). Target enzyme recognition by calmodulin: 2.4 A structure of a calmodulin-peptide complex. Science 257 (5074): 1251–1255. PMID 1519061. DOI: 10.1126/science.1519061.
  29. ↑ (May 1992). Solution structure of a calmodulin-target peptide complex by multidimensional NMR. Science 256 (5057): 632–638. PMID 1585175. DOI: 10.1126/science.1585175.
  30. ↑ Daniel Taylor, Gavin Cawley and Steven Hayward, Quantitative Method for the Assignment of Hinge and Shear Mechanism in Protein Domain Movements, Bioinformatics Advance Access published July 30, 2014
  31. ↑ (Mar 2005). Intrinsically unstructured proteins and their functions. Nature Reviews Molecular Cell Biology 6 (3): 197–208. PMID 15738986. DOI: 10.1038/nrm1589.
Overgenomen van "https://nl.wikipedia.org/w/index.php?title=Eiwitdynamiek&oldid=66206548"