Кіріспе
Биологиялық жүйелерде молекулалық-спецификалық координациялық байланыс аймағы. Биохимия және молекулалық биологияда байланыс орны – бұл әдетте ақуыз сияқты макромолекуланың, ерекшелікпен басқа молекуламен байланысатын аймағы. Макромолекуланың байланыс серігі лиганд деп аталады. Лигандтар басқа ақуыздарды (ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуіне алып келеді), фермент субстраттарын, екінші сигналдарды, гормондарды немесе аллостериялық модуляторларды қамтуы мүмкін. Байланыс процесі көбінесе, бірақ әрдайым емес, ақуыздың функциясын өзгертетін конформациялық өзгеріспен бірге жүреді. Ақуыз байланыс орындары көбінесе қайтымды (өткінші және ковалентті емес) болады, бірақ ковалентті қайтымды немесе қайтымсыз да болуы мүмкін.
In biochemistry and molecular biology, a binding site is a region on a macromolecule such as a protein that binds to another molecule with specificity. The binding partner of the macromolecule is often referred to as a ligand. Ligands may include other proteins (resulting in a protein–protein interaction), enzyme substrates, second messengers, hormones, or allosteric modulators. The binding event is often, but not always, accompanied by a conformational change that alters the protein's function. Binding to protein binding sites is most often reversible (transient and non covalent), but can also be covalent reversible or irreversible.
Функция
Лигандтың белоктағы байлау орнына байланысуы көбінесе белоктың конформациясын өзгертіп, жасушалық функцияның өзгеруіне алып келеді. Сондықтан белоктағы байлау орындары сигналдарды беру жолдарының маңызды бөлігі болып табылады. Лигандтардың түрлеріне нейротрансмиттерлер, токсиндер, нейропептидтер және стероид гормондары жатады. Байлау орындары ферменттік катализ, молекулалық жолдарды сигнализациялау, гомеостаздық реттеу және физиологиялық функция сияқты көптеген жағдайларда функционалдық өзгерістерге себеп болады. Электр заряды, кеңістіктік пішіні және орынның геометриясы белгілі бір лигандтардың таңдамалы түрде байланысуына мүмкіндік береді, соның нәтижесінде белок жауапты болатын жасушалық өзара әрекеттесулердің нақты каскады белсендіріледі.
Катализа
Ферменттер субстраттар мен өнімдерге қарағанда өтпелі күйлерге мықтырақ байланысу арқылы катализді жүзеге асырады. Каталитикалық байланыс орнында субстратқа әртүрлі өзара әсерлер тиюі мүмкін. Бұлар электрлік катализ, қышқылдық және сілтілік катализ, коваленттік катализ және металл иондарының катализі сияқты түрлерді қамтиды. Мысалы, трансфераза гексокиназа глюкозаның фосфорылуын катализдейді, нәтижесінде глюкоза-6-фосфат түзіледі. Гексокиназаның белсенді орнындағы қалдықтары глюкоза молекуласын белсенді орнында тұрақтандыруға және жағдайлы өзара әрекеттесулердің баламалы жолын бастауға мүмкіндік береді, соның салдарынан белсендіру энергиясы төмендейді.
Ингибициялау
Ингибитормен байланысу арқылы ақуызды тежеу жолдарды реттеу, гомеостаздық реттеу және физиологиялық функцияларда бұзушылықтарға әкелуі мүмкін. Конкуренттік ингибиторлар субстратпен еркін ферменттердің белсенді орындарына байланысу үшін бәсекелеседі, соның салдарынан фермент-субстрат кешенінің түзілуін қиындатады. Мысалы, көміртек моноксидімен улану – гемоглобиндегі оттегіге қарағанда көміртек моноксидінің бәсекелестік байланысынан туындайды. Конкурентті емес ингибиторлар, керісінше, белсенді орындарында субстратпен бірдей уақытта байланысады. Фермент-субстрат (ES) кешеніне байланысқанда, фермент-субстрат-ингибитор (ESI) кешені пайда болады. Конкуренттік ингибиторлар сияқты, өнімнің түзілу жылдамдығы да төмендейді.
Белсенді сайт
Белсенді орында субстрат ферментке байланысып, химиялық реакцияны тудырады. Субстраттар, аралық күйлер және өнімдер белсенді орынға, сондай-ақ кез келген бәсекелес тежегіштерге байланыса алады. Қан контекстінде бәсекелес байланысудың мысалы – гемодағы белсенді орын үшін оттегімен бәсекелесетін көміртек монооксиді. Көміртек монооксидінің жоғары туыстығы төмен оттегі концентрациясы болғанда оттегіні озуы мүмкін. Мұндай жағдайларда көміртек монооксидімен байланысу гемоның оттегімен байланысуын қиындататын конформациялық өзгеріске әкеледі, нәтижесінде көміртек монооксидімен улану пайда болады. Лигандтың мультимерлі ферменттің аллостериялық орнына байланысуы көбінесе оң кооперативтілікті тудырады, яғни бір субстраттың байланысуы қолайлы конформациялық өзгеріске әкеліп, ферменттің екінші субстратқа байланысу мүмкіндігін арттырады. Регуляторлық орын лигандтары гомотроптық және гетеротроптық лигандтарды қамтуы мүмкін, олардың әрқайсысы фермент белсенділігіне тиісінше әсер етеді. Жоғары реттелетін ферменттер метаболизмдік жолдарда маңызды рөл атқарады. Мысалы, гликолизде фруктозаны фосфорилейтін фосфофруктокиназа (PFK) көбінесе АТФ арқылы реттеледі. Оның гликолиздегі реттелуі өте маңызды, себебі ол жолдың міндетті және шектеуші қадамы болып табылады. PFK сонымен қатар катаболизмдік жол арқылы АТФ құруға жұмсалатын глюкоза мөлшерін де басқарады. Сондықтан, АТФ жеткілікті деңгейде болғанда, PFK АТФ-мен аллостериялық түрде тежеледі. Бұл реттеу басқа жолдар үшін қажет болуы мүмкін глюкоза қорын тиімді сақтайды. Лимон қышқылы циклының аралық өнімі болып табылатын цитрат та PFK-нің аллостериялық реттеушісі ретінде әрекет етеді.
Бір және бірнеше тізбекті байлау орындары
Байлау орындарын құрылымдық ерекшеліктері арқылы да сипаттауға болады. Бір тізбекті сайттар (монодесмикалық лигандтар, μόνος: жалғыз, δεσμός: байлау) бір ғана ақуыз тізбегімен қалыптасады, ал көп тізбекті сайттар (полидесмикалық лигандтар, πολοί: көп) ақуыздық кешендерде жиі кездеседі және бірнеше ақуыз тізбегіне, әдетте ақуыздық интерфейстерде немесе олардың жанында байланатын лигандтармен қалыптасады. Жақындағы зерттеулер байлау орнының құрылымы ақуыздық кешендердің биологиясына (функцияның эволюциясы, аллостерия) зор әсер ететінін көрсетіп тұр.
Криптикалық байлау орындары
Криптолық байланысу орындары – бұл апо-түрінде уақытша қалыптасатын немесе лиганд байланысу арқылы туындайтын байланысу орындары. Криптолық байланысу орындарын ескергенде, аурулармен байланысты белоктардың потенциалды "дәрілік заттарға сезімтал" адам протеомының үлесі ~40%-дан ~78%-ға дейін артады. Бұл байланысу орындары мыналар арқылы зерттелді: "CryptoSite" деректер жиынтығына қолданылған қолдау вектор машинасы, Марков күйі моделімен және биофизикалық тәжірибелермен ұзақ мерзімді молекулалық динамикалық модельдеу, сондай-ақ салыстырмалы қолжетімді беттік ауданына негізделген криптолық сайт индексі.
Тіркеу қисықтары
Байланыс қисықтары лигандтың белокқа байланысу әрекетін сипаттайды. Қисықтардың пішіні – сигмоидты немесе гиперболалық – белоктың кооперативтік немесе кооперативтік емес байланыс әрекетін көрсететінін анықтайды. Әдетте, x-осі лигандтың концентрациясын, ал y-осі барлық қолжетімді байланыс орындарына байланысқан лигандтардың үлесін көрсетеді. Байланыс қисықтарын модельдеу, қандағы гемоглобин мен миоглобинге оттегінің байланысу қабілетін бағалау үшін пайдалы. Төрт гема тобы бар гемоглобин кооперативтік байланыс көрсетеді. Яғни, гемоглобиндегі гема тобына оттегінің байланысуы, келесі гема топтары үшін оттегінің байланысуын жеңілдететін жағдайға түсіретін оңтайлы конформациялық өзгеріске әкеледі. Осыған байланысты гемоглобиннің байланыс қисығы оттегіге байланысу қабілетінің жоғары болуына байланысты сигмоидты болады. Миоглобинде тек бір гема тобы болғандықтан, ол кооперативтік емес байланыс көрсетеді, бұл байланыс қисығында гиперболалық түрде көрінеді.
Қолданбалар
Дәрі-дәрмектерді әзірлеуде әртүрлі организмдер мен адамдар арасындағы биохимиялық айырмашылықтар пайдалы. Мысалы, пенициллин бактериялық фермент – DD транспептидазаның қызметін тежеп, бактериялық жасуша қабырғасының қалыптасуын бұзады және жасуша өліміне әкеледі. Осылайша, байланыс орындарын зерттеу көптеген зерттеу салалары үшін маңызды, оның ішінде қатерлі ісік механизмдері, дәрілік препараттарды құрастыру және физиологиялық реттеу. Кез келген белоктың қызметін тоқтату үшін ингибитор жасау – фармацевтикалық терапияның жиі қолданылатын тәсілі. Қатерлі ісіктерді емдеуде, табиғи лигандқа ұқсас болу үшін түзетілген лигандтар ісік өсуін тежеуге қолданылады. Мысалы, метотрексат, химиотерапиялық препарат, дигидрофолат редуктаза ферментінің белсенді орнында бәсекелестік ингибитор ретінде әрекет етеді. Бұл өзара әрекеттесу тетрагидрофолаттың синтезін тежеп, ДНК, РНК және ақуыздардың өндірісін тоқтатады. Бәсекелестік ингибиторлар коммерциялық түрде де кеңінен қолданылады. Ботулиновый токсин, коммерциялық аталымы Ботокс, ацетилхолинге тәуелді жүйкелерге байланысу арқылы бұлшықеттерде салқын паралич тудыратын нейротоксин. Бұл өзара әрекеттесу бұлшықет жиырылуын тежеп, тегіс бұлшықеттердің көрінуін қамтамасыз етеді.
Болжам
Белгілі бір мөлшерде есептеу құралдары ақуыздағы байланысу орындарының орналасуын болжау үшін әзірленді. Оларды негізінен тізбекке немесе құрылымға негізделген деп жіктеуге болады.