Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Белдіктердегі құрылымдық мотивтер
Structural motif in proteins
Круткалы орам – белдіктердегі құрылымдық мотив, онда 2–7 альфа-спиральдер арқанның жіптері сияқты бір-біріне оралып байланысқан. (Димерлер мен тримерлер ең көп кездесетін түрлері.) Олар шамамен 5–10% белдіктерде кездеседі және түрлі функцияларды атқарады. Олар белдік-белдік өзара әрекеттесулердегі ең кең таралған мотивтердің бірі болып табылады. Белдіктерді зерттеуге көмектесу үшін белдік құрылымдарында круткалы орамдарды болжауға арналған бірнеше құралдар әзірленген. Көптеген круткалы орам түріндегі белдіктер маңызды биологиялық функцияларға қатысады, мысалы, гендік экспрессияны реттеу – мысалы, транскрипция факторлары. Көрінетін мысалдар – c Fos және c Jun онкобелдіктері, сондай-ақ бұлшықет белдігі тропомиозин.
A coiled coil is a structural motif in proteins in which 2–7 alpha helices are coiled together like the strands of a rope. (Dimers and trimers are the most common types.) They have been found in roughly 5 10% of proteins and have a variety of functions. They are one of the most widespread motifs found in protein protein interactions. To aid protein study, several tools have been developed to predict coiled coils in protein structures. Many coiled coil type proteins are involved in important biological functions, such as the regulation of gene expression — e. g., transcription factors. Notable examples are the oncoproteins c Fos and c Jun, as well as the muscle protein tropomyosin.
Ашылу
А-кератин үшін орамды орамдардың мүмкіндігі бастапқыда біршама даулы болды. Линус Полинг пен Фрэнсис Крик дербес түрде шамамен бір уақытта мұның мүмкін деген қорытындыға келді. 1952 жылдың жазында Полинг Крик жұмыс істеген Англиядағы зертханаға сапар шекті. Полинг пен Крик кездесіп, түрлі тақырыптарды талқылады; бір сәтте Крик Полингтен «орамды орамдарды» (осы терминді Крик ойлап тапқан) қарастырған-жоқпын деп сұрады, ал Полинг олай болғанын айтты. Америка Құрама Штаттарына оралғаннан кейін Полинг осы тақырып бойынша зерттеулерді қайта бастады. Ол орамды орамдардың бар екенін қорытындылады және қазан айында Nature журналына едәуір көлемдегі қолжазбасын жіберді. Полингтің ұлы Питер Полинг Крикпен бір зертханада жұмыс істеді және оған бұл есеп туралы хабарлады. Крик Полинг өзінің идеясын ұрлап алды деп сенді және Полингтің қолжазбасы келгеннен кейін бірнеше күн өткен соң Nature журналына қысқаша хабарлама жолдады. Біраз дау-дамай мен жиі хат алмасудан кейін Крик зертханасы бұл идея екі зерттеуші де дербес түрде тапқандығын және ешқандай зияткерлік ұрлық болмағандығын мәлімдеді. Өзінің хабарламасында (оның қысқалығына байланысты бұл алғаш жарияланды) Крик орамды орамдарды және олардың құрылымын анықтауға арналған математикалық әдістерді ұсынды. Қызығы, бұл 1951 жылы Линус Полинг пен оның әріптестері альфа-спираль құрылымын ұсынғаннан кейін көп ұзамай болды. Бұл зерттеулер кератиннің аминқышқылдық тізбегі туралы білім болмаған кезде жарияланды. Кератиннің алғашқы тізбегін 1982 жылы Ханукоглу мен Фукс анықтады. Тізбек және екіншілік құрылымды болжау талдауларының негізінде кератиннің орамды орам домендері анықталды.
The possibility of coiled coils for α keratin was initially somewhat controversial. Linus Pauling and Francis Crick independently came to the conclusion that this was possible at about the same time. In the summer of 1952, Pauling visited the laboratory in England where Crick worked. Pauling and Crick met and spoke about various topics; at one point, Crick asked whether Pauling had considered "coiled coils" (Crick came up with the term), to which Pauling said he had. Upon returning to the United States, Pauling resumed research on the topic. He concluded that coiled coils exist, and submitted a lengthy manuscript to the journal Nature in October. Pauling's son Peter Pauling worked at the same lab as Crick, and mentioned the report to him. Crick believed that Pauling had stolen his idea, and submitted a shorter note to Nature a few days after Pauling's manuscript arrived. Eventually, after some controversy and frequent correspondences, Crick's lab declared that the idea had been reached independently by both researchers, and that no intellectual theft had occurred. In his note (which was published first due to its shorter length), Crick proposed the Coiled Coil and as well as mathematical methods for determining their structure. Remarkably, this was soon after the structure of the alpha helix was suggested in 1951 by Linus Pauling and coworkers. These studies were published in the absence of knowledge of a keratin sequence. The first keratin sequences were determined by Hanukoglu and Fuchs in 1982. Based on sequence and secondary structure prediction analyses identified the coiled coil domains of keratins.
Молекулалық құрылысы
Оралатын ораулар әдетте гидрофобты (h) және зарядталған (c) аминқышқылдарының hxxhcxc үлгісімен қайталанатын құрылымын қамтиды, бұл гептада қайталануы деп аталады. Гептада қайталануындағы жағдайлар әдетте abcdefg деп белгіленеді, мұнда a және d гидрофобты жағдайлар болып табылады, көбінесе изолейцин, лейцин немесе валинмен толтырылады. Осы қайталанатын үлгідегі тізбекті альфа-спиральді екінші құрылымға бүктегенде гидрофобтық қалдықтар спиральдың сол жағынан айналатын "жолақ" түрінде ұсынылады, нәтижесінде амфипатиялық құрылым пайда болады. Екі мұндай спираль цитоплазманың сулы ортасында ең қолайлы түрде орналасу үшін гидрофобтық жіптерді гидрофильді аминқышқылдарының арасында бір-біріне орап, жабысады. Осылайша, гидрофобтық беттерді жабу олигомеризацияның термодинамикалық күшін қамтамасыз етеді. Оралатын орау интерфейсіндегі тығыздық өте жоғары, a және d қалдықтарының тізбектері арасында ван дер Ваальс байланысы толыққандай болады. Осы тығыздықты алғаш 1952 жылы Фрэнсис Крик болжаған.
Coiled coils usually contain a repeated pattern, hxxhcxc, of hydrophobic (h) and charged (c) amino acid residues, referred to as a heptad repeat. The positions in the heptad repeat are usually labeled abcdefg, where a and d are the hydrophobic positions, often being occupied by isoleucine, leucine, or valine. Folding a sequence with this repeating pattern into an alpha helical secondary structure causes the hydrophobic residues to be presented as a 'stripe' that coils gently around the helix in left handed fashion, forming an amphipathic structure. The most favorable way for two such helices to arrange themselves in the water filled environment of the cytoplasm is to wrap the hydrophobic strands against each other sandwiched between the hydrophilic amino acids. Thus, it is the burial of hydrophobic surfaces that provides the thermodynamic driving force for the oligomerization. The packing in a coiled coil interface is exceptionally tight, with almost complete van der Waals contact between the side chains of the a and d residues. This tight packing was originally predicted by Francis Crick in 1952
Биологиялық рөлдері
Шеңберлі домендер көптеген ақуыз отбасыларында кең таралғандықтан, олар ақуыздардың жасуша ішіндегі әртүрлі функцияларды орындауына көмектеседі. Олардың басты ерекшелігі – ақуыз-ақуыз өзара әрекеттесуін қамтамасыз ету және ақуыздардың немесе домендердің бір-бірімен байланысын сақтау. Бұл мүмкіндік мембраналық бірігу, молекулалық аралықтар, олигомеризация таңбалары, көпіршіктердің қозғалысы, қозғалыс ақуыздарына көмек, жасуша құрылымы және тағы да басқалар сияқты қосалқы функциялармен байланысты.
As coiled coil domains are common among a significant amount of proteins in a wide variety of protein families, they help proteins fulfill various functions in the cell. Their primary feature is to facilitate protein protein interaction and keep proteins or domains interlocked. This feature corresponds to several subfunctions, including membrane fusion, molecular spacing, oligomerization tags, vesicle movement, aid in movement proteins, cell structure, and more.
Мембраналық қорыту
Ағзаның жұқпалы ауруы кезінде бұрандалы домен рөл атқарады. CD4-оң жасушаларға вирустың енуі 120 гликопротеинінің (gp120) үш кіші бірлігі CD4 рецепторымен және корецептормен байланысқанда басталады. Гликопротеин gp120 ван дер Ваальс өзара әрекеттесуі арқылы gp41 тримерімен тығыз байланысты. Соңында, gp41 N-терминалдық қосылу пептиді тізбегі қабылдаушы жасушаға енгізіледі. Серіппелі механизм вирустық және жасушалық мембраналарды біріктіруге жеткілікті жақынға келтіріп, олардың бірігуіне жағдай жасайды. Бұл серіппелі механизмнің бастауы ақуыздың N-шыңындағы қосылу пептидінен кейін орналасқан екі қайталамалы гептадтық қайталауда (HR1 және HR2) жатыр. HR1, HR2 аймағына оралып, шаштық тіректердің (немесе алты спиральді шоғырдың) тримерін құрайтын параллель, тримерлік бұрандалы ораманы құрайды, соның арқасында мембраналар жақындасып, мембраналық бірігу жеңілдеді. Содан кейін вирус жасушаға еніп, көбейе бастайды. Жақында, gp41-дегі HR1 аймағына байланысатын Fuzeon (DP178, T 20) сияқты HR2-ден алынған ингибиторлар жасалды. Дегенмен, HR1-ден алынған пептидтердің вирусты тежеу тиімділігі төмен, себебі бұл пептидтер ерітіндіде жинақталуға бейім. Осы HR1-ден алынған пептидтердің GCN4 лейцин жабынмен химералары жасалды және олар Fuzeon-нан тиімдірек екені көрсетілді. SNAP 25, synaptobrevin және syntaxin 1 ақуыздарының альфа-спиральдары бір-бірімен өзара әрекеттесіп, бұрандалы SNARE кешенін құрайды. Домендердің бірігуі, көпіршіктердің бірігуіне қажетті энергияны қамтамасыз етеді.
A coiled coil domain plays a role in HIV infection. Viral entry into CD4 positive cells commences when three subunits of a glycoprotein 120 (gp120) bind to CD4 receptor and a coreceptor. Glycoprotein gp120 is closely associated with a trimer of gp41 via van der Waals interactions. Eventually, the gp41 N terminal fusion peptide sequence anchors into the host cell. A spring loaded mechanism is responsible for bringing the viral and cell membranes in close enough proximity that they will fuse. The origin of the spring loaded mechanism lies within the exposed gp41, which contains two consecutive heptad repeats (HR1 and HR2) following the fusion peptide at the N terminus of the protein. HR1 forms a parallel, trimeric coiled coil onto which HR2 region coils, forming the trimer of hairpins (or six helix bundle) structure, thereby facilitating membrane fusion through bringing the membranes close to each other. The virus then enters the cell and begins its replication. Recently, inhibitors derived from HR2 such as Fuzeon (DP178, T 20) that bind to the HR1 region on gp41 have been developed. However, peptides derived from HR1 have little viral inhibition efficacy due to the propensity for these peptides to aggregate in solution. Chimeras of these HR1 derived peptides with GCN4 leucine zippers have been developed and have shown to be more active than Fuzeon. The proteins SNAP 25, synaptobrevin, and syntaxin 1 have alpha helices which interact with each other to form a coiled coil SNARE complex. Zippering the domains together provides the necessary energy for vesicle fusion to occur.
Молекулалық аралықтарды бөлетін құрылғылар
Бұрандалы бұрандалы мотив клетка ішіндегі екі нысанның арасында аралық ретінде де қызмет ете алады. Бұл молекулалық аралықты қамтамасыз ететін бұрандалы бұрандалы домендердің ұзындығы жоғары сақталады. Бұл молекулалық аралықтардың мақсаты ақуыз домендерін бөліп, олардың өзара әрекеттесуіне жол бермеу, немесе көпіршіктерді жасуша ішінде бөліп, көпіршік тасымалын жеңілдету болуы мүмкін. Бұл бірінші мақсаттың мысалы – T. maritima-да кездесетін Omp-α. Басқа ақуыздар, мысалы p115, гиантин және GM130, бұрандалы бұрандалы мотивтер арқылы бір-бірімен өзара әрекеттеседі және Голги аппараты мен жақын орналасқан көпіршік арасында байланыс құрастырып, тіреу қызметін атқарады. Голги аппаратына көпіршіктерді байлап тұруға қатысты белгілі бір қызмет атқаратын ақуыздар тобы голгиндер деп аталады. Соңында, клетка бөліну кезінде хромосомаларды бөлек ұстайтын кинетохорға қатысқан бірнеше ақуыз бар. Бұл ақуыздарға Ndc 80 және Nuf2p жатады. Бұл ақуыздармен байланысты ақуыздар клетка бөліну кезінде микротубуламен өзара әрекеттеседі, олардың мутациясы клетканың өліміне алып келеді.
The coiled coil motif may also act as a spacer between two objects within a cell. The lengths of these molecular spacer coiled coil domains are highly conserved. The purpose of these molecular spacers may be to separate protein domains, thus keeping them from interacting, or to separate vesicles within the cell to mediate vesicle transport. An example of this first purpose is Omp‐α found in T. maritima. Other proteins keep vesicles apart, such as p115, giantin, and GM130 which interact with each other via coiled coil motifs and act as a tether between the Golgi and a nearby vesicle. The family of proteins related to this activity of tethering vesicles to the Golgi are known as golgins. Finally, there are several proteins with coiled coil domains involved in the kinetochore, which keeps chromosomes separated during cell division. These proteins include Ndc 80, and Nuf2p. Related proteins interact with microtubules during cell division, of which mutation leads to cell death.
Олигомеризациялық тегтер ретінде
Өздерінің ерекше өзара әрекеттесуінің арқасында, оралатын орамдар белгілі бір олигомеризациялық күйді тұрақтандыру немесе күшін арттыру үшін "маркерлер" ретінде қолданылуы мүмкін. BBSome-ның BBS2 және BBS7 кішібірліктерінің олигомеризациясын қозғау үшін оралатын орамдардың өзара әрекеттесуі байқалған. Оралатын орамдар көбінесе басқа оралатын орамдармен өзара әрекеттесетіндіктен, олар өздерінің көптеген көшірмелерімен димерлер немесе тетрамерлер құруға қажетті ақуыздарда кездеседі. Ақуыз олигомеризациясын қозғау қабілетіне байланысты, олар синтетикалық наноқұрылымдарды құруда да зерттелді.
Because of their specific interaction coiled coils can be used as "tags" to stabilize or enforce a specific oligomerization state. A coiled coil interaction has been observed to drive the oligomerization of the BBS2 and BBS7 subunits of the BBSome. Because coiled coils generally interact with other coiled coils, they are found in proteins which are required to form dimers or tetramers with more copies of themselves. Because of their ability in driving protein oligomerization, they have also been studied in their use in forming synthetic nanostructures.
Дизайн
Аминқышқылдарының тізбегі берілген кезде белоктың бүктеліп жасалған құрылымын анықтаудың жалпы мәселесі (белок бүктелуі проблемасы) тек ішінара шешілген. Дегенмен, орамды орам – бұл реттілік пен соңғы бүктеліскен құрылым арасындағы қатынастар салыстырмалы түрде жақсы түсінілетін, салыстырмалы түрде аз бүктелу мотивтерінің бірі. Харбери және авторлар тобы GCN4 архетиптік орамды орамасын пайдалана отырып, маңызды зерттеу жүргізді, онда пептидтік тізбектің олигомерлік күйге (яғни, соңғы құрастырудағы альфа-спиральдардың санына) әсер ететін ережелер анықталды. GCN4 орамды орамасы 31 аминқышқылынан (шамамен төрт гептадтан сәл артық) тұрады, параллель, димерлік (яғни, екі альфа-спиральдан тұрады) және a және d позицияларында қайталанған изолеуцин (немесе I, бір әріптік код) және леуцин (L) болады, осылайша димерлік орамды орам құрайды. Аминқышқылдарының a және d позицияларындағы I (a позициясында) және L (d позициясында) I (a позициясында) және I (d позициясында) -ға ауыстырылғанда тримерлік (үш альфа-спираль) орамды орам пайда болады. Бұдан әрі, L-дің орнын a-ға, ал I-дің орнын d-ға ауыстыру тетрамерлік (төрт альфа-спираль) орамды орамның пайда болуына әкелді. Бұл орамды орамның олигомерлік күйін анықтау ережелерінің жиынтығын білдіреді және ғалымдарға олигомерлену мінез-құлқын тиімді түрде "реттеуге" мүмкіндік береді. Орамды орамның құралуының тағы бір жақсы түсінілген аспектісі, кем дегенде димерлік орамдар үшін, полярлы қалдықтарды (әсіресе аспарагин, N) қарама-қарсы a позицияларына орналастыру орамның параллель құралуын күшейтеді. Бұл әсер осы қалдықтар арасындағы өзін-өзі толықтыратын сутекті байланысқа байланысты, себебі N қарсы спиральдегі L-мен жұптасқанда бұл байланыс толыққан жоқ болар еді. Жақында Пикок, Пикрамену және олардың әріптестері лантаноид(III) иондарын үлгі ретінде пайдаланып орамды орамдардың өздігінен құралатынын көрсетті, осылайша жаңа бейнелеу агенттерін жасады.
The general problem of deciding on the folded structure of a protein when given the amino acid sequence (the so called protein folding problem) has only been solved partially. However, the coiled coil is one of a relatively small number of folding motifs for which the relationships between the sequence and the final folded structure are comparatively well understood. Harbury et al. performed a landmark study using an archetypal coiled coil, GCN4, in which rules that govern the way that peptide sequence affects the oligomeric state (that is, the number of alpha helices in the final assembly) were established. The GCN4 coiled coil is a 31 amino acid (which equates to just over four heptads) parallel, dimeric (i. e., consisting of two alpha helices) coiled coil and has a repeated isoleucine (or I, in single letter code) and leucine (L) at the a and d positions, respectively, and forms a dimeric coiled coil. When the amino acids in the a and d positions were changed from I at a and L at d to I at a and I at d, a trimeric (three alpha helices) coiled coil was formed. Furthermore, switching the positions of L to a and I to d resulted in the formation of a tetrameric (four alpha helices) coiled coil. These represent a set of rules for the determination of coiled coil oligomeric states and allows scientists to effectively "dial in" the oligomerization behavior. Another aspect of coiled coil assembly that is relatively well understood, at least in the case of dimeric coiled coils, is that placing a polar residue (in particular asparagine, N) at opposing a positions forces parallel assembly of the coiled coil. This effect is due to a self complementary hydrogen bonding between these residues, which would go unsatisfied if an N were paired with, for instance, an L on the opposing helix. It was recently demonstrated by Peacock, Pikramenou and co workers that coiled coils may be self assembled using lanthanide(III) ions as a template, thus producing novel imaging agents.
Биомедициналық қолдану
[[Файл:Coiled coil protein origami.gif|thumb|Оралмалы құрылым мотивтерін пайдалана отырып жасалған белоктық наноқұрылымдардың кейбір мысалдары. Суреттегі жоғарғы үш сурет наноқұрылымды дәлірек бейнелейді, ал төмендегі суреттер олардың негізгі пішінін сипаттайды. Бұларды одан әрі наноқұрылымдар құру үшін құрылыс блоктары ретінде пайдалануға болады. Дәрі жеткізуге қатысты, оралмалы құрылым домендері химиялық терапиялық препараттардың кейбір қауіптерін азайтуға көмектеседі, оларды мақсатқа жеткізілген кезде сау тіндерге сіңіп кетуден сақтайды. Оралмалы құрылым домендерін белгілі бір белоктарға немесе жасуша бетіндегі маркерлерге байланыстыруға болады, бұл дәрі жеткізуде дәлдікті арттырады. Басқа функциялары – бұл организмде әдетте тез ыдырайтын дәрілерді сақтауға және тасымалдауға көмектесу, оралмалы құрылым мотивтерінің өзара байланысуы арқылы нанотүтіктер мен басқа да құрылымдар жасау. Оралмалы құрылым мотивтерінің олигомерленуі белок оригамиі мен белок құрылыс блоктарын жасауға мүмкіндік береді. Бұл зерттеу саласында оралмалы құрылымдардың мүмкін өзара әрекеттесуін басқару үшін металл лигандтарының өзара әрекеттесуі, ковалентті байланыстар және иондық өзара әрекеттесулер зерттелді. Оралмалы құрылым мотивтері бар пептидтерді қалыптастыру үшін пайдалану жасуша өсіруге арналған 3D құрылымдар жасауды жеңілдетті. Осы пептидтермен 3D гидрогельдер жасауға болады, содан кейін жасушалар матрицаға салынуы мүмкін. Бұл тіндерді зерттеуде, тіндерді жасауда және басқа да салаларда қолданылады.
[[File:Coiled coil protein origami. gif|thumb|Some examples of protein nanostructures made using coiled coil motifs. The top three pictures shown in the figure more accurately models the nanostructure, while the pictures underneath describe their basic shape. These may be used as building blocks to create further nanostructures. In regards to drug delivery, coiled coil domains would help overcome some of the hazards of chemotherapeutic drugs, by keeping them from leaking into healthy tissue as they are transported to their target. Coiled coil domains can be made to bind to specific proteins or cell surface markers, allowing for more precise targeting in drug delivery. Other functions would be to help store and transport drugs within the body that would otherwise degrade rapidly, by creating nanotubes and other structure svia the interlocking of coiled coil motifs. The oligomerization of coiled coil motifs allows for the creation of protein origami and protein building blocks. Metal ligand interactions, covalent bonds, and ionic interactions have been studied to manipulate possible coiled coil interactions in this field of study. Using peptides with coiled coil motifs for scaffolding has made it easier to create 3D structures for cell culturing. 3D hydrogels can be made with these peptides, and then cells may be loaded into the matrix. This has applications in the study of tissue, tissue engineering, and more.