Введение
Молекулярно-специфическая область координационного связывания в биологических системах.
В биохимии и молекулярной биологии, сайт связывания – это область на макромолекуле, такой как белок, которая специфически связывается с другой молекулой. Молекула, связывающаяся с макромолекулой, часто называется лигандом. Лигандами могут быть другие белки (что приводит к белок-белковому взаимодействию), ферментные субстраты, вторичные посредники, гормоны или аллостерические модуляторы. Событие связывания часто, но не всегда, сопровождается конформационным изменением, которое изменяет функцию белка. Связывание с сайтами связывания белков чаще всего обратимо (временное и нековалентное), но может быть также ковалентно обратимым или необратимым.
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
Связывание лиганда со связующим участком на белке часто вызывает изменение конформации белка и приводит к изменению клеточной функции. Следовательно, связующие участки на белках являются критически важными компонентами путей передачи сигналов. Типы лигандов включают нейротрансмиттеры, токсины, нейропептиды и стероидные гормоны. Связующие участки обуславливают функциональные изменения в различных контекстах, включая ферментативный катализ, передачу сигналов по молекулярным путям, гомеостатическую регуляцию и физиологическую функцию. Электрический заряд, стерическая форма и геометрия участка избирательно позволяют связываться высокоспецифичным лигандам, активируя определенный каскад клеточных взаимодействий, за которые отвечает данный белок.
Катализ
Ферменты осуществляют катализ, связываясь с переходными состояниями прочнее, чем с субстратами и продуктами. В месте каталитического связывания на субстрат могут действовать различные типы взаимодействий, включая электростатический катализ, кислотно-основной катализ, ковалентный катализ и катализ с участием ионов металлов. Например, трансфераза гексокиназа катализирует фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфата. Аминокислотные остатки в активном центре гексокиназы обеспечивают стабилизацию молекулы глюкозы в активном центре и способствуют возникновению альтернативного пути благоприятных взаимодействий, снижая энергию активации.
Ингибирование
Ингибирование белков связыванием с ингибиторами может нарушать регуляцию метаболических путей, гомеостатическую регуляцию и физиологические функции. Конкурентные ингибиторы конкурируют с субстратом за связывание со свободными ферментами в активном центре, тем самым препятствуя образованию фермент-субстратного комплекса при связывании. Например, отравление угарным газом вызвано конкурентным связыванием угарного газа вместо кислорода с гемоглобином. Неконкурентные ингибиторы, напротив, связываются одновременно с субстратом в активном центре. При связывании с фермент-субстратным комплексом (ES) образуется комплекс фермент-субстрат-ингибитор (ESI). Подобно конкурентным ингибиторам, скорость образования продукта также снижается.
Активный сайт
В активном центре субстрат связывается с ферментом, чтобы индуцировать химическую реакцию. Субстраты, переходные состояния и продукты могут связываться с активным центром, а также любые конкурентные ингибиторы. В контексте крови, примером конкурентного связывания является угарный газ, который конкурирует с кислородом за активный центр гема. Высокая аффинность угарного газа может вытеснить кислород при низкой концентрации кислорода. В этих обстоятельствах связывание угарного газа вызывает изменение конформации, которое препятствует связыванию гема с кислородом, приводя к отравлению угарным газом. Связывание лиганда с аллостерическим центром мультимерного фермента часто индуцирует положительную кооперативность, то есть связывание одного субстрата вызывает благоприятное изменение конформации и повышает вероятность связывания фермента со вторым субстратом. Лиганды регуляторного сайта могут быть гомотропными и гетеротропными, при которых один или несколько типов молекул соответственно влияют на активность фермента. Ферменты, которые подвергаются сильной регуляции, часто играют важную роль в метаболических путях. Например, фосфофруктокиназа (PFK), которая фосфорилирует фруктозу в гликолизе, в значительной степени регулируется АТФ. Её регуляция в гликолизе имеет решающее значение, поскольку это стадия, определяющая скорость и необратимость пути. PFK также контролирует количество глюкозы, направляемой на образование АТФ посредством катаболического пути. Следовательно, при достаточном уровне АТФ, PFK аллостерически ингибируется АТФ. Эта регуляция эффективно сохраняет запасы глюкозы, которые могут потребоваться для других путей. Цитрат, промежуточное соединение цикла лимонной кислоты, также действует как аллостерический регулятор PFK.
Одно- и многоцепочечные места связывания
Привязки могут быть охарактеризованы также по их структурным особенностям. Участки, образованные одной цепью (лиганды "монодесмические", μόνος: один, δεσμός: связывание), формируются одной белковой цепью, в то время как многоцепочечные участки (лиганды "полидесмические", πολοί: многие) часто встречаются в белковых комплексах и формируются лигандами, которые связывают более одной белковой цепи, как правило, в или вблизи белковых интерфейсов. Недавние исследования показывают, что структура привязки оказывает глубокое влияние на биологию белковых комплексов (эволюция функции, аллостерия).
Криптические места связывания
Криптические участки связывания – это участки связывания, которые временно формируются в апо-форме или индуцируются связыванием лиганда. Учет криптических участков связывания увеличивает долю потенциально "доступных для лекарственного воздействия" белков в человеческом протеоме с ~40% до ~78% белков, связанных с заболеваниями. Исследование этих участков связывания проводилось с использованием: метода опорных векторов, примененного к набору данных "CryptoSite", молекулярного динамического моделирования на длительных временных масштабах с использованием модели состояний Маркова и биофизических экспериментов, а также индекса криптического участка, основанного на относительной площади доступной поверхности.
Кривые сцепления
Кривые связывания описывают характер взаимодействия лиганда с белком. Кривые могут характеризоваться формой – сигмоидальной или гиперболической, что отражает наличие или отсутствие кооперативности в процессе связывания соответственно. Как правило, по оси X откладывается концентрация лиганда, а по оси Y – доля насыщенности белков лигандами по отношению ко всем доступным центрам связывания. Моделирование с использованием кривых связывания полезно при оценке сродства связывания кислорода с гемоглобином и миоглобином в крови. Гемоглобин, содержащий четыре гемогруппы, демонстрирует кооперативное связывание. Это означает, что присоединение кислорода к одной гемогруппе гемоглобина индуцирует благоприятное изменение конформации, которое увеличивает сродство к кислороду для последующих гемогрупп. В таких условиях кривая связывания гемоглобина имеет сигмоидальную форму из-за повышенного сродства к кислороду. Поскольку миоглобин содержит только одну гемогруппу, он демонстрирует некооперативное связывание, которое на кривой связывания имеет гиперболический вид.
Приложения
Биохимические различия между разными организмами и человеком полезны для разработки лекарственных препаратов. Например, пенициллин убивает бактерии, ингибируя бактериальный фермент DD-транспептидазу, разрушая развитие бактериальной клеточной стенки и вызывая гибель клеток. Таким образом, изучение участков связывания актуально для многих областей исследований, включая механизмы развития рака, разработку лекарственных форм и физиологическую регуляцию. Создание ингибитора для подавления функции белка – распространенный вид фармацевтической терапии. В онкологии лиганды, модифицированные для имитации естественного лиганда, используются для ингибирования роста опухолей. Например, метотрексат, химиотерапевтический препарат, действует как конкурентный ингибитор в активном центре дигидрофолатредуктазы. Это взаимодействие ингибирует синтез тетрагидрофолата, блокируя производство ДНК, РНК и белков. Конкурентные ингибиторы также широко доступны в коммерческой практике. Ботулинический токсин, известный как Ботокс, является нейротоксином, вызывающим вялый паралич мышц за счет связывания с нервами, зависимыми от ацетилхолина. Это взаимодействие подавляет сокращения мышц, создавая эффект разглаживания.
Прогноз
Разработан ряд вычислительных инструментов для предсказания расположения участков связывания на белках. Их можно условно разделить на инструменты, основанные на последовательности, и инструменты, основанные на структуре.