Россмановская складка: структура, функции и эволюционное происхождение.
Rossmann fold
Россман-складка: структура белков, связывающих нуклеотиды (FAD, NAD+, NADP+). Состоит из β-листов и α-спиралей. Важна для ферментов и узнавания кофакторов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Россманновская складка – это третичная структура, встречающаяся в белках, связывающих нуклеотиды, таких как ферментные кофакторы ФАД, НАД+ и НАДФ+. Эта складка состоит из чередующихся β-нитей и α-спиральных сегментов, где β-нити образуют водородные связи друг с другом, формируя протяженный β-лист, а α-спирали окружают обе стороны листа, создавая трехслойный «сэндвич». Классическая россманновская складка содержит шесть β-нитей, в то время как россманноподобные складки, иногда называемые россманноидными складками, содержат только пять нитей. Начальная β-α-β (bab) последовательность является наиболее консервативным сегментом россманновской складки. Мотив назван в честь Майкла Россмана, который впервые обнаружил этот структурный мотив в ферменте лактатдегидрогеназе в 1970 году и впоследствии отметил, что он часто встречается в белках, связывающих нуклеотиды. Белки с россманновской и россманноидной складками чрезвычайно распространены. Они составляют 20% белков с известными структурами в базе данных Protein Data Bank и встречаются более чем в 38% метаболических путей KEGG. В 1989 году Израиль Ханукоглу из Института науки Вейцмана обнаружил, что консенсусная последовательность для сайта связывания НАДФ+ в некоторых ферментах, использующих НАДФ+, отличается от мотива связывания НАД+. Это открытие было использовано для изменения специфичности ферментов к коферментам.
The Rossmann fold is a tertiary fold found in proteins that bind nucleotides, such as enzyme cofactors FAD, NAD+, and NADP+. This fold is composed of alternating beta strands and alpha helical segments where the beta strands are hydrogen bonded to each other forming an extended beta sheet and the alpha helices surround both faces of the sheet to produce a three layered sandwich. The classical Rossmann fold contains six beta strands whereas Rossmann like folds, sometimes referred to as Rossmannoid folds, contain only five strands. The initial beta alpha beta (bab) fold is the most conserved segment of the Rossmann fold. The motif is named after Michael Rossmann who first noticed this structural motif in the enzyme lactate dehydrogenase in 1970 and who later observed that this was a frequently occurring motif in nucleotide binding proteins. Rossmann and Rossmannoid fold proteins are extremely common. They make up 20% of proteins with known structures in the Protein Data Bank, and are found in more than 38% of KEGG metabolic pathways. In 1989, Israel Hanukoglu from the Weizmann Institute of Science discovered that the consensus sequence for NADP+ binding site in some enzymes that utilize NADP+ differs from the NAD+ binding motif. This discovery was used to re engineer coenzyme specificities of enzymes.
Структура
Россманновская складка состоит из шести параллельных бета-нитей, формирующих протяженный бета-лист. Первые три нити соединены α-спиралями, образуя структуру бета-альфа-бета-альфа-бета. Этот паттерн дублируется один раз, создавая инвертированное тандемное повторение, содержащее шесть нитей. В целом, нити расположены в порядке 321456 (1 = N-концевой, 6 = C-концевой). Пятинитевые россманновские складки расположены в порядке 32145. Общая третичная структура складки напоминает трехслойный сэндвич, где протяженный бета-лист является начинкой, а два слоя, похожие на ломтики хлеба, образованы соединяющими параллельными альфа-спиралями. Поскольку данный сегмент контактирует с ADP-фрагментом динуклеотидов, таких как FAD, NAD и NADP, его также называют "ADP-связывающей бета-бета-складкой".
The Rossmann fold is composed of six parallel beta strands that form an extended beta sheet. The first three strands are connected by α helices resulting in a beta alpha beta alpha beta structure. This pattern is duplicated once to produce an inverted tandem repeat containing six strands. Overall, the strands are arranged in the order of 321456 (1 = N terminal, 6 = C terminal). Five stranded Rossmann like folds are arranged in the order 32145. The overall tertiary structure of the fold resembles a three layered sandwich wherein the filling is composed of an extended beta sheet and the two slices of bread are formed by the connecting parallel alpha helices. Since this segment is in contact with the ADP portion of dinucleotides such as FAD, NAD and NADP it is also called as an "ADP binding beta beta fold.
Функция
Функция складки Россмана в ферментах заключается в связывании нуклеотидных кофакторов. Она также часто способствует связыванию субстрата. Метаболические ферменты обычно выполняют одну специфическую функцию, и в случае UDP-глюкоза-6-дегидрогеназы, основной функцией является катализ двухстадийного NAD-зависимого окисления UDP-глюкозы в UDP-глюкуроновую кислоту. N- и C-концевые домены UgdG имеют структурные особенности, общие с древними митохондриальными рибонуклеазами, называемыми MAR. MAR присутствуют у низших эукариотических микроорганизмов, обладают россманноидной складкой и принадлежат к суперсемейству изохоризмаз. Это наблюдение подтверждает, что структурные мотивы Россмана, встречающиеся в NAD-зависимых дегидрогеназах, могут выполнять двойную функцию, действуя как домен связывания нуклеотидных кофакторов и как рибонуклеаза.
The function of the Rossmann fold in enzymes is to bind nucleotide cofactors. It also often contributes to substrate binding. Metabolic enzymes normally have one specific function, and in the case of UDP glucose 6 dehydrogenase, the primary function is to catalyze the two step NAD(+) dependent oxidation of UDP glucose into UDP glucuronic acid. The N and C terminal domains of UgdG share structural features with ancient mitochondrial ribonucleases named MAR. MARs are present in lower eukaryotic microorganisms, have a Rossmannoid fold and belong to the isochorismatase superfamily. This observation reinforces that the Rossmann structural motifs found in NAD(+) dependent dehydrogenases can have a dual function working as a nucleotide cofactor binding domain and as a ribonuclease.
Россман и Россманноиды
Эволюционная взаимосвязь между Россмановыми складками и складками, подобными Россмановым, остаётся неясной. Эти складки обозначаются как россманоиды. Выдвинута гипотеза о том, что все эти складки, включая классическую Россманову складку, произошли от единой общей предковой складки, обладавшей способностью связывать нуклеотиды, а также неспецифической каталитической активностью. Эта предковая складка характеризуется 156 отдельными группами H с установленной гомологией, от которых можно выделить 123 группы X с вероятной гомологией. Эти группы были интегрированы в базу данных ECOD.
The evolutionary relationship between the Rossmann fold and Rossmann like folds is unclear. These folds are referred to as Rossmannoids. It has been hypothesized that all these folds, including a Rossmann fold originated from a single common ancestral fold, that had nucleotide binding capabilities, in addition to non specific catalytic activity. with 156 separate H groups of demonstrable homology, from which 123 X groups of probable homology can be found. The groups have been integrated into ECOD.
Обычная группа Россмана
Филогенетический анализ фермента адренадоксинредуктазы, связывающего NADP, показал, что от прокариот, через метазоев и до приматов, отличие последовательности мотивов от большинства сайтов связывания FAD и NAD строго сохраняется. Во многих статьях и учебниках Россмановский мотив определяется как строгая повторяющаяся серия структуры βαβ. Однако, всестороннее изучение Россмановских мотивов в многочисленных сайтах связывания NAD(P) и FAD показало, что строго сохраняется только первая структура βα. В некоторых ферментах между β-цепочками, формирующими β-лист, может быть множество петель и несколько спиралей (то есть не одна спираль). Эти ферменты имеют общее происхождение, что подтверждается сохранностью последовательности и структурных особенностей, согласно Ханукоглу. Результат, полученный Ханукоглу (2017), подтверждается Медведевым и соавторами (2020) в виде ECOD "группы H" под названием "Rossmann related". Даже внутри этой группы ECOD описывает широкий спектр активностей, не связанных с нуклеотидами.
Phylogenetic analysis of the NADP binding enzyme adrenodoxin reductase revealed that from prokaryotes, through metazoa and up to primates the sequence motif difference from that of most FAD and NAD binding sites is strictly conserved. In many articles and textbooks, a Rossmann fold is defined as a strict repeated series of βαβ structure. Yet, comprehensive examination of the Rossmann folds in many NAD(P) and FAD binding sites revealed that only the first βα structure is strictly conserved. In some enzymes, there may be many loops and several helices (i. e., not a single helix) between the beta strands that form the beta sheet. These enzymes have a common origin indicated by conserved sequence and structural features, according to Hanukoglu. The result by Hanukoglu (2017) is corroborated by Medvedev et al. (2020), in the form of an ECOD "H group" called "Rossmann related". Even within this group, ECOD describes a wide range of non nucleotide activities.