Введение
Трехмерное расположение атомов в молекуле цепи аминокислот. Структура белка – это трехмерное расположение атомов в молекуле цепи аминокислот. Белки – это полимеры, в частности полипептиды, образованные последовательностями аминокислот, которые являются мономерами полимера. Отдельный мономер аминокислоты также может называться остатком, указывающим на повторяющуюся единицу полимера. Белки образуются в результате конденсационных реакций между аминокислотами, в ходе которых каждая аминокислота теряет одну молекулу воды для образования пептидной связи с другой аминокислотой. Цепочка, содержащая менее 30 аминокислот, обычно классифицируется как пептид, а не как белок. Для выполнения своей биологической функции белки складываются в одну или несколько специфических пространственных конформаций, определяемых рядом нековалентных взаимодействий, таких как водородные связи, ионные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобное взаимодействие. Для понимания функций белков на молекулярном уровне часто необходимо определить их трехмерную структуру. Это предмет изучения структурной биологии, научной области, использующей такие методы, как рентгеновская кристаллография, ЯМР-спектроскопия, криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ) и интерферометрия двойной поляризации для определения структуры белков. Размеры белковых структур варьируются от десятков до нескольких тысяч аминокислот. По физическому размеру белки классифицируются как наночастицы, в диапазоне от 1 до 100 нм. Очень крупные белковые комплексы могут формироваться из белковых субъединиц. Например, в микрофиламент собираются тысячи молекул актина. Белок обычно претерпевает обратимые структурные изменения при выполнении своей биологической функции. Различные структуры одного и того же белка называются разными конформациями, а переходы между ними – конформационными изменениями.
Protein structure is the three dimensional arrangement of atoms in an amino acid chain molecule. Proteins are polymers specifically polypeptides formed from sequences of amino acids, which are the monomers of the polymer. A single amino acid monomer may also be called a residue, which indicates a repeating unit of a polymer. Proteins form by amino acids undergoing condensation reactions, in which the amino acids lose one water molecule per reaction in order to attach to one another with a peptide bond. By convention, a chain under 30 amino acids is often identified as a peptide, rather than a protein. To be able to perform their biological function, proteins fold into one or more specific spatial conformations driven by a number of non covalent interactions, such as hydrogen bonding, ionic interactions, Van der Waals forces, and hydrophobic packing. To understand the functions of proteins at a molecular level, it is often necessary to determine their three dimensional structure. This is the topic of the scientific field of structural biology, which employs techniques such as X ray crystallography, NMR spectroscopy, cryo electron microscopy (cryo EM) and dual polarisation interferometry, to determine the structure of proteins. Protein structures range in size from tens to several thousand amino acids. By physical size, proteins are classified as nanoparticles, between 1–100 nm. Very large protein complexes can be formed from protein subunits. For example, many thousands of actin molecules assemble into a microfilament. A protein usually undergoes reversible structural changes in performing its biological function. The alternative structures of the same protein are referred to as different conformations, and transitions between them are called conformational changes.
Уровни белковой структуры
Существует четыре различных уровня структуры белка.
Основная структура
Первичная структура белка относится к последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Первичная структура удерживается вместе пептидными связями, которые образуются в процессе биосинтеза белка. Два конца полипептидной цепи называются карбоксильным концом (С-концом) и аминоконцом (N-концом) в зависимости от природы свободной группы на каждом конце. Подсчет аминокислотных остатков всегда начинается с N-конца (группы NH2), который является концом, где аминогруппа не участвует в пептидной связи. Первичная структура белка определяется геном, кодирующим этот белок. Определенная последовательность нуклеотидов в ДНК транскрибируется в мРНК, которая считывается рибосомой в процессе, называемом трансляцией. Последовательность аминокислот в инсулине была установлена Фредериком Сэнгером, что показало, что белки имеют четко определенные аминокислотные последовательности. Последовательность белка уникальна для данного белка и определяет его структуру и функцию. Последовательность белка может быть определена методами, такими как деградация Эдмана или тандемная масс-спектрометрия. Однако часто ее можно прочитать непосредственно из последовательности гена, используя генетический код. При обсуждении белков строго рекомендуется использовать термин "аминокислотные остатки", поскольку при образовании пептидной связи происходит потеря молекулы воды, и, следовательно, белки состоят из аминокислотных остатков. Посттрансляционные модификации, такие как фосфорилирование и гликозилирование, также обычно рассматриваются как часть первичной структуры и не могут быть прочитаны из гена. Например, инсулин состоит из 51 аминокислоты в двух цепях. Одна цепь содержит 31 аминокислоту, а другая – 20.
Вторичная структура
Вторичная структура относится к высокорегулярным локальным субструктурам на полипептидной цепи. Два основных типа вторичной структуры – α-спираль и β-нить или β-листы – были предложены Линусом Полингом в 1951 году. Эти вторичные структуры определяются закономерностями водородных связей между пептидными группами основной цепи. Они обладают регулярной геометрией, поскольку ограничены определенными значениями двугранных углов ψ и φ на диаграмме Рамачандрана. И α-спираль, и β-лист представляют собой способ насыщения всех доноров и акцепторов водородных связей в пептидном скелете. Некоторые участки белка упорядочены, но не формируют регулярных структур. Их не следует путать со случайной катушкой – развернутой полипептидной цепью, лишенной фиксированной трехмерной структуры. Несколько последовательных вторичных структур могут образовывать "супервторичную единицу".
Третичная структура
Третичная структура относится к трехмерной структуре, созданной одной молекулой белка (одной полипептидной цепью). Она может включать один или несколько доменов. Альфа-спирали и бета-складчатые листы свернуты в компактную глобулярную структуру. Сворачивание обусловлено неспецифическими гидрофобными взаимодействиями и укрытием гидрофобных остатков от воды, но структура стабильна только тогда, когда части белкового домена фиксируются на месте специфическими третичными взаимодействиями, такими как ионные связи, водородные связи и плотная упаковка боковых цепей, а также дисульфидными связями. Дисульфидные связи крайне редки в цитозольных белках, поскольку цитозол (внутриклеточная жидкость) обычно представляет собой восстановительную среду.
Четвертичная структура
Квартерная структура — это трехмерная структура, состоящая из агрегации двух или более отдельных полипептидных цепей (субъединиц), функционирующих как единая функциональная единица (мультимер). Полученный мультимер стабилизируется теми же нековалентными взаимодействиями и дисульфидными связями, что и в третичной структуре. Существует множество возможных организаций четвертичной структуры. Комплексы, состоящие из двух или более полипептидов (то есть множества субъединиц), называются мультимерами. В частности, если он содержит две субъединицы, он называется димером, если три — тримером, если четыре — тетрамером, если пять — пентамером и так далее. Субъединицы часто связаны друг с другом операциями симметрии, например, осью второго порядка в димере. Мультимеры, состоящие из идентичных субъединиц, обозначаются приставкой "гомо-", а мультимеры, состоящие из различных субъединиц, — приставкой "гетеро-", например, гетеротетрамер, такой как две альфа- и две бета-цепи гемоглобина.
Домены, мотивы и складки в структуре белка
Белки часто описываются как состоящие из нескольких структурных элементов. Эти элементы включают домены, мотивы и укладки. Несмотря на то, что в эукариотических системах экспрессируется около 100 000 различных белков, количество различных доменов, структурных мотивов и укладок значительно меньше.
Структурная сфера
Структурный домен – это элемент общей структуры белка, который самостабилизируется и часто сворачивается независимо от остальной части белковой цепи. Многие домены не являются уникальными для белковых продуктов одного гена или одной группы генов, а встречаются в различных белках. Домены часто выделяют и называют, поскольку они играют важную роль в биологической функции белка, в состав которого входят; например, "кальцийсвязывающий домен кальмодулина". Благодаря своей независимой стабильности, домены могут быть "переставлены" с помощью генной инженерии между разными белками для создания химерных белков. Консервативное сочетание нескольких доменов, встречающихся в различных белках, таких как домен белковой тирозинфосфатазы и пара доменов C2, было названо "супердоменом", который может эволюционировать как единое целое.
Сверхсекундная структура
Третичные белковые структуры могут содержать несколько вторичных структурных элементов в одной полипептидной цепи. Сверхсекундная структура – это специфическая комбинация вторичных структурных элементов, например, β α β-единицы или мотив «спираль-поворот-спираль». Некоторые из них также могут называться структурными мотивами.
Белочная складка
Складка белка относится к общей архитектуре белка, такой как спиральный пучок, β-бочка, россмановская складка или различные "сгибы", представленные в базе данных структурной классификации белков. Связанным понятием является топология белка.
Динамика белков и конформационные ансамбли
Белки – это не статические объекты, а скорее существуют в виде ансамблей конформационных состояний. Переходы между этими состояниями обычно происходят в наномасштабах и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая сигнализация и ферментативный катализ. Динамика белков и конформационные изменения позволяют белкам функционировать как наномасштабные биологические машины внутри клеток, часто в форме мультибелковых комплексов. Примеры включают моторные белки, такие как миозин, ответственный за сокращение мышц, кинезин, который перемещает груз внутри клеток от ядра вдоль микротрубочек, и динеин, который перемещает груз внутри клеток к ядру и обеспечивает аксонемальное биение подвижных ресничек и жгутиков. "[I]n effect, [motile cilium] является наномашиной, состоящей, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют подвижным белковым доменам, соединенным ими, рекрутировать свои связывающие партнеры и индуцировать аллостерию на больших расстояниях посредством динамики белковых доменов." [[Файл:Схематический вид двух основных подходов к моделированию ансамбля.jpg|thumb|right|500px|Схематический вид двух основных подходов к моделированию ансамбля. Файлы белковых ансамблей представляют собой описание белка, который можно рассматривать как обладающий гибкой структурой. Создание этих файлов требует определения того, какие из различных теоретически возможных конформаций белка действительно существуют. Один из подходов заключается в применении вычислительных алгоритмов к белковым данным, чтобы попытаться определить наиболее вероятный набор конформаций для файла ансамбля. Существует несколько методов подготовки данных для базы данных белковых ансамблей, которые делятся на две общие методологии – методы пула и молекулярной динамики (МД) (изображено на рисунке). Метод, основанный на пуле, использует аминокислотную последовательность белка для создания огромного пула случайных конформаций. Этот пул затем подвергается дополнительной вычислительной обработке, которая создает набор теоретических параметров для каждой конформации на основе структуры. Из этого пула выбираются конформационные подмножества, средние теоретические параметры которых тесно соответствуют известным экспериментальным данным для этого белка. Альтернативный подход молекулярной динамики берет несколько случайных конформаций одновременно и подвергает их все экспериментальным данным. Здесь экспериментальные данные служат ограничениями, которые должны быть наложены на конформации (например, известные расстояния между атомами). Принимаются только те конформации, которые удается удержать в пределах, установленных экспериментальными данными. Этот подход часто применяет большие объемы экспериментальных данных к конформациям, что является очень сложной вычислительной задачей. p15 PAF, MKK7, Бета-синуклеин и P27.
Складка белка
По мере трансляции полипептиды покидают рибосому преимущественно в виде случайной катушки и сворачиваются в свою нативную структуру. Считается, что конечная структура белковой цепи в основном определяется её аминокислотной последовательностью (догма Анфинсена).
Стабильность белка
Термодинамическая стабильность белков представляет собой разницу свободной энергии между сложенным и развернутым состояниями белка. Эта разница свободной энергии очень чувствительна к температуре, поэтому изменение температуры может привести к разворачиванию или денатурации. Денатурация белка может привести к потере функции и утрате нативного состояния. Свободная энергия стабилизации растворимых глобулярных белков обычно не превышает 50 кДж/моль. Учитывая большое количество водородных связей, участвующих в стабилизации вторичных структур, и стабилизацию внутреннего ядра посредством гидрофобных взаимодействий, свободная энергия стабилизации оказывается небольшой разницей между большими величинами.
Базы данных о структуре белков
База данных о структуре белка – это база данных, построенная на основе экспериментально определенных структур белков. Основная цель большинства баз данных о структуре белка – организация и аннотирование этих структур, предоставляя научному сообществу доступ к экспериментальным данным в удобном формате. Данные, содержащиеся в базах данных о структуре белка, часто включают трехмерные координаты, а также экспериментальную информацию, такую как параметры элементарной ячейки и углы для структур, определенных методом рентгеновской кристаллографии. Хотя большинство записей, будь то сами белки или определения конкретных структур белка, также содержат информацию о последовательности аминокислот, а некоторые базы данных даже позволяют выполнять поиск по последовательности, основным атрибутом базы данных структуры является структурная информация, в то время как базы данных последовательностей фокусируются на информации о последовательности и не содержат структурных данных для большинства записей. Базы данных о структуре белка играют ключевую роль во многих областях вычислительной биологии, таких как разработка лекарств на основе структуры, как при создании самих вычислительных методов, так и при предоставлении обширного экспериментального набора данных, используемого некоторыми из них для получения информации о функции белка.
Структурная классификация белков
Структуры белков могут быть сгруппированы на основе их структурного сходства, топологического класса или общего эволюционного происхождения. Базы данных Structural Classification of Proteins (SCOP) и CATH предоставляют две различные структурные классификации белков. Если структурное сходство велико, то два белка, вероятно, разошлись от общего предка, и наличие общей структуры между белками рассматривается как свидетельство гомологии. Сходство структур может быть использовано для объединения белков в белковые суперсемейства. Однако, если общая структура значительна, но доля общего сходства невелика, то общий фрагмент может быть результатом более радикального эволюционного события, такого как горизонтальный перенос генов, и объединение белков, имеющих эти фрагменты, в белковые суперсемейства не представляется оправданным. Топология белка также может быть использована для его классификации. Теория узлов и топология цепей – это два топологических подхода, разработанных для классификации белковых доменов на основе пересечения цепей и внутрицепочечных контактов соответственно.
Вычислительное предсказание структуры белка
Создание аминокислотной последовательности белка намного проще, чем определение его структуры. Однако структура белка предоставляет гораздо больше информации о его функции, чем сама последовательность. Поэтому был разработан ряд методов для вычислительного предсказания структуры белка на основе его аминокислотной последовательности. Методы *ab initio* предсказания используют только последовательность белка. Методы на основе поиска гомологов и сворачивания (threading) могут построить трехмерную модель белка с неизвестной структурой, используя экспериментальные структуры эволюционно связанных белков, объединенных в белковое семейство.