Eiwitdynamiek heeft betrekking op de overgangen van conformaties van eiwitten. Over het algemeen wordt aangenomen dat eiwitten unieke structuren aannemen die worden bepaald door hun aminozuurvolgordes. Eiwitten zijn echter geen strikt statische objecten, maar zijn eerder groepen van (soms vergelijkbare) conformaties. Overgangen tussen deze toestanden vinden plaats op verschillende lengteschalen (tienden van Å (Ångstrom) tot nm (nanometer) en tijdschalen (ns (nanoseconde) tot s (seconde)) en zijn in verband gebracht met functioneel relevante verschijnselen zoals allosterische regulatie[1] en enzymatische katalyse.[2] Allosterische regulatie is de regulatie van een enzym of een ander proteïne door binding aan een effectormolecuul bij de allosterische zijde van het proteïne, hetgeen een andere zijde is dan de actieve zijde van het proteïne.
De studie van de eiwitdynamiek houdt zich het meest direct bezig met de overgangen tussen deze toestanden, maar het kan ook de aard en evenwichtspopulaties van de toestanden zelf betreffen. Deze twee perspectieven – respectievelijk kinetiek en thermodynamica – kunnen conceptueel worden gesynthetiseerd in een ‘energielandschap’-paradigma:[3] sterkgevulde overgangen en de kinetiek van de overgangen daartussen kunnen worden beschreven door respectievelijk de diepten van de energiebronnen en de hoogten van de energiebarrières.
Lokale flexibiliteit: atomen en resten (aminozuurmonomeren)
Delen van eiwitstructuren wijken vaak af van de evenwichtstoestand. Sommige van dergelijke afwijkingen zijn harmonisch, zoals stochastische fluctuaties van chemische bindingen en bindingshoeken. Anderen zijn niet harmonisch, zoals zijketens die tussen afzonderlijke discrete energieminima springen of conformatie-isomeren.[4]
Bewijs voor lokale flexibiliteit wordt vaak verkregen uit NMR-spectroscopie. Flexibele en potentieel ongeordende gebieden van een eiwit kunnen worden gedetecteerd met behulp van de willekeurige spoelindex. Flexibiliteit in gevouwen eiwitten kan worden geïdentificeerd door de kernspinrelaxatie van individuele atomen in het eiwit te analyseren. Flexibiliteit kan ook worden waargenomen in elektronendichtheidskaarten met zeer hoge resolutie die worden geproduceerd door röntgenkristallografie,[5] vooral wanneer diffractiegegevens worden verzameld bij kamertemperatuur in plaats van bij de traditionele cryogene temperatuur (meestal nabij 100 K).[6] Informatie over de frequentieverdeling en dynamiek van lokale eiwitflexibiliteit kan worden verkregen met behulp van Raman- en optische Kerr-effectspectroscopie[7], evenals anisotropische terahertz microspectroscopie[8] in het terahertz-frequentiedomein.
Regionale flexibiliteit: multi-restenkoppeling binnen eiwitdomeinen
Veel resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) bevinden zich in de ruimtelijke nabijheid in eiwitstructuren. Dit geldt voor de meeste resten die aaneengesloten zijn in de primaire sequentie, maar ook voor veel resten die distaal in de sequentie liggen maar toch met elkaar in contact worden gebracht in de uiteindelijke gevouwen structuur. Vanwege deze nabijheid raken de energielandschappen van deze resten gekoppeld op basis van verschillende biofysische verschijnselen zoals waterstofbruggen, ionische bindingen en van der Waals-interacties (zie figuur).
Overgangen tussen toestanden voor dergelijke sets resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) raken daarom gecorreleerd.[9]
Dit is misschien het meest voor de hand liggend voor aan het oppervlak blootgestelde lussen, die vaak collectief verschuiven om verschillende conformaties in verschillende kristalstructuren aan te nemen (zie figuur). Gekoppelde conformationele heterogeniteit is echter soms ook duidelijk in de secundaire structuur.[10] Opeenvolgende resten (rest=een enkel aminozuurmonomeer) en resten die met 4 zijn gecompenseerd in de primaire sequentie, werken bijvoorbeeld vaak samen in α-helixen. Ook wijzen resten die met 2 zijn verschoven in de primaire sequentie hun zijketens naar hetzelfde vlak van β-sheets en zijn ze dichtbij genoeg om sterisch te interageren (op elkaar inwerken), net als resten op aangrenzende strengen van dezelfde β-sheet. Sommige van deze conformationele veranderingen worden veroorzaakt door post-translationele modificaties in de eiwitstructuur, zoals fosforylering en methylering.[10][11]
Globale flexibiliteit: meerdere domeinen
De aanwezigheid van meerdere domeinen in eiwitten zorgt voor een grote mate van flexibiliteit en mobiliteit, wat leidt tot de dynamiek van eiwitdomeinen.[1] Domeinbewegingen kunnen worden gevonden door verschillende structuren van een eiwit te vergelijken (zoals in de Database of Macromolecular Motions) of ze kunnen direct worden waargenomen met behulp van spectra[12][13] gemeten met neutronenspin-echospectroscopie. Ze kunnen ook worden gevonden door bemonstering in uitgebreide moleculaire dynamica-trajecten[14] en hoofdcomponentenanalyse.[15]
Domeinbewegingen zijn belangrijk voor:
- ABC-transporten [16]
- katalyse[17]
- cellulaire voortbeweging en motoreiwitten[18]
- vorming van eiwitcomplexen[19]
- ionkanalen[20]
- mechanoreceptoren and mechanotransductie[21](mechanoreceptoren worden gestimuleerd door sensorische neuronen die mechanische druk omzetten in elektrische signalen: mechanotransductie is een mechanisme waarmee cellen mechanische prikkels omzetten in elektrochemische activiteit.)
- regulerende activiteit[22]
- transport van metabolieten door celmembranen
Een van de grootste waargenomen domeinbeweging is het 'draaimechanisme' in pyruvaatfosfaatdikinase. Het fosfoinositide-domein draait tussen twee toestanden om een fosfaatgroep van de actieve plaats van het nucleotide-bindende domein naar die van het fosfoenolpyruvaat/pyruvaat-domein te brengen. De fosfaatgroep wordt over een afstand van 45 Å verplaatst, waarbij een domeinbeweging van ongeveer 100 graden rond een enkele rest (aminozuurmonomeer) betrokken is. Bij enzymen kan de reactie op een gecontroleerde manier plaatsvinden doordat het ene domein het andere domein omsluit en zo een substraat invangt door een geïnduceerde passing. Een gedetailleerde analyse door Gerstein leidde tot de classificatie van twee basistypen domeinbeweging; scharnier en schuif.[20] Slechts een relatief klein deel van de keten, namelijk de interdomein linker (beweeglijke verbinding tussen de eiwitdomeinen) en zijketens, ondergaan significante conformationele veranderingen bij domeinherschikking.
Scharnierbewegingen
Uit een onderzoek van Hayward[25] is gebleken dat de uiteinden van α-helices en β-sheets in een groot aantal gevallen scharnieren vormen. Bij veel scharnieren bleken twee secundaire structuurelementen te bestaan die als scharnieren van een deur fungeerden, waardoor een openings- en sluitbeweging kon plaatsvinden. Dit kan gebeuren wanneer twee aangrenzende strengen binnen een β-sheet die zich in het ene domein bevinden, uiteengaan als ze met het andere domein samengaan. De twee resulterende uiteinden vormen dan de buiggebieden tussen de twee domeinen. α-helices die hun waterstofbindingsnetwerk behouden wanneer ze gebogen zijn, blijken zich te gedragen als mechanische scharnieren, waarbij 'elastische energie' wordt opgeslagen die de sluiting van domeinen aanstuurt voor het snel invangen van een substraat.[25] Khade et. al. werkte aan het voorspellen van de scharnieren[26] in elke conformatie en bouwde verder een elastisch netwerkmodel genaamd hdANM[27] dat deze bewegingen kan modelleren.
Van helixvormige tot gestrekte conformatie
De onderlinge conversie van helixvormige en gestrekte conformaties op de plaats van een domeingrens is niet ongewoon. In het zeer flexibele calmoduline veranderen de torsiehoeken voor vijf resten in het midden van een domein dat de α-helix verbindt. De helix is gesplitst in twee, bijna loodrechte, kleinere helices, gescheiden door vier resten van een gestrekte streng.[28][29]
Schuifbewegingen
Schuifbewegingen omvatten een kleine glijdende beweging van domeininterfaces bestuurt door de aminozuurzijketens binnen de interface. Eiwitten die schuifbewegingen vertonen hebben vaak een gelaagde bouw: stapeling van secundaire structuren. De interdomein-linker heeft slechts de rol om de domeinen dicht bij elkaar te houden.[30]
Domeinbeweging en functionele dynamiek in enzymen
De analyse van de interne dynamiek van structureel verschillende, maar functioneel vergelijkbare enzymen heeft een gemeenschappelijke relatie tussen de positionering van de actieve plaats en de twee belangrijkste eiwitsubdomeinen benadrukt. Voor verschillende leden van de hydrolase-superfamilie bevindt de katalytische plaats zich feitelijk dicht bij het grensvlak dat de twee belangrijkste quasi-stijve domeinen scheidt.[14] Een dergelijke positionering lijkt behulpzaam voor het behouden van de precieze geometrie van de actieve plaats, terwijl een aanzienlijke functioneel georiënteerde modulatie van de flankerende gebieden mogelijk wordt gemaakt als gevolg van de relatieve beweging van de twee subdomeinen.
Implicaties voor macromoleculaire evolutie
Er zijn aanwijzingen dat de eiwitdynamiek belangrijk is voor het functioneren, bijvoorbeeld enzymkatalyse in DHFR, maar er wordt ook beweerd dat ze de verwerving van nieuwe functies door moleculaire evolutie vergemakkelijken. Dit argument suggereert dat eiwitten zijn geëvolueerd om stabiele, meestal unieke gevouwen structuren te hebben, maar de onvermijdelijke resterende flexibiliteit leidt tot een zekere mate van functionele promiscuïteit, die kan worden versterkt/benut/omgeleid door daaropvolgende mutaties.
Er is echter een groeiend besef dat intrinsiek ongestructureerd eiwitten vrij veel voorkomen in eukaryotische genomen,[31] waardoor er nog meer twijfel ontstaat over de eenvoudigste interpretatie van Anfinsens dogma: "sequentie bepaalt structuur (enkelvoud)". In feite wordt het nieuwe paradigma gekenmerkt door de toevoeging van twee kanttekeningen: "sequentie en cellulaire omgeving bepalen het structurele geheel".
Referenties
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
