Конформационное изменение

Конформационные изменения могут вызывать движение белкового комплекса. Кинезин, идущий по микротрубочке, представляет собой молекулярно- биологическую машину, использующую динамику белковых доменов в наномасштабах.

В биохимии конформационное изменение — это изменение формы макромолекулы, часто вызванное факторами окружающей среды.

Макромолекула обычно гибка и динамична. Его форма может меняться в ответ на изменения окружающей среды или других факторов; каждая возможная форма называется конформацией, а переход между ними называется конформационным изменением. Факторы, которые могут вызывать такие изменения, включают температуру, рН, напряжение, свет в хромофорах, концентрацию ионов, фосфорилирование или связывание лиганда. Переходы между этими состояниями происходят в различных масштабах длины (от десятых долей Å до нм) и во времени (от нс до с) и связаны с функционально значимыми явлениями, такими как аллостерическая передача сигналов[1] и ферментативный катализ[2].

Лабораторный анализ

Многие биофизические методы, такие как кристаллография, ЯМР, электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) с использованием методов спиновой метки, круговой дихроизм (CD), водородный обмен и FRET, могут использоваться для изучения конформационных изменений макромолекул. Интерферометрия с двойной поляризацией — это лабораторный метод, способный предоставить информацию о конформационных изменениях в биомолекулах[3].

Недавно для изучения конформационных изменений в белках был применен особый нелинейно-оптический метод, называемый генерацией второй гармоники (ГВГ)[4]. В этом методе зонд, активный второй гармоникой, помещают в участок, который подвергается движению в белке за счет мутагенеза или неспецифического присоединения, и белок адсорбируется или специфически иммобилизуется на поверхности. Изменение конформации белка приводит к изменению чистой ориентации красителя относительно плоскости поверхности и, следовательно, к изменению интенсивности пучка второй гармоники. В образце белка с четко определённой ориентацией можно количественно определить угол наклона зонда в реальном пространстве и в реальном времени. В качестве зондов можно также использовать неприродные аминокислоты, обладающие активностью второй гармоники. 

В другом методе применяются электропереключаемые биоповерхности, где белки помещаются поверх коротких молекул ДНК, которые затем протаскиваются через буферный раствор с применением переменного электрического потенциала. Измеряя их скорость, которая в конечном итоге зависит от их гидродинамического трения, можно визуализировать конформационные изменения. 

«Наноантенны», сделанные из ДНК — новый тип наноразмерных оптических антенн — могут быть прикреплены к белкам и генерировать сигнал посредством флуоресценции об их отчетливых конформационных изменениях[5][6].

Вычислительный анализ

Рентгеновская кристаллография может предоставить информацию об изменениях конформации на атомном уровне, но стоимость и сложность таких экспериментов делают вычислительные методы привлекательной альтернативой[7]. Анализ нормального режима с моделями эластичных сетей, такими как модель сети Гаусса, можно использовать для исследования траекторий молекулярной динамики, а также известных структур[8][9]. ProDy — популярный инструмент для такого анализа[10].

Примеры

Конформационные изменения важны для следующих процессов:

• Транспортеры ABC[11]
• катализ[12]
• клеточная локомоция и моторные белки[13]
• образование белковых комплексов[14]
• ионные каналы[15]
• механорецепторы и механотрансдукция[16]
• регулирующая деятельность[17]
• транспорт метаболитов через клеточные мембраны[18][19]

См. также

• База данных конформационного разнообразия белков
• Белковая динамика
• База данных макромолекулярных движений (molmovdb)

Ссылки

• Фрауэнфельдер, Х. Новый взгляд на движения белков. Nature 338, 623—624 (20 апреля 1989 г.) .
• Датчики с электропереключаемыми биоповерхностями

Примечания

1. Protein Structure and Diseases. — Vol. 83. — P. 163–221. — ISBN 9780123812629. — doi:10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7.
2. "Hidden alternative structures of proline isomerase essential for catalysis". Nature. 462 (7273): 669–73. December 2009. Bibcode:2009Natur.462..669F. doi:10.1038/nature08615. PMID 19956261.
3. "Real time, high resolution studies of protein adsorption and structure at the solid–liquid interface using dual polarization interferometry". Journal of Physics: Condensed Matter. 16 (26): S2493 – S2496. 19 июня 2004. Bibcode:2004JPCM...16S2493F. doi:10.1088/0953-8984/16/26/023. ISSN 0953-8984. Архивировано 31 августа 2021. Дата обращения: 16 сентября 2022.
4. "A second-harmonic-active unnatural amino acid as a structural probe of biomolecules on surfaces". The Journal of Physical Chemistry B. 112 (47): 15103–7. November 2008. doi:10.1021/jp803703m. PMID 18928314.
5. "Chemists use DNA to build the world's tiniest antenna". University of Montreal (англ.). Архивировано 20 сентября 2022. Дата обращения: 19 января 2022.
6. Harroun, Scott G. (January 2022). "Monitoring protein conformational changes using fluorescent nanoantennas". Nature Methods (англ.). 19 (1): 71–80. doi:10.1038/s41592-021-01355-5. ISSN 1548-7105. PMID 34969985.
7. "Chapter 3. High-throughput protein purification for x-ray crystallography and NMR". Advances in Protein Chemistry and Structural Biology. 75: 85–105. 1 января 2008. doi:10.1016/S0065-3233(07)75003-9. PMID 20731990. {{cite journal}}: Недопустимый |display-authors=6 (справка)
8. "Long-range correlation in protein dynamics: Confirmation by structural data and normal mode analysis". PLOS Computational Biology. 16 (2): e1007670. February 2020. Bibcode:2020PLSCB..16E7670T. doi:10.1371/journal.pcbi.1007670. PMID 32053592.
9. "A comparative study of motor-protein motions by using a simple elastic-network model". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 (23): 13253–8. November 2003. Bibcode:2003PNAS..10013253Z. doi:10.1073/pnas.2235686100. PMID 14585932.
10. "ProDy: protein dynamics inferred from theory and experiments". Bioinformatics. 27 (11): 1575–7. June 2011. doi:10.1093/bioinformatics/btr168. PMID 21471012.
11. ABC Transporters in Microorganisms. — Caister Academic, 2009. — ISBN 978-1-904455-49-3.
12. "At the dawn of the 21st century: Is dynamics the missing link for understanding enzyme catalysis?". Proteins. 78 (6): 1339–75. May 2010. doi:10.1002/prot.22654. PMID 20099310.
13. Mechanics of motor proteins and the cytoskeleton. — Sinauer Associates. — ISBN 9780878933334.
14. "Controllable Activation of Nanoscale Dynamics in a Disordered Protein Alters Binding Kinetics". Journal of Molecular Biology. 429 (7): 987–998. April 2017. doi:10.1016/j.jmb.2017.03.003. PMID 28285124.
15. Ion Channels of Excitable Membranes. — Sinauer Associates, Inc., 2001. — С. 5. — ISBN 978-0-87893-321-1.
16. "α-Catenin Structure and Nanoscale Dynamics in Solution and in Complex with F-Actin". Biophysical Journal. 115 (4): 642–654. August 2018. Bibcode:2018BpJ...115..642N. doi:10.1016/j.bpj.2018.07.005. PMID 30037495. {{cite journal}}: Недопустимый |display-authors=6 (справка)
17. Biochemistry. — John Wiley & Sons. — ISBN 9780470570951.
18. Kimball’s Biology pages Архивировано {{{2}}}., Cell Membranes
19. Bacteria in Biology, Biotechnology and Medicine. — Wiley, 1999. — ISBN 978-0-471-98880-9.