Proteinkomplex
Ett proteinkomplex eller multiproteinkomplex är en grupp av två eller flera associerade polypeptidkedjor . Proteinkomplex skiljer sig från multienzymkomplex , i vilka flera katalytiska domäner finns i en enda polypeptidkedja.
Proteinkomplex är en form av kvartär struktur. Proteiner i ett proteinkomplex är sammanlänkade genom icke-kovalenta protein-proteininteraktioner . Dessa komplex är en hörnsten i många (om inte de flesta) biologiska processer. Cellen ses vara sammansatt av modulära supramolekylära komplex, som var och en utför en oberoende, diskret biologisk funktion.
Genom närhet kan hastigheten och selektiviteten för bindningsinteraktioner mellan enzymatiska komplex och substrat förbättras avsevärt, vilket leder till högre cellulär effektivitet. Många av de tekniker som används för att komma in i celler och isolera proteiner är i sig störande för sådana stora komplex, vilket komplicerar uppgiften att bestämma komponenterna i ett komplex.
Exempel på proteinkomplex inkluderar proteasomen för molekylär nedbrytning och de flesta RNA-polymeraser . I stabila komplex begraver stora hydrofoba gränssnitt mellan proteiner typiskt ytareor större än 2500 kvadrat Ås .
Fungera
Proteinkomplexbildning kan aktivera eller hämma en eller flera av komplexmedlemmarna och på detta sätt kan proteinkomplexbildning likna fosforylering . Enskilda proteiner kan delta i en mängd olika proteinkomplex. Olika komplex utför olika funktioner, och samma komplex kan utföra flera funktioner beroende på olika faktorer. Faktorer inkluderar:
- Placering av cellfack
- Cellcykelstadiet
- Cellnäringsstatus [ citat behövs ]
Många proteinkomplex är välkända, särskilt i modellorganismen Saccharomyces cerevisiae (jäst). För denna relativt enkla organism är studiet av proteinkomplex nu genomomfattande och klargörandet av de flesta av dess proteinkomplex pågår. 2021 använde forskare för djupinlärning RoseTTAFold tillsammans med AlphaFold för att 712 eukaryota lösa strukturerna i komplex . De jämförde 6000 jästproteiner med de från 2026 andra svampar och 4325 andra eukaryoter.
Typer av proteinkomplex
Obligat vs icke-obligat proteinkomplex
Om ett protein kan bilda en stabil välvikt struktur på egen hand (utan något annat associerat protein) in vivo , så kallas de komplex som bildas av sådana proteiner "icke-obligata proteinkomplex". Vissa proteiner kan dock inte hittas för att enbart skapa en stabil välvikt struktur, utan kan hittas som en del av ett proteinkomplex som stabiliserar de ingående proteinerna. Sådana proteinkomplex kallas "obligatproteinkomplex".
Övergående vs permanent/stabilt proteinkomplex
Övergående proteinkomplex bildas och bryts ner övergående in vivo , medan permanenta komplex har en relativt lång halveringstid. Vanligtvis är de obligatoriska interaktionerna (protein–proteininteraktioner i ett obligatkomplex) permanenta, medan icke-obligata interaktioner har visat sig vara antingen permanenta eller övergående. Observera att det inte finns någon tydlig skillnad mellan obligat och icke-obligat interaktion, snarare finns det ett kontinuum mellan dem som beror på olika förhållanden t.ex. pH, proteinkoncentration etc. Det finns dock viktiga skillnader mellan egenskaperna hos transienta och permanenta/stabila interaktioner : stabila interaktioner är mycket konserverade men transienta interaktioner är mycket mindre konserverade, interagerande proteiner på de två sidorna av en stabil interaktion har mer benägenhet att samuttryckas än de av en transient interaktion (i själva verket sannolikhet för samuttryck mellan två transient interagerande proteiner är inte högre än två slumpmässiga proteiner), och övergående interaktioner är mycket mindre samlokaliserade än stabila interaktioner. Även om transienta interaktioner till sin natur är mycket viktiga för cellbiologin: den mänskliga interaktomen är berikad i sådana interaktioner, dessa interaktioner är de dominerande spelarna för genreglering och signaltransduktion, och proteiner med i sig störda regioner (IDR: regioner i protein som visar dynamiska interkonverterande strukturer i det ursprungliga tillståndet) har visat sig vara berikade i transienta regulatoriska och signalerande interaktioner.
Luddigt komplex
Fuzzy proteinkomplex har mer än en strukturell form eller dynamisk strukturell störning i det bundna tillståndet. Detta innebär att proteiner kanske inte viker sig helt i vare sig övergående eller permanenta komplex. Följaktligen kan specifika komplex ha tvetydiga interaktioner, som varierar beroende på miljösignalerna. Därför resulterar olika ensemble av strukturer i olika (även motsatta) biologiska funktioner. Post-translationella modifieringar, proteininteraktioner eller alternativ splitsning modulerar de konformationella ensemblerna av fuzzy komplex, för att finjustera affinitet eller specificitet för interaktioner. Dessa mekanismer används ofta för reglering inom det eukaryota transkriptionsmaskineriet .
Essentiella proteiner i proteinkomplex
Även om vissa tidiga studier antydde en stark korrelation mellan essentialitet och proteininteraktionsgrad (regeln om "centralitet-dödlighet") har efterföljande analyser visat att denna korrelation är svag för binära eller övergående interaktioner (t.ex. jäst två-hybrid ) . Korrelationen är dock robust för nätverk av stabila samkomplexa interaktioner. Faktum är att ett oproportionerligt antal essentiella gener tillhör proteinkomplex. Detta ledde till slutsatsen att essentialitet är en egenskap hos molekylära maskiner (dvs komplex) snarare än enskilda komponenter. Wang et al. (2009) noterade att större proteinkomplex är mer benägna att vara essentiella, vilket förklarar varför essentiella gener är mer benägna att ha hög samkomplex interaktionsgrad. Ryan et al. (2013) hänvisade till observationen att hela komplex framstår som väsentliga som " modulär essentialitet ". Dessa författare visade också att komplex tenderar att vara sammansatta av antingen essentiella eller icke-essentiella proteiner snarare än att visa en slumpmässig fördelning (se figur). Detta är dock inte ett fenomen av allt eller inget: endast cirka 26 % (105/401) av jästkomplex består av enbart väsentliga eller endast icke-essentiella subenheter.
Hos människor är det mer sannolikt att gener vars proteinprodukter tillhör samma komplex resulterar i samma sjukdomsfenotyp.
Homomultimera och heteromultimera proteiner
Subenheterna av ett multimert protein kan vara identiska som i ett homomultimert (homoligomert) protein eller olika som i ett heteromultimert protein. Många lösliga proteiner och membranproteiner bildar homomultimera komplex i en cell, majoriteten av proteinerna i proteindatabanken är homomultimera. Homooligomerer är ansvariga för mångfalden och specificiteten hos många vägar, kan mediera och reglera genuttryck, aktivitet hos enzymer, jonkanaler, receptorer och celladhesionsprocesser.
De spänningsstyrda kaliumkanalerna i plasmamembranet hos en neuron är heteromultimera proteiner som består av fyra av fyrtio kända alfasubenheter. Underenheter måste vara av samma underfamilj för att bilda den multimera proteinkanalen. Kanalens tertiära struktur tillåter joner att strömma genom det hydrofoba plasmamembranet. Connexons är ett exempel på ett homomultimeriskt protein som består av sex identiska connexiner . Ett kluster av konnexoner bildar gap-junction i två neuroner som överför signaler genom en elektrisk synaps .
Intragent komplement
När flera kopior av en polypeptid som kodas av en gen bildar ett komplex, kallas denna proteinstruktur en multimer. När en multimer bildas från polypeptider producerade av två olika mutanta alleler av en speciell gen, kan den blandade multimeren uppvisa större funktionell aktivitet än de oblandade multimererna som bildas av var och en av mutanterna ensam. I ett sådant fall kallas fenomenet för intragen komplementering (även kallad interallelisk komplementering). Intragen komplementering har påvisats i många olika gener i en mängd olika organismer inklusive svamparna Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae och Schizosaccharomyces pombe ; bakterien Salmonella typhimurium ; virusbakteriofagen T4 , ett RNA-virus och människor. I sådana studier isolerades ofta många mutationer som var defekta i samma gen och kartlades i linjär ordning på basis av rekombinationsfrekvenser för att bilda en genetisk karta över genen. Separat testades mutanterna i parvisa kombinationer för att mäta komplementering. En analys av resultaten från sådana studier ledde till slutsatsen att intragen komplementering i allmänhet uppstår från interaktionen mellan olika defekta polypeptidmonomerer för att bilda en multimer. Gener som kodar för multimerbildande polypeptider verkar vara vanliga. En tolkning av data är att polypeptidmonomerer ofta är inriktade i multimeren på ett sådant sätt att muterade polypeptider som är defekta på närliggande platser i den genetiska kartan tenderar att bilda en blandad multimer som fungerar dåligt, medan mutanta polypeptider som är defekta på avlägsna platser tenderar att bildas. en blandad multimer som fungerar mer effektivt. De intermolekylära krafterna som sannolikt är ansvariga för självigenkänning och multimerbildning diskuterades av Jehle.
Strukturbestämning
Den molekylära strukturen hos proteinkomplex kan bestämmas med experimentella tekniker som röntgenkristallografi, analys av singelpartiklar eller kärnmagnetisk resonans . Det teoretiska alternativet med protein-protein dockning blir alltmer också tillgängligt. En metod som vanligtvis används för att identifiera meomplexen [ förtydligande behövs ] är immunoutfällning . Nyligen utvecklade Raicu och medarbetare en metod för att bestämma den kvartära strukturen av proteinkomplex i levande celler. Denna metod är baserad på bestämning av pixelnivå Förster resonansenergiöverföring (FRET) effektivitet i samband med spektralt upplöst två-fotonmikroskop . Fördelningen av FRET-verkningsgrader simuleras mot olika modeller för att få fram geometrin och stökiometrin för komplexen.
hopsättning
Korrekt sammansättning av multiproteinkomplex är viktigt, eftersom felmontering kan leda till katastrofala konsekvenser. För att studera vägmontering tittar forskare på mellanliggande steg i vägen. En sådan teknik som gör att man kan göra det är elektrospraymasspektrometri, som kan identifiera olika mellanliggande tillstånd samtidigt. Detta har lett till upptäckten att de flesta komplex följer en ordnad monteringsväg. I de fall där oordnad sammansättning är möjlig leder förändringen från ett ordnat till ett oordnat tillstånd till en övergång från funktion till dysfunktion av komplexet, eftersom oordnad sammansättning leder till aggregering.
Strukturen av proteiner spelar en roll i hur multiproteinkomplexet sätts samman. Gränssnitten mellan proteiner kan användas för att förutsäga sammansättningsvägar. Den inneboende flexibiliteten hos proteiner spelar också en roll: mer flexibla proteiner möjliggör en större yta tillgänglig för interaktion.
Även om montering är en annan process än demontering, är de två reversibla i både homomera och heteromera komplex. Den övergripande processen kan alltså benämnas (de)montering.
Evolutionär betydelse av multiproteinkomplexsammansättning
I homomultimera komplex samlas de homomera proteinerna på ett sätt som efterliknar evolutionen. Det vill säga, en intermediär i monteringsprocessen finns närvarande i komplexets evolutionära historia. Det motsatta fenomenet observeras i heteromultimera komplex, där genfusion sker på ett sätt som bevarar den ursprungliga sammansättningsvägen.
Se även
externa länkar
- Multiprotein+komplex vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)