Управление возбужденными конформационными состояниями и флуктуационной структурной динамикой протеина и его регуляция посредством структурной динамики водородных связей воды и электромагнитных сигналов

Возбужденные конформационные состояния протеинов

Общепринятый механизм регуляции протеинов основывается на изменениях в его основном состоянии в ответ на сигнал. Но регуляцию протеинов можно проводить, управляя населенностями их возбужденных состояний. Более того, возбужденные состояния протеинов могут быть решающим фактором для протекания той или иной реакции с их участием.

Биологическая функция молекулы определяется изменениями свободной энергии, зависящими от статических (энтальпийная составляющая) и динамических (энтропийная составляющая) взаимодействий [Baldwin and Kay, 2012]. Помимо формы и химической комплементарное™ конформационные флуктуации, динамика играют важную роль в функционировании протеина. Со статистической точки зрения состояние протеина представляется ансамблем быстро меняющихся конформаций: высоко населенных основных состояний и транзиентно формируемых возбужденных конформационных состояний с очень низкими населенностями, до полупроцента от основного (с распределением Больцмана) [Gustavsson et al., 2012]. Переходы между этими состояниями осуществляются на масштабе микросекунд — миллисекунд, который соответствует важным биопроцессам, например энзиматическому катализу и связыванию лиганда [Hansen et al., 2009; Eisemesser et al., 2002]. Динамика биомолекул на этих временных масштабах связана с их функционированием.

Экспериментальные исследования (методом спектроскопии ЯМР) последнего времени показывают, что слабо населенные конформационные состояния (энергетически возбужденные состояния) важны для катализа, сигнализации, молекулярного распознавания.

Например, в возбужденном состоянии Vav протоонкогена автоингибирующий элемент диссоциирует от каталитической поверхности, и каталитическая активность линейно зависит от населенности возбужденного состояния [Tseng and Kalodimos, 2011].

В ряде случаев возбужденные состояния структурно похожи на определенные функциональные состояния, например последовательные состояния в каталитическом цикле [Там же; Boehr et al., 2006].

Взаимодействия протеинов можно объяснить тем, что связывающийся партнер взаимодействует с протеином как с таким ансамблем конфирмационных состояний. Партнер взаимодействует преимущественно со слабо населенным высокоэнергетичным состоянием, выбирая его из ансамбля. Это взаимодействие лишь сдвигает равновесие в сторону выбранной конформации, стабилизируя комплекс (модель «конформационного выбора») [Boer and Wright, 2008]. Например, в ансамбле конформаций кальмодулина содержатся конформации, похожие на конформацию кальмодулина, связанного с киназой [Там же]. Эта концепция дополняет традиционную, согласно которой первоначальное взаимодействие между протеином и его партнером порождает конформационные изменения в протеине.

Внутренние движения протеина не являются полностью рандомизированными и характеризуются тем, что флуктуации направляются динамикой к функционально значимым конформациям. Например, нефосфорилированная форма сигнального протеина NtrC флуктуирует к высшей по энергии конформации, похожей на фосфорилирован- ную форму. Здесь предсуществует равновесие между активной и неактивной конформациями, а фосфорилирование просто стабилизирует активную конформацию после переброса через энергетический барьер [Там же].

Таким образом, регуляцию протеинов можно проводить не только изменением в их основном состоянии в ответ на сигнал, но и управляя населенностями их возбужденных состояний. При этом возбужденные состояния протеинов могут быть ключевым фактором для протекания той или иной реакции с их участием. Примером [Master- son et al., 2011а, 2011b; Vendruscolo, 2011] этому служит сигнальная подсистема регуляции кардиомиоцитов, в которой протеинкиназа А фосфорилирует мембранный протеин фосфоламбан, последний в свою очередь ингибирует Са-АТФазу саркоплазматического ретикулума, регулирующую мышечное сокращение и релаксацию. Оказалось, что протеинкиназа А распознает и фосфорилирует именно возбужденное состояние фосфоламбана, причем сама при этом находясь в возбужденном состоянии. Каталитическая эффективность киназы линейно коррелирует с населенностью возбужденного состояния. В этом случае конформационая динамика протеина (фосфоламбана) является решающим фактором регуляции фосфорилирования и сигнализации. Далее, фосфоламбан наиболее активен по отношению к АТФ-азе также в возбужденном состоянии. Таким образом, в этой сигнальной системе все взаимодействия протеинов совершаются в возбужденных состояниях.

В [Gardinio et al., 2009] показано, что только возбужденная конформация NtrC протеина может быть фосфорилирована. Активация протеина и селективное связывание со слабонаселенной конформацией может быть общим механизмом для других киназ, а также для процесса связывания лиганда [Там же].

Аналогично, J-а-спираль, смежная к домену LOV2 в фототро- пинах (см. пп. 3.1.2.Б), может принимать различные конформацион- ные состояния и в возбужденном (развернутом) состоянии индуцирует активность фоторецептора и сигнализацию. Для активации фоторецептора фототропина 1 посредством а -спирали при LOV-домене требуется 3,8 ккал/моль [Tzeng and Kalodimos, 2011], что примерно соответствует энергии колебаний изгибной моды молекулы воды.

Также сигнальный фактор Vav существует в равновесии между неактивным основным состоянием и активным возбужденным, последнее стабилизируется фосфорилированием [Li et al., 2008; Korzhnev, 2013].

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >