ديناميكيات البروتين

في علم الأحياء الجزيئي ، يُعتقد عمومًا أن البروتينات تتخذ بنى فريدة تحددها تسلسلات الأحماض الأمينية . مع ذلك، لا تُعد البروتينات أجسامًا ثابتة تمامًا، بل تتواجد في مجموعات من التكوينات (المتشابهة أحيانًا). تحدث التحولات بين هذه الحالات على نطاقات طولية متنوعة (من أعشار الأنجستروم إلى النانومتر) ونطاقات زمنية (من النانوثانية إلى الثانية)، وقد رُبطت بظواهر ذات أهمية وظيفية مثل الإشارات التآثرية ^{[ 1 ]} والتحفيز الإنزيمي ^{[ 2 ] [ 3 ]} .

تُعنى دراسة ديناميكيات البروتين بشكل مباشر بالانتقالات بين هذه الحالات، ولكنها قد تشمل أيضًا طبيعة وتوزيعات التوازن لهذه الحالات. ويمكن دمج هذين المنظورين - الحركية والديناميكا الحرارية على التوالي - في نموذج " مشهد الطاقة ": ^{[ 4 ]} حيث يمكن وصف الحالات ذات الكثافة العالية وحركية الانتقالات بينها بعمق آبار الطاقة وارتفاع حواجز الطاقة، على التوالي.

غالباً ما تنحرف أجزاء من بنية البروتين عن حالة التوازن. بعض هذه الانحرافات توافقية ، مثل التقلبات العشوائية للروابط الكيميائية وزوايا الروابط. والبعض الآخر غير توافقي ، مثل السلاسل الجانبية التي تقفز بين مستويات طاقة دنيا منفصلة، ​​أو المتصاوغات الدورانية . ^{[ 5 ]}

غالبًا ما تُستقى الأدلة على المرونة الموضعية من مطيافية الرنين النووي المغناطيسي . ويمكن الكشف عن المناطق المرنة، وربما غير المنتظمة، في البروتين باستخدام مؤشر اللفائف العشوائية . ويمكن تحديد المرونة في البروتينات المطوية من خلال تحليل استرخاء اللف المغزلي للذرات الفردية في البروتين. كما يمكن ملاحظة المرونة في خرائط كثافة الإلكترون عالية الدقة جدًا التي تُنتجها تقنية علم البلورات بالأشعة السينية ، ^{[ 6 ]} لا سيما عند جمع بيانات الحيود في درجة حرارة الغرفة بدلًا من درجة الحرارة المنخفضة التقليدية (عادةً ما تكون قريبة من 100 كلفن). ^{[ 7 ]} ويمكن الحصول على معلومات حول توزيع التردد وديناميكيات المرونة الموضعية للبروتين باستخدام مطيافية رامان ومطيافية تأثير كير البصرية ^{[ 8 ]} ، بالإضافة إلى مطيافية المجهر غير المتناحية ^{[ 9 ]} في نطاق ترددات التيراهيرتز. ويتضمن إعادة الترتيب الداخلي للأحماض الأمينية أثناء حركة البروتين تشوهات مرنة وبلاستيكية ناتجة عن قوى اللزوجة المرنة ، والتي يمكن دراستها باستخدام تقنيات علم الريولوجيا النانوية. ^{[ 10 ]}

تتقارب العديد من الأحماض الأمينية في بنية البروتينات. ينطبق هذا على معظم الأحماض الأمينية المتجاورة في التسلسل الأولي، وكذلك على العديد من الأحماض الأمينية المتباعدة في التسلسل والتي تتلامس في البنية المطوية النهائية. وبسبب هذا التقارب، تترابط طاقات هذه الأحماض الأمينية بناءً على ظواهر فيزيائية حيوية متنوعة، مثل الروابط الهيدروجينية والروابط الأيونية وتفاعلات فان دير فالس (انظر الشكل).

وبالتالي تصبح الانتقالات بين الحالات لمثل هذه المجموعات من البقايا مترابطة. ^{[ 11 ]}

ربما يكون هذا واضحًا بشكل خاص في الحلقات المكشوفة على السطح، والتي غالبًا ما تتحرك بشكل جماعي لتتخذ هيئات مختلفة في البنى البلورية المختلفة . ومع ذلك، يظهر عدم تجانس الهيئات المقترن أحيانًا في البنية الثانوية أيضًا. ^{[ 12 ]} على سبيل المثال، غالبًا ما تتفاعل البقايا المتتالية والبقايا المزاحة بمقدار 4 في التسلسل الأولي في حلزونات ألفا . كذلك، توجه البقايا المزاحة بمقدار 2 في التسلسل الأولي سلاسلها الجانبية نحو نفس وجه صفائح بيتا ، وهي قريبة بما يكفي للتفاعل فراغيًا، كما هو الحال مع البقايا على الخيوط المتجاورة من نفس صفيحة بيتا. بعض هذه التغيرات في الهيئات ناتجة عن تعديلات ما بعد الترجمة في بنية البروتين، مثل الفسفرة والمثيلة. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

عندما تُشكّل هذه البقايا المترابطة مسارات تربط أجزاءً وظيفيةً مهمةً من البروتين، فإنها قد تُشارك في الإشارات التغايرية . على سبيل المثال، عندما يرتبط جزيء أكسجين بوحدة فرعية واحدة من رباعي الهيموجلوبين ، تنتقل هذه المعلومة تغايريًا إلى الوحدات الفرعية الثلاث الأخرى، مما يُعزز انجذابها للأكسجين. في هذه الحالة، تسمح المرونة المترابطة في الهيموجلوبين بارتباط الأكسجين بشكل تعاوني، وهو أمر مفيد فسيولوجيًا لأنه يسمح بتحميل الأكسجين بسرعة في أنسجة الرئة وتفريغه بسرعة في الأنسجة التي تعاني من نقص الأكسجين (مثل العضلات).

يُضفي وجود نطاقات متعددة في البروتينات مرونةً وحركةً كبيرتين ، مما يؤدي إلى ديناميكيات نطاقات البروتين . ^{[ 1 ]} يمكن رصد حركات النطاقات مباشرةً باستخدام الأطياف ^{[ 14 ] [ 2 ]} المقاسة بواسطة مطيافية صدى دوران النيوترون . كما يمكن استنتاجها من خلال أخذ عينات في مسارات ديناميكيات جزيئية واسعة النطاق ^{[ 15 ]} وتحليل المكونات الرئيسية ^{[ 16 ]} أو استنتاجها من خلال مقارنة هياكل مختلفة للبروتين (كما هو الحال في قاعدة بيانات الحركات الجزيئية ).

تُعدّ حركات النطاق مهمة لـ:

• ناقلات ABC ^{[ 17 ]}
• الحركة الخلوية والبروتينات الحركية ^{[ 18 ]}
• التحفيز الإنزيمي ^{[ 2 ] [ 19 ]}
• تكوين معقدات البروتين ^{[ 20 ]}
• قنوات الأيونات ^{[ 21 ]}
• المستقبلات الميكانيكية والتحويل الميكانيكي ^{[ 22 ]}
• النشاط التنظيمي ^{[ 23 ]}
• نقل المستقلبات عبر أغشية الخلايا ^{[ 1 ]}

إحدى أكبر حركات النطاقات الملحوظة هي آلية "الدوران" في إنزيم بيروفات فوسفات ديكينيز . يدور نطاق الفوسفاتيديل إينوزيتول بين حالتين لنقل مجموعة فوسفات من الموقع النشط لنطاق ربط النيوكليوتيدات إلى نطاق الفوسفينول بيروفات/بيروفات. ^{[ 24 ]} تتحرك مجموعة الفوسفات مسافة 45 أنغستروم، متضمنةً حركة نطاق تبلغ حوالي 100 درجة حول بقايا حمض أميني واحد. في الإنزيمات، يؤدي انغلاق نطاق على آخر إلى تثبيت الركيزة عن طريق التوافق المستحث، مما يسمح بحدوث التفاعل بطريقة مُحكمة. أدى تحليل مفصل أجراه جيرستين إلى تصنيف نوعين أساسيين من حركة النطاقات: المفصلية والقص. ^{[ 21 ]} جزء صغير نسبيًا فقط من السلسلة، وتحديدًا الرابط بين النطاقات والسلاسل الجانبية، يخضع لتغيرات بنيوية كبيرة عند إعادة ترتيب النطاقات. ^{[ 25 ]}

حركة المفصلات

أظهرت دراسة أجراها هايوارد ^{[ 26 ]} أن نهايات الحلزونات ألفا والصفائح بيتا تُشكّل مفاصل في العديد من الحالات. وقد وُجد أن العديد من هذه المفاصل تتضمن عنصرين من البنية الثانوية يعملان كمفصلات باب، مما يسمح بحركة الفتح والإغلاق. ويحدث هذا عندما يتباعد خيطان متجاوران داخل صفيحة بيتا، يقعان في نطاق واحد، عند اتصالهما بالنطاق الآخر. ثم تُشكّل النهايتان الناتجتان مناطق الانحناء بين النطاقين. وقد وُجد أن الحلزونات ألفا التي تحافظ على شبكة روابطها الهيدروجينية عند انحنائها تتصرف كمفاصل ميكانيكية، حيث تخزن "طاقة مرنة" تدفع إلى إغلاق النطاقات من أجل التقاط سريع للركيزة. ^{[ 26 ]} وقد عمل خادي وآخرون على التنبؤ بهذه المفاصل ^{[ 27 ]} في أي شكل، وقاموا ببناء نموذج شبكة مرنة يُسمى hdANM ^{[ 28 ]} يمكنه محاكاة هذه الحركات.

تشير الأدلة إلى أن ديناميكيات البروتين مهمة لوظيفته، مثل التحفيز الإنزيمي في إنزيم ديهيدروفولات ريدوكتاز ( DHFR )، ومع ذلك، يُفترض أيضًا أنها تُسهّل اكتساب وظائف جديدة من خلال التطور الجزيئي . ^{[ 33 ]} تشير هذه الحجة إلى أن البروتينات قد تطورت لتمتلك هياكل مطوية مستقرة وفريدة في الغالب، ولكن المرونة المتبقية التي لا مفر منها تؤدي إلى درجة من التعدد الوظيفي، والتي يمكن تضخيمها/تسخيرها/تحويلها عن طريق الطفرات اللاحقة. كشفت الأبحاث التي أُجريت على البروتينات متعددة الوظائف ضمن عائلة BCL-2 أن ديناميكيات البروتين على نطاق النانوثانية يمكن أن تلعب دورًا حاسمًا في سلوك ارتباط البروتين، وبالتالي في التعدد الوظيفي. ^{[ 34 ]}

مع ذلك، يتزايد الوعي بأن البروتينات غير المنظمة جوهريًا منتشرة بكثرة في جينومات حقيقيات النوى، ^{[ 35 ]} مما يزيد من الشكوك حول أبسط تفسير لمبدأ أنفينسن : "التسلسل يحدد البنية (بصيغة المفرد)". في الواقع، يتميز النموذج الجديد بإضافة شرطين: "التسلسل والبيئة الخلوية يحددان التركيب البنيوي".