معلومة

التنظيم الخيفي: لماذا يتضمن جزيئات إضافية

التنظيم الخيفي: لماذا يتضمن جزيئات إضافية



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

لماذا يتم استخدام جزيئات مثل allolactose (لقمع lac) أو 2،3-BPG (للهيموجلوبين) للتنظيم الخيفي بدلاً من الجزيئات الفعلية المشاركة في المسارات الكيميائية الحيوية ، مثل اللاكتوز و 1،3-BPG؟ يتطلب تشكيل مثل هذه الهيئات التنظيمية "الإضافية" طاقة - ما هي ميزة مثل هذه المنظمة؟


إنه سؤال مثير للاهتمام ، وهناك الكثير من التفسيرات المحتملة.

يمكنني على الأقل أن أفترض قليلاً بالنسبة لحالة 2،3-BPG و 1،3-BPG. أعتقد أن النقطة الأساسية هي أنه ليس من الواضح بالنسبة لي لماذا سيكون استشعار تركيز 1.3-BPG مفيدًا. يجب الحفاظ على هذا التركيز في نطاق ضيق جدًا حتى يعمل التحلل السكري (لاحظ أن الجزء السفلي بأكمله من التحلل السكري قريب جدًا من التوازن الديناميكي الحراري). السبب في اعتقادي أن 2،3-DPG هو جزيء تنظيمي مفيد هو على وجه التحديد لأنه يمكن تنظيم مستوياته بشكل مستقل عن وظيفة تحلل السكر. يمكن التحكم في نشاط الإنزيمات في تحويلة 1،3-BPG -> 2،3-BPG -> 3PG بشكل مستقل عن التحكم في تحلل السكر الطبيعي ويمكن تنظيمه بأي معلمة فسيولوجية تريد تمثيل تركيز 2،3-DPG .

شيء آخر يجب ملاحظته هو أن تركيزات خلايا الدم الحمراء النموذجية من 2،3-BPG هي في الواقع أعلى بكثير من 1.3-BPG. تعتبر التركيزات المنخفضة جدًا لـ 1،3-BPG نتيجة ضرورية للديناميكا الحرارية لتحلل السكر كما هو مذكور أعلاه - إذا كانت تركيزات 1.3-BPG عالية جدًا ، فإن تفاعل GAPDH سيصبح غير موات. وبالتالي قد يكون التركيز النموذجي لـ 1،3-BPG منخفضًا جدًا ليكون منظمًا فعالًا لأي شيء (لأنه سيتعين عليه الارتباط بشدة). لكنني أعتقد أن هذه نقطة أقل أهمية من طرح سؤال "ما الذي يمثله تركيز المنظم الخاص بي".

قد تكون هناك أسباب بيوكيميائية في العمل في حالات أخرى - على سبيل المثال ، قد ترتبط بعض الجزيئات بشكل أفضل بالبروتين الذي تريد تنظيمه ، ولهذا السبب يتم اختيارها عن طريق التطور. أعتقد أن هذه حالة يصعب فيها التوصل إلى تفسير شامل - من الأفضل النظر في كل حالة ، والنظر في ماهية الإشارة التي تحاول بيولوجيا قياسها ، والنظر في القيود ذات الصلة.

لا أعرف الإجابة عن 1،6-FBP و 2،6-FBP ، ولاحظ أنه في الأنواع الأخرى ، يبدو أن 1،6-FBP هو الجزيء التنظيمي الرئيسي. يمكنك أن تجادل بأنه من خلال جعل 2.6-FBP هو المنظم ، فهناك المزيد من الإنزيمات التي يمكنك التحكم في نشاطها ، وبالتالي يكون لديك تنظيمًا أكثر دقة..


تفارغية

الملخص

يشير التنظيم الخيفي إلى عملية تعديل نشاط البروتين عن طريق ربط ليجند ، يسمى المستجيب ، بموقع متميز طوبوغرافيًا عن موقع البروتين ، يسمى الموقع النشط ، حيث يتم نقل النشاط الذي يميز البروتين خارج ، سواء كانت محفزة (في حالة الإنزيمات) أو ملزمة (في حالة المستقبلات) في الطبيعة. تمت صياغة كلمة allosteric ، اليونانية لموقع آخر ، للتأكيد على هذا التميز. يتم تعديل نشاط البروتين عن طريق التغيير العكسي لتشكيل البروتين الذي يصاحب ارتباط المستجيب. تسمى المستجيبات التي تزيد النشاط بالمنشطات ، بينما تسمى تلك التي تقلل النشاط بالمثبطات. لأغراض هذه المقالة ، سنستخدم مصطلح الركيزة للإشارة إلى ارتباط مرتبط بالموقع النشط إما لأنزيم أو مستقبل يخضع للنشاط المميز للبروتين.


خيارات الوصول

احصل على حق الوصول الكامل إلى دفتر اليومية لمدة عام واحد

جميع الأسعار أسعار صافي.
سيتم إضافة ضريبة القيمة المضافة في وقت لاحق عند الخروج.
سيتم الانتهاء من حساب الضريبة أثناء الخروج.

احصل على وصول محدود أو كامل للمقالات على ReadCube.

جميع الأسعار أسعار صافي.


ماذا يعني الخيفي في علم الأحياء؟

في الكيمياء الحيوية ، خيفي تنظيم (أو خيفي التحكم) هو تنظيم الإنزيم عن طريق ربط جزيء المستجيب في موقع آخر غير الموقع النشط للإنزيم. خيفي تسمح المواقع للمؤثرات بالارتباط بالبروتين ، مما يؤدي غالبًا إلى تغيير توافقي يتضمن ديناميكيات البروتين.

ما هو مثال على التنظيم الخيفي؟ خيفي ترتبط المؤثرات بإنزيم في تنظيمي، أو خيفي، مواقع مختلفة عن الموقع النشط. خيفي يمكن للمستجيبات تنشيط أو تثبيط النشاط. إيزوسترات ديهيدروجينيز لدورة حمض الكربوكسيل كريبس هو مثال من خيفي إنزيم.

يجب معرفة ما هو المقصود بالإنزيم الخيفي؟

تعريف من إنزيم خيفي ان إنزيم خيفي هو إنزيم التي تحتوي على منطقة يمكن أن ترتبط بها الجزيئات التنظيمية الصغيرة ("المؤثرات") بالإضافة إلى موقع ارتباط الركيزة ومنفصلة عنها وبالتالي تؤثر على النشاط التحفيزي.

ما هي الركيزة في علم الأحياء؟

في الكيمياء الحيوية ، المادة المتفاعلة هو جزيء يعمل عليه الإنزيم. تحفز الإنزيمات التفاعلات الكيميائية التي تنطوي على المادة المتفاعلة(س). في حالة واحدة المادة المتفاعلة، ال المادة المتفاعلة روابط مع الموقع النشط للإنزيم ، وإنزيم-المادة المتفاعلة يتكون المجمع.


الحفز الأول - طاقة التنشيط

كيف يتم تنظيم التنفس الخلوي؟ لهذه المسألة ، كيف يتم تنظيم أي عملية كيميائية حيوية؟ هل يجب أن تنتظر الخلايا ردود الفعل بشكل عفوي؟ تذكر ، التفاعلات الكيميائية التي تطلق طاقة حرة تسمى التفاعلات الخارجية. تطلق التفاعلات الطاردة للطاقة ، في حين تتطلب التفاعلات العصبية (امتصاص) الطاقة.

تعتمد كل خلية عاملة على آلاف التفاعلات المفرطة التي تحدث تلقائيًا. لا تخلط بين العفوية واللحظية. في الواقع ، يستغرق حدوث العديد من ردود الفعل العفوية وقتًا طويلاً. هذا لأن بعض طاقة التنشيط مطلوبة لبدء التفاعل. يوضح هذا الشكل مسار تفاعل مفرط الطاقة. الأهم من ذلك ، لاحظ أن الطاقة الحرة للتفاعل ترتفع قبل أن تنخفض عند اكتمال التفاعل.


الشكل 2. تتطلب التفاعلات العفوية مدخلاً للطاقة. (اضغط للتكبير)

حتى التفاعلات الباهظة تتطلب بعض مدخلات الطاقة ، والتي يشار إليها باسم طاقة التفعيل. هذه الطاقة مطلوبة لكسر الروابط في جزيئات المادة المتفاعلة ، ثم يتم إطلاق المزيد من الطاقة (في تفاعل طارد للطاقة) عندما تتشكل الروابط في جزيئات المنتج. تحتوي بعض التفاعلات على حواجز طاقة التنشيط منخفضة بدرجة كافية للسماح لها بالحدوث في درجة حرارة الغرفة ، لكن معظم التفاعلات تتطلب إدخال المزيد من الطاقة قبل حدوثها. هذا ليس مفهوما مجردا. إن أكسدة الخشب بالأكسجين (أثناء الاحتراق) هي تفاعل طارد للطاقة ، وتحدث بشكل عفوي. لحسن الحظ بالنسبة لأولئك منا الذين يعيشون في منازل خشبية ، يلزم وجود طاقة تنشيط عالية لحدوث هذا التفاعل.

يجب أن تتغلب الخلايا على العديد من حواجز طاقة التنشيط من أجل تنفيذ عمليات التمثيل الغذائي. لا يتم ذلك عن طريق تطبيق طاقة إضافية على ردود الفعل لتسريعها ، ولكن عن طريق استخدام البروتين المحفزات مسمى الانزيمات لتسهيل ردود الفعل. لا تضيف الإنزيمات الطاقة بدلاً من ذلك ، فهي تسرع التفاعلات عن طريق خفض طاقة التنشيط اللازمة بحيث يمكن أن تحدث التفاعلات في درجات حرارة التمثيل الغذائي العادية. يوضح هذا الشكل العلاقة النشطة بين التفاعل المحفز إنزيميًا والتفاعل غير المحفز.


معلومات الكاتب

الانتماءات

قسم الكيمياء الحيوية ، كلية ألبرت أينشتاين للطب ، برونكس ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية

توماس بي غارنر ، دينيس إي. رينا وأمبير إيفريبيدس جافاثيوتيس

قسم الطب ، كلية ألبرت أينشتاين للطب ، برونكس ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية

توماس ب.جارنر ، دولغون أمغالان ، دينيس إي رينا ، ريتشارد إن.

معهد ويلف لأبحاث أمراض القلب والأوعية الدموية ، كلية ألبرت أينشتاين للطب ، برونكس ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية

توماس ب.جارنر ، دولغون أمغالان ، دينيس إي رينا ، ريتشارد إن.

مركز ألبرت أينشتاين للسرطان ، كلية ألبرت أينشتاين للطب ، برونكس ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية

توماس ب.جارنر ، دولغون أمغالان ، دينيس إي رينا ، ريتشارد إن.

قسم بيولوجيا الخلية ، كلية ألبرت أينشتاين للطب ، برونكس ، نيويورك ، الولايات المتحدة الأمريكية

Dulguun Amgalan & amp Richard N. Kitsis

قسم الطب ، جامعة كاليفورنيا ، سان دييغو ، لا جولا ، كاليفورنيا ، الولايات المتحدة الأمريكية


تشمل أمثلة أبحاثنا وطرقنا

تحديد كيف تغير التعديلات اللاحقة للترجمة سلوك البروتين

تشمل التعديلات اللاحقة للترجمة (PTMs) مجموعة متنوعة من التغييرات على البروتينات بعد ترجمتها من الشفرات الوراثية إلى سلاسل من الأحماض الأمينية (المخلفات) المرتبطة بروابط الببتيد. تتضمن هذه التغييرات إضافة مجموعات كيميائية في مواقع محددة (عادةً عن طريق الإنزيمات التي يمكن تعديلها في مسارات بيولوجية متسلسلة) والتي يمكن أن تسبب تغيرات في الوظيفة. هذا يسمح لكل من الاستجابات السريعة للمحفزات وتنظيم العمليات الرئيسية. يمكن أن ينحرف مثل هذا التنظيم في الأمراض ، مثل مسارات نمو الخلايا المفرطة النشاط بوساطة PTM في السرطانات.

حددت تقنيات التمكين الأساسية للقسم مثل قياس الطيف الكتلي والأجسام المضادة المهندسة المدى والمواقع الدقيقة لعشرات الآلاف من PTMs.

فسفرة مجال كيناز: مثال على التعديل اللاحق للترجمة.

في الفسفرة ، تغير إنزيمات كيناز نشاط البروتينات الأخرى عن طريق نقل مجموعات الفوسفات (PO4) من جزيء آخر ، مثل ATP. يشمل هذا التغيير في النشاط عبر التعديل اللاحق للترجمة آخر كينازات - في هذه الحالة ، تؤدي إضافة الفوسفات إلى تغيير شكلها (التشكل) بحيث يتم تنشيطها.

في هذا الرسم المتحرك ، يتحول مجال كيناز (الذي يحتوي على الموقع التحفيزي أو النشط للإنزيم) بين المطابقات غير النشطة وتفعيلها مع إضافة مجموعات الفوسفات إلى السلاسل الجانبية للحمض الأميني التيروزين. يظهر العمود الفقري للبروتين كشريط أسمر. تظهر سلاسل التيروزين الجانبية ، نظير ATP ، والفوسفات على شكل عصي ، مع ذرات الكربون (أزرق فاتح) ، والأكسجين (أحمر) والفوسفور (برتقالي). يتلاشى ATP أثناء التشكيل ، لأنه يتناسب فقط مع التشكل المنشط للإنزيم. (تحذير: يوضح هذا الشكل التغييرات التي تم تحديدها تجريبيًا قبل وبعد التغييرات في تشكل الكينازات بسبب الفسفرة ، ولكنه لا يحاكي بالضرورة حقيقة كيفية تغيير الإنزيم لشكله.)

هذا الفيديو لا يشمل الصوت.

لكن فهم كيفية تغيير تعديلات معينة لوظيفة البروتين يتأخر كثيرًا. التوصيف الفيزيائي ممكن من خلال تقنيات عالية الدقة تستغرق وقتًا طويلاً (على سبيل المثال ، تصوير البلورات بالأشعة السينية ، التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي) ولكن قد يكون من الصعب الحصول على كميات كافية من البروتينات النقية كاملة مع PTM معين للدراسة.

وبالتالي يمكن أن تكون عمليات المحاكاة الحاسوبية طريقة أسرع وحيوية لسد الفجوة المتزايدة بين اكتشاف أجهزة PTM وتحديد آلياتها التنظيمية وتأثيراتها. على وجه التحديد ، يمكن أن تساعد مثل هذه المحاكاة في تحليل كيف تؤدي إضافة مجموعات كيميائية في مواقع محددة إلى تغيير المشهد الطاقي للبروتين ، وإعادة ترتيب التركيب الذري لتثبيت الأشكال الجديدة التي تؤدي إلى تغيير الوظيفة.

تصور مثل هذه المحاكاة الذرات على أنها كرات مشحونة من أنصاف أقطار مختلفة متصلة بواسطة زنبركات تمثل روابط كيميائية. يحسب النهج الطاقة الإجمالية للبروتين في حالة معينة ، مع مراعاة القوى الفيزيائية الرئيسية ، مما يجعل من الممكن التنبؤ بكيفية تغيير مشهد الطاقة الجزيئي بواسطة حدث ملزم. تتبع محاكاة الديناميكيات الجزيئية التفاعلات الذرية بمرور الوقت ، باستخدام قوانين نيوتن للحركة. نظرًا لتعقيد تطبيق الوظائف الرياضية على أنظمة معقدة لآلاف الذرات المتفاعلة بأبعاد متعددة - بالإضافة إلى حساب تأثيرات المذيب المحيط - حتى عمليات المحاكاة التي يتم إجراؤها على أجهزة الكمبيوتر العملاقة يمكنها حاليًا التقاط أجزاء من الثواني من الحركة الجزيئية فقط للتحليل.

الفسفرة

تشير التقديرات إلى أن ما يصل إلى 30 في المائة من جميع البروتينات مُفسفرة - تحتوي على مجموعة واحدة أو أكثر من مجموعات الفوسفات (PO4) مضافًا إلى أحماض أمينية معينة بواسطة إنزيمات كيناز - غالبًا عدة مرات ، مع ما يقدر بنصف مليون موقع فسفرة في البروتين البشري وعشرات الآلاف من المواقع المحددة المدرجة حاليًا في قاعدة البيانات Phospho.ELM.

يعمل هذا PTM في كل مكان والسريع والقابل للعكس (الفوسفاتيز يزيل الفوسفات) بشكل روتيني كمفتاح يمكنه تشغيل وإيقاف نشاط البروتينات استجابة للمنبهات أو ضبط نشاطها بمهارة أكثر. يلعب دورًا تنظيميًا في الإشارات الخلوية ، وبناء الهيكل الخلوي ، والتمثيل الغذائي ، ودورة الخلية (النسخ المتماثل). تنحرف في العديد من الأمراض ، بما في ذلك العديد من أشكال السرطان.

يستخدم علماء القسم الحساب لمحاكاة وتحليل والتنبؤ بالتغيرات في التشكل وحركة البروتين الناتجة عن الفسفرة في مواقع محددة في البروتين.

كيف تغير الفسفرة بنية البروتين؟

في مثال مبكر لمحاكاة فسفرة البروتين في السيليكو ، أظهر الباحثون هنا أنه كان من الممكن حسابياً أن يتنبأ بالتغيرات التوافقية المحلية التي يحركها الفسفرة في الهياكل الجزيئية الثانوية مثل الحلقات واللوالب بدقة شبه ذرية ، بالنظر إلى بنية وتعديل محدد مسبقًا موقع.

بنية البلورات بالأشعة السينية لبروتين CDK2 الفسفوري المرتبط بـ cyclin A (باللون الأزرق) ، والتركيب البلوري لـ CDK2 / cyclin A غير الفسفوري (باللون الأخضر) ، وبنية الحلقة المتوقعة في فسفرة السيليكو (باللون الأحمر). الصورة الجزيئية المصنوعة باستخدام UCSF Chimera التي طورها مورد UCSF للحوسبة الحيوية والتصور والمعلوماتية.

على وجه التحديد ، قام الباحثون هنا بتكييف خوارزميات تنبؤ العروة التي تم تطويرها مسبقًا لنمذجة التماثل للتنبؤ بالتغييرات في حلقة تنشيط CDK2 عند الفسفرة لبقايا ثريونين المكونة. (يتم تنشيط معظم الكينازات عن طريق فسفرة هياكل الحلقة هذه).

قام هذا النهج أولاً بأخذ عينات هرمية من زوايا العمود الفقري المحتملة ثنائية السطوح ، مما يقلل من الحاجة إلى نمذجة جميع المطابقات المحتملة للحلقة المكونة من 11 بقايا من الصفر ، مع وبدون الفوسفات المضاف ، عن طريق القضاء على الهياكل النموذجية ذات التداخل المستحيل تجسيميًا لأنصاف الأقطار الذرية. بعد ذلك ، كان لتوافق الحلقة المحتملة سلاسل جانبية متبقية ، وتلك الموجودة في الهيكل المجاور ، تم تحسينها وتقليل الطاقة.

في الواقع ، يمكن استخدام مثل هذه النمذجة لتوليد فرضيات آلية حول تنظيم الفسفرة للاختبار التجريبي (على سبيل المثال ، تغيير المخلفات الرئيسية عن طريق الطفرات الموجهة للموقع). على سبيل المثال ، أشارت دراسة الحالة المبكرة هذه إلى أن الفسفرة لم تغير فقط بنية حلقة التنشيط (تتحرك بقايا ثريونين معدلة في الحلقة للتفاعل مع السلاسل الجانبية ذات الشحنة الموجبة للأرجينين) ولكنها كشفت أيضًا أنها تعيد ترتيب رابطة هيدروجين السلسلة الجانبية الممتدة خارج الحلقة.

تحليل تنشيط مجمع الهيكل الخلوي

استخدم باحثو القسم وزملاؤهم محاكاة الديناميكيات الجزيئية لتفصيل كيف تؤدي فسفرة البروتين 2 المرتبط بالأكتين (Arp2) إلى تغيير توافقي في مركب Arp2 / 3 شديد التنظيم ، مما يسمح بتنشيطه عن طريق الارتباط ببروتينات أخرى ، بما في ذلك عوامل تعزيز التنوي (NPFs) ).

يتجمع Arp2 مع ست وحدات بروتينية فرعية أخرى لتشكيل المركب ، والذي يلعب دورًا مركزيًا في تكوين خيوط الأكتين التي يتم تجميعها في هياكل خلوية تستخدم لأغراض عديدة ، بما في ذلك حركة الخلية (الحركة). تم ربط عدم تنظيم نشاط المركب بنقائل السرطان.

في حين أن علم البلورات بالأشعة السينية لـ Arp2 / 3 في الهياكل غير المقيدة والمحدودة يشير إلى أن التغييرات الهيكلية الكبيرة في المجمع مطلوبة قبل التنشيط الكامل ، فقد ساعدت النمذجة الحسابية في إظهار كيف ولماذا تحدث هذه التغييرات.

أ] نموذج لمركب Arp2 / 3 على أساس علم البلورات بالأشعة السينية. تظهر ذرات بقايا Arp2 threonine التي يتم فسفرتها على شكل كرات خضراء. ب] يشير الرسم البياني إلى التباين في مواضع الذرات في العمود الفقري لـ Arp2 (انحراف الجذر التربيعي أو RMSD) على مدى 30 نانوثانية محاكاة للبروتين عندما يكون غير فسفري (أسود) ، فسفرته في موقع واحد من ثريونين (T237 ، باللون الأزرق -رمادي) وثريونين آخر (T238 ، أزرق مائي).

بالنظر إلى مواقع PTM التي تم تحديدها بواسطة قياس الطيف الكتلي ، قامت محاكاة الديناميكيات الجزيئية بنمذجة إضافة مجموعة فوسفات -2 مشحونة إلى اثنين من الأحماض الأمينية غير المشحونة من ثريونين. على الرغم من قيود النطاق الزمني للمحاكاة (30 نانوثانية) ، كانت هناك تغييرات هيكلية أكبر بكثير في Arp2 الفسفوري مقابل محاكاة تحكم لـ Arp2 غير الفسفوري. علاوة على ذلك ، تشير عمليات المحاكاة إلى أن التغييرات الكهروستاتيكية تزعزع استقرار شبكة من جسور الملح في واجهة العديد من الوحدات الفرعية ، مما يتسبب في إعادة توجيه Arp2 الذي يسمح بتنشيط المجمع.

بالإضافة إلى ذلك ، ابتكر الباحثون شكلاً متحورًا في السيليكو لمركب Arp2 / 3 لاختبار ما إذا كان تغيير بقايا الأرجينين المشحونة إيجابياً التي تتفاعل مع Arp2 threonines المفسفرة إلى الألانين من شأنه أن يعيق التغييرات التوافقية. وبدلاً من ذلك ، توقعت عمليات المحاكاة أن الشكل المتحور سيزيد من النشاط ، على غرار تأثير الفسفرة. أكدت التجارب المخبرية أن الشكل المتحور كان نشطًا بشكل كبير حتى في غياب NPFs.

تقييم قوة رابطة الهيدروجين من السلاسل الجانبية الفلسفية

تمت ملاحظة البقايا الفسفورية لقبول روابط H من خلال أكسجين الفوسفات الخاص بها ، غالبًا مع سلاسل جانبية مانحة موجبة الشحنة (أرجينين ، ليسين) ومجموعات أميد العمود الفقري. تعمل روابط الهيدروجين هذه على تثبيت المطابقات المعدلة بـ PTM والتي يمكن أن تؤدي إلى تغييرات في الوظيفة.

باستخدام نظائر الجزيئات الصغيرة لمستقبلات السلسلة الجانبية الفسفورية (على سبيل المثال ، فوسفات الميثيل للفوسفو سيرين والفوسفو-ثريونين) والمانحين (على سبيل المثال ، بيوتيل الأمونيوم لسلاسل جانبية ليسين) ، حدد الباحثون القوة النسبية للروابط الهيدروجينية (تقاس بالوسائل المحتملة لـ force) للشركاء المشتركين وحالات الشحن والهندسة.

استخدم علماء القسم أنواعًا متعددة من المحاكاة لتحليل القوة النسبية للروابط الهيدروجينية وجسور الملح التي تتضمن سلاسل جانبية فسفرة. تضمنت هذه المحاكاة الديناميكيات الجزيئية مع المذيبات الصريحة وهندسة الترابط المتعددة (طاقات رابطة الهيدروجين حساسة لبيئة المذيب ، بالإضافة إلى هوية وقرب واتجاه السلاسل الجانبية المشاركة) وحسابات ميكانيكا الكم التي سعت إلى حساب التوزيعات غير المتماثلة لـ الإلكترونات (الشحنات الجزئية) في البقايا المفسفرة ، والتحولات في الإلكترونات الناتجة عن المجال الكهربائي القوي للفوسفات والذي يؤثر على استقطاب الذرات المجاورة.

على وجه التحديد ، وجد الباحثون أن الأرجينين قادر على تكوين تفاعلات رابطة هيدروجينية قوية جدًا مع سيرين الفوسفور ، وربما يكون أقوى تفاعل ارتباط هيدروجين شائع في البروتينات. ساعدت عمليات المحاكاة أيضًا في تفسير سبب استخدام نموذج في المختبر لتنشيط البروتين عن طريق الفسفرة والذي يستبدل المخلفات بسلاسل جانبية سالبة الشحنة (حمض الأسبارتيك وحمض الجلوتاميك) للسلسلة الفسفورية غير فعالة في بعض الأحيان (على سبيل المثال ، تشكل السيرينات الفوسفاتية جسرًا ملحًا أقوى مع بقايا مشحونة الجهات المانحة في جميع الاتجاهات المحاكاة).

كان لعمليات المحاكاة أيضًا آثار على تصميم مثبطات مجالات بروتين SH2 ، والتي ترتبط ببقايا التيروزين الفسفورية على البروتينات الأخرى لتمرير الإشارات عبر الأغشية المتعلقة بنمو الخلايا ، مما يجعلها هدفًا لعقاقير السرطان.

تنظيم الأس الهيدروجيني للبروتينات

يظل السيتوبلازم في معظم الخلايا قريبًا جدًا من الرقم الهيدروجيني المحايد ، ولكن هناك تقلبات صغيرة بمرور الوقت في العديد من الخلايا ، وهناك اختلافات في درجة الحموضة بين الخلايا الطبيعية والسرطانية. يستكشف علماء القسم جنبًا إلى جنب مع زملائهم في جامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو وجهة نظر ناشئة مفادها أن التحولات الصغيرة في الأس الهيدروجيني داخل الخلايا قد تنظم عددًا من عمليات الخلايا الحيوية ، بما في ذلك الانتشار والحركة.

نظرًا لأن الرقم الهيدروجيني هو مقياس لتركيز أيون الهيدروجين (H + ، ويسمى أيضًا بروتون) ، يقترح الباحثون أن دينامياته داخل الخلايا يمكن اعتبارها تعديلًا لما بعد الترجمة يضيف ويزيل بشكل عكسي البروتونات ضمن نطاقات الأس الهيدروجيني الفسيولوجية. تؤدي إضافة أو إزالة البروتون إلى تغيير شحنات السلسلة الجانبية ، ويمكن أن يغير متقبل رابطة الهيدروجين إلى متبرع محتمل. كما هو الحال مع التعديلات الأخرى مثل الفسفرة ، يمكن أن تغير هذه التغييرات بنية ووظيفة البروتينات.

أقلية من مواقع البروتين مرشحة للبروتون في نطاق الأس الهيدروجيني الطبيعي داخل الخلايا ، بما في ذلك تلك التي تحتوي على سلاسل جانبية هيستيدين موضوعة بشكل مناسب. ومع ذلك ، يمكن تغيير مجموعة متنوعة من البروتينات ، يطلق عليها اسم مستشعرات الأس الهيدروجيني ، عن طريق التعديل. كما هو الحال مع أجهزة PTM الأخرى ، يمكن للطرق الحسابية مثل محاكاة الديناميات الجزيئية أن تتنبأ بشكل سريع نسبيًا وبتكلفة زهيدة بكيفية تأثير البروتون المرتبط بالرقم الهيدروجيني على بنية مستشعر الأس الهيدروجيني وديناميكيات التوافق ، مما يشير إلى تغييرات وظيفية يمكن بعد ذلك فحصها تجريبيًا.

تحديد آلية لتنظيم الأس الهيدروجيني لهجرة الخلايا

هجرة الخلايا في الأنسجة مطلوبة بشكل روتيني لالتئام الجروح والاستجابة المناعية ولكنها تنحرف في غزو الخلايا السرطانية والورم الخبيث.

رسم تخطيطي للربط الخيفي للبروتون في موقع مستشعر الأس الهيدروجيني على وحدة من بروتين تالين ، مما يتسبب في تغيير توافقي في موقع يبعد حوالي 40 أنجستروم ، مما يقلل تقارب ربط الأكتين الخيطي. متوسط ​​تراكيب وحدة تالين من آخر خمس نانو ثانية من عمليات المحاكاة الحسابية عند درجة حموضة ثابتة تبلغ 6.0 و 8.0 توضح كيفية التغيرات في بروتونات الهيستيدين (H2418) وبقايا حمض الجلوتاميك (E2481) في موقع مستشعر الأس الهيدروجيني في الأعلى (معظمها بروتونات عند درجة حموضة أقل ، منزوعه عند درجة حموضة أعلى) يغير شكل موقع ربط الأكتين في الأسفل.

من المعروف أن زيادة درجة الحموضة داخل الخلايا (القلوية) تعزز هجرة الخلايا ويمكن رؤيتها أيضًا في مجموعة متنوعة من السرطانات النقيلية. استخدم الباحثون هنا محاكاة الديناميكيات الجزيئية لاستكشاف الآلية الكامنة وراء ذلك ، وتحديدًا من خلال تحليل وحدة تالين التي أظهرت ارتباطًا أقل بالأكتين عند درجة حموضة أعلى. أظهرت عمليات المحاكاة الحسابية أنه عندما تم بروتون الهستيدين الوحيد للوحدة (كما هو الحال في ظروف الأس الهيدروجيني المنخفضة) ، فقد تسبب في تغييرات في التشكل وديناميكيات موقع الربط البعيد.

تم تأكيد هذا التأثير الخيفي للبروتون المحدد تجريبياً من خلال تصنيع تالين متحولة مع الهستيدين الذي تم استبداله بالفينيل ألانين. أظهر التالين الطافرة ارتباطًا بالأكتين كان غير حساس بدرجة الحموضة نسبيًا. يتم التعبير عنه في الخلايا المتنقلة ، مما أدى إلى زيادة طول عمر التصاقات البؤرية وتقليل الهجرة.


يمكن تفسير معظم التأثيرات الخيفية من خلال نموذج MWC المنسق الذي وضعه Monod و Wyman و Changeux ، أو من خلال النموذج التسلسلي الموصوف بواسطة كوشلاند ، نيميثي، و فيلم. يفترض كلاهما أن الوحدات الفرعية للإنزيم موجودة في أحد المطابقتين & # 8211 متوترة (T) أو استرخاء (R) ، وأن الوحدات الفرعية المسترخية تربط الركيزة بسهولة أكبر من تلك الموجودة في حالة التوتر. يختلف النموذجان أكثر في افتراضاتهما حول تفاعل الوحدة الفرعية ووجود كلتا الحالتين.

نموذج منسق

  • ال نموذج متضافر من allostery يشار إليه أيضًا باسم نموذج التناظر أو نموذج MWC، يفترض أن الوحدات الفرعية للإنزيم مرتبطة بطريقة تجعل التغيير التوافقي في وحدة فرعية واحدة يُمنح بالضرورة لجميع الوحدات الفرعية الأخرى. وبالتالي ، يجب أن توجد جميع الوحدات الفرعية في نفس الشكل.
  • يؤكد النموذج أيضًا أنه في حالة عدم وجود أي يجند (ركيزة أو غير ذلك) ، فإن التوازن يفضل إحدى الحالات المطابقة ، T أو R.
  • يمكن تحويل التوازن إلى الحالة R أو T من خلال ربط يجند واحد (مؤثر خيفي أو يجند) إلى موقع مختلف عن الموقع النشط (الموقع الخيفي).
  • نموذج مورفين للتنظيم الخيفي هو نموذج منسق فصامي.

النموذج المتسلسل

ينص النموذج التسلسلي للتنظيم الخيفي على أن الوحدات الفرعية غير متصلة بطريقة يؤدي فيها التغيير التوافقي في إحداها إلى تغيير مماثل في الآخرين. وبالتالي ، فإن جميع الوحدات الفرعية للإنزيم لا تتطلب نفس الشكل. علاوة على ذلك ، يفرض النموذج المتسلسل أن جزيئات الركيزة ترتبط عبر بروتوكول مناسب مستحث.

بشكل عام ، عندما تصطدم وحدة فرعية بشكل عشوائي بجزيء من الركيزة ، فإن الموقع النشط ، في جوهره ، يشكل قفازًا حول ركيزته. في حين أن مثل هذا الملاءمة المستحثة يحول وحدة فرعية من الحالة المتوترة إلى حالة استرخاء ، فإنه لا ينشر التغيير التوافقي إلى الوحدات الفرعية المجاورة. بدلاً من ذلك ، يؤدي ربط الركيزة في وحدة فرعية واحدة إلى تغيير طفيف في بنية الوحدات الفرعية الأخرى بحيث تكون مواقع الربط الخاصة بها أكثر تقبلاً للركيزة.


التغيير التوافقي في البروتين

يعتبر تكوين البروتين ذا أهمية قصوى في فهم التفاعلات الجزيئية الحيوية. في أبسط سيناريو ، قد يتفاعل جزيئين دون تغيير في شكلهما ، كما هو الحال في نموذج المفتاح والقفل. التفاعلات الجزيئية التي تنطوي على تغييرات توافقية في الجزيئات المتفاعلة هي أكثر تنوعًا. في نموذج الملاءمة المستحثة ، يرتبط جزيئين على النحو الأمثل مع بعضهما البعض فقط بعد التغييرات التوافقية في واجهتهما. قد تحدث التغييرات التوافقية أيضًا بعيدًا عن واجهة الربط. غالبًا ما يكون هذا هو الشرط الأساسي للنشاط الوظيفي. بالنسبة للبروتين مثل الهيموغلوبين الذي يُظهر سلوكًا خيفيًا ، فإن ارتباط الجزيئات الصغيرة في منطقة من البروتين يؤثر على تقارب ارتباطه بالجزيئات الأخرى في منطقة بعيدة. في المستقبلات الغشائية ، يؤدي ارتباط الليجند في المنطقة خارج الخلية إلى حدوث تغييرات في المنطقة السيتوبلازمية ، بحيث يُسمح للإشارة خارج الخلية بتغيير النشاط داخل الخلايا.

أصبحت التغييرات التوافقية في البروتينات ممكنة بفضل مرونتها الجوهرية. قد تحدث هذه التغييرات مع إنفاق صغير نسبيًا للطاقة. على المستوى الهيكلي الجزيئي ، التغييرات التوافقية في عديد الببتيدات المفردة هي نتيجة التغيرات في الزوايا الالتوائية للسلسلة الرئيسية وتوجهات السلسلة الجانبية. يمكن توطين التأثير الكلي لهذه التغييرات مع إعادة توجيه بعض المخلفات والتغيرات الالتوائية الصغيرة في السلسلة الرئيسية الإقليمية. من ناحية أخرى ، قد تؤدي التغييرات الالتوائية الموضعية في عدد قليل جدًا من المخلفات الموضوعة بشكل حرج إلى تغييرات كبيرة في البنية الثالثة. يتم وصف النوع الأخير من التغييرات التوافقية على أنها حركات المجال.

حركات المجال

حركات المجال مكونان أساسيان. قد تحدث حركات المفصلات داخل الجدائل وصفائح بيتا وحلزونات ألفا غير المقيدة بقوى التعبئة الثلاثية. للتأهل كنقطة ارتكاز للحركة المفصلية ، يجب أن تتحمل البقايا القليل جدًا من قيود التعبئة الهيكلية الثالثة على سلسلتها الرئيسية. تقع المفصلة خارج الواجهة بين المجالين المتصلين ببعضهما بواسطة المفصلة. عند فتح المفصلة ، تكون الحركة متعامدة مع مستوى الواجهة ، والتي يتم فقدها بعد الفتح. عادة ما يتم تثبيت الشكل المغلق بواسطة يجند مرتبط. يكون هذا بالضرورة كذلك ، لأنه إذا تم تثبيت الشكل المغلق معًا بقوة بدون رابط ، فيجب أن تعبر فتحة المفصلة حاجزًا عالي الطاقة. تحدث حركات القص بالتوازي مع الواجهة بين الأجزاء المعبأة بشكل وثيق من polypeptides. يكون هذا النوع من الحركة مقيدًا بشدة مع ملامسات التعبئة الإضافية بسبب السلاسل الجانبية المتداخلة. ترجع حركة المجال المنفصمة الكبيرة بدرجة كافية إلى مجموعة من حركات القص. غالبًا ما يكون للبروتينات التي تقص بنية طبقات ، مع القص الذي قد يحدث عبر واجهات اللولب الحلزوني واللولب الحلزوني والحلقة الحلزونية والحلقة الحلزونية. القص الحلزوني الحلزوني هو النوع السائد ، عادة بين الحلزونات المتقاطعة بزوايا بين الحلقات من 60 إلى 90 0.

تحدث الحركة المفصلية في سياق تفاعلات البنية الثانوية. تتضمن حركة المفصلة عند الخيط الممتد بعض التغييرات الكبيرة في زوايا التواء السلسلة الرئيسية عند المفصلة التي تربط مجالين ، مقيدًا فقط بسمات Ramachandran للزوايا الالتوائية. نظرًا لأن نطاق زوايا (phi ، psi) كبير نسبيًا بالنسبة للخيط الممتد ، يمكن أن تتغير زاوية المفصلة بما يصل إلى 60 0 مع التغييرات الالتوائية فقط في اثنين من البقايا. في الصفائح التجريبية ، يمكن أن يتحرك خصلان متجاوران مثل مفصلات الباب ، مع قيود إضافية من الروابط الهيدروجينية التي تمسك الصفيحة ببعضها البعض. للحصول على نفس التغيير الزاوي للمفصلة ، يلزم إجراء تغييرات الالتوائية عند ثلاثة أو أكثر من المخلفات. يتم تقييد حلزونات ألفا بشكل أكبر من خلال روابطها الهيدروجينية الأكثر تقييدًا ، وبالتالي فهي بحاجة إلى مزيد من التغييرات الزاويّة الالتوائية ذات السعة الصغيرة للانحناء بشكل كبير. قد يؤدي اللولب المتعرج بالبرولين إلى حدوث تغييرات أكبر في الزوايا الالتوائية. تغيرات الزاوية الالتوائية قد تمدد حلزون ألفا بحوالي 3 أنجستروم في حلزون 3 10. هناك أيضًا حالات قد ينقسم فيها اللولب الطويل إلى حلزونين أصغر متصلين ببعضهما البعض بواسطة حبلا ممتد قصير كان في السابق في شكل حلزوني.

تحدث حركة القص في سياق تفاعلات البنية الثلاثية. لا يتم ملاحظة حركة القص الكبيرة التي تجعل القفل البيني من حالة إلى أخرى في حركات المجال ، كما هو الحال في واجهة الوحدة الفرعية للبروتينات الخيفية. من ناحية أخرى ، فإن حركات القص الصغيرة التي لا تتطلب إعادة تعبئة بينية شائعة في حركات المجال. يتم استيعاب حركات القص هذه من خلال تغييرات صغيرة في الزوايا الالتوائية للسلسلة الجانبية مع عدم وجود تشوه كبير في التكوين الالتوائي للسلسلة الرئيسية لقطاعات الواجهة. نتيجة لذلك ، تتسبب حركة القص في إزاحة المقاطع وتدويرها بالنسبة لبعضها البعض حتى 2 أنجستروم و 15 0 ، على التوالي.

التحولات الخيفية

البروتينات المتعددة لها أبعاد إضافية للتحولات التوافقية بسبب هيكلها الرباعي. الهيموغلوبين هو النموذج الأولي الكلاسيكي للبروتينات الخيفية ذات السلوك التعاوني. في حالة الهيموجلوبولين لامبري ، يتم التوسط في التعاون عن طريق التفكك العكسي وترابط الوحدات الفرعية. يتم قطع التعبئة في واجهات الوحدة الفرعية معًا. بالنسبة للهيموجلوبين البشري ، يتحقق ذلك بالتوازن بين بنيتين بديلتين للرباع رباعي. ترجع التغييرات الهيكلية الكلية إلى كسر وتشكيل التفاعلات الكهروستاتيكية على المستويين الثالث والرباعي ، نتيجة الارتباط بالأكسجين أو المؤثرات الخيفية الأخرى. يوجد في الواجهة حركة قص كبيرة تتضمن إعادة التعبئة في الانتقال بين حالات التوتر والاسترخاء. يمكن أيضًا تحقيق التعاونية بشكل منفرد عن طريق توفير نفقات الطاقة الحتمية ، كما هو الحال في ربط مثبط trp ثنائي الأبعاد والغلوبولين المناعي بالمشغل والمستضد ، على التوالي. بعد ربط مونومر واحد بموقع ربط على الجزيء المستهدف مع إنفاق طاقة لدفع ثمن الانخفاض في الانتروبيا ، فإن ارتباط المونومر الآخر بموقع الربط المجاور على نفس جزيء الترابط يتطلب طاقة أقل لتقليل الانتروبيا لأن الارتباط الأول له ضع الجزيئين المتفاعلين جنبًا إلى جنب ، بحيث يتم وضع المونومر الثاني بالفعل في وضع مناسب للتفاعل مع موقع الربط الثاني دون الحاجة إلى زيادة ترتيب التعقيد ثنائي الجزيء أكثر من ذلك بكثير.

مراجع

  1. Perutz MF. آليات التعاون والتنظيم الخيفي في البروتينات. مراجعة ربع سنوية للفيزياء الحيوية 22: 139-236 ، 1989
  2. Gerstein M، Lesk AM، Chothia C. الآليات الهيكلية لحركات المجال في البروتينات. الكيمياء الحيوية 33: 6739-6749 ، 1994.
  3. جانين J ، وداك سج. المجالات الهيكلية في البروتينات ودورها في ديناميات وظيفة البروتين. بروغ بيوفيز جزيء بيول 42: 21-78 ، 1983.

روابط لمزيد من المعلومات

إقرار: تم إنشاء النماذج الجزيئية المعروضة في هذا النص التشعبي باستخدام الإصدار 2.6 من نافذة الرسومات الجزيئية Raswin من R Sayle.


التساهمية تعديل

يمكن أيضًا تغيير نشاط الإنزيم باستخدام التعديل اللاحق للترجمة ، أو الارتباط التساهمي للمجموعات الكيميائية بالإنزيم في بقايا حمض أميني معين. Adding or removing these chemical groups changes the conformation of the enzyme, affecting activity. For some enzymes, the modified form is the active form, while for others, the unmodified form is more active.

One group that commonly regulates enzyme activity is فوسفات (‑PO3 2- ), which, in eucaryotes, is most frequently added to the hydroxyl group of serine, threonine or tyrosine residues.

The phosphorylation state of a target enzyme is controlled by the competing activities of a بروتين كينيز, which adds phosphate, and a protein phosphatase, which removes phosphate.

Phosphorylation is frequently used to transmit and amplify signals from outside the cell to the nucleus to control gene expression. Improperly controlled phosphorylation is often implicated in the development of cancer.

Armed with this information about metabolic pathways, we are now in a position to study the major processes by which humans extract energy from biomolecules.

ساعدنا في إصلاح ابتسامته بمقالاتك القديمة ، فهذا يستغرق ثوانٍ!

-نحن نبحث عن المقالات والمختبرات والواجبات السابقة التي نجحت فيها!

المنشورات ذات الصلة

Metabolism – body’s rate of energy utilization Two-thirds of energy used goes to support basal&hellip

Table 1. Solution concentrations, volumes and observations for Experiment 1: Observing the enzyme reaction. Test&hellip

Enzymes are specialized proteins that speed up chemical reactions (biological catalysts) Without enzymes, cellular chemical&hellip

The chemical reactions of metabolism are reversible, and they, too, would reach equilibrium if they&hellip

A Catalyst increases the rate of reaction by providing alternative energy pathway usually increasing&hellip

المؤلف: وليام أندرسون (فريق التحرير مساعد العمل المدرسي)

مدرس وكاتب مستقل. مدرس علوم وعشاق المقالات. آخر مراجعة للمادة: 2020 | مؤسسة سانت روزماري © 2010-2021 | المشاع الإبداعي 4.0


شاهد الفيديو: ادراة الباب الخامس مفهوم التنظيم (أغسطس 2022).