Proteiineilla uskotaan olevan ainutlaatuisia rakenteita, jotka määritetään niiden aminohapposekvenssien perusteella. Proteiinit eivät kuitenkaan ole täysin staattisia kokonaisuuksia, vaan edustavat (joskus samankaltaisten) konformaatioiden ryhmiä. Siirtymiä näiden tilojen välillä tapahtuu eri pituisissa asteikoissa ( Å : n kymmenesosista nm :iin ) ja aika-asteikoissa (ns:stä s:ään) ja ne liittyvät toiminnallisesti merkittäviin ilmiöihin, kuten allosteeriseen signalointiin [1] ja entsymaattiseen katalyysiin [2] .
Proteiinidynamiikan tutkimus liittyy suorimmin näiden tilojen välisiin siirtymiin, mutta se voi koskea myös itse tilojen luonnetta ja tasapainopopulaatioita. Nämä kaksi näkökulmaa - kinetiikka ja vastaavasti termodynamiikka - voidaan käsitteellisesti syntetisoida "energiamaisema"-paradigmassa [3] : yhteisiä tiloja ja niiden välisten siirtymien kinetiikkaa voidaan kuvata energiareikien syvyyden ja energian korkeuden avulla. esteitä.
Proteiinirakenteiden osat poikkeavat usein tasapainotilasta. Jotkut näistä poikkeamista ovat harmonisia , kuten kemiallisten sidosten ja sidoskulmien stokastiset värähtelyt. Toiset ovat epäharmonisia , kuten sivuketjut, jotka hyppäävät erillisten erillisten energiaminimien välillä tai rotameerit [4] .
Todisteita paikallisesta joustavuudesta saadaan usein käyttämällä NMR-spektroskopiaa . Proteiinin taipuisat ja mahdollisesti epäjärjestyneet alueet voidaan havaita käyttämällä satunnaiskelaindeksiä . Laskostettujen proteiinien joustavuus voidaan määrittää analysoimalla proteiinin yksittäisten atomien spinrelaksaatiota Joustavuutta voidaan havaita myös röntgenkristallografialla luoduissa erittäin korkearesoluutioisissa elektronitiheyskartoissa [5], varsinkin kun diffraktiotiedot kerätään huoneenlämpötilassa perinteisen kryogeenisen lämpötilan (tyypillisesti noin 100 K) sijaan [6] . Tietoa proteiinin paikallisen joustavuuden taajuusjakaumasta ja dynamiikasta voidaan saada käyttämällä Raman-spektroskopiaa ja Kerr-ilmiön optista spektroskopiaa terahertsin taajuusalueella [7] .
Monet tähteet proteiinirakenteissa ovat lähellä toisiaan. Tämä pätee useimpiin tähteisiin, jotka ovat vierekkäin primäärisekvenssissä, mutta myös monille tähteille, jotka ovat sekvenssiltään distaalisia, mutta joutuvat kosketuksiin lopullisessa laskosrakenteessa. Tämän läheisyyden vuoksi näiden tähteiden energiamaisemat yhdistyvät erilaisten biofysikaalisten ilmiöiden, kuten vetysidosten , ionisidosten ja van der Waalsin vuorovaikutusten , perusteella (katso kuva). Siten tällaisten jäännösjoukkojen tilojen väliset siirtymät korreloivat [8] .
Tämä on ehkä ilmeisin avoimissa silmukaissa, jotka usein siirtyvät kollektiivisesti erilaisiin konformaatioihin eri kiderakenteissa (katso kuva). Kuitenkin kytkeytyvä konformationaalinen heterogeenisyys on joskus ilmeistä myös sekundaarirakenteessa [9] . Esimerkiksi peräkkäiset tähteet ja tähteet, jotka on siirretty 4:llä primäärisekvenssissä, ovat usein vuorovaikutuksessa a-helikseissä . Lisäksi tähteet, jotka ovat siirtyneet 2:lla primäärisekvenssissä, ohjaavat sivuketjunsa p-levyjen samalle puolelle ja ovat riittävän lähellä steeristä vuorovaikutusta, kuten ovat saman p-levyn vierekkäisten juosteiden tähteet . Jotkut näistä konformaatiomuutoksista johtuvat proteiinirakenteen translaation jälkeisistä muutoksista, kuten fosforylaatiosta ja metylaatiosta [9] [10] .
Kun nämä kytketyt tähteet muodostavat polkuja, jotka yhdistävät toiminnallisesti tärkeitä proteiinin osia, ne voivat osallistua allosteeriseen signalointiin. Esimerkiksi kun happimolekyyli sitoutuu hemoglobiinitetrameerin yhteen alayksikköön , tämä tieto leviää allosteerisesti kolmeen muuhun alayksikköön, mikä lisää niiden happiaffiniteettia. Tässä tapauksessa hemoglobiinin sidottu joustavuus mahdollistaa yhteistoiminnallisen hapen sitoutumisen, mikä on fysiologisesti hyödyllistä, koska se tarjoaa nopean happikuormituksen keuhkokudoksessa ja nopean hapen purkamisen hapettomissa kudoksissa (esim. lihas).
Useiden domeenien läsnäolo proteiineissa lisää joustavuutta ja liikkuvuutta , mikä johtaa proteiinidomeenien dynamiikkaan [1] . Alueen liikkeitä voidaan päätellä vertaamalla eri proteiinirakenteita (kuten molekyyliliiketietokannassa ), tai niitä voidaan tarkkailla suoraan käyttämällä spektrejä [11] [12] , jotka on mitattu neutroni spinkaikuspektroskopialla. Niitä voidaan ehdottaa myös ottamalla näytteitä molekyylidynamiikan [13] ja pääkomponenttianalyysin [14] laajoista liikeradoista . Verkkotunnuksen liikkuminen on tärkeää:
Yksi suurimmista havaituista domeenimuutoksista on pyruvaattifosfaattidikinaasin "kääntymismekanismi" . Fosfoinositididomeeni vaihtaa kahden tilan välillä siirtääkseen fosfaattiryhmän nukleotideja sitovan domeenin aktiivisesta kohdasta fosfoenolipyruvaatti/pyruvaattidomeeniin [22] . Fosfaattiryhmä kulkee 45 Å:n matkan domeenin liikkuessa noin 100 astetta yhden jäännöksen ympärillä. Entsyymeissä yhden domeenin sulkeminen toiseen kaappaa substraatin indusoidulla sovituksella, jolloin reaktio voi edetä kontrolloidusti. Gersteinin yksityiskohtainen analyysi johti luokitteluun kahteen päätyyppiseen verkkotunnuksen liikkumiseen; sarana ja sakset [19] . Vain suhteellisen pieni osa ketjusta, nimittäin domeenien välinen linkkeri ja sivuketjut, käyvät läpi merkittäviä konformaatiomuutoksia domeenin uudelleenjärjestelyn aikana [23] .
Haywardin tutkimus [24] osoitti, että α-helisien ja β-levyjen päät muodostavat monissa tapauksissa saranoita. Monien saranoiden on havaittu sisältävän kaksi toissijaista rakenneosaa, jotka toimivat oven saranoina ja mahdollistavat ovien avaamisen ja sulkemisen. Tämä voi tapahtua, kun kaksi vierekkäistä säiettä β-arkissa, jotka sijaitsevat samassa domeenissa, eroavat, kun ne liittyvät toiseen domeeniin. Kaksi tuloksena olevaa päätä muodostavat sitten mutka-alueita kahden domeenin väliin. On havaittu, että α-kierteet, jotka säilyttävät vetysidosverkostonsa taivutettuna, käyttäytyvät kuin mekaaniset saranat, jotka keräävät "elastista energiaa", joka ohjaa domeenin sulkeutumista ja sieppaa nopeasti substraatin [24] .
Kierteisten ja laajennettujen konformaatioiden keskinäinen muuntaminen domeenin raja-alueella ei ole epätavallista. Kalmoduliinissa vääntökulmat muuttuvat viiden tähteen kohdalla α-heliksia sitovan alueen keskellä. Kierre on jaettu kahteen lähes kohtisuoraan pienempään kierteeseen, joita erottaa neljä pitkänomaisen ketjun jäännöstä [25] [26] .
Leikkausliikkeet sisältävät domeenin rajapintojen lievää liukuvaa liikettä, jota hallitsevat rajapinnan sisällä olevat aminohapposivuketjut. Leikkausliikkeitä osoittavilla proteiineilla on usein monitasoinen arkkitehtuuri: toissijaisten rakenteiden laskostuminen. Domainien välinen linkkeri suorittaa vain tehtävän pitää domeenit lähellä.
Rakenteellisesti erilaisten, mutta toiminnallisesti samankaltaisten entsyymien sisäisen dynamiikan analyysi paljasti yhteisen suhteen aktiivisen kohdan sijainnin ja kahden pääproteiinialidomeenin välillä. Itse asiassa joillekin hydrolaasin superperheen jäsenille katalyyttinen keskus sijaitsee lähellä kahden tärkeimmän kvasijäykän domeenin välistä rajapintaa [13] . Tällainen asemointi näyttää olevan työkalu tarkan aktiivisen paikan geometrian ylläpitämiseksi samalla kun se mahdollistaa havaittavan toiminnallisesti suuntautuneen reunusalueiden modulaation näiden kahden alialueen suhteellisen liikkeen seurauksena.
Todisteet viittaavat siihen, että proteiinin dynamiikka on tärkeä toiminnalle, esimerkiksi entsymaattisen katalyysin kannalta DHFR :ssä , mutta on myös ehdotettu, että ne helpottavat uusien toimintojen hankkimista molekyylien evoluution kautta [27] . Tämä argumentti viittaa siihen, että proteiineista on kehittynyt vakaat, enimmäkseen ainutlaatuiset laskostumisrakenteet, mutta väistämätön jäännösjoustavuus johtaa jonkinasteiseen toiminnalliseen epävakaisuuteen, jota myöhemmät mutaatiot voivat tehostaa / ottaa käyttöön / hylätä.
Kuitenkin kasvava ymmärrys siitä, että luonnostaan rakenteettomia proteiineja ovat melko yleisiä eukaryoottigenomeissa [28] , kyseenalaistaa Anfinsenin dogman yksinkertaisimman tulkinnan : "sekvenssi määrittää rakenteen (yksittäinen)". Itse asiassa uudelle paradigmalle on ominaista kahden varoituksen lisääminen: "sekvenssi ja soluympäristö määräävät rakenteellisen kokonaisuuden."