Κεφάλαιο 6. Αναδίπλωση και ευκαμψία

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ευκαμψία

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και Ευκαμψία Εικόνα 6.1 Μια πολυπεπτιδική αλυσίδα είναι εκτεταμένη και εύκαμπτη στην αδίπλωτη, αποδιαταγμένη κατάσταση, ενώ είναι σφαιρική και συμπαγής στη διπλωμένη, φυσική της δομή. Σημαντικές Έννοιες: «Ευπλαστη σφαίρα»:όταν η πολυπεπτιδική αλυσίδα έχει υιοθετήσει τα στοιχεία της 2ταγούς δομής (α-ιέλικες, β-πτυχώσεις) αλλά παρουσιάζει «χαλαρότερη» 3D δομή, απ ότι στην φυσική της κατάσταση. Πρωτεϊνική Αναδίπλωση: Κατά την πρωτεϊνική αναδίπλωση προκύπτει μια συγκεκριμένη 3D δομή από την 1D δομή της πολυπεπτιδικής αλυσίδας, δηλ. της ακολουθίας των αμινοξέων. Δυναμική Πρωτεϊνών: Μια πρωτείνη στην φυσικής της κατάσταη δεν είναι στατική, αλλά όλα τα στοιχεία της επιτελούν διαρκώς μικρές κινήσεις στον χώρο. Αυτές αντιστοιχούν είτε σε ταλαντώσεις μεμονομένων ατόμων είτε σε συλλογικές κινήσεις ομάδων ατόμων.

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και Ευκαμψία Εικόνα 6.2 Ηκατάστασητης«εύπλαστης σφαίρας» (molten globule state) αποτελεί σημαντικό ενδιάμεσο στο μονοπάτι αναδίπλωσης καθώς μια πολυπεπτιδική αλυσίδα μεταπίπτει από μια αδίπλωτη στη διπλωμένη της δομή. Η «εύπλαστη σφαίρα» έχει μεγάλο μέρος από τη δευτεροταγή δομή της φυσικής κατάστασης, αλλά είναι λιγότερο συμπαγής από τη φυσική δομή και οι κατάλληλες αλληλεπιδράσεις πακεταρίσματος, στο εσωτερικό της πρωτεΐνης, δεν έχουν ακόμη δημιουργηθεί.

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση, Ευκαμψία & Ενέργεια Υπάρχουν δύο κύριοι παράγοντες που συνεισφέρουν στην ενεργειακή διαφορά μετάξύ της διπλωμένης και της αποδιατεταγμένης κατάστασης: η Ενθαλπία και ηεντροπία Ενθαλπία: Προέρχεται από την ενέργεια των μη-ομοιοπολικών αλληλεπίδράσεων μεταξύ των ατόμων της πολυπεπτιικής αλυσίδας, όπως αλληλεπίδράσεις van der Waals, δεσμούς-η, και ιοντικές αλληλεπιδράσεις. Είναι ισχυρότερες στην φυσική απ ότι στην αποδιαταγμένη κατάσταση. Εντροπία: Σύμφωνα με τον 2 ο νόμο της θερμοδυναικής: απαιτείται ενέργεια για να δημιουργηθεί τάξη. Η αποδιαταγμένη διαμόρφωση είναι ευνοϊκότερη εντροπικά. Όταν η πρωτΐνη αναδιπλώνεται, το κόστος της μετάβασης από την αδίπλωστη στην αναδιπλωμένη μορφή είναι να μειωθεί η εντροπία (να γίνει λιγότερο αρνητική). Ελεύθερη Ενέργεια: Είναι η ολική διαφορά ενέργειας ανάμεσα σε αποδιαταγμένη ακι αναδιπλωμένη μορφή της πρωτεΐνης και αντιστοιχεί στην διαφορά μεταξύ των ενθαλπικών και εντροπικών διαφορών μεταξύ φυσικ ςη ακι αποδιαταγμένης κατάστασης.

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση, Ευκαμψία & Ενέργεια ΔG = ΔΗ Τ.ΔS Όπου ΔG η διαφορά ελέυθερης ενέργειας Gibbs, ΔΗ η διαφορά της ενθαλπίας, Τ η θερομκρασίς και ΔS η διαφοιρά της εντροπίας ανάμεσα σε φυσικής και αποδιαταγμένη μορφή. Οι Παράγοντες οι οποίοι επηρρεάζουν την πρωτεϊνικής συταθερότητα είναι: (α) σταθερότητα της φυσικής κατάστασης, (β) του ευνοϊκού πακεταρίσματος των υδρόφοβων πλευρικών ομάδων στο εσωτερικό των πρωτεϊνών, (γ) των δισουλφιδικών γεφυρών και των εσωτερικών δεσμών-η καιγεφυρώνάλατος+/- (δ) των πλευρικών ομάδων οι οποίες αντισταθμίζουν την διπολίκή ροπή των ελίκων.

Κεφάλαιο 6 Το παράδοξο τoυ Levinthal Cyrus Levinthal: Το 1968 έδειξε ότι με έναν απλό υπολογισμό ένα πρωτεϊνικό μόριο δεν είναι δυνατόν να εξερευνά όλες τις πιθανές διαμορφώσει τις οποίες μπορεί να υιοθετήσει, μέχρι να παγώσει Στην κατάσταση χαμηλότερης ενέργειας η οποία αντιστοιχεί στην φυσική διαμόρφωση της πρωτεΐνης. Εάν κάθε πεπτιδική ομάδα/αλυσίδα μπορεί να υιοθετήσει μόνο τρεις πιθανές στερεοδιατάξεις, τις επιτρεπτές περιοχές α, β και L του διαγράμματος Ramachandran, κι ότι μεταβαίνει από την μια στερεοδιάταξη στην άλλη στο συντομότερο δυνατό χρόνο, σε 1 picosecond (10-12 sec), τότε μια πολυπεπτιδική αλυσίδα 150 καταλοίπων θα είχε 3 150 = 10 68 πιθανές διαμορφώσεις. Για την διερεύνηση όλων αυτών των διαμορφώσεων απαιτείται χρόνος ίσος με 10 48 χρόνια (10 56 sec), ενώ στην πραγματικότηατ ο χρόνο αυτός είναι 0.1-1000 sec.

Κεφάλαιο 6 Παγίδευση Μονοπατιού Αναδίπλωσης Παγίδευση του Μονοπατιού Αναδίπλωσης: Για να ολοκληρώνεται η αναδίπλωση μιας πρωτεϊνικής ακολουθίας σε διάστημα μεταξύ0.1 και 1000 sec, πρέπει η πορεία αναδίπλωσης να κατευθύνεται με κάποιο τρόπο ακολουθώντας ένα μονοπάτι ασταθών ενδιαμέσων, προκειμένου να αποφύγει το ψάξιμο ενός μεγάλου αριθμού άσχετων διαμορφώσεων. Η παγίδευση του μονοπατιού αναδίπλωσης επιτυγχάνεται μέσω (α) συσσωμάτωσης των ενδιαμέσων διαμορφώσεων μέσω αλληλεπίδρασης εκετεθειμένων υδρόφοβων αλληλεπιδράσεων (β) δημιουργίας των δισουλφιδικών δεσμών, και (γ) ισομερείωση των καταλοίπως της προλίνης

Κεφάλαιο 6 Ενδιάμεσα στάδια της πορείας αναδίπλωσης Οι «εύπλαστες σφαίρες» είναι ενδιάμεσα της πορεία αναδίπλωσης. Τα στάδια της πορείας αυτής μπορούν να διακριθούν ως εξής: «Εύπλαστη σφαίρα». Είναι το ταχύτερο στάδια της πορείας ανδίπλωσης όπου: (α) Δημιουργούνται τα στοιχεια 2ταγούς δομής (β) Υπάρχει μεγάλη κινητικότηατ των εσωτερικών πλευρικών ομάδων. (γ) Στοιχεία όπως οι βρόγχοι και άλλα στοιχεία της επιφανειακής δομής παραμένουν αδίπλωτα Σχηματισμός στοιχείων δευτεροταγούς δομής φυσικής μορφής. Σχηματίζεται μια σχετικά σταθερή δομή η οποία όμως απέχει από την ΤΕΛΙΚΗ ΔΟΜΗ. Σχηματισμός ΤΕΛΙΚΗΣ ΔΟΜΗΣ μέσω ανάπτυξης ισχυρών αλληλεπιδράσεων σε ολόκληρη την πρωτεΐνη.

Κεφάλαιο 6 Ενδιάμεσα στάδια της πορείας αναδίπλωσης Εικόνα 6.3 Ηαδίπλωτηκατάσταση είναι ένα σύνολο ενός μεγάλου αριθμού μορίων με διαφορετικές διαμορφώσεις, U1 Un, οι οποίες υφίστανται γρήγορες αλληλομετατροπές. Η «εύπλαστη σφαίρα» είναι ένα σύνολο δομικά συγγενών μορίων, Μ1...Μm, που αλληλομετατρέπονται γρήγορα και αλλάζουν αργά προς μία και μοναδική διαμόρφωση, τη διπλωμένη κατάσταση F. Κατά την πορεία αναδίπλωσης, η πρωτεΐνη προχωράει από μια υψηλής ενέργειας αδίπλωτη κατάσταση σε μια χαμηλής ενέργειας φυσική δομή. Η μετατροπή από την κατάσταση «εύπλαστης σφαίρας» σε μια διπλωμένη κατάσταση είναι αργή και περνάει από μια υψηλής ενέργειας μεταβατική κατάσταση, Τ.

Κεφάλαιο 6 Ενδιάμεσα στάδια της πορείας αναδίπλωσης Ποιά είναι η δύναμη που οδηγεί μια τυχαία προσανατολισμένη πολυπεπτι δική αλυσίδα να ανδιπλωθεί στην φυσική 3D δομή της??? Δεσμοί-Η: Υπάρχουν στην αποδιαταγμένη μορφή και συνεπώς έχουν χαμηή ενεργειακή συνεισφορά στην ελέυθερη ενέργεια. Υδρόφοβες αλληλεπιδράσεις πλευρικών ομάδων οι οποίες προκαλούν μεγάλη αλλαγή στην ελεύθερη ενέργεια ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ: (α) το 2 ο σενάριο μειώνει τον αριθμό των πιθανών διαμορφώσεων προς διερεύνησ (β) προκαλεί θάψιμο των πλευρικών ομάδων αλλά και των -ΝΗ/-CO ομάδων της κύριας αλυσίδας, γεγονός που προκαλεί απώλεια δεσμών-η με το Η2Ο ΑΛΛΑ ως αντιστάθμιση σε αυτήν την απώλεια υπάρχει η δημιουργία δεσμών-η μεταξύ των -ΝΗ/-CO ομάδων και συνεπως Δημιουργία των στοιχείων 2ταγούς δομής.

Κεφάλαιο 6 Απλά και πολλαπλά μονοπάτια ανδίπλωσης Εικόνα 6.4 Σχηματικό διάγραμμα της δομής του ενζύμου barnase, το οποίο αναδιπλώνεται σε μία αντιπαράλληλη β- πτυχωτή επιφάνεια πέντε κλώνων (μπλε) και δύο α-έλικες (κόκκινο).

Κεφάλαιο 6 Απλά και πολλαπλά μονοπάτια ανδίπλωσης Εικόνα 6.5 (a) Μερικές πρωτεΐνες, όπως η barnase, αναδιπλώνονται μέσω ενός κύριου μονοπατιού, ενώ άλλες αναδιπλώνονται μέσω πολλαπλών μονοπατιών. (b) Η αναδίπλωση του ενζύμου λυσοζύμη προχωράει μέσω δύο τουλάχιστον διαφορετικών μονοπατιών.

Κεφάλαιο 6 Απλά και πολλαπλά μονοπάτια ανδίπλωσης Εικόνα 6.6 Σχηματικό διάγραμμα της δομής του ενζύμου λυσοζύμη, το οποίο αναδιπλώνεται σε δύο επικράτειες. Η μία επικράτεια αποτελείται ουσιαστικά από α-έλικες, ενώ η δεύτερη επικράτεια περιλαμβάνει μια αντιπαράλληλη β- πτυχωτή επιφάνεια τριών κλώνων και δύο α-έλικες. Υπάρχουν τρεις δισουλφιδικοί δεσμοί (πράσινο), δύο στην α-ελικοειδή επικράτεια και ένας στη δεύτερη επικράτεια.

Κεφάλαιο 6 Δισουλφιδικοί Δεσμοί και Αναδίπλωση Εικόνα 6.7 (a) Σχηματικό διάγραμμα της δομής της BPTI. Οι τρεις δισουλφιδικοί δεσμοί είναι πράσινοι, οι β-κλώνοι είναι μπλεκαιοια-έλικες είναι κόκκινες. (b) Το μονοπάτι αναδίπλωσης της ΒPΤΙ σύμφωνα με τον Creighton. Ηαδίπλωτη πρωτεΐνη έχει έξι κατάλοιπα κυστεΐνης σε ανηγμένη κατάσταση. Το κύριο ενδιάμεσο έχει ένα δισουλφιδικό δεσμό μεταξύ των καταλοίπων 30 και 51. Απόαυτότοενδιάμεσο προκύπτουν άλλα ενδιάμεσα που περιλαμβάνουν από δύο δισουλφιδικούς δεσμούς, κανένας εκ των οποίων δεν υπάρχει στηφυσικήδομή. Σύμφωνα με τον Creighton, αυτά τα ενδιάμεσα είναι απαραίτητα για τη δημιουργία του επόμενου ενδιαμέσου που περιλαμβάνει δύο δισουλφιδικούς δεσμούς, τους 30-51 και 5-55, οι οποίοι παραμένουν και στη φυσική δομή. Σε αυτό το τελευταίο ενδιάμεσο σχηματίζεται γρήγορα και ο τρίτος δισουλφιδικός δεσμός, 14-38, της φυσικής δομής.

Κεφάλαιο 6 Δισουλφιδικοί Δεσμοί και Αναδίπλωση Ευνοικοί και μη παράγοντες στον σχηματισμό Δισουλφιδικών δεσμών. ΕυνοικήθέσηκαταλοίπωςCys: εκτεθειμένες στην επιφάνεια του μορίου, όπως στις περιπτώσεις που βρίσκονται σε α-έλικα Μη ευνοική θέση καταλοίπων Cys: διευθέτηση σε ευέλικτα τμήματα όπως οι θηλιές. Μη ευνοική θέση καταλοίπων Cys: διευθέτηση στο εσωτερικό διπλωμένων ενδιαμέσων και σε υδρόφοβους πυρήνες.

Κεφάλαιο 6 Δισουλφιδικοί Δεσμοί και Αναδίπλωση Εικόνα 6.8 Σχηματικό διάγραμμα του ενζύμου DsbA, το οποίο καταλύει τη δημιουργία και την επαναδιευθέτηση δισουλφιδικών δεσμών. Το ένζυμο αναδιπλώνεται σε δύο επικράτειες, μία επικράτεια που περιλαμβάνει πέντε α-έλικες (πράσινο) και μία δεύτερη που έχει δομή παρόμοια με αυτήν της θειορεδοξίνης (μενεξεδί). Η αμινοτελική επέκταση (μπλε) δεν είναι παρούσα στη θειορεδοξίνη. (Προσαρμοσμένη από τους J. L. Martin et al., Nature 365: 464-468, 1993.)

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ισομερίωση καταλοίπων προλίνης Εικόνα 6.9 (a) Οι πεπτιδικές ομάδες μπορούν να υιοθετήσουν δύο διαφορετικές στερεοδιατάξεις, την trans και τη cis. Στην trans-μορφή οι ομάδες C=O και N-H διευθετούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις, ενώ στη cis-μορφή διευθετούνται προς την ίδια κατεύθυνση. Για τα περισσότερα πεπτίδια η trans-μορφή είναι περίπου 1.000 φορές πιο σταθερή από τη cis-μορφή. (b) Όταν το δεύτερο κατάλοιπο σε ένα πεπτίδιο είναι η προλίνη, η trans-μορφή είναι μόνο περίπου τέσσερις φορές πιο σταθερή από τη cis-μορφή. Πεπτίδια με cis-προλίνη συναντώνται σε πολλές πρωτεΐνες.

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ισομερίωση καταλοίπων προλίνης Εικόνα 6.10 Σχηματικό διάγραμμα της δομής της πρωτεΐνης κυκλοφιλίνης, μιας προλυλο-πεπτιδικής ισομεράσης που καταλύει τη μετατροπή πεπτιδίων προλίνης μεταξύ της cis- και transστερεοδιάταξης. Ηπρωτεΐνη αναδιπλώνεται σε ένα αντιπαράλληλο β-βαρέλι οκτώ κλώνων (μπλε), με δύο α-έλικες στο εξωτερικό. Το ενεργό κέντρο, το οποίο εντοπίστηκε από την πρόσδεση ενός τετραπεπτιδίου που περιείχε προλίνη (πράσινο), βρίσκεται στο εξωτερικό του β-βαρελιού. (Προσαρμοσμένη από τους J. Kallen et al., Nature 353: 276-279, 1991.)

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ρόλος Μοριακών Σαπερόνων Εικόνα 6.11 Σχηματικό διάγραμμα του μορίου της σαπερονίνης GroEL, ως κυλίνδρου, με 14 υπομονάδες διευθετημένες σε δύο δακτυλίους των 7 υπομονάδων ο καθένας. Ο χώρος που καταλαμβάνεται από μία υπομονάδα χρωματίζεται με κόκκινο και η οπή στο εσωτερικό του κυλίνδρου με μπλε.

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ρόλος Μοριακών Σαπερόνων Εικόνα 6.12 (a) Σχηματικό διάγραμμα μιας υπομονάδας της GroEL. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται σε τρεις επικράτειες. Η ισημερινή επικράτεια (πράσινο), που περιλαμβάνει 10 α-έλικες, είναι η μεγαλύτερη. Στο σχηματισμό της εμπλέκονται τόσο η αμινοτελική όσο και η καρβοξυτελική περιοχή. Η ακραία επικράτεια (μπλε), η οποία είναι ένα β- σάντουιτς που περιβάλλεται από α-έλικες, σχηματίζεται από τη μεσαία περιοχή της πολυπεπτιδικής αλυσίδας. Οι δύο συνδετικές περιοχές που βρίσκονται μεταξύ της ισημερινής και της ακραίας επικράτειας δημιουργούν μια μικρή ενδιάμεση επικράτεια (μοβ) που περιλαμβάνει τρεις α-έλικες. (b) Σχηματικό διάγραμμα στο οποίο απεικονίζεται

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ρόλος Μοριακών Σαπερόνων Εικόνα 6.13 Μοντέλα του μορίου GroEL σε δύο διαφορετικές λειτουργικές καταστάσεις. Τα μοντέλα αυτά βασίζονται στην τρισδιάστατη επανασύσταση εικόνων ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. Μια μεγάλη αλλαγή στη διαμόρφωση της GroEL συμβαίνει όταν συνδεθεί η GroES με το ATP. Το μόριο της GroES συνδέεται με έναν από τους δακτυλίους της GroEL και κλείνει την κεντρική κοιλότητα. Ο κεντρικός δακτύλιος της GroEL γίνεται μεγαλύτερος και η κοιλότητα σ αυτό το τμήμα του κυλίνδρου διευρύνεται. (Προσαρμοσμένη από τους S. Chen et al., Nature 371: 261-264, 1994.)

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ρόλος Μοριακών Σαπερόνων Εικόνα 6.14 (a) Σχηματικό διάγραμμα του μορίου της GroES. Επτά υπομονάδες αλληλεπιδρούν για να σχηματίσουν ένα δακτύλιο που έχει την ίδια συμμετρία με καθέναν από τους δακτυλίους του μορίου GroEL. Δύο βρόχοι προεξέχουν από τον πυρήνα της υπομονάδας (πράσινο). Οέναςαπό αυτούς (κίτρινος) είναι εύκαμπτος και βρίσκεται εξωτερικά του δακτυλίου. Αυτός ο βρόχος είναι υδρόφοβος και αλληλεπιδρά με το μόριο της GroEL στο σύμπλοκο GroEL-GroES. Ο άλλος βρόχος (κόκκινος) καλύπτει την κεντρική κοιλότητα της GroEL όταν είναι προσδεδεμένη η GroES. (b) Σχηματικό διάγραμμα της δομής μιας υπομονάδας της GroES. Ο πυρήνας της δομής της υπομονάδας είναι ένα β-βαρέλι (πράσινο) που περιλαμβάνει δύο ανατιπαράλληλες β-πτυχωτές επιφάνειες πακεταρισμένες η μία απέναντι από την άλλη. Ο κινητός βρόχος (κίτρινος) είναι εύκαμπτος και ο επάνω βρόχος με δομή β-φουρκέτας καλύπτει το κεντρικό τμήμα του επταμελούς δακτυλίου του μορίου της GroES. (Προσαρμοσμένη από τους J. F. Hunt et al., Nature, 379: 37-45, 1996.)

Κεφάλαιο 6 Αναδίπλωση και ρόλος Μοριακών Σαπερόνων Εικόνα 6.15 Πιθανός λειτουργικός κύκλος του μορίου GroEL-GroES. (a) Ένα αδίπλωτο πρωτεϊνικό μόριο (κίτρινο) προσδένεται στο ένα άκρο του συμπλόκου GroEL-ADP (κόκκινο), ενώ στο άλλο άκρο του συμπλόκου είναι προσδεδεμένη η GroES (πράσινο). (b και c) Η GroES απελευθερώνεται από την trans-θέση και επανασυνδέεται μαζί με ATP στη cis-θέση (ανοιχτό κόκκινο) της GroEL. (d) Καθώς η πρωτεΐνη διπλώνεται ή ξεδιπλώνεται μέσα στην κεντρική κοιλότητα, λαμβάνει χώρα υδρόλυση του ΑTP. (e) Δέσμευση και υδρόλυση ΑTP στην trans-θέση απαιτούνται για την απελευθέρωση της GroES και του πρωτεϊνικού μορίου. (f) Ένα νέο αδίπλωτο πρωτεϊνικό μόριο μπορεί τώρα να δεσμευτεί στην GroEL. (Προσαρμοσμένη από τους M. Mayhew et al., Nature 379: 420-426, 1996.)

Κεφάλαιο 6 ΚυτταρικόςκύκλοςκαιαλλαγέςστηνδιαμόρφωσηΚινασών Εικόνα 6.16 (a) Οι πέντε φάσεις ενός τυπικού ευκαρυωτικού κυτταρικού κύκλου. Κατά τη διάρκεια της φάσης Μ σταματά η ανάπτυξη, και το κύτταρο διαιρείται. ΟδιπλασιασμόςτουDNA περιορίζεται στη φάση S. ΗφάσηG1 είναι το μεσοδιάστημα μεταξύ των φάσεων M και S. Ηφάση G2 είναι το μεσοδιάστημα μεταξύ των φάσεων S και Μ. Τα κύτταρα που δε διαιρούνται εισέρχονται στη στατική φάση, G0. (b) ΗρύθμισητωνCDKs με την αποικοδόμηση της κυκλίνης. Παρουσιάζονται δύο μόνο τύποι συμπλόκων κυκλίνης-cdk, ο ένας πυροδοτεί τη φάση S και ο άλλοςτηφάσημ. Και στις δύο περιπτώσεις, ηενεργοποίησητουcdk απαιτεί την πρόσδεση κυκλίνης και η απενεργοποίησή του εξαρτάται Protein Structure από- Ακαδημαϊκές την αποικοδόμηση κυκλίνης. (Προσαρμοσμένη από τους B. Alberts et al., Essential Cell Biology, ΕκδόσειςNew 2007 York: Garland Publishing, 1998.)

Κεφάλαιο 6 ΚυτταρικόςκύκλοςκαιαλλαγέςστηνδιαμόρφωσηΚινασών Εικόνα 6.17 (a) Σχηματικό διάγραμμα της δομής της κυκλινο-εξαρτώμενης κινάσης CDK2. Το μόριο αναδιπλώνεται σε δύο επικράτειες. Η αμινοτελική επικράτεια περιλαμβάνει μία β- πτυχωτή επιφάνεια πέντε κλώνων και μία α- έλικα που έχει την αμινοξική αλληλουχία PSTAIRE (κόκκινο), ηοποίαείναιυψηλά συντηρημένη σε όλες τις πρωτεϊνικές κινάσες. Η καρβοξυτελική επικράτεια είναι κυρίως α- ελικοειδής και περιέχει έναν εύκαμπτο βρόχο που ονομάζεται βρόχος-t (κίτρινο). Αυτός ο βρόχος περιλαμβάνει ένα κατάλοιπο θρεονίνης που είναι φωσφορυλιωμένο στο ενεργό ένζυμο. (b) Σχηματικό διάγραμμα της δομήςενόςτμήματοςτηςκυκλίνηςα. Η δομήπεριλαμβάνειδύοπολύ όμοιες επικράτειες (κόκκινη και μπλε). Η δομή αυτής της επικράτειας ονομάζεται αναδίπλωση κυκλίνης (cyclin fold) καιπεριλαμβάνειπέντε α-έλικες. Η αμινοτελικήεπικράτεια(κόκκινο) έχει μία αμινοξική αλληλουχία που είναι συντηρημένη σε όλες τις κυκλίνες και ονομάζεται πλαίσιο κυκλίνης. (c) Σχηματικό διάγραμμα της δομής του ενεργού συμπλόκου μεταξύ του CDK2 (μπλε) και του τμήματος της κυκλίνης Α (πράσινο). Το πλαίσιο κυκλίνης (έλικες 2-6) αλληλεπιδρά με την έλικα PSTAIRE (σκούρο κόκκινο) και το βρόχο-τ (κίτρινο) του CDK2. Η δομή τηςκυκλίνηςα σ αυτό το σύμπλοκο είναι ίδια με τη δομή της ελεύθερης κυκλίνης Α, ενώ αυτή του CDK2 έχει υποστεί μεγάλες αλλαγές στη διαμόρφωση που περιλαμβάνουν την έλικα PSTAIRE, το βρόχο-t και τη θέση δέσμευσης του ΑΤP (ανοιχτό κόκκινο). (Προσαρμοσμένη από τους P. D. Jeffrey et al., Nature 379: 37-45, 1995.)

Κεφάλαιο 6 ΚυτταρικόςκύκλοςκαιαλλαγέςστηνδιαμόρφωσηΚινασών Εικόνα 6.18 ΗέλικαPSTAIRE υφίσταται μια μεγάλη αλλαγή της διαμόρφωσής της όταν το CDK2 δεσμεύεται στην κυκλίνη Α. Στην ανενεργή ελεύθερη CDK2 (κίτρινο), το κατάλοιπο Glu 51 είναι μακριά από το ενεργό κέντρο. Με τη δέσμευση της κυκλίνης Α στο CDK2 ηέλικαpstaire (μπλε) περιστρέφεται κατά 90 και η θέση της αλλάζει, έτσι ώστε το Glu 51 να τοποθετηθεί στο ενεργό κέντρο. (Προσαρμοσμένη από τους P. D. Jeffrey et al., Nature 376: 313-320, 1995.)

Κεφάλαιο 6 ΚυτταρικόςκύκλοςκαιαλλαγέςστηνδιαμόρφωσηΚινασών Εικόνα 6.19 Σχηματικό διάγραμμα που δείχνει τις αλλαγές στη διαμόρφωσης της CDK2 κατά την πρόσδεση κυκλίνης. (a) Στην ανενεργή μορφή, ηέλικαpstaire (κόκκινο) προσανατολίζεται, έτσι ώστε το Glu 51 να κατευθύνεται μακριά από τη θέση δέσμευσης του ΑΤP (μοβ), ενώ ο βρόχος-t φράζει τη θέση πρόσδεσης του υποστρώματος και εμποδίζει έτσι τις πρωτεΐνες ναδεσμευτούνστο CDK2. (b) Στο ενεργό σύμπλοκο κυκλίνης-cdk2, ηέλικαpstaire επαναπροσανατολίζεται, έτσι ώστε το Glu 51 να κατευθύνεται προς το ενεργό κέντρο και να σχηματίζει γέφυρα άλατος με ένα άλλο κατάλοιπο που εμπλέκεται στην κατάλυση, τη Lys 33. Η διαμόρφωση του βρόχου-t έχει αλλάξει δραστικά, και ένα από τα κατάλοιπά του, το Αsp 145, λειτουργεί ως υποκαταστάτης του ατόμου του Mg του ενεργού κέντρου. Η θέση πρόσδεσης του υποστρώματος είναι τώρα ανοιχτή, πρωτεΐνες μπορούν να δεσμευτούν και το σύμπλοκο κυκλίνης-cdk2 μπορεί να φωσφορυλιώσει κατάλοιπα Ser/Thr και να ενεργοποιήσει μ αυτόν τον τρόπο τις δεσμευμένες πρωτεΐνες.

Κεφάλαιο 6 ΚυτταρικόςκύκλοςκαιαλλαγέςστηνδιαμόρφωσηΚινασών Εικόνα 6.20 Χωροπληρωτικό διάγραμμα στο οποίο απεικονίζονται οι δομικές αλλαγές που υφίσταται το CDK2 κατά τη δέσμευση της κυκλίνης. (a) Το ενεργό κέντρο βρίσκεται σε μια σχισμή μεταξύ της αμινοτελικής επικράτειας (μπλε) και της καρβοξυτελικής επικράτειας (μοβ). Στην ανενεργή μορφή, αυτή η θέση φράζεται από το βρόχο-t. (b) Στην ενεργή μορφή της CDK2 με προσδεδεμένη κυκλίνη, οβρόχος-t έχει αλλάξει δομή, το ενεργό κέντρο είναι ανοιχτό και διαθέσιμο και η Thr 160 είναι διαθέσιμη για φωσφορυλίωση.

Κεφάλαιο 6 Δέσμευση πεπτιδίων στην καλμοδουλίνη Εικόνα 6.21 Σχηματικό διάγραμμα στο οποίο παρουσιάζονται οι αλλαγές στη διαμόρφωση της καλμοδουλίνης κατά την πρόσδεση πεπτιδίου. (a) Στην ελεύθερη μορφή του το μόριο της καλμοδουλίνης έχει σχήμα που μοιάζειμεβαράκιγυμναστικής. Αποτελείται από δύο επικράτειες (κόκκινη και πράσινη), καθεμία από τις οποίες έχει δύο μοτίβα EF hand με δεσμευμένο ασβέστιο (κίτρινο). (b) Στη μορφή που περιέχει δεσμευμένο πεπτίδιο (μπλε), ησυνδετικήα-έλικα έχει σπάσει, και τα δύο άκρα του μορίου έχουν πλησιάσει μεταξύ τους φτιάχνοντας ένα σφαιρικό συμπαγές σύμπλοκο. Ηεσωτερική δομή κάθε επικράτειας παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη. Το δεσμευμένο πεπτίδιο προσδένεται σαν α-έλικα.

Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση Εικόνα 6.22 Σχηματικό διάγραμμα της δομής της οβαλβουμίνης στο οποίο φαίνεται το μοτίβο αναδίπλωσης σερπίνης (serpin fold). Ηδομή αποτελείται από ένα συμπαγές σώμα τριών αντιπαράλληλων β-πτυχωτών επιφανειών, των Α, ΒκαιC, που περιβάλλονται από α-έλικες. Η πολυπεπτιδική αλυσίδα είναι χρωματισμένη σε τμήματα, ξεκινώντας από το αμινοτελικό άκρο με τη σειρά πράσινο, μπλε, κίτρινο, κόκκινο και ροζ, για να διευκολύνει την παρακολούθηση της πορείας της αλυσίδας. Η κόκκινη περιοχή αντιστοιχεί στο βρόχο του ενεργού κέντρου των σερπινών, ο οποίος στην οβαλβουμίνη εκτείνεται σαν χερούλι έξω από το κύριο σώμα της δομής. (Προσαρμοσμένη από τους R. W. Carrell et al., Structure 2: 257-270, 1994.)

Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση Εικόνα 6.23 Σχηματικό διάγραμμα στο οποίο φαίνονται οι βρόχοι του ενεργού κέντρου (κόκκινα) στους τρεις τύπους σερπινών. (a) Στην ενεργή μορφή ο βρόχος προεξέχει από το κύριο τμήμα του μορίου έτοιμος να αλληλεπιδράσει με το ενεργό κέντρο μιας πρωτεάσης σερίνης. Τα πρώτα λίγα κατάλοιπα του βρόχου σχηματίζουν ένα μικρό β-κλώνο, ο οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ των κλώνων β5 και β15 της β-πτυχωτής επιφάνειας Α. (b) Ως αποτέλεσμα της αναστολής των πρωτεασών, οι σερπίνες πρωτεολύονται στην άκρη της περιοχής του βρόχου που αλληλεπιδρά με το ενεργό κέντρο. Στην πρωτεολυμένη μορφή, το αμινοτελικό άκρο του βρόχου παρεμβάλλεται μεταξύ των β-κλώνων 5 και 15 και σχηματίζει ένα μακρύ β-κλώνο (κόκκινο) στη μέση της β- πτυχωτής επιφάνειας. (c) Στην πιο σταθερή μορφή, τη λανθάνουσα, που είναι ανενεργή, το αμινοτελικό τμήμα του βρόχου σχηματίζει ένα παρεμβαλλόμενο β-κλώνο, όπως στην πρωτεολυμένη μορφή, και τα εναπομείναντα κατάλοιπα δημιουργούν ένα βρόχο στο άλλο άκρο της β-πτυχωτής επιφάνειας. (Προσαρμοσμένη από τους R. W. Carrell et al., Structure 2: 257-270, 1994.)

Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση Εικόνα 6.24 Η λειτουργία του ενζύμου φωσφοφρουκτοκινάση. (a) H φωσφοφρουκτοκινάση είναι ένα ένζυμο-κλειδί στο μονοπάτι της γλυκόλυσης, τη διάσπαση της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό. Ένα από τα τελικά προϊόντα του μονοπατιού, το φωσφοενολοπυροσταφυλικό, είναι αλλοστερικός αναδραστικός αναστολέας αυτού του ενζύμου, και το ΑDP είναι ενεργοποιητής. (b) Η φωσφοφρουκτοκινάση καταλύει τη φωσφορυλίωση της 6- φωσφορικής φρουκτόζης με ΑΤP, για να δώσει 1,6- διφωσφορική φρουκτόζη. (c) Το φωσφογλυκολικό, που έχει δομή παρόμοια με το φωσφοενολοπυροσταφυλικό, είναι επίσης αναστολέας του ενζύμου.

Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση Εικόνα 6.25 Σχηματικό διάγραμμα της δομής ενός διμερούς της φωσφοφρουκτοκινάσης. Κάθε πολυπεπτιδική αλυσίδα αναδιπλώνεται σε δύο επικράτειες (μπλε - κόκκινη και πράσινη - καφέ), καθεμία από τις οποίες έχει δομή α/β. Οι έλικες ονομάζονται από Α μέχριμκαιοιβ-κλώνοι από 1 έως 11, ξεκινώντας από το αμινοτελικό άκρο της μιας πολυπεπτιδικής αλυσίδας και αντίστοιχα από το Α έως το Μ και από το 1 έωςτο11 γιατηδεύτερη πολυπεπτιδική αλυσίδα.οι θέσεις πρόσδεσης του υποστρώματος και των μορίων-τελεστών σημειώνονται με γκρι χρώμα. Ηθέσητουτελεστήτηςμιας υπομονάδας συνδέεται με το ενεργό κέντρο της άλλης υπομονάδας του διμερούς μέσω του βρόχου 6-F μεταξύ της έλικας F και του κλώνου 6. (Προσαρμοσμένη από τους T. Schirmer and P. R. Evans, Nature 343: 140-145, 1990.)

Εικόνα 6.26 Η τεταρτοταγής δομή της φωσφοφρουκτοκινάσης. (a) Οι τέσσερις υπομονάδες είναι ανά ζεύγη διευθετημένες σε δύο διμερή Α-Β (μπλε) και C-D (κόκκινο ή πράσινο). Οι αλληλεπιδράσεις των υπομονάδων εντός των διμερών είναι εκτεταμένες και στενές, ενώ και τα δύο διμερή είναι χαλαρά πακεταρισμένα, το ένα σε σχέση με το άλλο, και οι επαφές Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση πακεταρίσματος είναι διαφορετικές στις καταστάσεις R και Τ. Ο σχετικός προσανατολισμός των διμερών στις καταστάσεις Τ (κόκκινο περίγραμμα του διμερούς C-D) και R (πράσινο περίγραμμα) διαφέρει κατά μία στροφή 7. (b) Τα διμερή είναι κοντά μεταξύ τους στην κατάσταση Τ και υπάρχουν άμεσοι υδρογονικοί δεσμοί μεταξύ δύο κλώνων, από τους οποίους ο ένας προέρχεται από το Α-Β διμερές και ο άλλος από το C-D διμερές (πράσινο). Οι υδρογονοδεσμοί παρουσιάζονται με κίτρινο χρώμα. (c) Τα διμερή είναι περισσότερο απομακρυσμένα στην κατάσταση R και υπάρχει κενό μεταξύ των δύο β-κλώνων από τα δύο διμερή, το οποίο καλύπτεται με μόρια νερού (κόκκινο). Αυτά τα μόρια νερού σχηματίζουν γέφυρες μεταξύ των διμερών συμμετέχοντας σε υδρογονοδεσμούς με ομάδες C=O και N-H των δύο β-κλώνων.

Κεφάλαιο 6 Ευκαμψία και Αναδίπλωση Εικόνα 6.27 Αλλαγές στη διαμόρφωση του ενεργού κέντρου της φωσφοφρουκτοκινάσης. (a) Στην ενεργή κατάσταση R η φωσφορική ομάδα του υποστρώματος, 6-φωσφορική φρουκτόζη, F6P (κόκκινο), σχηματίζειμιαγέφυραάλατοςμεένα κατάλοιπο αργινίνης, την Arg 162, που ανήκει σε μια μικρή α-έλικα (πορτοκαλί). Αυτή η γέφυρα άλατος συνεισφέρει σημαντικά στο να προωθηθεί η δέσμευση του υποστρώματος στο ένζυμο. (b) Στην ανενεργή κατάσταση Τ η έλικα είναι μερικώς ξετυλιγμένη και ο προσανατολισμός της έχει αλλάξει, έτσι ώστε η Αrg 162 να κατευθύνεται μακριά από τη θέση πρόσδεσης του υποστρώματος. Αντίθετα, ένααρνητικάφορτισμένοκατάλοιπο γλουταμικού, το Glu 161, κατευθύνεται προς τη θέση δέσμευσης της φωσφορικής ομάδας του υποστρώματος. Απωστικέςδυνάμειςμεταξύτων αρνητικών φορτίων του Glu 161 και του φωσφορικού της F6P εμποδίζουν τη δέσμευση και έχουν ως αποτέλεσμα την ελάττωση κατά χίλιες φορές της συγγένειας για την F6P όταν το ένζυμο είναι στην κατάσταση Τ, σε σύγκριση με την κατάσταση R.