生物大分子结构与功能第5章蛋白质的柔性结构.ppt
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1、第五章:蛋白质的柔性结构,天然折叠的蛋白分子往往不是以一种构象状态存在的。在晶体结构中我们看到的往往仅是一种状态的构象,它是蛋白质分子的一个平均构象。实际上,蛋白质分子始终是处于一种呼吸的状态。蛋白质结构中所有的原子都在运动,这些原子的运动通常是随机的,但有时可以是集合性的运动。这种集合性的运动引起分子中的原子团在相同的方向上产生运动,造成蛋白质分子中的侧链可以从一种构象转化为另一种构象。某些环区域也并不总是固定在一种单一的构象状态,螺旋也可以互相产生滑动,完整的结构域之间也可以改变它们的堆积接触以打开或关闭结构域之间的距离。通常这些运动都是比较小的,有时小到仅有1/10 的运动,但有时这种集
2、合性运动可以很大,大到足以具有重要的生物学意义。,这样大的集合性运动在X-射线晶体学研究中所表现出来的是电子密度的水平低,甚至在某些情况下看不到电子密度的存在。产生这样的运动的区域通常在晶体学中被表述为柔性(flexibility)运动或无序(disorder)。,核磁共振实验对于这样的区域的测定可以作为一种互补,因为核磁共振实验可测出这些区域的各种不同的构象,通过理论计算也可以计算出这些分立的或集合性运动这叫作分子动力学模拟。,分子动力学模拟已经表明,每一个分立的残基的集合性运动仅在皮秒(10-12 秒)的时间尺度,而环区域的运动在纳秒(10-9 秒)的尺度。这种运动对于许多蛋白质的功能是非
3、常重要的。象电子转移和配基结合或释放反应均以这样的时间尺度发生,并通常伴随着蛋白质原子的运动。例如,当肌红蛋白呼吸时,通道在溶剂和被包埋在分子内部的结合部位之间打开,以允许氧原子在纳秒的时间尺度范围与肌红蛋白结合或者释放出来。,除了蛋白质中原子小的呼吸运动之外,在分子的功能态之间也会发生大的构象变化。不同的pH 和配基的存在和缺失以及环境中的微小的变化,往往能够稳定蛋白质的不同构象态。这些构象变化可以是活性部位的氨基酸侧链的构象变化到环区域的运动等。同时结构域之间的相对取向和寡聚蛋白中四级结构也会发生变化,这样的运动通常是与功能相关的。例如酶的催化,肌肉运动和能量转换等。,真核细胞周期的五个相
4、(G0,G1,S,G2 和M 相),例1:细胞周期调节蛋白激酶的构象变化,在S 相,DNA 合成,DNA 被复制并且染色体翻倍。在M 相,有丝分裂父代细胞的二倍化染色体通过有丝分裂的纺锤体分开,这样每个子代细胞接收到相同组分的染色体。,一个细胞分裂的完整周期是M G1 S 和G2。通过G1 S 和G2 相,细胞的蛋白质合成机器大分子和细胞器被建立起来,同时细胞的体积增大。在有丝分裂时,染色体和细胞质被分为两个相等的部分。此外,还有一个静止相G0 相,发生在细胞的未分裂状态。,由cyclin 的降解对CDKs 的调节,细胞周期的进程取决于一系列的叫作cyclin依赖的蛋白激酶(cyclin-de
5、pendent protein kinases,CDKs)的连续激活作用。,图中显示两种类型的cyclin-CDK 复合物,一种是触发S 相,另一种触发M 相。在这两种情况下CDK 的激活需要与cyclin 的结合,它们的非活性依赖于cyclin的降解,在脊椎动物的细胞中至少有四种不同CDKs,控制着细胞周期的活动。不同的催化亚基都属于密切相关的基因家族,不同的CDK 的一个或几个cyclin 分子都是该家族的成员。CDKs 作为一个延迟开关,控制着从G1 相到S 相从G2 相到M 相以及所有构成细胞周期的其它步骤,人的体细胞中调制DNA复制的CDK2-cyclin A的结构提供了详细的结构信
6、息以及cyclinA 激酶的功能。Cyclin A 的功能片段的晶体结构于1995 年由Louise Johnson 实验室解出,非活性的CDK2 的结构1993 年已由Sung-hoKim 实验室解出,活性的cyclin A 片段与CDK2 复合物的结构也于1995年由Nicola Pavletich 实验室解出。通过对这些结构的分析和结构比较,揭示出cyclin A 是如何结合到CDK2 上,并如何在CDK2 的活性部位引起大的构象变化,使CDK2 蛋白质从一种非活性的状态转变为活性状态的。而在此过程中 cyclin A 的结构则没有发生构象变化,cyclin A 依赖型激酶CDK2 的结
7、构,cyclin A依赖型激酶CDK2 有两个结构域,N-端结构域由一段螺旋折叠片组成,在螺旋中PSTAIRE的氨基酸顺序(红色)在所有的CDKs 蛋白激酶中都是高度保守的;C-端结构域主要由螺旋组成,并含有一段柔性的环区域称作T-loop(黄色)环区域,含有一个苏氨酸残基,在完全活性的酶中该苏氨酸残基被磷酸化。,Cyclin A 的结构,Cyclin A 活性片段残基173-432 的结构由两个非常相似的结构域构成。每个结构域都由五段螺旋组成。该活性片段的作用几乎与完整的cyclin A 分子的作用相同。在所cyclin A 中第一个结构域具有十分保守的氨基酸顺序被称作Cyclin-box,
8、而第二个结构域的氨基酸顺序则不相同。因此尽管cyclin A 片段的两个结构域结构几乎相同但仅有一个Cyclin-box 序列。,活性的CDK2 蓝色和cyclin A 复合物的结构,在cyclin A-CDK2 复合物中,主要是Cyclin A 与CDK2 中的PSTAIRE螺旋和T-loop 相互作用,cyclin-box 螺旋2-6 与CDK2 的PSTAIRE 深红色螺旋和T-loop 黄色作用。在该复合物中,cyclin A 的结构与单个cyclin A 是相同的,而CDK2 的结构则发生了很大的构象变化,包括PETAIRE 螺旋T-loop 和ATP 的结合部位(浅红色)。,整个N
9、 端结构域相对于C端的结构域的取向发生了变化,此外PSTAIRE 螺旋向CDK2 的活性部位靠近并旋转了90,以便主要的催化残基Glu 51 指向裂缝,而不是象在单个的CDK2 结构中那样远离此裂缝。,CDK2 与cyclin A 结合的构象变化,一旦与cyclin A结合,PSTAIRE 螺旋橙色转动90,并改变位置以使得Glu 51变为指向活性部位。该PSTAIRE螺旋的一些主链原子由于这种一致性运动位移了8.0 的距离。T-loop发生了大的位置重排某些环区域上的氨基酸残基的位移可达20。,左图:在非活性态,PSTAIRE 螺旋红色的取向使Glu 51 指向远离ATP 的结合部位,而T-
10、loop 封住了与底物的结合部位,以阻止蛋白结合到CDK2 上。右图:在活性的cyclin A-CDK2 复合物结构中,PSTAIRE 螺旋发生了重新定向以使得Glu51 残基指向活性部位并与另一个与催化有关的残基Lys 33 形成盐键,T-loop改变了构象并与另一个残基Asp 145 一起与活性部位中的镁离子配位,此时底物的结合部位被打开,蛋白可以结合底物。cyclin-CDK2 复合物可以磷酸化Ser/Thr 残基并进而激活所结合的蛋白。在自由CDK2 T-loop结构中的螺旋在复合物中变为一条 链。,cyclin 结合引起CDK2 的结构变化,(a)活性部位位于N 端结构域(蓝色)和C
11、 端结构域(紫色)之间的裂缝中,在非活性状态此活性部位被T-loop 所封闭。,(b)在活性的cyclin 结合状态的CDK2结构中,Tloop的结构发生了变化,活性部位被打开,Thr 160 适合于磷酸化.由于cyclin A 的结合所引起的CDK2 的构象变化,不仅暴露了活性部位的裂缝以使ATP 和蛋白底物能够与之结合,而且活性部位的残基发生了重排,以形成酶的催化作用。此外Thr 160 被暴露出来,并准备被磷酸化以提高催化活性。简而言之蛋白质结构的柔性调节了CDK 家族的酶活性,因而控制了细胞周期。,Structural basis of inhibition of CDK-cyclin
12、 complexes by INK4 inhibitors,Philip D.Jeffrey,Lily Tong,and Nikola P.Pavletich Cellular Biochemistry and Biophysics Program and Howard Hughes Medical Institute,Memorial Sloan-Kettering Cancer Center,New York,New York 10021,USAGenes Dev.2000 14:3115-3125,The cyclin-dependent kinases 4 and 6(Cdk4/6)t
13、hat drive progression through the G1 phase of the cell cycle play a central role in the control of cell proliferation,and CDK deregulation is a frequent event in cancer.Cdk4/6 are regulated by the D-type cyclins,which bind to CDKs and activate the kinase,and by the INK4 family of inhibitors.,The str
14、ucture reveals that p18-INK4c inhibits the CDKcyclin complex by distorting the ATP binding site and misaligning catalytic residues.p18INK4c also distorts the cyclin-binding site,with the cyclin remaining bound at an interface that is substantially reduced in size.These observations support the model
15、 that INK4 binding weakens the cyclins affinity for the CDK.This structure also provides insights into the specificity of the D-type cyclins for Cdk4/6.,Overall structure of the p18Cdk6K-cyclin complex and comparison with Cdk2cyclinA Schematic view of p18Cdk6K-cyclin.p18 is shown in yellow,Cdk6 in c
16、yan,K-cyclin in purple.The T loop and PSTAIRE elements of Cdk6 are highlighted in red,and the helices of the first cyclin repeat are labeled.N and C termini are labeled where visible.The p18Cdk6 and K-cyclinCdk6 interfaces do not overlap and lie on opposite sides of the kinase,burying a total of 435
17、0 2 of surface area.(B)Top view of the p18Cdk6K-cyclin complex,approximately orthogonal to view in A.The ankyrin repeats of p18 are numbered.The PSTAIRE helix is central to the Cdk6K-cyclin interface,but the T loop packs on the other side of the kinase.(C)View of Cdk2cyclinA complex superimposed on
18、the C lobe of Cdk6 in the same orientation as in A.Both the PSTAIRE helix and T loop,in red,pack against cyclinA.(D)View of superimposed Cdk2cyclinA complex from same viewpoint as B.,The Cdk6 structure in the p18Cdk6K-cyclin complex has a large number of conformational changes compared with the acti
19、ve conformation of Cdk2(Jeffrey et al.1995;Fig.2C,D)or of other protein kinases.In this inactiveCdk6 structure,the N and C lobes are rotated 13away from each other,resulting in the misalignment of ATP-binding residues.The N-lobe PSTAIRE helix,which contains an invariant active site residue(Glu 61),i
20、s displaced by 4.5 away from the active site and is rotated by 16.A C-lobe loop(T loop,residues 162182),which contains the threonine that is phosphorylated(Thr 177)on the full activation of the kinase(Morgan 1995;Russo et al.1996)and that forms part of the polypeptide substrate-binding site(Brown et
21、 al.1999),is displaced by 30.Finally,an additional loop at the back ofthe catalytic cleft(residues 99102),which would hydrogen bond to ATP,is displaced by several ngstroms.,The Cdk2cyclinA structure(Jeffrey et al.1995)showed that cyclinA binding to Cdk2 caused conformational and positional changes i
22、n the PSTAIRE helix and T loop and that these changes activated the kinase bycorrectly aligning certain active site residues and reorganizing the polypeptide substrate binding site.In the p18Cdk6K-cyclin complex,not only does the K-cyclin fail to carry out most of these conformational changes but p1
23、8 causes the misalignment of additional residues involvedin ATP binding and catalysis.,Structure of the Cdk6K-cyclin interface,(A)The PSTAIRE helix of Cdk6 is a central feature of the Cdk6K-cyclin interface.Theviewpoint shown corresponds approximately to that in B.Three sets of interactions are show
24、n:hydrogen bonds between the Cdk6main-chain preceding the PSTAIRE helix and the conserved LysGlu pair of K-cyclin(K106,E135);the conserved Ile 59 of Cdk6 inserts into a hydrophobic pocket in K-cyclin;residues at the end of the PSTAIRE helix,one turn longer in Cdk4 and Cdk6 than in Cdk2,interact with
25、 residues on the N-terminal helix of K-cyclin and may play a role in cyclinCDK specificity.(B)Surface representation of p18Cdk6K-cyclin complex illustrating the minimal interactions between K-cyclin and the Cdk6 C lobe.p18 is colored yellow,theCdk6 N lobe is cyan,the Cdk6 C lobe is blue,and the K-cy
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- 关 键 词:
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