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神奇的设计-体现生命活力的“马达” 系列之18

已有 4540 次阅读 2022-9-24 15:17 |个人分类:先哲也闲着|系统分类:科普集锦

  “生命在于运动”! 而“运动”将意味着“做功”和“位移”,“细胞”是生命的基本单位,那么“细胞”是如何表现出“生命运动”能力的? 为此,“生命”设计了“分子引擎”或“分子马达”以做分子驱动器。此外,生物化学研究发现,生命的中间物质代谢最直接的收益之一是“获取能量”,为此生命选择了四种核糖三磷酸中的“ATP”作为能量的载体,而又补选了“GTP”和”ATP" 分子一起用于“驱动”分子马达的“燃料”。

   在生命界,能结合和水解ATP 和GTP(三磷酸核苷)的分子马达被“安装”在特定的蛋白质机器上,它们参与生命运动的几乎所有方面。那么这些“分子马达”是如何设计的?

   研究发现,上述利用ATP和GTP以及其他三磷酸核苷的分子马达有着一脉相承的分子设计思路。通常由几个beta-p片层(beta-sheet)作为“建构元件”折叠出相对保守的beta-Sheet Fold。

当前研究的最多的有以下5大类:


1、二核苷(辅酶)结合的“Rossmann fold”

   Rossmann 折叠 以首报者Michael G. Rossmann的姓氏命名,常见拓扑折叠为“ beta-alpha-beta”折叠(fold),有些则为“beta-alpha-beta-alpha-beta” 折叠, 这些折叠俗称“dinucleotide-binding fold”(图1) 。这里的二核苷主要为作为辅酶的FAD、 NAD和 NADP等(作为辅酶,coenzyme,参与中间代谢的催化反应)。 其中与FAD结合的基序为 “Gly-x-Gly-x-x-Gly”,而与NADP结合的基序为“Gly-x-Gly-x-x-Ala”,前者羧基端(C端)为Gly,后者相应部位对应的氨基酸为Ala,两者只差一个氨基酸残基。属于这类折叠类型的还有微管蛋白/FtsZ折叠(这类蛋白基本与细胞骨架,细胞运动,细胞分裂有关);


Rossmann fold.jpg

图1 典型的Rossmann 折叠


2、单核苷酸结合折叠(mononucleotide - binding fold P-loop NTPases fold)

 

 2.1 概论


   这类折叠是利用ATP和GTP的ATPase和GTPase的折叠 (图2、图3)。P-loop NTPase 为大多数细胞生物中数量最多的蛋白质折叠,估计占所有基因产物的10%~18%。从结构上看,P-loop NTPases属于一种alpha/beta蛋白(与Rossmann fold 中的"beta-alpha-beta "和"beta-alpha-beta-alpha-beta"折叠有差别),它含定期重复出现的alpha-beta蛋白质二级结构单位,其中beta 链(beta-sheet)平行排布成一个中心结构的大部分,两侧则被alpha-helices包围。在序列水平上,P-loop NTPase 折叠以N末端Walker A基序为特征,该基序由位于一个beta-片层和一个alpha-螺旋之间的“活动环”组成,通常由GxxxxGK[ST]序列模式(基序),负责正确定位与之结合的核苷酸的三磷酸部分。位于远端的Walker B基序中有一个保守的酸性氨基酸,天冬氨酸,或不太常见的是谷氨酸残基,此氨基酸残基位于一个beta-片层的末端,与水分子“桥联”的Mg离子结合(见前文)。


RecA like fold.jpg

图2 RecA样 折叠 P-loop


    根据不同的序列和结构特征,可以把P-loop NTPase 折叠至少分做7个主要进化系谱,包括:(1)RecA和F1/F0相关的ATP酶(图2、4);(2)核酸依赖性的ATP酶,包括DNA和RNA解旋酶、染色质重塑有关的Swi2,以及PhoH 样ATP酶;(3)AAA+ ATP酶;(4)MJ/PH/AP/NACHT NTPases;(5) ABC菌毛ATP酶;(6)核苷酸激酶;和(7)GTPase。在空间结构上,P-loop NTPases又可分为两组,一组包括核苷酸激酶和GTPases,其中通向P-loop的片层与Walker B所在的片层直接相邻;另一组则包括AAA+、ABC、SF1/2解旋酶和RecA/F1 ATP酶,其P-loop片层Walker B所在片层之间有一条额外的片层。


GTPase Ploop.jpg

图3 出现在GTPase 折叠

RecA.jpg

图4 大肠杆菌依赖ATP的RecA蛋白

   RecA样折叠与RecA(原核)、Rad51(真核)等的ATP结合和水解中心在拓扑结构上类似,均含有Walker A和Walker B 等基序及相关的二级结构。


2.2 单核苷酸结合折叠(mononucleotide - binding fold P-loop NTPases fold)基序特征


    迄今已经了解到与ATP和GTP结合的氨基酸基序几乎可以确定只有Walker A基序(Walker A,也称为P环)和Walker B基序(图5),及通常紧随Walker B基序的C基序(Signature motif)和依据ATP结合与否联系Walker A和Walker B基序的"开关"(switch)基序,其中:


(1)Walker A 基序

      WalkerA基序由“GxxxGxGKS”或“GxxGxGKT”氨基酸序列。字母“x”可以代表任何氨基酸。在结构上, Walker A基序含有一个α-螺旋,其后是一个富含甘氨酸的环,P环(P-loop);Walker A基序中的赖氨酸(“GKS”或“GKT”中的“K”)侧链“残基”,对ATP的结合至关重要。当与ATP结合时,赖氨酸(K)残基与ATP分子内的两个磷酸基团中的氧原子(O)形成氢键(Hydrogen bond),因此,赖氨酸残基在ATP结合部位决定ATP的“距离”和方向。

(2)Walker B 基序

    Walker B 基序的一级氨基酸序列是“hhhhD”,其中“h”(Hydrophobic)代表任何疏水性氨基酸;“hhhhD”序列在蛋白质二级结构层面形成一条β链(β-sheet),一个walker B 中约有100个左右的氨基酸残基,相当于20个左右“hhhhD”,这些基序连接呈肽序列。其中的 “D”(天冬氨酸)作为ATP水解反应过程中“攻击”ATP的一个亲核基团。在结构上,这种walker B 基序多形成α-螺旋结构域。


condensin.jpg

图5 SMCwalker A和B 此为压缩

      无论其功能,几乎所有需要与ATP结合、水解以“产生” 位移或机械力的蛋白质,包括含有RecA样折叠(RecA-like fold,见本系列有关专题讨论)DNA解旋酶、负责物质过膜的ABC(ATP binding transporter),以及含有ATP依赖的AAA+(及子家族AAA)结构域的SMC蛋白均含有walker A和walker B, 如前面介绍的Cohesin、Condensin、MRE( Rad50)、SbcCD等等(上图是原核和真核生物与染色质压缩有关的Condensin)均依赖Walker A和Walker B基序。


(3)C基序

    C基序,也称为签名(Signature motif)基序、LSGGQ基序或连接肽,具有LSGGQQQ/R/KQR的一级氨基酸序列。紧随Walker B基序之后,是一种“标志性”基序;当Walker B结合ATP后,通过C基序“通知” Walker A基序。

(4)开关基序

   已有的发现表明,开关基序常位于ATP结合蛋白中β4链的末端。其中的组氨酸残基对于稳定Walker A和Walker B二聚体,及稳定ATP的结合必不可缺。

  由于Walker A和Walker B的一级序列中可以使用多种不同的氨基酸,序列中的非变异氨基酸高度保守。任何这些氨基酸的突变都会影响与ATP或影响ATP酶(ATPase)的催化活性。这些基序中的保守氨基酸序列决定了每个ATP结合基序的三维结构,因此不能随意改变。

   有意思的是,无论原核还是真细胞内均存在着GTPase, 它们类似于此文述及的ATPase, 只是GTPase 与GTP结合发挥功能,水解GTP成GDP和一个无机磷酸,GTPase依然与GDP结合,不能发挥GTPase活性,直到其GDP被GTP替换。大多数GTPases中,鸟嘌呤碱基相对于其他核苷酸的特异性由碱基识别基序"[N/T]KXD"赋予。一些GTPase中的碱基识别基序发生突变,则改变了其识别GTP/GDP底物的特异性,通常由识别GTP改为识别ATP。这表明,历史上有可能通过识别序列部位的基因突变的难易决定了ATP被最终选为"生命的货币", 而除了关键反应过程中的是GTPase外,最终越来越多的过程需要ATP的一种可能原因(图 6、7)。


ATP s.jpg

图6 一种不被水解或很难水解的ATP-S

ATP.jpg

图7 经典的ATP分子

3、蛋白激酶折叠 (protein kinase fold)


   人类基因组包含约500个蛋白激酶基因,占人类基因总数的2%。蛋白激酶通常作用于“启动特定蛋白活性”和通过改变蛋白的其他性质参与“信号传导”。因此,蛋白激酶有别于那些针对脂分子、碳水化合物或其他分子进行磷酸化修饰的激酶。蛋白激酶负责对底物蛋白质分子的特定残基共添加磷酸基团(磷酸化)来改变特定蛋白质的酶活性,或改变其在细胞内的位置或影响其与其他蛋白质的结合。简言之,蛋白激酶催化磷酸化的底物分子基本分为两类,一类是“激活”其活性,一类是“信号传导”。

    依据磷酸化的残基的特异性,可以把蛋白激酶分为以下5类:(1)丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,任务多样,既参与“特定事件”信号,如DNA损伤过程中H2AX磷酸化(见前文),以及参与许多化学信号调节,如第二信使cAMP/cGMP的信号传导,以及二酰甘油和Ca2+/钙调蛋白的运动等等;(2)酪氨酸蛋白激酶,常用于各类生长因子信号的传导;(3)天冬氨酸/谷氨酸蛋白激酶这类激酶的具体参与情况尚无更多报道;(4)组氨酸蛋白激酶,常见于原核生物细胞的双信号传导;(5)丝氨酸/苏氨酸/酪氨酸蛋白激酶,常见于真核细胞内的信号传导/磷酸化链式激活。下图是钙/钙调蛋白依赖针对底物中丝氨酸/苏氨酸磷酸化的激酶折叠


ser-thre.jpg

图 8 钙/钙调蛋白依赖蛋白激酶


4、组氨酸激酶/HSP90/TopoII折叠

   共存于组氨酸激酶,(上文第(4))和热休克蛋白90以及II型DNA拓扑异构酶中的折叠

5、HSP70/RNAseH折叠

  存在于热休克蛋白70和与清理RNA:DNA杂交体有关的RNAaseH中的折叠。

以上4和5类折叠与多肽折叠三维空间结构和RNA:DNA非B型结构的处理,属于相对特定功能化的折叠。但这些家族的“折叠”虽然在拓扑结构上存在明显不同于前三个家族的结构特征,但它们依然可以结合和水解嘌呤三磷酸,因此依然属于一类“分子马达”。但鉴于本系列的主旨,故不做详述。




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