結構生物化學/結合

配體結合

一般資訊

蛋白質的其中一個功能是將不同的分子結合在一起。一個配體是一種被蛋白質識別並能夠與靶蛋白結合的分子。配體與蛋白質結合的位點稱為配體結合位點。蛋白質上的配體結合位點非常靈活，使得配體更容易與其結合。配體結合位點與與其結合的蛋白質互補。不出所料，形狀在配體與蛋白質的匹配中起著重要作用。除此之外，配體和蛋白質的電荷也起著作用。

與配體結合位點類似，活性位點是蛋白質表面上的一個空腔，酶與其結合。活性位點周圍是與將進行反應的酶具有最高親和力的氨基酸。同樣，氨基酸的形狀、電荷和極性會影響酶的結合效應。

有三種關於酶如何與活性位點結合的模型：鎖和鑰匙模型、誘導契合模型和過渡態模型。鎖和鑰匙模型假設活性位點是酶的完美匹配。這種模型是一種更剛性的模型，不允許活性位點或酶的任何修改。誘導契合模型是鎖和鑰匙模型的衍生模型，仍然假設活性位點是專門為識別一種酶而設計的，但活性位點和酶都是靈活的，並且可以略微修改以創造完美的契合。在過渡態模型中，活性位點與其處於過渡態的酶結合。這有效地降低了反應進行所需的活化能。

注意：上面是一個磷酸結合蛋白

總之，影響酶結合能力的蛋白質特性有其靈活度、互補性、表面和非共價力。靈活性使結合位點和酶更容易匹配。互補性和表面是影響酶對結合位點特異性的重要因素。可以假設使用共價力，因為它們能夠更好地將酶與其活性位點結合。然而，共價鍵的強結合力使得活性位點難以釋放酶。必須牢記酶不會永遠與活性位點結合，因此非共價力最適合輕鬆識別底物並釋放它。

結合位點的性質
1. 通常具有比平均值更高的暴露疏水錶面
2. 弱相互作用可以導致易於交換的夥伴
3. 水的置換也會驅動結合事件

重複蛋白的配體結合

重複蛋白的獨特結構賦予了它們的功能。它們的表面積與體積之比遠高於典型的球狀蛋白。這一特性使它們非常適合介導蛋白質-蛋白質相互作用並將多個蛋白質組織成功能性複合體。

關於重複蛋白的一個特性是，儘管它們出現在哪個蛋白質中，各個重複和這些蛋白質之間的相對位置都是相同的。當重複蛋白與配體結合時，幾乎不會發生構象變化。科學家已經使用 RMSD（均方根偏差）比較了有和沒有配體結合的不同重複蛋白結構。研究包含 12 個犰狳重複的β-連環蛋白，科學家還發現了一個 Robo 複合體。該複合體有助於昆蟲和脊椎動物的雙側對稱發育。

重複蛋白也與延伸配體結合。這些蛋白質使用多個重複來建立一個延伸的表面積，用於與那些延伸的配體相互作用。這有效地創造了緊密的結合。通常，重複蛋白與延伸的肽或來自靶蛋白的二級結構元素相互作用。

重複蛋白是延伸的這一事實有助於這些蛋白質的不同區域與不同的配體相互作用，從而將它們帶入一個功能性複合體。這種多蛋白結構可以透過多種方式發生。對於一個 Hsp 組織蛋白或 HOP，兩個不同的 TPR（四肽重複模組）集（一個與 Hsp70 結合，另一個與 Hsp90 結合）將伴侶蛋白帶到一起形成一個功能性複合體。

HEAT 重複蛋白

HEAT 重複用於在功能上不同於其核質轉運中平均蛋白的蛋白質中構建多蛋白複合體。核轉運蛋白中的 HEAT 重複形成一個超螺旋，外部凸面有助於核孔蛋白結合，而內部凹面允許與調節蛋白 Ran-GTP 結合。蛋白磷酸酶 2A 或 PP2A 是一種異三聚體蛋白，具有一個支架亞基，可以與不同的 HEAT 重複組的調節和催化亞基結合。複合體的不同版本是存在的，因此 HEAT 結構域內結合的不同重複組是獨立的。一個有趣的事實是，SV40 小 T 抗原透過與與 HEAT 結合的調節亞基競爭來干擾 PP2A 的功能。

通常，當存在多個重複時，一個重複會對具有相同結構元素的結合介面做出貢獻。然而，也有一些例外。當 H2 和 H3 被包裝在螺旋 BCL9（β-連環蛋白）中時，N 末端封端的犰狳重複會形成一個螺旋束。此外，像 TPR、Fis1 這樣的蛋白會與 Mdv1 或 Caf4 蛋白形成複合體。Fis1 的 N 末端 α-螺旋佔據了其 TPR 結構域凹面表面上通常存在的疏水溝。來自靶蛋白的 α-螺旋進入凹面上的第二個疏水溝。然而，非典型的是，與 Caf4 的相互作用以及來自靶蛋白的第二個 α-螺旋與 TPR 結構域的凸面部分結合。最後，用於結合第三個蛋白質的複合表面可以與重複蛋白相互作用。觀察 CSL-Notch-Mastermind 複合體，我們可以看到 Mastermind 同時與 Notch1 和 CSL 相互作用，但當複合體形成時，這兩者都沒有發生大的構象變化。這意味著 Mastermind 區分了來自兩者的複合表面，而不是透過別構誘導與兩者中的任何一個結合。

重複蛋白不僅僅是蛋白質-蛋白質相互作用。越來越多的重複蛋白被發現與配體結合。它們不是專門的摺疊，而是相同的重複和摺疊與許多不同型別的配體結合。一個眾所周知的例子是來自哺乳動物免疫系統的Toll 樣受體或 TLR，它與蛋白質、脂蛋白/肽和核酸結合。HEAT 重複也可以以多種方式結合。它們通常被發現介導蛋白質-蛋白質相互作用，但也可以被發現結合核酸。

蛋白質設計師正在努力製造新的重複蛋白，因為簡單而短的重複蛋白可以使用支架結合許多配體。許多序列比對和結構表徵允許清楚地描述重要的結構和功能殘基。兩種互補的策略正在使用：1- 在現有的重複支架上引入新的結合特異性，以及 2- 建立新的支架，將已知的結合位點嫁接到上面。

多蛋白複合體的組織

重複蛋白的擴充套件、模組化性質允許蛋白質的不同部分用於結合許多不同的配體，然後將它們帶到一起形成功能性複合體。重複蛋白此功能的一個例子是 Hsp 組織蛋白 (HOP)，其中兩組定義的 TPR 模組分別與 Hsp 70 和 Hsp 90 結合，將它們帶到一起形成一個複合體。

通常，當結合涉及多個重複時，每個重複都會使用相同的結構元素來貢獻結合介面。在一個給定的重複蛋白中，其結合介面可以僅由 H1 螺旋或反平行 β 鏈等形成。

研究

重複蛋白質已成為蛋白質設計的關鍵目標。合成新重複蛋白質主要採用兩種策略：1）在現有重複支架上新增新的結合特異性，以及 2）合成新的支架，並將已知的結合位點插入其中。例如，Ank 重複蛋白在第一種策略中得到了廣泛的應用。另一個例子是，透過將 Hsp90 結合殘基嫁接到合成的共識 TPR 支架上，設計了一種 TPR 模組。這一設計創造了一種新的蛋白質，它對 Hsp90 的親和力和特異性比天然 Hsp90 共伴侶蛋白更高。這在抗擊乳腺癌方面取得了重大進展。合成更強版本的現有重複蛋白質是第二種策略的應用方式之一。

參考文獻

Grove, Cortajarena 和 Regan。重複蛋白質的配體結合：天然和設計。結構生物學最新觀點，第 18 卷：507–515。2008 年 7 月。