结构生物化学/结合

配体结合

一般信息

蛋白质 的功能之一是将不同的分子结合在一起。一个 配体 是一个被蛋白质识别的分子，能够与目标蛋白结合。配体与蛋白质结合的位点称为配体结合位点。蛋白质上的配体结合位点非常灵活，使配体更容易与其结合。配体结合位点与其结合的蛋白质互补。正如预期的那样，形状在将配体与蛋白质匹配中起着重要作用。除此之外，配体和蛋白质的电荷也起着作用。

与配体结合位点类似，活性位点是蛋白质表面上的一个空腔，酶会与之结合。活性位点周围环绕着对将进行反应的酶具有最高亲和力的氨基酸。再次，氨基酸的形状、电荷和极性会影响酶的结合作用。

关于 酶 如何与活性位点匹配，有三种模型：锁和钥匙模型、诱导契合模型和过渡态模型。锁和钥匙模型假定活性位点是酶的完美匹配。该模型是一个更刚性的模型，不允许活性位点或酶进行任何修改。诱导契合模型是锁和钥匙模型的派生模型，它仍然假设活性位点是专门为识别一种酶而设计的，但活性位点和酶都是灵活的，可以略微修改以创建完美匹配。在过渡态模型中，活性位点以其过渡态结合酶。这有效地降低了反应所需的活化能。

注意：上面是一个磷酸盐结合蛋白

总之，影响酶与之结合能力的蛋白质的性质是它的灵活性和互补性、表面和非共价力。灵活性允许结合位点和酶之间更容易匹配。互补性和表面是促进酶与结合位点特异性的重要因素。可以假设使用共价力，因为它们能够更好地将酶与其活性位点结合。但是，共价键的强结合力使活性位点难以释放酶。必须记住，酶不会永远与活性位点结合，因此非共价力最适合轻松识别底物并将其释放。

结合位点的性质
1. 通常具有高于平均暴露疏水表面的数量
2. 弱相互作用会导致易于交换的伙伴
3. 水的置换也驱动结合事件

重复蛋白的配体结合

重复蛋白的独特结构赋予了它们的功能。它们的表面积与体积比远高于典型的球状蛋白。这种特性使它们非常适合介导蛋白质-蛋白质相互作用并将多个蛋白质组织成功能性复合物。

重复蛋白的一个特性是，无论这些蛋白出现在哪个蛋白中，各个重复和这些蛋白之间的相对位置都是相同的。当重复蛋白与配体结合时，几乎没有或根本没有构象变化。科学家使用 RMSD 或均方根偏差比较了有配体结合和没有配体结合的不同重复蛋白结构。研究包含 12 个犰狳重复的 β 连环蛋白，科学家还发现了 Robo 复合物。这种复合物有助于发展昆虫和脊椎动物的双侧对称性。

重复蛋白也与延伸配体结合。这些蛋白利用多个重复创造一个扩展的表面区域，以与那些延伸配体相互作用。这有效地创造了紧密的结合。通常，重复蛋白与延伸的肽或目标蛋白的二级结构元素相互作用。

重复蛋白是延伸的，这一事实有助于这些蛋白的不同区域与不同的配体相互作用，从而将两者带入功能性复合物。这种多蛋白结构有很多方式。对于 Hsp 组织蛋白或 HOP，两组不同的 TPR 或四肽重复模块（一个与 Hsp70 结合，另一个与 Hsp90 结合）将伴侣蛋白带到一起形成功能性复合物。

HEAT 重复蛋白

HEAT 重复用于在蛋白质中构建多蛋白复合物，这些蛋白质在它们的核质运输中与平均蛋白质的功能不同。核输入蛋白中的 HEAT 重复形成超螺旋，外部凸面有助于核孔蛋白结合，而内部凹面允许与调节蛋白 Ran-GTP 结合。蛋白磷酸酶 2A 或 PP2A 是一种异三聚体蛋白，具有一个支架亚基，用于结合不同 HEAT 重复集的调节亚基和催化亚基。复合物的不同版本存在，因此 HEAT 结构域中结合的不同重复集是独立的。一个有趣的事实是，SV40 小 T 抗原通过与调节亚基竞争来干扰 PP2A 的功能，而调节亚基与 HEAT 结合。

通常，当存在多个重复时，一个重复会贡献一个具有相同结构元素的结合界面。然而，也有一些例外。当 H2 和 H3 包含在螺旋 BCL9（β 连环蛋白）中时，由 N 端封盖的犰狳重复形成螺旋束。同样，像 TPR、Fis1 这样的蛋白质与 Mdv1 或 Caf4 蛋白形成复合物。Fis1 的 N 端 α 螺旋占据了其 TPR 结构域凹面表面上通常发现的疏水沟。来自目标蛋白的 α 螺旋进入凹面上的第二个疏水沟。然而，非典型的是，Caf4 和来自目标蛋白的第二个 α 螺旋与 TPR 结构域的凸面部分结合的相互作用。最后，用于结合第三个蛋白质的复合表面可能与重复蛋白相互作用。看一下 CSL-Notch-Mastermind 复合物，我们看到 Mastermind 与 Notch1 和 CSL 同时相互作用，但当复合物形成时，它们都不会发生大的构象变化。这意味着 Mastermind 区分复合表面而不是通过变构诱导与任一表面结合。

重复蛋白不仅进行蛋白质-蛋白质相互作用。越来越多的重复蛋白被发现与配体结合。而不是专门的折叠，相同的重复和折叠与许多不同类型的配体结合。一个众所周知的例子是哺乳动物免疫系统中的 Toll 样受体或 TLR，它与蛋白质、脂蛋白/肽和核酸结合。HEAT 重复也可以以多种方式结合。它们通常存在于干预的蛋白质-蛋白质相互作用中，但也可以发现它们与核酸结合。

蛋白质设计师正在努力制造新的重复蛋白，因为简单而短的重复蛋白可以使用支架结合许多配体。许多序列比对和结构表征允许清楚地描述重要的结构和功能残基。正在使用两种互补策略：1- 在现有的重复支架上引入新的结合特异性，以及 2- 创建新的支架，将已知的结合位点嫁接到这些支架上。

多蛋白复合物的组织

重复蛋白的扩展、模块化性质允许蛋白质的不同部分用于结合许多不同的配体，然后将它们结合在一起形成功能性复合物。重复蛋白这种功能的一个例子是 Hsp 组织蛋白 (HOP)，其中两组定义的 TPR 模块分别与 Hsp 70 和 Hsp 90 结合，将它们带到一起形成复合物。

通常，当结合涉及多个重复时，每个重复都以相同的结构元素贡献到结合界面。在给定的重复蛋白中，它的结合界面可以仅由 H1 螺旋、或反平行 β 链等形成。

研究

重复蛋白已成为蛋白质设计的关键目标。合成新的重复蛋白主要采用两种策略：1) 在现有的重复支架上添加新的结合特异性，以及 2) 合成新的支架，并将已知的结合位点插入其中。例如，Ank 重复在第一种策略中得到广泛应用。在另一个例子中，通过将 Hsp90 结合残基嫁接到合成的共识 TPR 支架上，设计了一个 TPR 模块。这创造了一种新的蛋白质，它对 Hsp90 的亲和力和特异性高于天然 Hsp90 共伴侣。这对抗击乳腺癌具有重大意义。合成现有重复蛋白的更强版本是第二种策略的一种应用方式。

参考文献

Grove, Cortajarena, and Regan. 重复蛋白的配体结合：天然和设计. 结构生物学现状, 18:507–515. 2008 年 7 月.