结构生物化学/结合

配体结合

一般信息

蛋白质的其中一个功能是将不同的分子结合在一起。一个配体是一种被蛋白质识别并能够与靶蛋白结合的分子。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，使得配体更容易与其结合。配体结合位点与与其结合的蛋白质互补。不出所料，形状在配体与蛋白质的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，酶与其结合。活性位点周围是与将进行反应的酶具有最高亲和力的氨基酸。同样，氨基酸的形状、电荷和极性会影响酶的结合效应。

有三种关于酶如何与活性位点结合的模型：锁和钥匙模型、诱导契合模型和过渡态模型。锁和钥匙模型假设活性位点是酶的完美匹配。这种模型是一种更刚性的模型，不允许活性位点或酶的任何修改。诱导契合模型是锁和钥匙模型的衍生模型，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，并且可以略微修改以创造完美的契合。在过渡态模型中，活性位点与其处于过渡态的酶结合。这有效地降低了反应进行所需的活化能。

注意：上面是一个磷酸结合蛋白

总之，影响酶结合能力的蛋白质特性有其灵活度、互补性、表面和非共价力。灵活性使结合位点和酶更容易匹配。互补性和表面是影响酶对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。然而，共价键的强结合力使得活性位点难以释放酶。必须牢记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释放它。

结合位点的性质
1. 通常具有比平均值更高的暴露疏水表面
2. 弱相互作用可以导致易于交换的伙伴
3. 水的置换也会驱动结合事件

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之比远高于典型的球状蛋白。这一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体。

关于重复蛋白的一个特性是，尽管它们出现在哪个蛋白质中，各个重复和这些蛋白质之间的相对位置都是相同的。当重复蛋白与配体结合时，几乎不会发生构象变化。科学家已经使用 RMSD（均方根偏差）比较了有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，科学家还发现了一个 Robo 复合体。该复合体有助于昆虫和脊椎动物的双侧对称发育。

重复蛋白也与延伸配体结合。这些蛋白质使用多个重复来创建一个延伸的表面积，用于与那些延伸的配体相互作用。这有效地创造了紧密的结合。通常，重复蛋白与延伸的肽或来自靶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质的不同区域与不同的配体相互作用，从而将它们带入一个功能性复合体。这种多蛋白结构可以通过多种方式发生。对于一个 Hsp 组织蛋白或 HOP，两个不同的 TPR（四肽重复模块）集（一个与 Hsp70 结合，另一个与 Hsp90 结合）将伴侣蛋白带到一起形成一个功能性复合体。

HEAT 重复蛋白

HEAT 重复用于在功能上不同于其核质转运中平均蛋白的蛋白质中构建多蛋白复合体。核转运蛋白中的 HEAT 重复形成一个超螺旋，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，可以与不同的 HEAT 重复组的调节和催化亚基结合。复合体的不同版本是存在的，因此 HEAT 结构域内结合的不同重复组是独立的。一个有趣的事实是，SV40 小 T 抗原通过与与 HEAT 结合的调节亚基竞争来干扰 PP2A 的功能。

通常，当存在多个重复时，一个重复会对具有相同结构元素的结合界面做出贡献。然而，也有一些例外。当 H2 和 H3 被包装在螺旋 BCL9（β-连环蛋白）中时，N 末端封端的犰狳重复会形成一个螺旋束。此外，像 TPR、Fis1 这样的蛋白会与 Mdv1 或 Caf4 蛋白形成复合体。Fis1 的 N 末端 α-螺旋占据了其 TPR 结构域凹面表面上通常存在的疏水沟。来自靶蛋白的 α-螺旋进入凹面上的第二个疏水沟。然而，非典型的是，与 Caf4 的相互作用以及来自靶蛋白的第二个 α-螺旋与 TPR 结构域的凸面部分结合。最后，用于结合第三个蛋白质的复合表面可以与重复蛋白相互作用。观察 CSL-Notch-Mastermind 复合体，我们可以看到 Mastermind 同时与 Notch1 和 CSL 相互作用，但当复合体形成时，这两者都没有发生大的构象变化。这意味着 Mastermind 区分了来自两者的复合表面，而不是通过别构诱导与两者中的任何一个结合。

重复蛋白不仅仅是蛋白质-蛋白质相互作用。越来越多的重复蛋白被发现与配体结合。它们不是专门的折叠，而是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来自哺乳动物免疫系统的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。它们通常被发现介导蛋白质-蛋白质相互作用，但也可以被发现结合核酸。

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。两种互补的策略正在使用：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上面。

多蛋白复合体的组织

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，然后将它们带到一起形成功能性复合体。重复蛋白此功能的一个例子是 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一个复合体。

通常，当结合涉及多个重复时，每个重复都会使用相同的结构元素来贡献结合界面。在一个给定的重复蛋白中，其结合界面可以仅由 H1 螺旋或反平行 β 链等形成。

研究

重复蛋白质已成为蛋白质设计的关键目标。合成新重复蛋白质主要采用两种策略：1）在现有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 重复蛋白在第一种策略中得到了广泛的应用。另一个例子是，通过将 Hsp90 结合残基嫁接到合成的共识 TPR 支架上，设计了一种 TPR 模块。这一设计创造了一种新的蛋白质，它对 Hsp90 的亲和力和特异性比天然 Hsp90 共伴侣蛋白更高。这在抗击乳腺癌方面取得了重大进展。合成更强版本的现有重复蛋白质是第二种策略的应用方式之一。

参考文献

Grove, Cortajarena 和 Regan。重复蛋白质的配体结合：天然和设计。结构生物学最新观点，第 18 卷：507–515。2008 年 7 月。