Kvinarna struktura proteina

Proteinska kvinarna struktura odnosi se na karakteristike proteinskih površina koje su oblikovane evolucijskom adaptacijom na fiziološki kontekst živih ćelija.^[1][2][3][4] Kvinarna struktura je stoga peti nivo složenosti proteina, pored proteinskih primarne, sekundarne, tercijarne i kvartarne strukture. Za razliku od prva četiri nivoa strukture proteina, koji su relevantni za izolovane proteine u razrijeđenim uvjetima, kvinarna struktura proizlazi iz prenatrpanosti ćelijskog konteksta,^[5] u kojem se stalno događaju prolazni susreti između makromolekula.

Da bi obavljali svoje funkcije, proteini često moraju pronaći specifičan pandan za koji će se vezati u relativno dugom susretu. U vrlo pretrpanom citosolu, u kojem se proteini uključuju u ogromnu i složenu mrežu interakcija privlačenja i odbijanja, takva pretraga postaje izazovna, jer uključuje uzorkovanje ogromnog prostora mogućih partnera, od kojih će vrlo mali broj biti produktivan. Rješenje ovog izazova zahtijeva da proteini provedu što manje vremena u svakom susretu, kako bi mogli istražiti veći broj površina, a da istovremeno ovu interakciju čine što intimnijom, pa ako ipak naiđu na pravog partnera, neće ga propustiti.^[6] U tom smislu, kvinarna struktura je rezultanta niza adaptacija prisutnih na površini proteina, koje omogućavaju proteinima da se kreću kroz složenost ćelijskog okruženja.

Rana zapažanja

U smislu s kojim se danas koristi, termin „kvinarna struktura“ pojavio se prvi put u radu McConkeya, 1989. godine.^[7] U svom radu, McConkey izvodi 2D gelove za elektroforezu na ukupni sadržaj proteina u ćelijama hrčka (CHO) i ljudskih (HeLa) ćelija. U 2D eksperimentu s gelnom elektroforezom, koordinate proteina zavise od njegove molekulske težine i njegove izoelektrične tačke. S obzirom na evolucijsku udaljenost između ljudi i hrčaka, i uzimajući u obzir stope evolucije tipake za sisare, očekivalo bi se da se dogodio veliki broj zamjena između hrčaka i ljudi, od kojih bi jedan dio uključivao kiseli (aspartat i glutamat) i bazni (arginin i lizin) ostaci, što rezultira promjenama izoelektrične tačke mnogih proteina. Zapanjujuće je da su ćelije hrčka i ljudske ćelije dale gotovo identične otiske prstiju u eksperimentu, što implicira da se mnogo manje tih zamjena zaista dogodilo. McConkey je u tom radu predložio ^[7] da je razlog zašto se proteini ljudi i hrčaka nisu razlikovali onoliko koliko je očekivao taj što je dodatni selekcijski pritisak morao biti povezan sa mnoge nespecifične “interakcije koje su inherentno prolazne” koje doživljavaju proteini u citoplazmi i koje “konstituišu peti nivo proteinske organizacije”.

Proteinske interakcije i kvinarna struktura

Uprkos grubosti McConkeyjevog eksperimenta, njegova interpretacija rezultata bila je tačna. Umjesto da jednostavno budu hidrofilne, površine proteina su morale biti pažljivo modulirane evolucijom i prilagođene ovoj mreži slabih interakcija, koje se često nazivaju "kvinarne interakcije". Važno je napomenuti da se interakcije protein-protein odgovorne za nastanak kvinarne strukture fundamentalno razlikuju od specifičnih susreta proteina. Potonje su rezultat relativno visoke stabilnosti vezivanja, često povezane s funkcionalno značajnim događajima – od kojih su mnogi već opisani ^[8]– dok se prvi često tumače kao neka pozadinska buka fiziološki neproduktivnih "pogrešnih interakcija" koje kompliciraju interpretaciju proteinskih mreža i treba ih izbjegavati kako bi se normalne ćelijske funkcije mogle nastaviti.^[9][10][11]

Prolazna priroda ovih susreta s proteinima komplikuje proučavanje kvinarne strukture. Zaista, interakcije odgovorne za ovaj gornji nivo organizacije proteina su slabe i kratkotrajne, i stoga ne bi proizvele proteinsko-proteinske komplekse koji bi se mogli izolovati konvencionalnim biohemijskim metodima. Stoga se kvinarna struktura može razumjeti samo in vivo.^[12]

NMR u ćeliji i kvinarna struktura

Unutarćelijska NMR je eksperimentalna tehnika istaknuta u polju istraživanja kvinarne strukture proteina. Fizički princip u ćelijskom NMR mjerenju je identičan onom konvencionalnog protein NMR, ali se eksperimenti oslanjaju na ekspresiju visokih koncentracija proteina sonde, koji bi trebao ostati rastvorljiv i sadržani u ćelijskom prostoru; to unosi dodatne poteškoće i ograničenja. Međutim, ovi eksperimenti daju kritične uvide o unakrsnom razgovoru između proteina sonde i intracelularnog okruženja.

Rani pokušaji upotrebe unutarćelijske NMR za proučavanje kvinarne strukture proteina bili su ometeni ograničenjem uzrokovanim samim fenomenom koji su pokušavali razumjeti. Pokazalo se da mnogi proteini sonde testirani u ovim eksperimentima proizvode široke signale, blizu granice detekcije metoda, kada se mjere unutar ćelija Escherichia coli. Konkretno, činilo se da se ovi proteini prevrću kao da imaju molekulske težine mnogo veće od onih koje odgovaraju njihovoj veličini. Činilo se da ova zapažanja ukazuju na to da su se proteini lijepili za druge makromolekule, što bi dovelo do loših svojstava relaksacije svojstava.^[13]

Ostali unutarćelijski NMR eksperimenti u ćelijama pokazali su da se pojedinačne aminokiselinske promjene površinskih ostataka mogu koristiti za dosljednu modulaciju prevrtanja tri različita proteina unutar bakterijskih ćelija.^[14] Pokazalo se da nabijeni i hidrofobni ostaci imaju najveći uticaj na unutarćelijsku mobilnost proteina. Konkretno, negativno nabijeni proteini bi se brže smanjivali u poređenju sa gotovo nultim ili pozitivno nabijenim proteinima. Nasuprot tome, prisustvo mnogih hidrofobnih ostataka na površini proteina bi usporilo unutarćelijsko prevrtanje proteina. Pokazalo se da proteinski dipolni moment, mjera razdvajanja naboja preko proteina, ima značajan doprinos mobilnosti proteina, gdje bi visoki dipolni momenti bili u korelaciji sa sporijim prevrtanjem.