Eiwitdynamiek

Eiwitdynamiek (Engels: protein dynamics) beschrijft de interne bewegingen en conformatie-veranderingen die eiwitten ondergaan tijdens hun functioneren. Hoewel eiwitten vaak worden voorgesteld als vaste structuren die rechtstreeks bepaald worden door hun aminozuurvolgorde, blijkt uit structuurbiologisch en biofysisch onderzoek dat dit een simplistisch beeld is. Eiwitten zijn in werkelijkheid een verzameling van conformaties die onderling in evenwicht staan. Deze veranderingen – die variëren van kleine verschuivingen in zijketens tot grootschalige domeinbewegingen – spelen een cruciale rol in de biologische functie van eiwitten, waaronder enzymatische katalyse, moleculaire herkenning en allosterische regulatie.

Animatie van kinesine: een moleculaire motor die door dynamische conformationele veranderingen langs microtubuli ‘loopt’ op nanoschaal

Bewegingen binnen eiwitten vinden plaats over verschillende lengteschalen (van ångströms tot nanometers) en tijdsschalen (van picoseconden tot vele seconden). Tijdens allosterie is er bijvoorbeeld sprake van relatief langzame domeinbewegingen over nanometerschaal.^[1] Om eiwitdynamiek te bestuderen, maken onderzoekers gebruik van een combinatie van experimentele technieken, zoals NMR-spectroscopie, röntgendiffractie en cryo-EM, en van computationele modellen zoals MD-simulaties.

Analyse van eiwitdynamiek omvat zowel kinetische aspecten – de snelheden en routes van overgang tussen toestanden – als thermodynamische aspecten, zoals de relatieve stabiliteit en populatieverdeling van deze toestanden. Deze twee invalshoeken worden vaak geïntegreerd via het concept van het 'energielandschap', waarin de mogelijke conformaties van een eiwit worden voorgesteld als valleien gescheiden door energiebarrières. De diepte van een vallei weerspiegelt de stabiliteit van een conformatie; de hoogte van de barrière bepaalt hoe waarschijnlijk en hoe snel een overgang naar een andere toestand plaatsvindt.^[2]

Lokale flexibiliteit

Eiwitten zijn dynamische moleculen, zelfs in hun gevouwen toestand. De beweging op atoomschaal, dus van atomen of afzonderlijke zijketens binnen het eiwitmolecuul, worden lokale bewegingen genoemd. Ze komen voort uit stochastische fluctuaties van chemische bindingen en bindingshoeken. Zijketens van aminozuren kunnen ook tussen afzonderlijke discrete energieminima springen: conformatie-isomeren (rotamers).^[3][4]

Bewijs voor lokale flexibiliteit wordt vaak verkregen uit NMR-spectroscopie. Flexibiliteit in gevouwen eiwitten kan worden geïdentificeerd door de kernspinrelaxatie van individuele atomen in het eiwit te analyseren. Flexibiliteit kan ook worden waargenomen in electron density maps door middel van röntgenkristallografie,^[5] vooral wanneer de diffractiegegevens worden verzameld bij kamertemperatuur in plaats van bij de traditionele cryogene temperatuur (meestal nabij 100 K).^[6] Informatie over de frequentieverdeling en dynamiek van lokale eiwitflexibiliteit kan worden verkregen met behulp van Raman- en optische Kerr-effectspectroscopie.^[7]

Regionale flexibiliteit

Interacties tussen aminozuurresiduen in het eiwit katalase. Aminozuren binnen een gevouwen eiwitketen kunnen elkaar aantrekken of afstoten via waterstofbruggen, vanderwaalskrachten en elektrostatische interacties.

In een gevouwen eiwit liggen de aminozuurresiduen, dat wil zeggen de individuele aminozuurbouwstenen in de eiwitketen, vaak dicht bij elkaar. Dit kunnen residuen zijn die naast elkaar liggen in de primaire sequentie, of door vouwing van de polypeptideketen bij elkaar worden gebracht. De aminozuurresiduen kunnen elkaar afstoten of aantrekken door fysisch-chemische interacties zoals waterstofbruggen, ionische bindingen, vanderwaalskrachten en elektrostatische interacties. Deze interacties bepalen de interne beweeglijkheid van het eiwit als geheel.

Regionale flexibiliteit is het meest uitgesproken bij residuen aan het oppervlak (surface-exposed residues), die vaak zeer verschillende conformaties aannemen in kristalstructuren. Conformationele variatie komt ook voor binnen secundaire structuurelementen.^[8] In α-helices vinden vaak interacties plaats tussen residuen die vier posities van elkaar verwijderd zijn in de primaire sequentie. In β-sheets wijzen residuen die twee posities van elkaar liggen meestal met hun zijketens naar dezelfde kant, waardoor ze dicht genoeg bij elkaar liggen om sterische interacties aan te gaan – net als residuen op aangrenzende strengen van dezelfde β-sheet. Sommige van deze conformationele veranderingen worden veroorzaakt door posttranslationele modificaties van de eiwitstructuur, zoals fosforylering en methylering.^[8][9]

Globale flexibiliteit: beweging van domeinen

Gesimuleerde domeinbewegingen in trypsine. De scharniervoorspellingen zijn blauw (residu 23-28) en rood (residu 175-182) gekleurd. Het groen gekleurde gebied is het actieve centrum.

Eiwitten bestaan vaak uit meerdere domeinen — afzonderlijke, gevouwen eenheden binnen één eiwitketen — en deze opbouw zorgt voor relatief veel flexibiliteit. De bewegingen van deze domeinen ten opzichte van elkaar, ook wel domain dynamics genoemd, kunnen een belangrijke rol spelen in de functie van het eiwit. Zulke bewegingen zijn op verschillende manieren te bestuderen: direct met spectroscopische technieken, of indirect door simulaties zoals moleculaire dynamica of door het vergelijken van verschillende kristalstructuren van hetzelfde eiwit. Dergelijke domeinbewegingen blijken een rol te hebben in uiteenlopende processen, waaronder enzymatische katalyse, transport van moleculen door membranen, signaaltransductie (mechanotransductie), beweging van motoreiwitten, en de vorming van eiwitcomplexen.^[1]

Een bekend voorbeeld van een grote domeinbeweging is te vinden in het enzym pyruvaatfosfaat-dikinase, waar een domein 'draait' om een fosfaatgroep van het ene actieve centrum naar het andere te brengen — een beweging van ongeveer 100 graden over een afstand van 45 ångström.^[10]

In veel enzymen sluit een domein zich over een ander om een substraat, een proces dat bekend staat als induced fit. Dit fenomeen is van belang voor het de reactieomgeving. Domeinbewegingen kunnen grofweg worden onderverdeeld in twee typen: een 'scharnierbeweging', waarbij domeinen als een deur openen of sluiten, en een 'schuifbeweging', waarbij domeinen langs elkaar glijden. Meestal zijn het slechts kleine delen van het eiwit, zoals de verbindingsstukken tussen domeinen en enkele zijketens, die daadwerkelijk van conformatie veranderen bij deze bewegingen.^[11]