Protein primary structureProtein secondary structureProtein tertiary structureProtein quaternary structure
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Dieses interaktive Diagramm der Proteinstruktur verwendet PCNA als Beispiel. ( PDB : 1AXC )

Die Proteinquartärstruktur [ a ] ist die vierte (und höchste) Klassifizierungsebene der Proteinstruktur . Sie beschreibt die Struktur von Proteinen, die aus zwei oder mehr kleineren Proteinketten (auch Untereinheiten genannt) bestehen. Die Proteinquartärstruktur beschreibt die Anzahl und Anordnung mehrerer gefalteter Proteinuntereinheiten in einem Multiuntereinheitenkomplex . Sie umfasst Organisationen von einfachen Dimeren bis hin zu großen Homooligomeren und Komplexen mit definierter oder variabler Anzahl von Untereinheiten. [ 1 ] Im Gegensatz zu den ersten drei Ebenen der Proteinstruktur besitzen nicht alle Proteine ​​eine Quartärstruktur, da manche Proteine ​​als einzelne Einheiten fungieren. Die Proteinquartärstruktur kann sich auch auf biomolekulare Komplexe von Proteinen mit Nukleinsäuren und anderen Cofaktoren beziehen .

Beschreibung und Beispiele

Viele Proteine ​​sind eigentlich Komplexe aus mehreren Polypeptidketten . Die Quartärstruktur beschreibt die Anzahl und Anordnung der Proteinuntereinheiten zueinander. [ 2 ] Beispiele für Proteine ​​mit Quartärstruktur sind Hämoglobin , DNA-Polymerase , Ribosomen , Antikörper und Ionenkanäle .

Enzyme, die aus Untereinheiten mit unterschiedlichen Funktionen bestehen, werden mitunter als Holoenzyme bezeichnet . Dabei können einige Teile als regulatorische Untereinheiten und der funktionelle Kern als katalytische Untereinheit bekannt sein. Andere Komplexe, die als Multiproteinkomplexe bezeichnet werden , besitzen ebenfalls eine Quartärstruktur. Beispiele hierfür sind Nukleosomen und Mikrotubuli . Veränderungen der Quartärstruktur können durch Konformationsänderungen innerhalb einzelner Untereinheiten oder durch eine Neuorientierung der Untereinheiten zueinander erfolgen. Durch solche Veränderungen, die der Kooperativität und Allosterie in multimeren Enzymen zugrunde liegen, werden viele Proteine ​​reguliert und erfüllen ihre physiologische Funktion.

Die obige Definition folgt einem klassischen Ansatz der Biochemie, der in Zeiten entstand, als die Unterscheidung zwischen einem Protein und einer funktionellen, proteinhaltigen Einheit schwierig war. In jüngerer Zeit spricht man bei der Diskussion der Quartärstruktur von Proteinen von Protein-Protein-Interaktionen und betrachtet alle Proteinverbände als Proteinkomplexe .

Nomenklatur

Die Quartärstruktur dieses Proteinkomplexes würde als Homotrimer bezeichnet werden, da er aus drei identischen kleineren Proteinuntereinheiten (auch Monomere oder Protomere genannt) besteht.

Die Anzahl der Untereinheiten in einem oligomeren Komplex wird durch Namen beschrieben, die auf -mer (griechisch für „Teil, Untereinheit“) enden. Formale und griechisch-lateinische Namen werden üblicherweise für die ersten zehn Typen verwendet und können für bis zu zwanzig Untereinheiten genutzt werden, während höhermolekulare Komplexe in der Regel durch die Anzahl der Untereinheiten gefolgt von -mer beschrieben werden.

  • 13 = Tridekamer
  • 14 = Tetradekamer
  • 15 = Pentadekamera*
  • 16 = Hexadekamer
  • 17 = Heptadekamera*
  • 18 = Oktadekamer
  • 19 = Nonadecamer
  • 20 = Eikosamer
  • 21 = 21-mer
  • 22 = 22-mer
  • 23 = 23-mer*
  • usw.
* Keine bekannten Beispiele

Die kleinste Einheit eines Homo-Oligomers, d. h. eine Proteinkette oder Untereinheit , wird als Monomer, Untereinheit oder Protomer bezeichnet . Letzterer Begriff wurde ursprünglich für die kleinste Einheit hetero-oligomerer Proteine ​​eingeführt, wird aber in der aktuellen Literatur auch für homo-oligomere Proteine ​​verwendet. Die Untereinheiten ordnen sich üblicherweise zyklisch an und bilden so geschlossene Punktgruppen .

Obwohl Komplexe mit mehr als acht Proteinen selten vorkommen, gibt es einige wichtige Ausnahmen. Viruskapside bestehen oft aus Vielfachen von 60 Proteinen. In der Zelle finden sich außerdem verschiedene molekulare Maschinen , wie das Proteasom (vier heptamere Ringe = 28 Untereinheiten), der Transkriptionskomplex und das Spleißosom . Das Ribosom ist wahrscheinlich die größte molekulare Maschine und besteht aus vielen RNA- und Proteinmolekülen.

In manchen Fällen bilden Proteine ​​Komplexe, die sich anschließend zu noch größeren Komplexen zusammenlagern. In solchen Fällen verwendet man Bezeichnungen wie z. B. „Dimer von Dimeren“ oder „Trimer von Dimeren“. Dies kann darauf hindeuten, dass der Komplex in kleinere Subkomplexe dissoziiert, bevor er in Monomere zerfällt. Dies impliziert üblicherweise, dass der Komplex aus verschiedenen Oligomerisierungsschnittstellen besteht. Beispielsweise kann ein tetrameres Protein eine vierzählige Drehachse besitzen, d. h. die Punktgruppensymmetrie 4 oder C₄ . In diesem Fall sind die vier Schnittstellen zwischen den Untereinheiten identisch. Es kann aber auch die Punktgruppensymmetrie 222 oder D₂ aufweisen. Dieses Tetramer besitzt unterschiedliche Schnittstellen und kann in zwei identische Homodimere dissoziieren. Tetramere mit der Punktgruppensymmetrie 222 werden als „Dimer von Dimeren“ bezeichnet. Hexamere mit der Punktgruppensymmetrie 32 werden als „Trimer von Dimeren“ oder „Dimer von Trimeren“ bezeichnet. Daher wird die Nomenklatur „Dimer von Dimeren“ verwendet, um die Punktgruppensymmetrie oder Anordnung des Oligomers unabhängig von Informationen über seine Dissoziationseigenschaften anzugeben.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Oligomeren ist die Frage, ob sie homomer oder heteromer sind. Dies bezieht sich darauf, ob die kleineren Proteinuntereinheiten, aus denen sich der Proteinkomplex zusammensetzt, gleich (homomer) oder verschieden (heteromer) sind. Beispielsweise bilden zwei identische Proteinmonomere ein Homodimer, während zwei verschiedene Proteinmonomere ein Heterodimer bilden.

Strukturbestimmung

Die Quartärstruktur von Proteinen lässt sich mithilfe verschiedener experimenteller Techniken bestimmen, die eine Proteinprobe unter unterschiedlichen Versuchsbedingungen erfordern. Die Experimente liefern häufig eine Schätzung der Masse des nativen Proteins und ermöglichen zusammen mit Kenntnissen über die Massen und/oder die Stöchiometrie der Untereinheiten die Vorhersage der Quartärstruktur mit einer bestimmten Genauigkeit. Aus verschiedenen Gründen ist es nicht immer möglich, die genaue Zusammensetzung der Untereinheiten zu bestimmen.

Die Anzahl der Untereinheiten eines Proteinkomplexes lässt sich häufig durch Messung des hydrodynamischen Molekülvolumens oder der Masse des intakten Komplexes bestimmen, was native Lösungsbedingungen erfordert. Bei gefalteten Proteinen kann die Masse aus ihrem Volumen mithilfe des partiellen spezifischen Volumens von 0,73 ml/g abgeleitet werden. Volumenmessungen sind jedoch weniger zuverlässig als Massenmessungen, da ungefaltete Proteine ​​ein deutlich größeres Volumen aufweisen als gefaltete Proteine. Um festzustellen, ob ein Protein ungefaltet ist oder ein Oligomer gebildet hat, sind zusätzliche Experimente erforderlich.

Gängige Lerntechniken

Direkte Massenmessung intakter Komplexe

Direkte Größenmessung intakter Komplexe

Indirekte Größenmessung intakter Komplexe

Methoden, die die Masse oder das Volumen unter Entfaltungsbedingungen messen ( wie MALDI-TOF- Massenspektrometrie und SDS-PAGE ), sind im Allgemeinen nicht praktikabel, da nicht-native Bedingungen üblicherweise zur Dissoziation des Komplexes in Monomere führen. Sie können jedoch unter bestimmten Umständen anwendbar sein; beispielsweise kann der Experimentator eine SDS-PAGE durchführen, nachdem er den intakten Komplex zuvor mit chemischen Vernetzungsmitteln behandelt hat .

Strukturvorhersage

Zur Vorhersage der Quartärstrukturmerkmale von Proteinen wurden auf Basis ihrer Sequenzinformationen mithilfe verschiedener Modelle der Pseudo-Aminosäurezusammensetzung bioinformatische Methoden entwickelt . [ 2 ] [ 8 ] [ 9 ]

Programme zur Vorhersage der Proteinfaltung, die zur Bestimmung der Proteintertiärstruktur eingesetzt werden, wurden weiterentwickelt, um auch die Proteinquartärstruktur besser vorhersagen zu können. Eine solche Entwicklung ist AlphaFold-Multimer [ 10 ] , das auf dem AlphaFold- Modell zur Vorhersage der Proteintertiärstruktur basiert.

Rolle bei der Zellsignalisierung

Die Quartärstruktur von Proteinen spielt auch in bestimmten zellulären Signalwegen eine wichtige Rolle. Der G-Protein-gekoppelte Rezeptor- Signalweg involviert ein heterotrimeres Protein, das als G-Protein bekannt ist . G-Proteine ​​bestehen aus drei verschiedenen Untereinheiten: G-α, G-β und G-γ. Bei Aktivierung bindet das G-Protein an den G-Protein-gekoppelten Rezeptor und der zelluläre Signalweg wird initiiert. Ein weiteres Beispiel ist der Rezeptor-Tyrosinkinase-(RTK)-Signalweg, der durch die Dimerisierung zweier Rezeptor-Tyrosinkinase-Monomere initiiert wird. Nach der Dimerisierung können die beiden Kinasen sich gegenseitig phosphorylieren und so einen zellulären Signalweg auslösen. [ 11 ]

Protein-Protein-Interaktionen

Proteine ​​können sehr stabile, aber nur vorübergehende Komplexe bilden. Beispielsweise bindet der Ribonuklease-Inhibitor mit einer Dissoziationskonstante von etwa 20 fM an Ribonuklease A. Andere Proteine ​​haben im Laufe der Evolution spezifische Bindungen an ungewöhnliche Bereiche anderer Proteine ​​entwickelt, z. B. an Biotin-Gruppen (Avidin), phosphorylierte Tyrosine ( SH2-Domänen ) oder prolinreiche Segmente ( SH3-Domänen ). Protein-Protein-Interaktionen lassen sich so gestalten, dass bestimmte Oligomerisierungszustände begünstigt werden. [ 12 ]

Intragenische Komplementation

Wenn mehrere Kopien eines von einem Gen kodierten Polypeptids einen quartären Komplex bilden, wird diese Proteinstruktur als Multimer bezeichnet. [ 13 ] Wenn ein Multimer aus Polypeptiden gebildet wird, die von zwei verschiedenen mutierten Allelen eines bestimmten Gens produziert werden, kann das gemischte Multimer eine höhere funktionelle Aktivität aufweisen als die ungemischten Multimere, die von den einzelnen Mutanten gebildet werden. In diesem Fall wird das Phänomen als intragenische Komplementation (auch interallele Komplementation genannt) bezeichnet. Intragenische Komplementation scheint häufig vorzukommen und wurde in vielen verschiedenen Genen in einer Vielzahl von Organismen untersucht, darunter die Pilze Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae und Schizosaccharomyces pombe ; das Bakterium Salmonella typhimurium ; der Bakteriophage T4 [ 14 ] , ein RNA-Virus [ 15 ] und der Mensch. [ 16 ] Die intermolekularen Kräfte, die wahrscheinlich für die Selbsterkennung und die Multimerbildung verantwortlich sind, wurden von Jehle diskutiert. [ 17 ]

Montage

Direct interaction of two nascent proteins emerging from nearby ribosomes appears to be a general mechanism for oligomer formation.[18] Hundreds of protein oligomers were identified that assemble in human cells by such an interaction.[18] The most prevalent form of interaction was between the N-terminal regions of the interacting proteins. Dimer formation appears to be able to occur independently of dedicated assembly machines.

See also

Notes

  1. ^Here quaternary means "fourth-level structure", not "four-way interaction". Etymologically quartary is correct: quaternary is derived from Latin distributive numbers, and follows binary and ternary; while quartary is derived from Latin ordinal numbers, and follows secondary and tertiary. However, quaternary is standard in biology.

References

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