Лекция 1 Общие принципы белок-белковых взаимодействий Специфические и

Лекция 1 Общие принципы белок-белковых взаимодействий. Специфические и неспецифические взаимодействия. Парные взаимодействия; олигомеризация и агрегация белков. Природная самосборка наноразмерных структур. Примеры природных белковых комплексов – гомо- и гетероолигомеры, симметричные гетероолигомеры типа вирусных капсидов, линейные полимеры типа актина. Обзор основных доменов олигомеризации. Инженерия белковых/пептидных комплексов заданной архитектуры.

24 нм 8 нм Диаметр - 7 нм Шаг - 37 нм

БЕЛКОВЫЕ/ПЕПТИДНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ: I. Неспецифические межмолекулярные взаимодействия → “bulk” материалы (пластики, пленки, гели, клеи) II. Специфические межмолекулярные взаимодействия → самособирающиеся наноструктурированные материалы (филаменты, нанотрубки, капсулы, монослои) III. Гибридные материалы (композиты; белки и пептиды как матрица для синтеза небелковых материалов и частиц; белковая и пептидная функционализация небелковых материалов)

Природа белок-белковых взаимодействий: ионные и водородные Glu 64 Asn 15 Asp 3 Arg 27 Thr 6 Glu 46 Arg 25

Природа белок-белковых взаимодействий: гидрофобные Protein C Рецептор

Г. в. – это тенденция углеводородов или липофильных групп образовывать межмолекулярные агрегаты в водных/полярных средах, а также аналогичные внутримолекулярные вз-вия. (…) Причиной данного эффекта следует считать влияние упомянутых углеводородов и липофильных групп на взаимодействия молекул воды. (IUPAC Recommendations, 1994) Конфигурация жидкой воды вокруг гидрофобного ядра: а) 1 молекула размером с CH 4; б) около 100 молекул (сфера радиусом порядка 10 Å). David Chandler (2005) Interfaces and the driving force of hydrophobic assembly. Nature 437, 640 -647

Взаимодействия с участием Trp

π-катионные взаимодействия

Взаимодействия с мостиковыми ионами металла

БЕЛКОВЫЕ/ПЕПТИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ: I. Неспецифические межмолекулярные взаимодействия → “bulk” материалы (пластики, пленки, гели, клеи) II. Специфические межмолекулярные взаимодействия → самособирающиеся наноструктурированные материалы (филаменты, нанотрубки, капсулы, монослои) III. Гибридные материалы (композиты; белки и пептиды как матрица для синтеза небелковых материалов и частиц; белковая и пептидная функционализация небелковых материалов)

Неспецифические межбелковые взаимодействия Типичный набор нековалентных взаимодействий

Неспецифические межбелковые взаимодействия Пластики Гели Пленки Клеи Губки …

Неспецифическое связывание: пластики казеиновый пластик казеин, высаженный из молока порошок казеина

Желатин – продукт переработки коллагена 1. Щелочной, кислотный или ферментативный гидролиз 2. Экстракция (30→ 90ºС) 3. Сушка, очистка, измельчение Капсулы: желатин 80 -85% вода 15% желатин 35 -45% глицерин 15 -25% вода 40% связующее в фотопленках и фотобумаг

Белковые покрытия и пленки Пленки, покрытия, капсулы: - Зеин кукурузы - Глютен пшеницы - Белки сои - Белки зерен хлопчатника - Whey Protein - Казеин - Белок миофибрилл рыб - Яичный белок - Кератин шерсти - Коллаген и желатин Плюсы белковых материалов: - биодеградируемость - биосовместимость - легко модифицируются - можно менять внешний вид (цвет, блеск и т. п. ) - возможность функц. добавок (антимикробных, сенсорных и т. п. ) Минусы: - гигроскопичность - рост микроорганизмов

Белковые адгезивы в красках, клеях, цементах

Белковые адгезивы в костной ткани

Неспецифическое связывание между филаментами: нанопористые материалы (губки)

Неспецифическое связывание между филаментами: гели The Journal of Neuroscience, April 2, 2008, 28(14): 3814 -3823; doi: 10. 1523/JNEUROSCI. 0143 -08. 2008

Белковые гели vs полисахаридные

Неспецифическое связывание между молекулами и филаментами: гидрогели

БЕЛКОВЫЕ/ПЕПТИДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ: I. Неспецифические межмолекулярные взаимодействия → “bulk” материалы (пластики, пленки, гели, клеи) II. Специфические межмолекулярные взаимодействия → самособирающиеся наноструктурированные материалы (филаменты, нанотрубки, капсулы, монослои) III. Гибридные материалы (композиты; белки и пептиды как матрица для синтеза небелковых материалов и частиц; белковая и пептидная функционализация небелковых материалов)

Специфические парные взаимодействия: антитела VH, CH 1, CH 2, CH 3 Fab паратоп Fc легкие п/п цепи тяжелые п/п цепи V L , CL

Специфические парные взаимодействия: антитела антиген

Protein Sci. 2008 February; 17(2): 261– 270. doi: 10. 1110/ps. 073156708. Copyright © 2008

Специфические парные взаимодействия: рецептор-лиганд Лиганд (гормон) Димерный рецептор мембрана цитоплазма

Низкоспецифичные парные взаимодействия: кальмодулин-мишень г/фоб. бороздка

Самосборка: гомоолигомеры Субъединица Б Субъединица А Регуляторный центр Ось 2 -го порядка Активный центр

Самосборка: гомоолигомеры Ось 3 -го порядка Ось 2 -го порядка

Самосборка: шапероны

Самосборка: актин G-актин (мономер) АТР АDР Актиновый филамент

Самосборка: микротрубочки Диаметр - 25 нм длина 0, 2 -25 мкм + полимеризация тубулин со связанным GТР тубулин со связанным GDP деполимеризация

Самосборка: вирусные капсиды гомо-12 -мер протомер

Специфические взаимодействия: природа та же + геометрическое и электростатическое соответствие Олигомеризация происходит самопроизвольно!!! Поставить клип

Олигомеризация vs агрегация Самопроизвольность Контроль количества мономеров, регуляция Специфические взаимодействия между мономерами Обратимый процесс Растворимый продукт + Самопроизвольность Неконтролируемый процесс Неспецифическое связывание Необратимый процесс (как правило) Нерастворимый продукт (как правило)

Олигомеризация vs агрегация

β-слой

Амилоидный пептид: агрегация за счет пересворачивания в β-структуру

Инженерия наноструктурированных материалов с помощью доменов олиго Олигомеры на основе β-структуры

ные нанофиламенты на основе модифицированного амилоидного пептида

Олигомеры на основе α-спиралей b. ZIP (лейциновая молния)

b. ZIP (лейциновая молния) Leu

Coiled-coil (суперспиральные) олигомеры белок нуклеокапсида вируса TULV Journal of Virology, December 2004, p. 13669 -13677, Vol. 78, No. 24 DOI: 10. 1128/JVI. 78. 24. 13669 -13677. 2004 Copyright © 2004, American Society for Microbiology.

Coiled-coil (суперспиральные) олигомеры Liu J et al. PNAS 2006; 103: 15457 -15462 © 2006

Coiled-coil (суперспиральные) олигомеры Liu J. et. al. PNAS 2004; 101: 16156 -16161 © 2004

Coiled-coil (суперспиральные) олигомеры Природный белок Инженерные белки

Два типа димеризации белка NS 1 вируса гриппа А α-Coiled coil (H 12 N 5) β-слой (H 1 N 1) J Gen Virol 89 (2008), 2359 -2376; DOI 10. 1099/vir. 0. 2008/004606 -0

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации домен димеризации линкер домен димеризации Функциональный модуль

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации H. Dietz et al. , New J. Phys. 9 (2007) 424 doi: 10. 1088/1367 -2630/9/11/424

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации и - функциональные модули и - модули специф. взаимодействия

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации домен димеризации домен тримеризациим линкер Padilla J E

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации Petka et al. , Science 17 July 1998, Vol. 281. no. 5375, pp. 389 - 392 DOI: 10. 1126/science. 281. 5375. 389

Petka et al. , Science 17 July 1998, Vol. 281. no. 5375, pp. 389 - 392 DOI: 10. 1126/science. 281. 5375. 389

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации дигидрофолатредуктаза DHFR нуклеотид=связывающий белок Hint 1 диаметр колец 10 -70 нм

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации Journal of Virology, December 2004, p. 13669 -13677, Vol. 78, No. 24 0022 -538 X/04/$08. 00+0 DOI: 10. 1128/JVI. 78. 24. 13669 -13677. 2004 Copyright © 2004, American Society for Microbiology. All Rights Reserved.

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации © 2006 by National Academy of Sciences Kotch

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации R – Rhu. A тетрамер S – стрептавидин тетрамер бар = 20 нм Ringler et al. , Science 3 October 2003, Vol. 302. no. 5642, pp. 106 - 109 DOI: 10. 1126/science. 1088074

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации Тетраэдрическая клетка Модули димеризации: белок вируса гриппа М 1 Линкер: KALEAQKQK © 2001 by The National Academy of Sciences Padilla J E et al. PNAS 2001; 98: 2217 -2221

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации Wagner D E et al. PNAS 2005; 102:

Инженерные конструкции на основе модулей олигомеризации Филамент Модули димеризации: белок вируса гриппа М 1 карбоксиэстераза Линкер: KDTDS © 2001 by The National Academy of Sciences Padilla J E et al. PNAS 2001; 98: 2217 -2221

Инженерные конструкции на основе графтинга привой (функциональность) Подвой (структурная стабильность)

Конструкции на основе графтинга Inorg Chem. Author manuscript; available in PMC 2008 September 11. Inorg Chem. 2006 December 11; 45(25): 9930– 9940. doi: 10. 1021/ic 052007 t.

Конструкции на основе графтинга Введение сайта связывания Mn 2+ подвой привой Inorg Chem. Author manuscript; available in PMC 2008 September 11. Inorg Chem. 2006 December 11; 45(25): 9930– 9940. doi: 10. 1021/ic 052007 t.

Конструкции на основе графтинга Введение сайта связывания Mn 2+ введенный сайт связывания инженерная пероксидаза / лигниназа Inorg Chem. Author manuscript; available in PMC 2008 September 11. Inorg Chem. 2006 December 11; 45(25): 9930– 9940. doi: 10. 1021/ic 052007 t.

Конструкции на основе графтинга Введение сайта связывания Mn 2+ введенный сайт связывания родной сайт связывания (гем) пероксидаза + сайт связ-ния Mn 2+ из металлофермента лигниназы Inorg Chem. Author manuscript; available in PMC 2008 September 11. Inorg Chem. 2006 December 11; 45(25): 9930– 9940. doi: 10. 1021/ic 052007 t.

Конструкции на основе графтинга Введение сайта узнавания для рецептора Инженерный лиганд Родной лиганд рецептор

Конструкции на основе графтинга Введение сайта узнавания для рецептора Родной лиганд рецептор Инженерный лиганд

Конструкции на основе графтинга Повышение симметрии олигомера за счет введения сайтов димеризации Природные контакты Введенные контакты Grueninger et al. , Science 11 January 2008, Vol. 319. no. 5860, pp. 206 - 209 DOI: 10. 1126/science. 1150421