Τεταρτοταγής δομή πρωτεΐνης

Τεταρτοταγής δομή πρωτεΐνης είναι ο αριθμός και η διάταξη των πολλαπλών αναδιπλώσεων των πρωτεϊνικών υπομονάδων σε ένα σύμπλεγμα πολλαπλών υπομονάδων. Περιλαμβάνει οργανώσεις από απλά διμερή έως μεγάλα ομοολιγομερή και σύμπλοκα με καθορισμένους ή μεταβλητούς αριθμούς υπομονάδων. Μπορεί επίσης να αναφέρεται σε βιομοριακά σύμπλοκα πρωτεϊνών με νουκλεϊκά οξέα και άλλους συμπαράγοντες.

Περιγραφή και παραδείγματα
Πολλές πρωτεΐνες είναι στην πραγματικότητα συγκροτήματα πολλαπλών αλυσίδων πεπτιδίων. Η τεταρτοταγής δομή αναφέρεται στον αριθμό και τη διάταξη των πρωτεϊνικών υπομονάδων μεταξύ τους. Παραδείγματα πρωτεϊνών με τεταρτοταγή δομή περιλαμβάνουν αιμοσφαιρίνη, DNA πολυμεράση και κανάλια ιόντων.

Τα ένζυμα που αποτελούνται από υπομονάδες με διαφορετικές λειτουργίες ονομάζονται μερικές φορές ολοένζυμα, στα οποία ορισμένα μέρη μπορεί να είναι γνωστά ως ρυθμιστικές υπομονάδες και ο λειτουργικός πυρήνας είναι γνωστός ως καταλυτική υπομονάδα. Άλλα συγκροτήματα που αναφέρονται αντ' αυτού ως πολυπρωτεϊνικά συμπλέγματα διαθέτουν επίσης τεταρτοταγή δομή. Τα παραδείγματα περιλαμβάνουν νουκλεοσώματα και μικροσωληνίσκους. Αλλαγές στην τεταρτοταγή δομή μπορούν να συμβούν μέσω διαμορφωτικών αλλαγών εντός μεμονωμένων υπομονάδων ή μέσω επαναπροσανατολισμού των υπομονάδων μεταξύ τους. Μέσα από τέτοιες αλλαγές, οι οποίες βασίζονται στην συνεργειακότητα και τον αλλοστερισμό στα "πολυμερή" ένζυμα, πολλές πρωτεΐνες ρυθμίζονται και εκτελούν τη φυσιολογική τους λειτουργία.

Ο παραπάνω ορισμός ακολουθεί την κλασική προσέγγιση στη βιοχημεία, που καθιερώθηκε σε περιόδους όπου η διάκριση μεταξύ μιας πρωτεΐνης και μιας λειτουργικής, πρωτεϊνούχου μονάδας ήταν δύσκολο να διευκρινιστεί. Πιο πρόσφατα, γίνεται αναφορά στην αλληλεπίδραση πρωτεΐνης-πρωτεΐνης όταν συζητούν την τεταρτοταγή δομή των πρωτεϊνών και θεωρούν όλες τις διατάξεις των πρωτεϊνών ως πρωτεϊνικά συμπλέγματα.

Ονοματολογία
Ο αριθμός των υπομονάδων σε ολιγομερικό σύμπλοκο περιγράφεται χρησιμοποιώντας ονόματα που τελειώνουν στο -μερές. Τα τυπικά και ελληνο-λατινικά ονόματα χρησιμοποιούνται γενικά για τους πρώτους δέκα τύπους και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για έως και είκοσι υπομονάδες, ενώ τα σύμπλοκα υψηλότερης τάξης περιγράφονται συνήθως από τον αριθμό των υπομονάδων, ακολουθούμενο από το -μερές.

*Δεν υπάρχουν γνωστά παραδείγματα

Αν και παρατηρούνται σπάνια σύμπλοκα υψηλότερα από τα οκταμερή για τις περισσότερες πρωτεΐνες, υπάρχουν μερικές σημαντικές εξαιρέσεις. Τα ιικά καψίδια αποτελούνται συχνά από πολλαπλάσια των 60 πρωτεϊνών. Αρκετές μοριακές μηχανές βρίσκονται επίσης στο κύτταρο, όπως το πρωτεάσωμα (τέσσερις επταμερείς δακτύλιοι = 28 υπομονάδες), το σύμπλεγμα μεταγραφής και το ματίσωμα. Το ριβόσωμα είναι πιθανώς η μεγαλύτερη μοριακή μηχανή και αποτελείται από πολλά μόρια RNA και πρωτεΐνης.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, οι πρωτεΐνες σχηματίζουν σύμπλοκα που στη συνέχεια συγκεντρώνονται σε ακόμη μεγαλύτερα σύμπλοκα. Σε τέτοιες περιπτώσεις, κάποιος χρησιμοποιεί την ονοματολογία, π.χ. "διμερές διμερών" ή "τριμερές διμερών", για να υποδηλώσει ότι το σύμπλοκο μπορεί να διασπαστεί σε μικρότερα υποσυμπλέγματα πριν διασπαστεί σε μονομερή.

Προσδιορισμός
Η τεταρτοταγής δομή πρωτεΐνης μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας ποικιλία πειραματικών τεχνικών που απαιτούν ένα δείγμα πρωτεΐνης σε διάφορες πειραματικές συνθήκες. Τα πειράματα παρέχουν συχνά μια εκτίμηση της μάζας της φυσικής πρωτεΐνης και μαζί με τη γνώση των μαζών και/ή της στοιχειομετρίας των υπομονάδων, επιτρέπουν την πρόβλεψη της τεταρτοταγούς δομής με δεδομένη ακρίβεια. Δεν είναι πάντα δυνατό να ληφθεί ακριβής προσδιορισμός της σύνθεσης υπομονάδας για διάφορους λόγους.

Ο αριθμός των υπομονάδων σε ένα πρωτεϊνικό σύμπλοκο μπορεί συχνά να προσδιοριστεί μετρώντας τον υδροδυναμικό μοριακό όγκο ή μάζα του ανέπαφου συμπλόκου, το οποίο απαιτεί φυσικές συνθήκες διαλύματος. Για αναδιπλωμένες πρωτεΐνες, η μάζα μπορεί να συναχθεί από τον όγκο της χρησιμοποιώντας τον μερικό ειδικό όγκο 0,73 ml/g. Ωστόσο, οι μετρήσεις όγκου είναι λιγότερο ασφαλείς από τις μετρήσεις μάζας, δεδομένου ότι οι ξεδιπλωμένες πρωτεΐνες φαίνεται να έχουν πολύ μεγαλύτερο όγκο από τις διπλωμένες πρωτεΐνες. Απαιτούνται πρόσθετα πειράματα για να προσδιοριστεί εάν μια πρωτεΐνη είναι ξεδιπλωμένη ή έχει σχηματίσει ολιγομερές.

Ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα (Intragenic complementation)
Όταν πολλαπλά αντίγραφα ενός πολυπεπτιδίου που κωδικοποιείται από ένα γονίδιο σχηματίζουν ένα τεταρτοταγές σύμπλοκο, αυτή η πρωτεϊνική δομή αναφέρεται ως πολυμερής.  Όταν ένα πολυμερές σχηματίζεται από πολυπεπτίδια που παράγονται από δύο διαφορετικά μεταλλαγμένα αλληλόμορφα ενός συγκεκριμένου γονιδίου, το μικτό πολυμερές μπορεί να εμφανίζει μεγαλύτερη λειτουργική δραστικότητα από τα μη αναμεμιγμένα πολυμερή που σχηματίζονται από καθένα από τα μεταλλάγματα μόνο του. Σε μια τέτοια περίπτωση, το φαινόμενο αναφέρεται ως ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα (ονομάζεται επίσης διαλληλόμορφη συμπλήρωση). Η ενδογονιδιακή συμπληρωματικότητα φαίνεται να είναι συχνή και έχει μελετηθεί σε πολλά διαφορετικά γονίδια σε μια ποικιλία οργανισμών, συμπεριλαμβανομένων των μυκήτων Neurospora crassa, Saccharomyces cerevisiae και Schizosaccharomyces pombe, του βακτηρίου "Salmonella typhimurium", του ιού βακτηριοφάγου T4, ενός ιού RNA, και ανθρώπων. Οι διαμοριακές δυνάμεις που είναι πιθανώς υπεύθυνες για την αυτο-αναγνώριση και τον σχηματισμό πολυμερών συζητήθηκαν από τον Jehle.

Πρόβλεψη
Μερικές βιοπληροφορικές μέθοδοι αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη των τεταρτοταγών δομικών χαρακτηριστικών των πρωτεϊνών με βάση τις πληροφορίες αλληλουχίας τους χρησιμοποιώντας διάφορους τρόπους ψευδοαμινοξικής σύνθεσης.

Άμεση μέτρηση μάζας ανέπαφων συμπλοκών
 ισορροπία καθίζησης αναλυτικής υπερφυγοκέντρησης
 φασματοφωτομετρία μάζας με ηλεκτροψεκασμό
 φασματομετρικός ανοσοπροσδιορισμός μάζας (Mass Spectrometric Immunoassay ή MSIA)

Άμεση μέτρηση μεγέθους ανέπαφων συμπλόκων
 Στατική σκέδαση φωτός 
 Χρωματογραφία αποκλεισμού μεγέθους (απαιτεί βαθμονόμηση)
 Συμβολομετρία διπλής πόλωσης

Έμμεση μέτρηση μεγέθους ανέπαφων συμπλόκων
 ταχύτητα καθίζησης αναλυτικής υπερφυγοκέντρησης (μετρά τη μεταφορική σταθερά διάχυσης)
 Δυναμική σκέδαση φωτός (dynamic light scattering) (μετρά τη μεταφορική σταθερά διάχυσης)
 Παλμική βαθμίδωση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού πρωτεΐνης (μετρά τη μεταφορική σταθερά διάχυσης)
 Πόλωση φθορισμού (fluorescence polarization) (μετρά την περιστροφική σταθερά διάχυσης)
 Διηλεκτρική χαλάρωση (dielectric relaxation) (μετρά την περιστροφική σταθερά διάχυσης)
 Συμβολομετρία διπλής πόλωσης (μετρά το μέγεθος και την πυκνότητα του συμπλόκου)

Μέθοδοι που μετρούν τη μάζα ή τον όγκο υπό συνθήκες ξεδιπλώματος (όπως MALDI-TOF, φασματομετρία μάζας και SDS-PAGE) γενικά δεν είναι χρήσιμες, καθώς οι μη φυσικές συνθήκες συνήθως προκαλούν τον διαχωρισμό του συμπλόκου σε μονομερή. Ωστόσο, αυτές μπορεί μερικές φορές να εφαρμοστούν. Παραδείγματος χάρη, ο πειραματιστής μπορεί να εφαρμόσει SDS-PAGE μετά την πρώτη επεξεργασία του ανέπαφου συμπλόκου με χημικά αντιδραστήρια διασυνδέσεων.

Αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης
Οι πρωτεΐνες μπορούν να σχηματίσουν πολύ σφιχτά σύμπλοκα. Παραδείγματος χάρη, ο αναστολέας ριβονουκλεάσης συνδέεται με τη ριβονουκλεάση Α με σταθερά διάστασης περίπου 20 fM. Άλλες πρωτεΐνες έχουν εξελιχθεί ώστε να δεσμεύονται ειδικά σε ασυνήθιστα τμήματα σε άλλη πρωτεΐνη, π.χ. ομάδες βιοτίνης (αβιδίνη), φωσφορυλιωμένες τυροσίνες (περιοχές SH2) ή τμήματα πλούσια σε προλίνη (περιοχές SH3). Οι αλληλεπιδράσεις πρωτεΐνης-πρωτεΐνης μπορούν να κατασκευαστούν για να ευνοήσουν ορισμένες καταστάσεις ολιγομερισμού.

Συγκρότηση
Η άμεση αλληλεπίδραση δύο νέων πρωτεϊνών που προκύπτουν από τα κοντινά ριβοσώματα φαίνεται να είναι ένας γενικός μηχανισμός για τον σχηματισμό ολιγομερών. Εκατοντάδες ολιγομερή πρωτεϊνών που συγκεντρώνονται σε ανθρώπινα κύτταρα ταυτοποιήθηκαν με μια τέτοια αλληλεπίδραση.  Η πιο διαδεδομένη μορφή αλληλεπίδρασης ήταν μεταξύ των Ν-τερματικών περιοχών των αλληλεπιδρώντων πρωτεϊνών. Ο σχηματισμός διμερούς φαίνεται να μπορεί να συμβεί ανεξάρτητα από ειδικά μηχανήματα συναρμολόγησης.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 The Macromolecular Structure Database (MSD) at the European Bioinformatics Institute (EBI) – Serves a list of the Probable Quaternary Structure (PQS) for every protein in the Protein Data Bank (PDB).
 PQS server – PQS has not been updated since August 2009
 PISA – The Protein Interfaces, Surfaces and Assemblies server at the MSD.
 EPPIC – Evolutionary Protein–Protein Interface Classification: evolutionary assessment of interfaces in crystal structures
 3D complex – Structural classification of protein complexes 
 Proteopedia – Proteopedia Home Page The collaborative, 3D encyclopedia of proteins and other molecules.
 PDBWiki – PDBWiki Home Page – a website for community annotation of PDB structures.
 ProtCID – ProtCID—a database of similar protein–protein interfaces in crystal structures of homologous proteins.

Δομή της πρωτεΐνης
Στερεοχημεία