Doména (bielkoviny)

Doména je v biochémii a molekulárnej biológii oblasť polypeptidového reťazca bielkoviny, ktorá sa sama stabilizuje a skladá nezávisle na zvyšku bielkoviny. Každá doména tvorí kompaktnú zloženú trojrozmernú štruktúru. Mnohé bielkoviny sa skladajú z niekoľkých domén a všeobecne môže nejaká doména tvoriť súčasť rôznych bielkovín. Molekulárna evolúcia používa domény ako stavebné bloky, ktoré sa môžu spájať v rôznych usporiadaniach za vzniku bielkovín s rôznymi funkciami. Vo všeobecnosti majú domény dĺžku od približne 50 aminokyselín do 250 aminokyselín. Najkratšie domény, napríklad zinkové prsty, sú stabilizované kovovými iónmi alebo disulfidovými mostíkmi. Domény často tvoria funkčné jednotky, ako napríklad EF-hand-motív kalmodulínu viažuci vápnik. Pretože domény sú stabilné nezávisle na zvyšku bielkoviny, dajú sa genetickým inžinierstvom „vymieňať“ medzi jednou bielkovinou a druhou bielkovinou za vzniku chimerických proteínov.

 Úvod 
Koncept domény prvýkrát navrhol v roku 1973 Wetlaufer po kryštalografických štúdiách lyzozýmu zo sliepky a papaínu a po čiastočných štúdiách proteolýzy imunoglobulínov. Wetlaufer definoval domény ako stabilné jednotky štruktúry bielkoviny, ktoré sa dokážu skladať autonómne. V minulosti boli domény opisované ako jednotky:

 kompaktnej štruktúry, 
 funkcie a evolúcie,
 skladania.

Každá definícia je platná a často sa definície navzájom prekrývajú, t. j. kompaktná štruktúrna doména, ktorá sa nachádza v rôznych bielkovinách, sa pravdepodobne skladá nezávisle v rámci svojho okolia. V prírode sa často spája niekoľko domén, čím vznikajú viacdoménové a multifunkčné proteíny s obrovským množstvom možností. Vo viacdoménovej bielkovine môže každá doména plniť svoju vlastnú funkciu nezávisle alebo spoločne s ostatnými doménami. Domény môžu slúžiť buď ako moduly na budovanie veľkých zostáv, ako sú vírusové častice alebo svalové vlákna, alebo môžu poskytovať špecifické katalytické alebo väzbové miesta, ako je to v enzýmoch alebo regulačných proteínoch.

 Príklad: pyruvátkináza 
Vhodným príkladom je pyruvátkináza, glykolytický enzým, ktorý hrá dôležitú úlohu v regulácii toku z fruktóza-1,6-bisfosfátu smerom k pyruvátu. Obsahuje doménu viažucu nukleotidy tvorenú β-skladanými listami (v obrázku vpravo hore modrou farbou), doménu viažucu substrát tvorenú α-helixmi a β-listami (sivou farbou) a regulačnú doménu tvorenú α-helixmi a β-listami (olivovozelenou farbou). Tieto domény sú spojené niekoľkými krátkymi polypeptidovými reťazcami. Každá doména tejto bielkoviny sa vyskytuje v rôznych iných rodinách bielkovín.

Centrálna doména viažuca substrát, ktorá vyzerá ako valec alebo barel tvorený z α-helixov a β-listov, je jedným z najbežnejších enzýmových foldov. Vyskytuje sa v mnohých rôznych enzýmových rodinách katalyzujúcich úplne nesúvisiace reakcie. Tento valec sa bežne nazýva TIM barel a je pomenovaný podľa triózofosfátizomerázy, ktorá bola prvou takouto známou štruktúrou. V súčasnosti je v databáze domén CATH klasifikovaný do 26 homológnych rodín. TIM barel je tvorený sekvenciou β-α-β motívov, pričom medzi prvým a posledným skladaným listom sa tvorí vodíková väzba, čím vzniká osemvláknový valec. Evolučný pôvod tejto domény stále nie je úplne objasnený. Jedna štúdia naznačila, že sa jeden dávny enzým mohol rozdeliť do niekoľkých rodín, zatiaľ čo iná naznačuje, že stabilná štruktúra TIM barelu sa vyvinula opakovane v rámci konvergentnej evolúcie.

TIM barel v pyruvátkináze je „nespojitý“ – v rámci sekvencie je rozdelený na dve časti, i keď ide o jednu doménu, čo znamená, že na vytvorenie domény je potrebný viac ako jeden segment polypeptidového reťazca. Toto je pravdepodobne výsledok presunu jednej domény do druhej počas evolúcie bielkoviny. Zo známych štruktúr sa ukázalo, že približne štvrtina štruktúrnych domén je nespojitá. Vložená regulačná doména je „spojitá“, teda je tvorená jedným úsekom polypeptidu.

 Súčasť štruktúry bielkovín 

Primárna štruktúra bielkoviny, teda poradie aminokyselín v reťazci, v konečnom dôsledku rozhoduje o kek jedinečnej poskladanej trojrozmernej (3D) konformácii. Najdôležitejším faktorom, podľa ktorého sa bielkoviny skladajú do svojej 3D štruktúry, je rozloženie polárnych a nepolárnych bočných reťazcov. Skladanie je riadené zahalením hydrofóbnych bočných reťazcov do vnútra molekuly, aby sa zabránilo kontaktu s vodným prostredím. Bielkoviny majú vo všeobecnosti jadro tvorené hydrofóbnymi aminokyselinami obklopené obalom z hydrofilných aminokyselín. Keďže samotné peptidové väzby sú polárne, sú v hydrofóbnom prostredí neutralizované vodíkovými väzbami. To vedie k vzniku oblastí polypeptidu, ktoré tvoria pravidelné 3D štruktúrne vzory nazývané sekundárna štruktúra. Existujú dva hlavné typy sekundárnej štruktúry: α-helixy a β-skladané listy.

Zistilo sa, že v štruktúre bielkovín sa často vyskytujú niektoré jednoduché kombinácie prvkov sekundárnej štruktúry, ktoré sa označujú ako supersekundárna štruktúra alebo motívy. Napríklad motív β-vlásenky pozostáva z dvoch susedných antiparalelných vlákien β-listov spojených malou slučkou (typicky β-ohyb). Tento motív je prítomný vo väčšine antiparalelných β štruktúr, a to ako ako izolovaný pásik alebo aj ako súčasť zložitejších β-listov. Ďalšou bežnou supersekundárnou štruktúrou je motív β-α-β, ktorý sa často objavuje pri spojeniach dvoch paralelných vlákien β-listov. Centrálny α-helix spája C-koniec prvého vlákna s N-koncom druhého vlákna, pričom bočné reťazce α-helixu sa skladajú ponad vznikajúci β-skladaný list, čím chráni hydrofóbne zvyšky β-vlákien pred vodným prostredím.

Kovalentné spojenie dvoch domén predstavuje funkčnú a štruktúrnu výhodu, pretože dochádza k zvýšeniu stability v porovnaní s rovnakými nekovalentne asociovanými štruktúrami. Ďalšími výhodami sú ochrana medziproduktov, ktoré by inak mohli byť nestabilné vo vodnom prostredí, v rámci enzymatických štrbín medzi doménami a fixný stechiometrický pomer enzymatickej aktivity potrebnej pre súsledné reakcie.

Štruktúrne zarovnanie (angl. alignment) je dôležitým nástrojom na určovanie domén.

 Terciárna štruktúra 

Niekoľko motívov sa spája a vytvára kompaktné, lokálne, polonezávislé jednotky nazývané domény. Celková 3D štruktúra polypeptidového reťazca sa označuje ako terciárna štruktúra proteínu. Domény sú základné jednotky terciárnej štruktúry, pričom každá doména obsahuje individuálne hydrofóbne jadro vytvorené zo sekundárnych štruktúrnych jednotiek spojených slučkami (angl. „loops“). Poskladanie polypeptidu je zvyčajne oveľa pevnejšie vo vnútri domény ako na jej vonkajšej strane, čím vzniká jadro podobné tuhej látke (jednotlivé aminokyseliny sa takmer nehýbu) a povrch podobný tekutine (bočné reťazce aminokyselín sa môžu takmer voľne pohybovať). Aminokyseliny v jadre domény sú v proteínovej rodine často konzervované, teda zachovávané počas evolúcie, zatiaľ čo aminokyseliny v slučkách sú menej konzervované, pokiaľ nie sú zapojené do funkcie bielkoviny. Terciárnu štruktúru proteínu možno rozdeliť do štyroch hlavných tried na základe sekundárneho štruktúrneho obsahu domény:

 All-α domény (z angl. all-α, doslova „všetko α“) sú domény, ktoré majú jadro tvorené výlučne α-helixmi. Patria sem hlavne malé foldy, pričom mnohé z nich tvoria helixy smerujúce hore a dole poskladané vedľa seba.
 All-β domény (z angl. all-β, doslova „všetko β“) sú domény, ktoré majú jadro zložené z antiparalelných β-skladaných listov, zvyčajne z dvoch listov usporiadaných nad sebou. V usporiadaní vlákien možno identifikovať rôzne vzory, čo často vedie k identifikácii opakujúcich sa motívov, napríklad motívu gréckeho kľúča.
 α+β domény sú zmesou motívov all-α a all-β. Obsahujú teda časti, kde sú len α-helixy, a časti, kde sú len β-listy. Klasifikácia bielkovín do tejto triedy je náročná kvôli prekryvu s ostatnými tromi triedami, a preto sa nepoužíva v databáze domén CATH.
 α/β domény sú tvorené kombináciou motívov β-α-β, ktoré prevažne tvorí paralelný β-skladaný list obklopený amfipatickými α-helixmi. Sekundárne štruktúry sú usporiadané vo vrstvách alebo valcoch.

 Obmedzenia veľkosti 
Veľkosť domén je obmedzená. Veľkosť jednotlivých štruktúrnych domén sa pohybuje od 36 aminokyselín v E-selektíne do 692 aminokyselín v lipoxygenáze-1, ale väčšina domén, až 90 %, má menej ako 200 aminokyselín s priemerom približne 100 aminokyselín. Veľmi krátke domény, menej ako 40 reziduí, sú často stabilizované kovovými iónmi alebo disulfidovými väzbami. Väčšie domény, viac ako 300 zvyškov, zvyčajne pozostávajú z viacerých hydrofóbnych jadier.

 Kvartérna štruktúra 
Mnohé proteíny majú kvartérnu štruktúru, ktorá pozostáva z niekoľkých polypeptidových reťazcov, ktoré sa spájajú do oligomérnej molekuly. Každý polypeptidový reťazec v takejto bielkovine sa nazýva podjednotka. Napríklad hemoglobín pozostáva z dvoch α a dvoch β podjednotiek. Každý zo štyroch reťazcov tvorí all-α globínový fold s miestom na hem.

 Výmena domény 
Výmena domén je mechanizmus na tvorbu oligomérnych zostáv. V tomto procese sa prvok sekundárnej alebo terciárnej štruktúry monomérnej bielkoviny nahradí za rovnaký prvok inej bielkoviny. Všeobecne môže k výmene domén dôjsť od prvkov sekundárnej štruktúry až po celé štruktúrne domény. Tento proces taktiež predstavuje model evolúcie pre funkčnú adaptáciu oligomerizáciou, napríklad u oligomérnych enzýmov, ktoré majú svoje aktívne miesto na rozhraní podjednotiek.

 Domény ako evolučné moduly 
Podľa Jacoba Françoisa je príroda skôr „kutil“ než vynálezca a nové sekvencie sa adaptujú z už existujúcich sekvencií, nie sú vynájdené nanovo. Domény sú bežným materiálom, ktorý príroda používa na generovanie nových sekvencií; možno ich považovať za geneticky mobilné jednotky, označované ako „moduly“. N- a C-konce domén sú často blízko seba v priestore, čo im umožňuje ľahké „zasunutie“ (vmiestnenie do sekvencie) do materských štruktúr počas procesu evolúcie. Mnoho rodín domén sa nachádza vo všetkých troch formách života: v archeónoch, baktériách i eukaryotoch. Proteínové moduly sú podmnožinou proteínových domén, ktoré sa nachádzajú v rade rôznych proteínov s obzvlášť všestrannou štruktúrou. Príklady možno nájsť medzi extracelulárnymi (mimobunkovými) bielkovinami spojenými so zrážaním krvi, fibrinolýzou, imunitou, extracelulárnym matrixom, adhéznymi molekulami na povrchu buniek a cytokínovými receptormi. Štyri konkrétne príklady rozšírených proteínových modulov sú nasledujúce domény: SH2, imunoglobulín, fibronektín typu 3 a kringle.

Molekulárna evolúcia vedie k vzniku rodín príbuzných bielkovín s podobnou sekvenciou a štruktúrou. Podobnosť sekvencií však môže byť medzi bielkovinami, ktoré zdieľajú rovnakú štruktúru, extrémne nízka. Štruktúry bielkovín však môžu byť podobné, pretože sa bielkoviny odchýlili od spoločného predka. Prípadne môžu byť niektoré foldy uprednostňované voči iným, pretože predstavujú stabilné usporiadania sekundárnych štruktúr a niektoré bielkoviny sa môžu v priebehu evolúcie k týmto foldom približovať. V súčasnosti (2026) je v Protein Data Bank (PDB) uložených viac ako 240 000 experimentálne určených 3D štruktúr bielkovín. Táto sada však obsahuje mnoho identických alebo veľmi podobných štruktúr. Všetky bielkoviny by mali byť klasifikované do štruktúrnych rodín, aby mohli byť pochopené ich evolučné vzťahy. Najlepšie štruktúrnne porovnanie možno dosiahnuť na úrovni domén. Z tohto dôvodu bolo vyvinutých mnoho algoritmov na automatické priradenie domén v bielkovinách so známou 3D štruktúrou.

Databáza domén CATH klasifikuje domény do približne 800 rodín foldov; desať z týchto foldov má mnoho zástupcov a označujú sa ako „super-foldy“. Super-foldy sú definované ako foldy, pre ktoré existujú aspoň tri štruktúry bez významnej podobnosti sekvencie aminokyselín. Najviac zástupcov má α/β-valcový super-fold (TIM barel), ktorý bol opísaný vyššie.

 Bielkoviny s viacerými doménami 
Väčšina bielkovín, až dve tretiny v jednobunkových organizmoch a viac ako 80 % v mnohobunkových organizmoch, má viac než jednu doménu. Iné štúdie však dospeli k záveru, že 40 % prokaryotických bielkovín pozostáva z viacerých domén, zatiaľ čo eukaryoty majú približne 65 % viacdoménových proteínov.

Mnohé domény v eukaryotických viacdoménových bielkovinách možno nájsť ako nezávislé bielkoviny u prokaryotov, čo naznačuje, že domény vo viacdoménových bielkovinách kedysi existovali ako nezávislé bielkoviny. Stavovce majú napríklad multienzýmový polypeptid obsahujúci domény GAR syntetázy, AIR syntetázy a GAR transformylázy (GARs-AIRs-GARt; GAR: glycínamidribonukleotid; AIR: 5-aminoimidazolribotid). U hmyzu vystupuje tento polypeptid ako GARs-(AIRs)2-GARt, u kvasiniek je GARs-AIRs kódovaný oddelene od GARt a u baktérií je každá doména kódovaná samostatne.
náhľad|800x800bod|Atraktínu-podobný proteín 1 (ATRNL1) je viacdoménová bielkovina, ktorá sa nachádza u živočíchov vrátane človeka. Každá podjednotka je jedna doména, napríklad EGF alebo doména kelch.

 Pôvod 
Viacdoménové bielkoviny pravdepodobne vznikli v dôsledku selekčného tlaku počas evolúcie, aby vznikali nové funkcie. Rôzne bielkoviny sa od spoločných predkov odlišovali rôznymi kombináciami a asociáciami domén. Modulárne podjednotky sa často pohybujú v rámci biologických systémov a medzi nimi prostredníctvom mechanizmov genetického „premiešavania“:

 transpozícia mobilných prvkov vrátane horizontálnych prenosov (medzi druhmi);
 hrubé prestavby, ako sú inverzie, translokácie, delécie a duplikácie;
 homológna rekombinácia;
 sklzy DNA polymerázy počas replikácie.

 Typy usporiadaní 
vpravo|náhľad|Vloženie podobných modulov PH domény (hnedočervená) do dvoch rôznych bielkovín.
Najjednoduchšia viacdoménová organizácia pozorovaná v bielkovinách je jedna doména opakovaná dvakrát za sebou (tandem). Domény môžu navzájom interagovať (interakcia doména-doména) alebo zostať izolované, ako korálky na šnúrke. Obrovský svalový proteín titín s 30 000 aminokyselinami obsahuje približne 120 domén typu fibronektínu III a typu Ig. V serínových proteázach viedla duplikácia génov k vytvoreniu enzýmu s dvoma β-barelovými doménami. Tieto dve domény sa od seba začali tak líšiť, že medzi nimi neexistuje žiadna zjavná sekvenčná podobnosť. Aktívne miesto sa nachádza v priestore medzi týmito dvoma β-barelovými doménami, do ktorej každá doména prispieva aminokyselinami dôležitými pre funkciu enzýmu. Geneticky upravené mutanty chymotrypsínu preukázali určitú proteázovú aktivitu, aj keď ich aminokyseliny v aktívnom mieste boli nahradené za iné aminokyseliny, a preto sa predpokladá, že duplikácia zvýšila aktivitu enzýmu.

Moduly často vykazujú rôzne vzťahy prepojenia, ako je znázornené na príklade kinezínov a ABC transportérov. Kinezínová motorická doména môže byť na oboch koncoch polypeptidového reťazca, ktorý obsahuje oblasť tvorenú helixmi (tzv. „coiled coil“) a doménu na prenos „nákladu“ (inej bielkoviny). ABC transportéry sú tvorené až štyrmi doménami pozostávajúcimi z dvoch nesúvisiacich modulov – kazety viažucej ATP a integrálneho membránového modulu – usporiadaných v rôznych kombináciách.

Domény sa nielen rekombinujú, ale existuje mnoho príkladov, kedy bola jedna doména vložená do inej. Sekvenčné alebo štruktúrne podobnosti s inými doménami ukazujú, že homológy vložených a materských domén môžu existovať nezávisle na sebe. Príkladom sú domény pripomínajúce prsty vložené do domény pripomínajúcej dlaň v rámci polymeráz rodiny Pol I. Keďže jednu doménu je možné vložiť do inej, v multidoménovom proteíne by mala byť vždy aspoň jedna súvislá doména. Toto je hlavný rozdiel medzi definíciami štruktúrnych domén a evolučných/funkčných domén. Evolučná doména je obmedzená na jedno alebo dve spojenia medzi doménami, zatiaľ čo štruktúrne domény môžu mať neobmedzený počet spojení s inými doménami, ak vzniká jedno jadro spoločné pre danú doménu. Medzi evolučné domény by mohlo byť zaradených niekoľko štruktúrnych domén.

„Superdoména“ pozostáva z dvoch alebo viacerých konzervovaných domén nominálne nezávislého pôvodu, ktoré však boli následne dedené ako jedna štruktúrna/funkčná jednotka. Táto kombinovaná superdoména sa môže vyskytovať v rôznych bielkovinách, ktoré nie sú príbuzné iba prostredníctvom duplikácie génov. Príkladom superdomény je pár proteíntyrozínfosfatázy (PTP) a domény C2 v PTENe, tenzíne, auxilíne a membránovom proteíne TPTE2. Táto superdoména sa nachádza v bielkovinách živočíchov, rastlín a húb. Kľúčovým znakom superdomény PTP-C2 je konzervácia aminokyselinových zvyškov na rozhraní jednotlivých domén.

 Referencie 

 Pozri aj 
 Bielkoviny
 Štruktúra bielkovín
 Predikcia štruktúry bielkovín
 Softvér na predikciu štruktúry proteínov
 Rodina bielkovín
 Krátky lineárny motív
 Štruktúrna biológia
 Sekvenčný motív
 Štruktúrny motív
 Väzbová doména
 Databázy:
 CATH
 PANDIT, biologická databáza proteínových domén
 Pfam: databáza proteínových domén
 SCOP

 Ďalšia literatúra 


























 Iné projekty 

 Externé odkazy 

 Databázy štruktúrnych domén 
 Konzervované domény na stránke National Center for Biotechnology  
 3Dee 
 CATH 
 DALI 
 Definícia a priradenie štruktúrnych domén v bielkovnách na Wayback Machine (archivované 11.9.2006)  

 Databázy sekvenčných domén 
 InterPro 
 PROSITE 
 SMART 
 Databáza konzervovaných domén NCBI 

 Databázy funkčných domén 
 dcGO 

 Zdroj  

Kategória:Proteínové domény
Kategória:Štruktúra proteínov
Kategória:Skladanie bielkovín
Kategória:Stránky s neskontrolovanými prekladmi