칼모둘린
이것은 무기 화학자의 관점에서 칼슘 신호 단백질인 칼모듈린에 대한 비디오 소개입니다!
칼모듈린 또는 캠은 모든 진핵 세포에 편재하는 폴리펩티드입니다. 이 단백질은 칼슘 신호 전달 과정에서 중요한 역할을하는 칼슘 조절 단백질이기 때문에 칼모듈린으로 알려져 있습니다. 칼슘 신호 전달은 칼슘 이온과 수많은 단백질 사이 상호 작용이 세포 사이 커뮤니케이션을 중재하는 과정입니다. 따라서 칼모듈린의 기능은 모든 진핵 세포에서 필요하며,그것이 수행하는 데 도움이되는 작업 중 일부는 신경 신호 전달,골격근 운동 및 기억입니다. 환경에서 칼슘 이온을 감지함으로써 칼모듈린은 활성화되고 그 후 중간체 역할을하여 키나아제와 같은 중요한 단백질의 결합을 시작하여 세포가 기본적이고 정교한 기능(“칼모듈린”)을 돕습니다.
아래 비디오는 칼슘 결합 중 캠 내에서 발생하는 구조적 변화를 보여줍니다.
단백질 자체는 길이가 148 개의 아미노산이며,두 개의 구형 영역은 각각 2 개의 에프-핸드 모티브를 포함하며,이는 칼슘 매개 폴리펩티드의 특징적인 부위이다. 활성화될 때,칼모듈린은 단백질의 모양을 대폭 변화시키는 4 개의 칼슘 2+이온을 수용합니다. 칼모듈린이 칼슘 이온과 결합하면 단백질은 아포 형태에서 후광 형태로 열리고 링커 또는 중앙 테더 영역으로 알려진 알파 나선을 노출시킵니다. 그것의 융통성을 위해 만들어낸,중앙 밧줄 지구는 파트너 단백질이 칼슘의 이차 전갈인 폭포에 묶고 공헌하는 단백질의 위치입니다. 그 구조와 칼슘 이온이 기능 할 필요성에 기초하여,칼모듀린은 세포질에서 칼슘 이온을 선택할 수 있어야하며,이온과 리간드 사이의 상호 작용은 이 선택성의 아이디어를 뒷받침합니다. 알, 635-638).
이 이미지는 에프핸드 모티브가 손과 어떻게 닮았는지를 묘사한 것이다. 왼쪽의 리본 다이어그램은 칼모듈린의 네 가지 특징적인 헬릭스 턴 헬릭스 에프 핸드 모티프 중 하나를 보여줍니다. 2018 년 11 월)
에프 핸드 모티프는 칼슘의 결합에 관여하는 단백질의 고도로 보존 된 구조 영역입니다. 이 영역은 다음과 같이 알려져 있습니다.”손”모티프 그들은 모양으로 만들어진 손과 유사하기 때문에 엘,여기서 금속 이온은 주먹의 중간에 위치하고 알파 나선은 위쪽을 가리키는 검지 손가락과 안쪽을 향한 엄지 손가락으로 표시되며 말린 손가락은 회전 또는 루프 영역을 나타냅니다. 이 위의 그림에 설명되어 있습니다. 독특한 에프-핸드 모티프에서,글루타메이트,아스파라긴,아스파르트 산 및 글루탐산을 포함한 아미노산은 물뿐만 아니라 캘리포니아에 결합합니다. 알 639). 일반적인 도메인 결합 시퀀스는 아래 그림에 나와 있습니다.
이 만화는 전형적인 에프 핸드 도메인의 조정 된 아미노산을 보여줍니다(정확한 아미노산 조성은 다양합니다!). 점선은 백본 카르 보 닐의 산소에 캘리포니아의 조정을 나타냅니다,실선은 측쇄 또는 물 조정을 나타내는 동안.
칼모둘린 결합 부위는 위에 표시된 가장 전형적인 에프 핸드 도메인과 다소 다르다. 그만큼 6 리간드 칼모 둘린 세 개의 측쇄를 포함합니다 아스파 라트 산(디),1 글루탐산(이자형)이온과 두 개의 좌표 공유 결합을 형성하는,용액에서 1 개의 물 분자,및 1 백본에서 카르 보닐 분자. 칼모둘린의 결합 부위는 7 개의 결합을 형성하면서 6 개의 리간드로 둘러싸인 칼슘 2+이온으로 구성된다.
칼모둘린 내의 에프 모티프는 단지 다른 장소에 있는 많은 동일한 리간드를 포함하고 있음을 알 수 있다. 이 구조는 칼모듈린이 칼슘에 대해 왜 선택적인지,그리고 칼슘 이온의 존재 만이 단백질이 활성화되도록하는 결합 부위를 어떻게 만족시킬 수 있는지에 대한 아이디어를 제공 할 수 있습니다. 이것은 세포 내의 칼모듈린의 열역학 및 그것이 칼슘 이온의 존재에 어떻게 반응하는지와 관련이 있습니다.
칼모듈린의 활성화를 결합시키는 열역학을 이해하려면 먼저 사람을 포함한 진핵 세포 내에서 칼슘과 마그네슘과 같은 이온의 농도를 이해해야 한다. 이 이온의 농도는 밀접하게 조절되어야합니다. 세포 내에서 칼슘 신호는 칼슘 이온의 농도가 일시적으로 증가하는 것을 수반하며,이는 칼모 둘린과 같은 단백질에 의해 감지됩니다. 알, 636). 이 칼슘 서지는 거칠고 부드러운 망상이 칼슘을 방출하도록 유도하는 세포 내 단백질 또는 칼슘 이온이 세포 외 공간에서 유입되어 발생할 수 있기 때문일 수 있습니다. 칼모둘린의 경우,칼슘이 외부로부터 세포로 유입되는 것에 일반적으로 반응하며,이는 신경 신호 전달과 같은 과정에서 발생합니다. 알 637). 칼슘의 농도가 순간적으로 상승하기 전에,세포 내의 농도는 일반적으로 사이 10-100 나노 미터,이온의 짧은 유입 동안 반면,농도는 증가 1,000-100,000 나노 미터. 농도의 변화는 칼모듈린이 칼슘 이온을 감지하여 결합시키고 추가 신호 전달을 시작하게 합니다(베르티니 외. 알, 635).
그렇다면 칼모듈린은 어떻게 칼슘 이온을 결정적으로 결합시키고,예를 들어 마그네슘 이온은 결합하지 않는가? 마그네슘 2+이온은 실제로 칼슘 이온과 매우 유사합니다: 그들은 공유 결합보다는 정전기 상호 작용에 참여할 것이며,그들은 단단한 원자로 간주됩니다. 칼모듈린이 마그네슘 이온보다 칼슘 이온을 선호하는 이유는 각 이온의 결합 상수와 관련이 있습니다. 칼모듈린은 마그네슘과 같은 다른 이온에 결합하는 동안 존재할 수 있지만,더 높은 농도의 칼슘이 있으면 칼슘 이온은 즉시 칼슘 결합 부위를 차지하기 위해 마그네슘 이온과 경쟁 할 것입니다. 이는 도 7 에 도시된 바와 같이 캠 및 탄소 2+(카)의 결합 상수가 캠 및 탄소 2+(카)의 결합 상수보다 크기 때문이다. 이것은 칼슘 이온에 결합 될 때 칼모 둘린이 더 많은 제품을 생산할 것임을 나타냅니다. 이 과정은 초당 무수한 시간 일어나고,이 단백질의 회전율이 세포의 이제까지 조절한 칼슘 농도에 반응하기 위하여 변화한다 것을 누구든개은 명심하는 이 아이디어의 모두를 사려해야 한다.
칼모듈린이 칼슘 이온과 결합하는 것이 다른 금속보다 더 유리한 이유는 무엇입니까? 이 때문에 리간드에 의해 유도 된 입체 방해와 관련하여 이온의 크기 일 수있다. 결합 부위는 6 개의 리간드가 7 개의 좌표 결합을 만드는 것을 특징으로합니다. 칼슘 이온이 마그네슘 이온보다 크기 때문에,도 8 에서 입증된 바와 같이,칼슘은 서로 리간드의 거리를 증가시켜,따라서 리간드 간의 입체 상호 작용을 감소시키기 때문에 선호될 수 있다. 단백질 자체의 구조는 또한 칼슘 이온의 선택성에 대한 이유를 제기 할 수 있습니다. 전반적으로 칼슘 이온의 다양한 세포 농도에 기초한 열역학으로 인해 칼모듈린은 이온의 증가를 감지하고 결합하며 그 기능을 수행하는 데 도움이 될 것으로 알려져 있습니다.
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><>또한,칼모둘린의 결합 부위의 화학에 대한 추가 논의에서,배위 기하학을 탐구해야 한다. 칼슘 이온은 7 개의 공여 원자와 상호 작용하기 때문에,이 시스템은 헵타 덴 테이트 시스템으로 알려져 있습니다. 칼모듈린은 6 개의 리간드로 둘러싸여 있기 때문에 팔면체 조정 기하학을 가정합니다. 그러나 리간드 중 하나가 이온과 양수 방식으로 상호 작용하기 때문에—하나의 아미노산에서 서로 다른 원자에서 오는 두 개의 좌표 공유 결합을 의미 함-조정 복합체는 왜곡 된 팔면체 모양을 취합니다. 구체적인 조정은 아래 그림에 설명되어 있습니다.
칼모둘린의 칼슘 결합 부위의 협응 기하학. 중심 칼슘 금속 이온은 3 개의 아스파라긴,1 개의 백본 산소,1 개의 글루 아트 민산(글루)및 1 개의 물 분자로 둘러싸여 있습니다. 2018 년 11 월)
우리는 또한 카모 듀린이 높은 친 화성을 가진 금속 이온에 결합하는 능력을 더 잘 이해하기 위해 킬레이트 효과 이론을 참조 할 수 있습니다. 킬 레이터는 하나 이상의 기증자 원자와 결합 할 수있는 원자입니다. 폴리 덴트 테이트 결합은 킬레이트 효과와 관련이 있으며,이는 리간드가 많은 공여체 그룹(폴리)과 결합 할 때 좌표 공유 결합이 훨씬 강하거나 더 단단히 유지된다는 것을 나타냅니다. 이 이론은 열역학,특히 폴리 덴트 바인딩이 시스템의 엔트로피를 증가시켜 열역학적으로 유리한 더 긍정적(더 많은 장애)으로 만듭니다. 이 이론을 칼모듈린에 적용하는 것은 부위 자체 내에서 폴리덴데이트 결합의 중요성뿐만 아니라 단백질이 4 개의 다른 칼슘 이온을 결합하여 그 기능을 활성화시킬 필요성을 설명하는 데 도움이 된다. 본질적으로 사이트 내에서 4 개의 탄소 2+이온의 결합을 요구함으로써,이 시스템은 더 많은 기판/반응물을 도입하여 더 많은 수의 제품을 형성함으로써 엔트로피의 증가를 장려합니다. 이것은 각 결합 부위의 리간드 상호 작용 내에서 더 많은 수의 결합으로 인해 발생합니다. 모두 모두,폴리펩티드 부위에서 칼슘 이온의 결합은 킬레이트 효과 이론에 의해 뒷받침되고 칼모듈린의 결합 칼슘 효율성에 빛을 발합니다.
에프-핸드 모티프는 칼슘이 중심 금속이라는 사실에 기초한 특정 구조를 갖는다. 이것은 또한 칼모두린 결합 부위에도 해당됩니다. 칼슘 2+이온 하드/소프트 산-기본 이론 이라는 이론에 따라 특정 아미노산의 구조에 같은 원자 바인딩합니다. 이 이론은 금속과 리간드를 분극성 및 전하 대 반경 비율에 따라 두 가지 범주로 분리합니다. 경질 산 및 염기는 크기 비율에 더 큰 전하를 갖는 작은 이온이며,이는 연질 산 및 염기가 크기가 더 큰 반면,정전기 방식(+및–전하 사이의 매력을 의미)으로 상호 작용하도록 유도하므로 반경 비율에 대한 더 작은 전하를 가지므로 공유 결합 특성을 가진 결합을 만듭니다. 어구”같이”는 단단한 산 및 기초가 다른 단단한 원자와 상호 작용해 경향이 있다 는 사실을 나타나고,연약한 산 및 기초를 위해 동일은 갑니다. 그것은 큰 반경을 가지고 있지만,그것은 주로 정전기 방식으로 리간드와 상호 작용하기 때문에 칼슘 2+는 하드 산으로 특징 지어진다. 칼모둘린의 칼슘 결합 부위를 보면 칼슘 이온이 3 아스파르트 산,글루탐산,물 및 백본 카르보닐의 산소 원자에 결합하는 것을 볼 수 있습니다. 이 결합은 물과 아미노산 리간드,글루탐산 및 아스파 라트 산이 경질 염기로 특징 지어지는 산소 공여체를 통해 결합하기 때문에”유사 결합 물”과 일치합니다. 그림 10 은 칼모둘린의 결합 부위를 재검토하는 동시에 파란색으로 표시된 칼슘 이온과 상호 작용하는 아미노산의 음성 사이드 체인을 보여줍니다.
결합 된 리간드의 공여 원자와 전자쌍을 배위 복합체에 기증 할 수있는 능력에 관해서,분광 화학 시리즈는 원자가 중앙 금속과 어떻게 상호 작용 하는지를 설명합니다. 칼슘 결합 부위의 경우,칼슘 2+이온과 상호 작용하는 산소는 모두 공여 산소가 2 개 이상의 전자 쌍을 가지고 있기 때문에 공여 공여 및 공여 공여로 간주됩니다. 전자의 가용성과 기증을 지정하는 분광 화학 시어의 범주는 스핀 지정(낮거나 높음)에 영향을 미치며,이는 전자가 궤도를 채우는 방법을 나타냅니다.,및 델타(2)금속 사이의 크기 디 궤도,그러나 이것은 칼슘에 대한 차이를 만들지 않습니다.칼슘의 디 궤도는 원자가 디 전자의 부재로 인해 비어 있기 때문입니다. 이것은 디 궤도 단백질에 관한 대부분의 대화에서 본질적으로 무시할 수 있습니다. 한 가지 예외는 시스템에서 칼슘 이온의 불안정성을 고려하는 것과 관련이 있습니다.
캘리포니아의 궤도에서 전자의 부족은 제로 리간드 필드 안정화 에너지를 산출하고,칼슘 이온의 높은 불안정성을 설명합니다. 불안정성은 리간드가 조정 복합물에서 대체될 수 있는 비율을 참조하고,그러므로 체계의 속도론을 기술합니다. 원자는 리간드를 빠르게 교환하면 불안정합니다. 모든 진핵 세포에서의 적절한 기능 때문에 칼모듈린은 칼슘 이온의 전달을 통해 주변 세포로부터 메시지를 보내고 받기 위해 칼슘 이온을 초당 수백만 번 결합하고 방출 할 것으로 예상됩니다. 칼모듈린의 결합 및 방출 능력에 관한 경우 칼슘 2+빠르게,의 점유를 고려하는 것이 중요합니다 원자가 디 전자 궤도. 언급 한 바와 같이,칼슘은 빈 원자가 디 궤도. 이 빈 궤도는 탄소 2+이온의 불안정성에 대한 설명을 야기 할 수 있습니다. 모든 칼슘 이온의 디 궤도는 비어 있기 때문에 리간드 장 안정화 에너지(0). 이 때문에 안정한 분자는 일반적으로 거문고에 대한 음의 값을 가지고 있다는 사실에 거문고를 고려할 때 칼슘이 불안정하다는 것을 나타냅니다. 이 경우 불안정성은 신속하게 반응하고 착물을 이따금 이동하려는 의지로 해석되어 칼슘 2+이온이 빠른 반응을 촉진하고 불안정한 것으로 특징 지어 질 수 있다는 주장을 뒷받침합니다. 이 킬레이트 효과를 포함하는 토론에 반 직관적 인 것 같다 있지만,이 두 이론은 서로 모순되지 않는 것으로 이해된다. 킬레이트 효과에 의해 제안 된 단단히 고정 된 조정 결합의 안정성은 칼모 둘린이 보충 단백질을 결합 할 수있을만큼 충분히 오래 안정을 유지하도록 장려합니다. 일단 그것이 완료되고 칼슘의 농도가 정상에 돌려보내면,칼슘 이온의 위치를 벗기기에서 능률적입니다.
칼모듀린은 그 구조와 그 중요한 결합 부위의 구성에 기초하여 진핵 세포에 의해 수행되는 수많은 과정의 필수적인 부분을 차지한다. 칼모듈린은 신호 전달에서 칼슘 이온의 수용과 결합을 통해 인간과 같은 유기체에서 기본 및 높은 수준의 기능의 중추적 구성 요소로 작용합니다. 생체 유기 이론을 적용하고 진핵 세포의 섬세하게 모니터링 된 환경에 대한 이해를 파악함으로써 칼모 둘린이 칼슘 이온을 선택하고 100 개 이상의 파트너 단백질을 포함하는 추가 기능을 장려하는 능력을 올바르게 이해할 수 있습니다.
