Краткий обзор инсулина человека

Резюме

Проведен анализ внутрибелковых контактов в инсулине с помощью программы JMol.

Рисунок 1. Инсулин, окраска по цепям.

Введение

Инсулин (Insuline)
PDB ID:3I40
Uniprot ID:P01315
Класс:гормон
Ген:INS
Из какого организма:свинья(Sus scrofa)2

Инсулин – гормон белковой природы, выделяемый бета-клетками островков Лангерганса поджелудочной железы. Стимулирует захват глюкозы клетками, стабилизируя ее концентрацию в крови.5 Дефекты работы этого гормона часто связаны с нарушением метаболизма углеводов.

Сахарный диабет встречается не только у млекопитающих, но также у птиц и рептилий.7,8

Лиганды: Мономер инсулина, котороый рассматривается в данном обзоре, лигандов не имеет, онако в B-клетках островков Лангерганса инсулин содержится в виде гексамеров, шесть молекул соединены вместе ионами цинка(II)3, с которыми взаимодействуют остатки гистидина(His10:B).4,6

IUPAC: L-phenylalanyl-L-valyl-L-asparagyl-L-glutaminyl-L-histidyl-L-leucyl-L-cysteinyl-glycyl-L-seryl-L-histidyl-L-leucyl-L-valyl-L-alpha-glutamyl-L-alanyl-L-leucyl-L-tyrosyl-L-leucyl-L-valyl-L-cysteinyl-glycyl-L-alpha-glutamyl-L-arginyl-glycyl-L-phenylalanyl-L-phenylalanyl-L-tyrosyl-L-threonyl-L-prolyl-L-lysyl-L-alanine (7->7'),(19->20')-bis(disulfide) compound with glycyl-L-isoleucyl-L-valyl-L-alpha-glutamyl-L-glutaminyl-L-cysteinyl-L-cysteinyl-L-threonyl-L-seryl-L-isoleucyl-L-cysteinyl-L-seryl-L-leucyl-L-tyrosyl-L-glutaminyl-L-leucyl-L-alpha-glutamyl-L-asparagyl-L-tyrosyl-L-cysteinyl-L-asparagine (6'->11')-disulfide.1

Брутто-формула: C256 H381 N65 O76 S6

Молярная масса: 5778 g/mol

Ход работы

Внимательное изучение pdb файла позволило обнаружить, что у инсулина нет других лигандов, кроме воды, и что в нем присутствуют шесть остатков цистеина, которые могли бы образовать дисульфидную связь. Были обнаружены солевые мостики (Рис. 2,3). Это взаимодействие происходит между положительно заряженной аминогруппой и отрицательно заряженной карбоксильной группой за счёт заряда (электростатическое взаимодействие) и водорода в аминогруппе (водородная связь).9 Оно служит для стабилизации положения цепей белка и вторичных структур.

Рисунок 3. Солевой мостик
Рисунок 2. Солевой мостик

Вторичная структура представлена тремя альфа спиралями (Рис. 1), структура которых подерживается водородными связями. Их длина составила в среднем три ангстрема (Рис. 4,5,6).

Рисунок 6. Альфа спираль цепи B.
Рисунок 5. Альфа спираль цепи А.
Рисунок 4. Альфа спираль цепи A.
Рисунок 7. Общий вид.

 

Водородные связи участвуют не только в поддержании вторичной структуры, но и образуют связи между цепями, дополнительно стабилизируя третичную структуру (Рис. 7). Можно видеть, как водородные связи между аминокислотными остатками, входящими в поворот аминокислотной цепи стабилизируют его (Рис. 8). На С-концах цепей также образуется водородная связь, делая более выгодным сближенное положение (Рис. 9). Интересная структура образована на N-конце цепи B и повороте цепи A, состоящая из двух водородных связей и дисульфидной (Рис.10).

 

Рисунок 10. Водородные связи.
Рисунок 9. Водородные связи.
Рисунок 8. Водородные связи.

Анализ трехмерной модели показал, что образуются три дисульфидные связи. Две из них соединяют А и В цепи, а третья - два участка цепи А. Они обеспечивают правильное взаимное расположение альфа спиралей (Рис. 11,12,13).

Рисунок 13. Дисульфидная связь.
Рисунок 12. Дисульфидная связь.
Рисунок 11. Дисульфидная связь.

В качестве гидрофобного остатка был выбран лейцин (Рис. 14). Он почти полностью закрывается другими аинокислотными остатками на расстоянии 5 Å (Рис. 15). Вероятно, это расстояние и является расстоянием между соседними не связанными ковалентно атомами в белке. Учитывая, что радиус молекулы воды равен примерно 1.5 Å(что близко к минимальному радиусу атома), минимальное расстояние между двумя атомами в ядре составит 5-1.5*2=2 (Å). В таком случае максимально возможный радиус частицы, способной поместиться между двумя нековалентно связанными атомами, составляет 1 Å, что меньше размеров воды.

Так же найдено стекинг-взаимодействие на поверхности глобулы, расстояние между остатками составило 4 ангстрем(Рис. 16). Эти же остатки (Y19:A и F25:B) образуют водородную связь. Вероятно, на них лежит задача сближения C-концов цепей A и B.

Рисунок 16. Стекинг.
Рисунок 15. Гидрофобное ядро.
Рисунок 14. Лейцин(зеленый) в гидрофобном окружении.

Заключение

Инсулин обладает небольшими размерами, у него отсутствуют лиганды. Вторичная структура представлена альфа спиралями, поддерживающимися водородными связями со средней длиной 3 ангстрема. Помимо образования вторичной структуры, водородные связи играют важную роль в стабилизации третичной структуры. Солевые мостики образуются как между цепями, так и в альфа спирали, стабилизируя вторичную и третичную структуры белка. Гидрофобное ядро занимает центральную часть белка и позволяет поддерживать форму глобулы. Присутствуют три дисульфидных связи, дополнительно стабилизириующих третичную структуру.

Личный вклад

Бурлака Артем исследовал структуру с помощью JMol, занимался созданием апплета и сценариев, написал часть обзора. Мухамедияров Рауль изучил дополнительную информацию и написал текст обзора.

Сопроводительные материалы

Визуализация инсулина в JMol

Список литературы

  1. Химические характеристики инсулина
  2. Гексамер PDB
  3. Solution structures of the R6 human insulin hexamer, X Chang 1, A M Jorgensen, P Bardrum, J J Led
  4. Zinc-ligand interactions modulate assembly and stability of the insulin hexamer -- a review Michael F Dunn
  5. Инсулин и резистентность к нему на NCBI: Clin Biochem Rev. 2005 May; 26(2): 19–39.PMCID: PMC1204764; PMID: 16278749; "Insulin and Insulin Resistance"; Gisela Wilcox
  6. Cтатья гексамере инсулина и другом: Insulin Biosynthesis, Secretion, Structure, and Structure-Activity Relationships. Michael Weiss, Donald F Steiner, M.D., and Louis H Philipson, M.D., Ph.D.
  7. Van der Hage, 1985; Frye, 1991; Barten, 1996; Heatley, et al, 2001; Croker, Miller, 2002
  8. Altman, Kirkmayer, 1976
  9. Dougherty, Dennis A. (2006). Modern Physical Organic Chemistry. Sausalito, CA: University Science Books.