王大虎

王大虎:钙调蛋白的纯化

王大虎  一、钙调蛋白的结构

 

钙调蛋白,又名钙调素(Calmodúlìn,CaM),是真核细胞内广泛存在的、高度保守的、最重要的一类钙离子受体蛋白,至少有30多种靶蛋白或靶酶。CaM本身没有酶活力,与Ca2+结合,调节细胞内一些靶蛋白的活性,是细胞内Ca2+信号传导途径中的主要信号转导分子,介导调控由Ca2+引起的一系列生理生化反应,参与并调节细胞的增生、分化、运动等基本代谢过程。

钙调蛋白广泛地分布于几乎所有已知的真核生物中,但在不同组织、器官和原生质体中它的含量不同,分布也不一样。CaM的结构与功能在进化上高度保守,不同生物体来源的CaM其理化性质与生物学性质极为相似,CaM结构上的高度保守性对于维持与多种多样的CaM结合蛋白家族的相互作用可能是相当重要的。CaM在细胞内主要以游离形式(apoCaM)存在,当钙动员时,细胞内Ca2+浓度升高,CaM与Ca2+结合形成结合钙的钙调素(Ca2+·CaM)。

王大虎 (一)一级结构

CaM是由19种氨基酸组成的小分子单链多肽,含148个氨基酸残基,分子质量16.7~16.8ku。CaM一级结构已得到阐明,如图7-12所示,分子内有四个可以结合钙离子的结构域,这些结构域结构相似,CaM是酸性蛋白质,等电点约为4.0,近1/3的氨基酸是酸性谷氨酸、天冬氨酸。不含有易氧化的酪氨酸、半胱氨酸,因此分子相当稳定,特别耐热,190℃下可保留完全的活性,CaM的一级结构在进化上呈现很强的保守性。菠菜叶和人脑CaM的氨基酸序列除13个氨基酸外其余全都相同;已鉴定的脊椎动物CaM的氨基酸序列完全一致;所有的哺乳动物有90%的氨基酸序列相似性,植物钙调素与脊椎动物和酵母的氨基酸序列相似性分别为91%和84%,与藻类的相似性为84%~100%。

 

 

图7-12 CaM一级结构示意图

(资料来源:徐友涵,1985)

王大虎 (二)二级结构

CaM的二级结构,是两个类似的球状叶片通过一段肽链的连接而组成的整个分子,如图7-13所示。在每个球叶中含有两个Ca2+结合位点,每个结合位点是12个氨基酸残基组成的腔式结构,半径约为0.1nm。两旁连接着两条互相垂直的由8个氨基酸组成的α-螺旋,即EF-hand结构。两个EF-hand单位之间彼此相距1.1nm。在一个球叶中的两个Ca2+结合位点对Ca2+具有很高的亲和性,而在另一个球叶中的位点则亲和性较低,Ca2+结合到亲和性较低的两个位点上,激活CaM,使CaM再去X促进其他的酶。

 

图7-13 CaM二级结构示意图

(资料来源:徐友涵,1985)

(三)三维结构

Ca2+·CaM是一个哑铃状分子,其两端是结构较为致密的球形区域,各含有2个同源性Ca2+结合位点,中间由一段灵活柔韧的中心螺旋连接。每一个Ca2+结合位点两侧都有一段α螺旋包围,形成螺旋-环-螺旋结构,Ca2+被结合在天冬氨酸(D)和谷氨酸(E)12个残基之间的β片层环中,图7-14(1)所示。

 

图7-14 Ca2+·CaM与apoCaM的三维结构比较

(资料来源:徐友涵,1985)

未与钙结合的游离钙调素(apoCaM)与Ca2+·CaM的分子结构有很大不同。apoCaM相对来说结构比较紧凑,螺旋Ⅰ与Ⅳ,Ⅴ与Ⅷ在空间上形成分子内相互作用,结果apoCaM的疏水性残基被α螺旋片段包围,在两端各形成一个结构内部的疏水性核心。中心螺旋在Ser281位置一折为二,两个球部扭转了大约180°。每个EF-hand结构的2个α螺旋在空间上平行,当EF-hand的钙结合环结合钙后,这2个α螺旋张开成直角,结果导致螺旋Ⅰ与Ⅳ,Ⅴ与Ⅶ的分子内作用解散,两翼展开,两个球部各形成一个疏水性口袋,如图7-14(2)所示。王大虎

(四)分子形状

采用荧光性萘磺酸衍生物标记CaM,测定其旋转扩散,证明了CaM在水溶液中分子形状接近扁椭圆形,分子斯托克半径为23.2am(1am=10-18m)。

 

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