miniatura|250px|A piruvato quinase é unha proteína con tres dominios. ().
Un dominio proteico é unha parte conservada dunha determinada secuencia e estrutura de proteína que pode evolucionar, funcionar e existir independentemente do resto da cadea proteica. Cada dominio forma unha estrutura tridimensional compacta e a miúdo pode ser estable e estar pregado independentemente. Moitas proteínas constan de varios dominios estruturais. Un dominio pode aparecer en moitas proteínas diferentes. A evolución molecular utiliza os dominios como bloques de construción de proteínas e estes poden ser recombinados en diferentes arranxos para crear proteínas con diferentes funcións. Os dominios varían en lonxitude desde os que teñen uns 25 aminoácidos ata os de 500 aminoácidos. Os dominios máis curtos, como os dedos de cinc, están estabilizados por metais iónicos ou pontes disulfuro. Con frecuencia, os dominio forman unidades funcionais, como os dominios que se unen ao calcio chamados man EF da calmodulina. Como son estables independentemente, os dominios poden ser "intercambiados" por medio de técnicas de enxeñaría xenética entre dúas proteínas para construír así unha proteína quimérica.
Introdución O concepto de dominio propúxoo en 1973 Wetlaufer despois de facer estudos de cristalografía de raios X do lisozima de galiña e papaína e por estudos de proteólise limitada de inmunoglobulinas. Wetlaufer definiu dominio como unha unidade estable da estrutura das proteínas que podía pregarse autonomamente. No pasado os dominios eran definidos como unidades de:
estrutura compacta función e evolución pregamento.
Cada definición é válida e a miúdo as definicións solápanse, é dicir, un dominio estrutural compacto que se encontra en diversas proteínas é probable que se pregue independentemente no seu ambiente estrutural. A natureza a miúdo reúne varios dominios para formar proteínas mutidominio e multifuncionais e as combinacións teñen un enorme número de posibilidades diferentes. Nunha proteína multidominio, cada dominio pode desempeñar a súa propia función independentemente, ou de modo concertado cos seus dominios veciños. Os dominios poden servir como módulos para a construción de grandes ensamblaxes como partículas de virus ou fibras musculares, ou poden proporcionar sitios catalíticos ou de unión específicos como se observa en encimas e proteínas reguladoras.
Un exemplo ilustrativo é a piruvato quinase, un encima glicolítico que xoga un importante papel na regulación do fluxo desde a frutosa 1,6-bisfosfato ao piruvato. Contén un dominio regulador todo-β, un dominio de unión ao substrato α/β e un dominio de unión ao nucleótido α/β, conectado por varios polipeṕtidos de conexión (ver a primeira figura). Cada dominio desta proteína aparece en distintas familias de proteínas.
O dominio de unión ao substrato de tipo barril-α/β central é un dos pregamentos en encimas máis comúns. Aparece en moitas familias de encimas que catalizan diversas reaccións sen ningunha relación entre si. O barril-α/β denomínase xeralmente barril TIM, denominado así pola triosa-fosfato isomerase, que foi o primeiro encima en que se resolveu esa estrutura. Actualmente clasifícase en 26 familias homólogas na base de datos de dominios CATH. O barril TIM fórmase a partir dunha secuencia de motivos β-α-β pechada por un enlace de hidróxeno entre a primeira e a última cadea, formando un barril de oito cadeas. Debátese sobre a orixe evolutiva deste dominio. Un estudo suxeriu que un só encima ancestral tería diverxido en varias familias, mentres que outro suxeriu que por evolución converxente se orixinou unha estrutura estable de barril TIM.
O barril TIM da piruvato quinase é "descontinuo", o que significa que cómpre máis dun segmento do polipéptido para formar o dominio. Isto probablemente é o resultado da inserción dun dominio noutro durante a evolución das proteínas. Sábese por outras estruturas coñecidas que aproximadamente unha cuarta parte dos dominios estruturais son descontinuos. O dominio regulador de barril-β é "continuou", e está feito dun único tramo de polipéptido.
A asociación covalente de dous dominios representa unha vantaxe funcional e estrutural, xa que hai un incremento de estabilidade cando se compara coas mesmas estruturas asociadas non covalentemente. Outras vantaxes son a protección de intermediatos en fendas encimáticas interdominios que poderían doutro modo ser inestables en ambientes acuosos, e unha proporción estequiométrica fixa da actividade encimática necesaria para o conxunto secuencial de reaccións.
Os dominios como unidades da estrutura das proteínas
A estrutura primaria das proteínas (a cadea de aminoácidos) é a que finalmente determina a conformación tridimensional única da proteína. O factor máis importante que goberna o pregamento dunha proteína na súa estrutura tridimensional é a distribución de cadeas laterais polares e non polares. O pregamento está determinado polo agochamento das cadeas laterais hidrofóbicas no interior da molécula para evitar o contacto co ambiente acuoso. Xeralmente, as proteínas teñen unha parte central constituída por residuos hidrofóbicos rodeada por unha parte externa de residuos hidrofílicos. Como os propios enlaces peptídicos son polares, están neutralizados pola formación de enlaces de hidróxeno entre eles no ambiente hidrofóbico. Isto dá lugar a rexións do polipéptido que forman patróns de estruturas tridimensionais regulares chamadas estrutura secundaria. Hai dous tipos principais de estrutura secundaria: hélice α e folla β.
Algunhas combinacións simples de elementos da estrutura secundaria aparecen con frecuencia na estrutura das proteínas e denomínanse estruturas supersecundarias ou motivos estruturais. Por exemplo, o motivo forquita β consta de dúas cadeas β antiparalelas adxacentes unidas por un pequeno bucle. Está presente na maioría das estruturas β antiparalelas tanto en forma de fitas illadas coma formando parte de follas β máis complexas. Outra estrutura supersecundaria común é o motivo β-α-β, que se utiliza frecuentemente para conectar dúas cadeas β paralelas. As hélices α centrais conectan o C-terminal da primeira cadea co N-terminal da segunda, empaquetando as súas cadeas laterais contra a folla β e, por tanto, apantallando os residuos hidrofóbicos das cadeas β da influencia da superficie acuosa.
o aliñamento estrutural é unha importante ferramenta para a determinación dos dominios.
Os dominios e a estrutura terciaria
Varios dominios poden empaquetarse xuntos para formar unidades semiindependentes compactas locais chamadas dominios. A estrutura tridimensional global da cadea polipeptídica denomínase estrutura terciaria. Os dominios son as unidades fundamentais da estrutura terciaria, e cada dominio contén unha parte central hidrofóbica constituída por unidades estruturais secundarias conectadas por rexións bucle. O empaquetamento do polipéptido é xeralmente moito máis compacto no interior que no exterior do dominio, o que orixina unha parte central case sólida e unha superficie máis fluída. De feito, os residuos da parte central son a miúdo residuos que están conservados nunha familia de proteínas, mentres que os residuos dos bucles están menos conservados, a non ser que estean implicados na función da proteína. A estrutura terciaria da proteína pode dividirse en catro clases principais baseadas no contido estrutural secundario do dominio.
Os dominios todo α teñen unha parte central do dominio formada exclusivamente de hélices α. Esta clase está dominada por pregamentos pequenos, moitos dos cales forman un feixe simple con hélices que soben e baixan. Os dominios todo β teñen unha parte central composta de follas β antiparalelas, xeralmente dúas follas están empaquetas unha contra a outra. Poden identificarse varios patróns no arranxo das cadeas, e a miúdo dan lugar á identificación de motivos recorrentes, por exemplo o motivo greca. Os dominios α+β son unha mestura de motivos todo α e todo β. A clasificación das proteínas nesta clase é difícil porque hai solapamentos coas outras tres clases e, por tanto, non se utiliza na base de datos de dominios CATH. Os dominios α/β están constituídos por unha combinación de motivos β-α-β que forman predominantemente unha folla β paralela rodeada de hélices α anfipáticas. As estruturas secundarias están arranxadas en capas ou barrís.
Os dominios teñen límites de tamaño Os dominios teñen un tamaño limitado. O tamaño dun dominio estrutural individual varía desde os 36 residuos na E-selectina aos 692 residuos na lipoxixenase-1, pero a maioría (90%) ten menos de 200 residuos cunha media de aproximadamente 100 residuos. Os dominios moi curtos, de menos de 40 residuos, están a miúdo estabilizados por ións metálicos ou pontes disulfuro. Os dominios máis longos, maiores de 300 residuos, probablemente constan de moitas partes centrais hidrofóbicas.
Os dominios e a estrutura cuaternaria
Moitas proteínas teñen estrutura cuaternaria, que consta de varias cadeas polipeptídicas que se asocian formando unha molécula oligomérica. Cada cadea polipeptídica desas proteínas denomínase subunidade. A hemoglobina, por exemplo, consta de dúas subunidades α e dúas β. Cada unha das catro cadeas presenta un pregamento de globina todo α cun peto hemo.
O intercambio de dominios é un mecanismo para formar ensamblaxes oligoméricas.{ No intercambio de dominios, un elemento de estrutura terciaria ou secundaria dunha proteína monomérica é substituído polo mesmo elemento doutra proteína. O intercambio de dominios pode ir desde elementos de estrutura secundaria a dominios estruturais completos. Tamén representa un modelo de evolución para a adaptación funcional por oligomerización, por exemplo, encimas oligoméricos que teñen o seu sitio activo en interfaces de subunidades.
Os dominios como módulos evolutivos
A Natureza é unha reparadora e non unha inventora, polo que nela se adaptan novas secuencias a partir de secuencias preexistentes en vez de inventar outras novas. Os dominios son o material común utilizado pola natureza para xerar novas secuencias. Poden considerarse como unidades móbiles xeneticamente, denominadas "módulos". A miúdo, os extremos C e N-terminais dos dominios están moi xuntos no espazo, o que permite que sexan facilmente "encaixados" en estruturas parentais durante o proceso da evolución. Moitas familias de dominios están presentes nas tres formas de vida, Archaea, Bacteria e Eukarya. Os dominios proteicos que se encontran repetidamente en diversas proteínas denomínanse xeralmente módulos, exemplos dos cales son os das proteínas extracelulares asociadas coa coagulación do sangue, fibrinólise, sistema do complemento, matriz extracelular, moléculas de adhesión da superficie celular e receptores de citocinas.
A evolución molecular dá lugar a familias de proteínas relacionadas con secuencias e estruturas similares. Porén, a semellanza nas secuencias pode ser extremadamente baixa entre as proteínas que comparten a mesma estrutura. As estruturas de proteínas poden ser similares porque as proteínas diverxeron desde un antepasado común. Alternativamente, algúns pregamentos poden ser máis favorecidos que outros porque son arranxos estables de estruturas secundarias e algunhas proteínas poden converxer cara a estes pregamentos no decurso da evolución. Actualmente, hai determinadas unhas 90.000 estruturas en 3D de proteínas depositadas no PDB ( Protein Data Bank). Porén, este conxunto contén moitas estruturas moi similares ou idénticas. Todas as proteínas deberían ser clasificadas en familias estruturais para comprender as súas relacións evolutivas. Como as comparacións estruturais se fan mellor a nivel de dominios, desenvolvéronse moitos algoritmos para asignar automaticamente dominios en proteínas con estruturas 3D coñecidas (véxase máis abaixo a "Definición de dominio a partir de coordenadas estruturais").