мини|399x399px|Пируват киназа, белковина со три домени ().|алт= Белковински домен — сочуван дел од дадена белковинска низа и третична структура, кој може да постои, функционира и еволуира независно од остатокот на белковинската молекула. Секој домен формира компактна тридимензионална структура, која често е независно стабилна и независно може да се склопи. Голем број на белковини се изградени од неколку структурни домени, а еден ист домен може да се јави во структурата на мноштво различни белковини. Со рекомбинација на неколку домени во повеќе различни аранжмани можат да се добијат белковини со сосема различни функции. Големината на белковинските домени може да варира од 50 до 250 аминокиселини. Најкратките домени, како што се цинковите прсти (анг. zinc fingers) се стабилизирани од метални јони или дисулфидни мостови. Често домените формираат функционални единици, како што е EF рака (анг. EF hand) доменот кој врзува калциум и е составен дел на калмодулинот. Поради нивната независна стабилност, домените можат да се пренесат од една на друга белковинска молекула, по пат на генетски инженериг, и така да се создадат фузиони (химерни) белковини.
Историја Ветлауфер (Wetlaufer) прв го предложил концептот на белковински домен во 1973 година, по рендгенско кристалографски проучувања на лизозим и папаин и проучувања со ограничена протеолиза на имуноглобулини. Ветлауфер го доминирал белковинскиот домен како стабилна единица на белковинска структура која може самостојно да се склопи. Во минатото домените биле опишувани како единици на:
компактна структура функција и еволуција склопување (анг. folding).
Секоја од овие дефиниции е валидна и често можат да се поклопуваат, на пример, компактен структурен домен кој се среќава кај повеќе разновидни белковини, најверојатно е способен да се склопува независно во рамките на своето структурно опкружување. Во природата често се среќаваат т.н. мултидоменски и мултифункционални белковини, кои содржат повеќе од еден домен во својата структура, а често можат да вршат и повеќе од една функција. Кај мултидоменските белковини, секој домен може самостојно да ја изврши својата функција, или пак на синхронизиран начин со неговите соседни домени. Домените можат да служат или како модули за изградба на поголеми агрегати, како што се вирусните честички и мускулни влакна, или за обезбедување на специфични каталитички или врзувачки места, како што се среќава кај ензимите и регулаторните белковини.
Пример: пируват киназа Соодветен пример е пируват киназата (види слика погоре), гликолитичен ензим кој игра важна улога во регулирање на флуксот од фруктоза-1,6-бисфосфат до пируват. Тој содржи нуклеотид-врзувачки домен изграден само од β-плочи (сино), домен за врзување на супстрат со α/β структура (сиво) и регулационен домен со α/β структура (маслиново зелена) поврзани преку неколку полипептидни линкери. Секој од домените на оваа белковина се класифицира во неколку различни белковински фамилии.
Централниот домен, кој го врзува супстратот, има структура на α/β-цилиндар и е еден од најчестите ензимски склопови. α/β-цилиндарот често се нарекува TIM цилиндар (анг. TIM barrel, именуван по ензимот триоза фосфат изомераза, каде првпат бил откриен). Моментално, TIM цилиндарот се класифицира во 26 хомологни фамилии во CATH базата на податоци (анг. CATH protein structure database). TIM цилиндарот е формиран од низа на β-α-β мотиви, која се затвора така што првата и последната полипептидна верига водородно се поврзуваат меѓусебно, со што се формира структура која личи на буре изградено од осум вериги. Еволутивното потекло на овој домен сè уште е тема на дебата. Според една студија, еден ензим предок дивергирал во неколку белковински фамилии, додека според друга студија структурата на TIM цилиндарот еволуирала неколкупати во историјата на живиот свет преку конвергентна еволуција.
TIM цилиндарот во пируват киназата е „дисконтинуиран“, што значи дека потребен е повеќе од еден сегмент од полипептидот за да се формира структурата на доменот. Ова веројатно е резултат на вметнување на еден домен во друг во текот на еволуцијата на белковината. Од досега познатите белковински структури може да се заклучи дека околу четвртина од сите структурни домени се дисконтинуирани. Вметнатиот домен на β-цилиндар во пируват киназата е „континуиран“, што значи дека го создава континуирана полипептидна низа.
Единици на белковинска структура
Првичната структура на една белковина (аминокиселинската низа) ја кодира неговата склопена тридимензионална (3D) конформација. Најважниот фактор кој го регулира склопувањето на белковината во нејзината 3Д-структура е дистрибуцијата на поларните и неполарните странични радикали. Склопувањето го покренува ориентацијата на хидрофобните странични радикали кон внатрешноста на молекулата, за да избегнат контакт со вода. Општо земено, белковините имаат јадро од хидрофобни аминокиселински остатоци опкружено со обвивка од хидрофилни остатоци. Бидејќи самите пептидни врски се поларни по карактер, тие се неутрализираат со меѓусебно поврзување со водородни врски кога се наоѓаат во хидрофобната средина. Ова доведува до тоа да одредени региони на полипептидот формираат чести 3D структурни форми наречени вторични структури. Постојат два главни типа на вторична структура: α-завојница и β-плоча.
Некои едноставни комбинации на елементи на вторичната структура често се јавуваат во 3D структурите на белковините и се нарекуваат супервторична структура или мотиви. На пример, мотивот β-шнола (анг. β-hairpin) се состои од две соседни антипаралелни β-нишки поврзани со мала петелка. Овој мотив се јавува кај повеќето антипаралелни β-структури, или како изолирана лента или во состав на посложените β-плочи. Друга честа супервторична структура е β-α-β мотивот, кој често се користи за поврзување на две паралелни β-нишки. Централната α-завојница го поврзува C-крајот на првата нишка со N-крајот на втората нишка, а неговите странични остатоци се скапувани спроти β-плочата, на тој начин штитејќи ги хидрофобните остатоци од β-плочата од контакт со вода.
Ковалентната асоцијација на два домена има структурна и функционална предност, бидејќи стабилноста значително се зголемува во споредба со истите домени кога не се ковалентно поврзани. Други предности се заштита на меѓупроизводите на ензимската реакција во рамките на интердоменските пукнатини на ензимската молекула, кои инаку може да бидат нестабилни во водена средина, и фиксен стехиометриски сооднос на ензимската активност неопходна за одвивање на низа реакции.
Структурното порамнување е важна алатка за одредување на белковинските домени.
Третична структура Неколку мотиви можат да бидат спакувани заедно за да формираат локална, компактна, полунезависна единица наречена домен. Севкупната 3D структура на полипептидниот синџир се нарекува третична структура на белковината. Домените се основните единици на третичната структура, така што секој домен содржи поединечно хидрофобно јадро изградено од вторични структурни единици поврзани со петелки. Пакувањето на полипептидот обично е појако во внатрешноста отколку во надворешноста на доменот, што резултира со поцврсто јадро и пофлуидна површина. Аминокиселинските остатоци на јадрото често се сочувани во рамките на белковинската фамилија, додека остатоците на петелките се помалку сочувани, освен ако не се вклучени во функцијата на белковината. Третичната структура на белковините може да се подели на четири основни класи врз основа на содржината на вторични структури во доменот.
Исклучиво-α домени имаат јадро изградено само од α-завојници. Во оваа класа доминираат малите склопови, од кои повеќето формираат едноставен сноп од завојници кои се насочени нагоре и надолу. Исклучиво-β домени имаат јадро изградено само од антипаралелни β-плочи, обично две плочи спакувани една спроти друга. Различни шеми може да се идентификуваат во распоредот на нишките, што честопати води до идентификација на повторувачки мотиви, како што е мотивот „грчки клуч“. α + β домените се мешавина на исклучиво-α и исклучиво-β домените. Класификацијата на белковините во оваа класа е тешка поради тешкото разграничување од другите три класи и затоа не се користи во CATH базата на податоци. α/β домените се составени од комбинација на β-α-β мотиви, кои претежно формираат паралелна β-плоча опкружена со амфипатични α-завојници. Вторичните структури се аранжирани во слоеви или цилиндри (буриња).
Граници во големината Постојат граници во големината на домените. Големината на поединечните структурни домени варира од 36 аминокиселински остатоци кај Е-селектин, до 692 остатоци кај липооксигеназа-1, но мнозинството на домени (90%) имаат помалку од 200 остатоци, со просек од околу 100 остатоци. Многу кратките домени, со помалку од 40 остатоци, често биваат стабилизирани со помош на метални јони или дисулфидни врски. Големите домени, со повеќе од 300 остатоци, често содржат повеќе од едно хидрофобно јадро.
Четвртична структура Голем број на белковини поседуваат четвртична структура, која се состои од неколку полипептидни синџири асоцирани во олигомерна молекула. Секој полипептиден синџир во таква белковина се нарекува подединица. Хемоглобинот, на пример, се состои од две α и две β подединици. Секој од овие четири полипептидни синџири има исклучиво-α глобински склоп, со жлеб за врзување на хемот.
Размена на домен (анг. domain swapping) е механизам за формирање на олигомерни агрегати. Кај размена на домен, вторичен или третичен елемент на мономерната белковина се заменува со ист елемент од друга белковина. Размена на домените може да варира од елементи на вторичната стуктура до цели структурни домени. Таа, исто така, претставува еволуционен модел за функционална адаптација преку олигомеризација, на пример, олигомерни ензими кај кои актвното место е на интерфејсите на подединиците.
Белковински домени како еволуциони модули Природата новите низи ги прилагодува од претходно постоечки низи, а не ги создава одново. Природата често ги користи домените за создавање на нови низи; тие можат да се сметаат за генетски мобилни единици наречени „модули“. Честопати, C- и N-краевите на домените се просторно блиски, овозможувајќи им лесно да бидат вметнати во други структури за време на еволуцијата. Многу фамилии на домени се заеднички за сите три суперцарства на животот, археи, бактерии и еукариоти. Белковинските модули се подгрупа на белковински домени кои се среќаваат кај белковини со разновидни структури. Примери можат да се најдат кај вонклеточните белковини поврзани со коагулација, фибринолиза, комплемент, вонклеточната матрица, адхезиони молекули на клеточната површина и цитокински рецептори. Четири конкретни примери за широко распространети белковински модули се следните домени: SH2, имуноглобулин, фибронектин тип 3 и кринглскиот домен.
Молекуларната еволуција доведува до појава на фамилии на сродни белковини со слична аминокиселинска низа и структура. Сепак, сличностите меѓу низите можат да бидат исклучително ниски, дури и кај белковините кои ја имаат истата структура. Белковинските структури можат да бидат слични поради дивергенција од заеднички предок. Алтернативно, некои склопови (анг. folds) можат да бидат фаворизирани во однос на другите, бидејќи тие претставуваат стабилни аранжмани на вторични структури, а некои белковини можат да конвергираат кон создавање на вакви склопови во текот на еволуцијата. Досега има околу 110,000 експериментално утврдени белковински 3D структури, складирани во PDB (анг. Protein Data Bank – банка на податоци за белковини). Сепак, оваа бројка вклучува многу слични или идентични структури. Сите белковини треба да бидат класифицирани во структурни фамилии за да се разберат нивните еволуциони односи. Споредувањата на структурите на белковините најдобро се изведуваат на ниво на домени. Поради оваа причина развиени се мноштво на алгоритми кои автоматски одредуваат домени во белковините со позната 3D структура.