Proteiner tros ha unika strukturer som bestäms av deras aminosyrasekvenser . Proteiner är dock inte strikt statiska enheter, utan representerar snarare ensembler av (ibland liknande) konformationer. Övergångar mellan dessa tillstånd sker på olika längdskalor (från tiondelar av Å till nm ) och tidsskalor (ns till s) och är associerade med funktionellt signifikanta fenomen som allosterisk signalering [1] och enzymatisk katalys [2] .
Studiet av proteindynamik handlar mest direkt om övergångar mellan dessa tillstånd, men kan också involvera naturen och jämviktspopulationerna i själva tillstånden. Dessa två synpunkter - kinetik respektive termodynamik - kan syntetiseras konceptuellt i "energilandskapets" paradigm [3] : vanliga tillstånd och kinetiken för övergångar mellan dem kan beskrivas av djupet av energihål och energins höjd barriärer.
Delar av proteinstrukturer avviker ofta från ett jämviktstillstånd. Vissa av dessa avvikelser är harmoniska , såsom de stokastiska vibrationerna av kemiska bindningar och bindningsvinklar. Andra är anharmoniska , såsom sidokedjor som hoppar mellan separata diskreta energiminima, eller rotamerer [4] .
Bevis på lokal flexibilitet erhålls ofta med hjälp av NMR-spektroskopi . Flexibla och potentiellt oordnade regioner av ett protein kan upptäckas med hjälp av det slumpmässiga spolindexet . Flexibiliteten hos vikta proteiner kan bestämmas genom att analysera spinrelaxationen av enskilda atomer i proteinet. Flexibilitet kan också observeras i mycket högupplösta elektrondensitetskartor som genereras av röntgenkristallografi [5] speciellt när diffraktionsdata samlas in vid rumstemperatur istället för traditionell kryogen temperatur (vanligtvis runt 100 K) [6] . Information om frekvensfördelningen och dynamiken hos proteinets lokala flexibilitet kan erhållas med Raman-spektroskopi och optisk spektroskopi av Kerr-effekten i terahertz-frekvensområdet [7] .
Många rester i proteinstrukturer är i nära rumslig närhet. Detta gäller för de flesta rester som är angränsande i den primära sekvensen, men också för många rester som är distala i sekvens men som kommer i kontakt i den slutliga veckstrukturen. På grund av denna närhet blir energilandskapen för dessa rester sammankopplade baserat på olika biofysiska fenomen som vätebindningar , jonbindningar och van der Waals-interaktioner (se figur). Således blir övergångar mellan tillstånd för sådana uppsättningar av rester korrelerade [8] .
Detta är kanske mest uppenbart för öppna slingor, som ofta växlar kollektivt till olika konformationer i olika kristallstrukturer (se figur). Men kopplad konformationell heterogenitet är också ibland uppenbar i den sekundära strukturen [9] . Till exempel interagerar på varandra följande rester och rester skiftade med 4 i den primära sekvensen ofta i a-helixar . Dessutom riktar rester som är förskjutna med 2 i den primära sekvensen sina sidokedjor till samma sida av β-arken och är tillräckligt nära för sterisk interaktion, liksom rester på intilliggande strängar av samma p-ark . Några av dessa konformationsförändringar induceras av post-translationella modifieringar av proteinstrukturen såsom fosforylering och metylering [9] [10] .
När dessa länkade rester bildar vägar som länkar samman funktionellt viktiga delar av proteinet, kan de delta i allosterisk signalering. Till exempel, när en syremolekyl binder till en subenhet av hemoglobintetrameren , sprids denna information allosteriskt till de andra tre subenheterna, vilket ökar deras syreaffinitet. I detta fall möjliggör hemoglobinets kopplade flexibilitet samverkande syrebindning, vilket är fysiologiskt fördelaktigt eftersom det ger en snabb syrebelastning i lungvävnad och en snabb syreavlastning i syreberövade vävnader (t.ex. muskler).
Närvaron av flera domäner i proteiner ger större flexibilitet och rörlighet , vilket leder till dynamiken hos proteindomäner [1] . Domänrörelser kan härledas genom att jämföra olika proteinstrukturer (som i databasen för molekylär rörelse ), eller så kan de observeras direkt med hjälp av spektra [11] [12] mätt med neutronspin-ekospektroskopi. De kan också föreslås genom provtagning av de breda banorna för molekylär dynamik [13] och huvudkomponentanalys [14] . Domänförflyttning är viktigt för:
En av de största domänförskjutningarna som observerats är en "vändningsmekanism" i pyruvatfosfatdekinas . Fosfoinositiddomänen växlar mellan två tillstånd för att flytta fosfatgruppen från det aktiva stället för nukleotidbindningsdomänen till fosfoenolpyruvat/pyruvatdomänen [22] . Fosfatgruppen färdas ett avstånd på 45 Å med domänen som rör sig cirka 100 grader runt en enda rest. I enzymer fångar stängningen av en domän till en annan substratet genom inducerad passning, vilket gör att reaktionen kan fortgå på ett kontrollerat sätt. Gersteins detaljerade analys ledde till en klassificering av två huvudtyper av domänrörelser; gångjärn och sax [19] . Endast en relativt liten del av kedjan, nämligen interdomänlinkern och sidokedjorna, genomgår betydande konformationsförändringar under omarrangemanget av domänen [23] .
Haywards studie [24] visade att ändarna av α-helixar och β-sheets bildar gångjärn i många fall. Många gångjärn har visat sig innefatta två sekundära konstruktionsdelar som fungerar som dörrgångjärn, vilket tillåter dörrar att öppnas och stängas. Detta kan inträffa när två intilliggande strängar i ett β-ark belägna i samma domän divergerar när de förenar en annan domän. De två resulterande ändarna bildar sedan kinkregioner mellan de två domänerna. Det har visat sig att α-helixar, som bibehåller sitt nätverk av vätebindningar när de böjs, beter sig som mekaniska gångjärn och ackumulerar "elastisk energi" som driver domänstängning för att snabbt fånga upp substratet [24] .
Interomvandlingen av spiralformade och utsträckta konformationer vid domängränsregionen är inte ovanlig. I calmodulin ändras torsionsvinklarna för fem rester i mitten av den a-helixbindande domänen. Helixen är uppdelad i två nästan vinkelräta mindre helixar, åtskilda av fyra rester av en långsträckt kedja [25] [26] .
Skjuvrörelser involverar en lätt glidande rörelse av domängränssnitt kontrollerade av aminosyrasidokedjor inom gränssnittet. Proteiner som uppvisar skjuvrörelser har ofta en arkitektur på flera nivåer: vikningen av sekundära strukturer. Interdomänlinkern utför endast rollen att hålla domäner i närheten.
Analys av den interna dynamiken hos strukturellt olika men funktionellt likartade enzymer avslöjade ett gemensamt samband mellan platsen för det aktiva stället och de två huvudsakliga proteinsubdomänerna. Faktum är att för vissa medlemmar av hydrolas-superfamiljen är det katalytiska centret beläget nära gränssnittet mellan de två huvudsakliga kvasi-styva domänerna [13] . Sådan positionering tycks vara ett verktyg för att upprätthålla exakt aktiv platsgeometri samtidigt som den tillåter en märkbar funktionellt orienterad modulering av de flankerande områdena som ett resultat av den relativa rörelsen av de två underdomänerna.
Bevis tyder på att proteindynamik är viktig för funktion, till exempel för enzymatisk katalys i DHFR , men det föreslås också att de underlättar förvärvet av nya funktioner genom molekylär evolution [27] . Detta argument antyder att proteiner har utvecklats till att ha stabila, mestadels unika veckningsstrukturer, men den oundvikliga kvarvarande flexibiliteten leder till en viss grad av funktionell promiskuitet som kan förbättras/aktiveras/förkastas av efterföljande mutationer.
Men den växande förståelsen att i sig ostrukturerade proteiner är ganska vanliga i eukaryota genom [28] ifrågasätter den enklaste tolkningen av Anfinsens dogm : "sekvensen bestämmer strukturen (enkel)". Faktum är att det nya paradigmet kännetecknas av tillägget av två varningar: "sekvens och cellulär miljö bestämmer den strukturella ensemblen."