Złap obligację

Wiązanie chwytające jest rodzajem wiązania niekowalencyjnego , którego czas życia dysocjacji wzrasta wraz z siłą rozciągającą przyłożoną do wiązania. Zwykle oczekuje się, że czas życia obligacji będzie się zmniejszał z siłą. W przypadku obligacji typu catch czas życia obligacji faktycznie wzrasta do maksimum, zanim spadnie jak w przypadku normalnej obligacji. Obligacje chwytające działają w sposób koncepcyjnie podobny do chińskiej pułapki na palce . Podczas gdy wiązania połowowe są wzmacniane przez wzrost siły, wzrost siły nie jest konieczny, aby wiązanie zadziałało. Przez wiele lat podejrzewano, że wiązania chwytające odgrywają rolę w rolowaniu się leukocytów , ponieważ są wystarczająco silne, aby toczyć się w obecności dużych sił spowodowanych dużymi naprężeniami ścinającymi , jednocześnie unikając utknięcia w naczyniach włosowatych, gdzie przepływ płynu, a tym samym naprężenie ścinające, jest Niski. Istnienie wiązań chwytających było przedmiotem dyskusji przez wiele lat, dopóki w bakteriach nie znaleziono mocnych dowodów na ich istnienie. Ostateczny dowód ich istnienia pojawił się wkrótce potem w leukocytach.

Odkrycie

Obligacje połowowe zostały po raz pierwszy zaproponowane w 1988 roku w Proceedings of the Royal Society przez M. Dembo i in. podczas pobytu w Los Alamos National Laboratory . Opracowując model molekularny do badania krytycznego napięcia wymaganego do oderwania membrany związanej z powierzchnią przez cząsteczki adhezyjne, stwierdzono, że teoretycznie możliwe jest zwiększenie dysocjacji wiązania siłą, zmniejszenie siły i niezależność od siły. Terminy „ wiązanie poślizgowe ”, „wiązanie chwytające” i „wiązanie idealne” zostały ukute przez Dembo w celu opisania tych trzech typów zachowań wiązań.

Wiązania poślizgowe reprezentują zwykłe zachowanie pierwotnie modelowane przez G. Bella, byłego mentora Dembo na stanowisku doktora habilitowanego w Los Alamos National Laboratory w 1978 r. Wiązania poślizgowe były wspierane przez eksperymenty w komorze przepływowej, w których siły są przykładane do wiązań molekularnych łączących komórki z dnem komory pod przepływem ścinającym. Dla porównania, do 2003 r. nie znaleziono żadnych rozstrzygających dowodów na istnienie wiązań połowowych. Wynika to z warunków eksperymentalnych, które były niekorzystne dla wykrywania wiązań połowowych, a także sprzecznego z intuicją charakteru samych wiązań. Na przykład większość wczesnych eksperymentów przeprowadzono na płytkach 96-dołkowych, w środowisku, które nie zapewnia żadnego przepływu. W niektórych eksperymentach nie udało się wytworzyć naprężenia ścinającego, o którym obecnie wiadomo, że ma kluczowe znaczenie dla wydłużenia czasu życia wiązań chwytających, podczas gdy inne eksperymenty przeprowadzono w warunkach przepływu zbyt słabych lub zbyt silnych, aby zapewnić optymalne wzmocnienie tych wiązań wywołane ścinaniem. Wreszcie Marshall i współpracownicy odkryli, że P-selektyna : PSGL-1 wykazywały wydłużającą się żywotność wiązania, gdy przykładano obciążenia krokowe od 0 do ~ 10 pN dla interakcji monomerycznej, ale od 1 do ~ 20 pN dla interakcji dimerycznej, wykazując zachowanie wiązania wychwytującego; po osiągnięciu maksymalnych wartości, które wynosiły odpowiednio ~ 0,6 i 1,2 sekundy dla interakcji monomerycznych i dimerycznych, żywotność wiązania gwałtownie spadła przy wyższych obciążeniach, wykazując zachowanie wiązania poślizgowego (wiązania „catch-slip”). Dane te zostały zebrane przy użyciu mikroskopu sił atomowych i komory przepływowej, a następnie zostały zduplikowane przy użyciu biomembranowej sondy siłowej.

To odkrycie skłoniło do odkrycia innych ważnych wiązań wyłapujących w 2000 roku, w tym między L-selektyną a PSGL-1 lub endoglikanem, FimH i mannozą, miozyną i aktyną, płytkową glikoproteiną Ib i czynnikiem von Willebranda oraz integryną alfa 5 beta 1 i fibronektyna. Podkreślając ich znaczenie i powszechną akceptację, w ciągu trzech lat po ich odkryciu opublikowano co najmniej 24 artykuły na temat obligacji połowowych.

W 2010 roku odkryto więcej wiązań wychwytujących, w tym E-selektyna z ligandami węglowodanowymi, G-aktyna z G-aktyną lub F-aktyną, kompleks kadheryna-katenina z aktyną, winkulina z F-aktyną, mikrotubula z cząstką kinetochoru, integryna alfa L beta 2 i cząsteczka adhezji międzykomórkowej 1 (ICAM-1), integryna alfa 4 beta 1 z cząsteczką adhezji naczyniowej 1, integryna alfa M beta 2 z ICAM-1, integryna alfa V beta 3 z fibronektyną i integryna alfa IIb beta 3 z fibronektyną lub fibrynogenu.

Sivasankar i jego zespół badawczy odkryli, że mechanizm stojący za zagadkowym zjawiskiem wynika z długotrwałych, wymuszonych wiązaniami wodorowymi. Korzystając z danych z poprzednich eksperymentów, zespół wykorzystał dynamikę molekularną, aby odkryć, że dwie kadheryny w kształcie pręcików w X-dimerze tworzą wiązania wychwytujące po pociągnięciu iw obecności jonów wapnia. Jony wapnia utrzymują sztywność kadheryn, podczas gdy ciągnięcie zbliża białka do siebie, umożliwiając tworzenie wiązań wodorowych. Mechanizm stojący za wiązaniami chwytającymi pomaga wyjaśnić biofizykę adhezji komórka-komórka. Zdaniem naukowców „Solidna adhezja kadheryny jest niezbędna do utrzymania integralności tkanek, takich jak skóra, naczynia krwionośne, chrząstki i mięśnie, które są narażone na ciągły atak mechaniczny”.

Powyższe wiązania wychwytujące powstają między receptorami adhezyjnymi a ligandami oraz między cząsteczkami strukturalnymi i białkami motorycznymi, które przenoszą siłę lub generują siłę w swoich funkcjach fizjologicznych. Interesującym niedawnym odkryciem są odkrycia wiązań typu catch utworzonych między receptorami sygnałowymi a ich ligandami. Obejmują one wiązania między receptorami antygenu komórek T (TCR) lub pre-TCR a peptydem prezentowanym przez cząsteczki głównego kompleksu zgodności tkankowej (pMHC), receptor Fc gamma i Fc IgG oraz receptor notch i ligandy. Sugerowano, że obecność wiązań wychwytujących w interakcjach tych receptorów sygnalizacyjnych (a nie adhezyjnych) wskazuje na możliwą rolę tych receptorów jako mechanoreceptorów.

Wariacje i związane z nimi wiązania dynamiczne

Wiązania trójfazowe

Inne typy „wiązań dynamicznych” zostały zdefiniowane oprócz pierwotnych typów wiązań typu „catch bonds”, „slip bonds” i „ideal bonds” sklasyfikowanych przez Dembo. W przeciwieństwie do wiązań poślizgowych, które zaobserwowano w całym badanym zakresie sił, wiązania chwytające istnieją tylko w określonym zakresie sił, ponieważ każde wiązanie molekularne zostałoby ostatecznie pokonane przez wystarczająco dużą siłę. Dlatego po wiązaniach typu catch zawsze następują wiązania typu slip, stąd nazywane „wiązaniami typu catch-slip”. Zaobserwowano również więcej odmian, np. trójfazowe wiązania typu slip-catch-slip.

Wiązania elastyczne

Przejście między wiązaniami chwytającymi i poślizgowymi zostało modelowane jako dysocjacja molekularna z dwóch stanów wiązań wzdłuż dwóch ścieżek. Dysocjacja wzdłuż każdego szlaku osobno skutkuje wiązaniem poślizgowym, ale z różną szybkością. Przy małych siłach dysocjacja zachodzi głównie wzdłuż szybkiej ścieżki. Rosnąca siła przechyla wielowymiarowy krajobraz energetyczny, aby przełączyć dysocjację z szybkiej ścieżki na wolną ścieżkę, manifestując wiązanie łapania. Ponieważ dominuje dysocjacja wzdłuż wolnej ścieżki, dalszy wzrost siły przyspiesza dysocjację, manifestując wiązanie poślizgowe. To zachowanie przełączania jest również nazywane wiązaniem elastycznym.

Dynamiczny połów

Powyższe wiązania obejmują interakcje dwucząsteczkowe, które prawdopodobnie reprezentują najprostsze typy. W interakcjach trójcząsteczkowych pojawia się nowy typ wiązań wyłapujących. W takich przypadkach jedna cząsteczka może oddziaływać z dwoma przeciwcząsteczkami przy użyciu dwóch miejsc wiązania, albo osobno, tj. pojedynczo, pod nieobecność drugiej, tworząc wiązania dwucząsteczkowe, albo jednocześnie, tworząc wiązanie trójcząsteczkowe, gdy obie przeciwcząsteczki są obecni. Interesującym odkryciem jest to, że nawet gdy dwie interakcje dwucząsteczkowe zachowują się jak wiązania poślizgowe, interakcja trójcząsteczkowa może zachowywać się jak wiązanie wychwytujące. Ten nowy typ wiązania, który wymaga równoczesnego i kooperacyjnego wiązania, nazywany jest połowem dynamicznym.

Cykliczne wzmocnienie mechaniczne

Większość wiązań chwytających wykazano za pomocą spektroskopii siły dociskającej, gdzie po początkowym pochyleniu na wiązanie działa stała siła, aby zaobserwować, jak długo trwa wiązanie, tj. mierzyć czas życia wiązania przy stałej sile. Wiązania zatrzaskowe ujawniają się, gdy średni czas życia wiązania (wzajemnie związany z szybkością dysocjacji wiązania) rośnie wraz z siłą zacisku. Zhu i współpracownicy wykazali, że żywotność wiązania mierzona w fazie docisku siły może być znacznie wydłużona, jeśli początkowe narastanie obejmowało dwie formy wstępnego kondycjonowania: 1) obciążenie wiązania poprzez zwiększenie siły do wysokiego poziomu (siła szczytowa) przed zaciśnięciem siłę na niskim poziomie do pomiaru czasu życia oraz 2) wielokrotne obciążanie i rozładowywanie wiązania przez wielokrotne cykle siły przed zaciśnięciem siły na wartości szczytowej do pomiaru czasu życia. Ten nowy typ wiązania, określany jako cykliczne wzmocnienie mechaniczne (CMR), różni się od wiązania zaczepowego, niemniej jednak przypomina wiązanie zaczepowe, ponieważ żywotność wiązania wzrasta wraz ze szczytową siłą i liczbą cykli użytych do wstępnego kondycjonowania wiązania. CMR zaobserwowano dla interakcji między integryną alfa 5 beta 1 a fibronektyną oraz między G-aktyną a G-aktyną lub F-aktyną.

Wymuś zależność od historii

Zjawisko CMR wskazuje, że to, jak długo wiązanie może wytrzymać siłę na danym poziomie, może zależeć od historii przyłożenia siły przed osiągnięciem tego poziomu siły. Innymi słowy, „stała szybkości” dysocjacji cząsteczkowej przy stałej sile zależy nie tylko od wartości siły w bieżącym czasie, ale także od wcześniejszej historii siły, której wiązanie doświadczyło w przeszłości. Rzeczywiście zaobserwowano to dla interakcji P-selektyny z PSGL-1 lub przeciwciałem anty-P-selektyny, L-selektyny z PSGL-1, miozyny z aktyną, integryny alfa V beta 3 z fibrynogenem i TCR z pMHC.

Różne wiązania typu catch o specyficznych oddziaływaniach molekularnych

Selektywne wiązanie

Tło

Leukocyty , podobnie jak inne rodzaje białych krwinek, zwykle tworzą słabe i krótkotrwałe wiązania z innymi komórkami za pośrednictwem selektyny . Na zewnątrz błony leukocytów pokryte są mikrokosmki , które mają różne rodzaje cząsteczek adhezyjnych, w tym P-selektynowy glikoproteinowy ligand-1 (PSGL-1), glikoproteinę, która normalnie jest ozdobiona siarczanowanym sialilem-Lewis x. cząsteczka PSGL-1 zawierająca siarczanowany sialilo-Lewis-x ma zdolność wiązania się z dowolnym typem selektyny. Leukocyty wykazują również selektynę L, która wiąże się z innymi komórkami lub innymi leukocytami zawierającymi cząsteczki PSGL-1.

U góry: W normalnych warunkach przepływu krwi leukocyty (szare kółka) swobodnie unoszą się w krwioobiegu. Dół: W warunkach infekcji i stanu zapalnego, wysokie naprężenia ścinające powodują wiązanie leukocytów i toczenie się wzdłuż ścian naczyń krwionośnych (czerwone linie). Jest to znane jako zjawisko progu ścinania.

Ważnym przykładem wiązań wyłapujących jest ich rola w wynaczynieniu leukocytów . W trakcie tego procesu leukocyty przemieszczają się przez układ krwionośny do miejsc infekcji, „tocząc się” i wiążąc z cząsteczkami selektyny na ścianie naczynia. Chociaż w normalnych warunkach może swobodnie unosić się we krwi, naprężenie ścinające wywołane stanem zapalnym powoduje, że leukocyty przyczepiają się do ściany naczynia śródbłonka i zaczynają się toczyć, a nie unosić w dół rzeki. To „zjawisko progu ścinania” zostało po raz pierwszy scharakteryzowane w 1996 roku przez Fingera i in. który wykazał, że wiązanie leukocytów i przetaczanie się przez L-selektynę jest utrzymywane tylko wtedy, gdy do układu zostanie przyłożony krytyczny próg ścinania. Wiele źródeł dowodów wykazało, że wiązania połowowe są odpowiedzialne za mechanizm uwięzi i rolowania, który umożliwia zajście tego krytycznego procesu. Wiązania zatrzaskowe umożliwiają zwiększenie siły, aby przekształcić krótkotrwałe uwięzi w silniejsze, dłuższe interakcje wiązania, zmniejszając w ten sposób prędkość toczenia i zwiększając regularność kroków toczenia. Jednak ten mechanizm działa tylko przy optymalnej sile. Gdy siła ścinająca przekracza tę siłę, wiązania powracają do wiązań poślizgowych, powodując wzrost prędkości i nieregularności toczenia.

Adhezja leukocytów za pośrednictwem naprężenia ścinającego

W naczyniu krwionośnym, przy bardzo niskim naprężeniu ścinającym ~ 0,3 dyn na centymetr kwadratowy, leukocyty nie przylegają do komórek śródbłonka naczynia krwionośnego . Komórki poruszają się wzdłuż naczynia krwionośnego z szybkością proporcjonalną do szybkości przepływu krwi. Gdy naprężenie ścinające przekroczy tę wartość progową ścinania, leukocyty zaczynają gromadzić się poprzez wiązanie selektyny. Przy niskim naprężeniu ścinającym powyżej progu około 0,3 do 5 dyn na centymetr kwadratowy, leukocyty naprzemiennie wiążą się i nie wiążą. Ponieważ jeden leukocyt ma wiele selektyn na powierzchni, te wiązanie/rozłączanie selektyny powoduje ruch obrotowy na naczyniu krwionośnym. W miarę wzrostu naprężenia ścinającego wiązania selektyny stają się silniejsze, co powoduje zmniejszenie prędkości toczenia. To zmniejszenie prędkości toczenia się leukocytów pozwala komórkom zatrzymać się i wykonać trwałe wiązanie poprzez integryny . Wiązanie selektyny nie wykazuje „prawdziwej” właściwości wiązania typu catch. Eksperymenty pokazują, że przy bardzo dużym naprężeniu ścinającym (przekraczającym drugi próg) wiązanie selektyny przechodzi między wiązaniem chwytającym do wiązania wiązania poślizgowego , w którym prędkość toczenia wzrasta wraz ze wzrostem siły ścinającej.

Toczenie się leukocytów za pośrednictwem przejścia typu catch-slip

Przejście typu catch-slip umożliwia leukocytom toczenie się wzdłuż ścian naczyń krwionośnych.

Badacze postawili hipotezę, że zdolność leukocytów do utrzymywania przyczepności i toczenia się po ścianie naczynia krwionośnego można wyjaśnić kombinacją wielu czynników, w tym spłaszczaniem komórek w celu utrzymania większej powierzchni wiązania i zmniejszenia oporu hydrodynamicznego, a także uwięziami utrzymującymi tylnej części toczącej się komórki do śródbłonka pękając i przesuwając się do przodu toczącej się komórki, aby ponownie przyczepić się do ściany śródbłonka. Hipotezy te dobrze współpracują z ustaleniami Marshalla z 2003 r., że wiązania selektyny przechodzą przez przejście typu catch-slip, w którym początkowy wzrost siły ścinającej wzmacnia wiązanie, ale przy wystarczającej przyłożonej sile czas życia wiązania zaczyna zanikać wykładniczo . W związku z tym słabe wiązanie zawiesia na przedniej krawędzi toczącego się leukocytu byłoby początkowo wzmacniane, gdy komórka toczy się dalej, a napięcie wiązania wzrasta, zapobiegając oddzieleniu się komórki od ściany śródbłonka i swobodnemu unoszeniu się w krwioobiegu pomimo wysokiej siły ścinające. Jednak na krawędzi spływu ogniwa napięcie staje się wystarczająco wysokie, aby przejście wiązania od zaczepu do poślizgu, a wiązania mocujące krawędź spływu ostatecznie pękają, umożliwiając komórce dalsze toczenie się zamiast pozostawania w bezruchu.

Proponowane mechanizmy działania

Model allosteryczny

Model allosteryczny stwierdza, że przyłożone napięcie powoduje rozszerzoną konformację domeny EGF, powodując zmianę konformacyjną domeny lektynowej, co skutkuje zwiększonym powinowactwem wiązania.

Chociaż obligacje połowowe są obecnie powszechnie uznawane, ich mechanizm działania jest nadal przedmiotem sporu. W dyskusji dominują dwie wiodące hipotezy. ^{[ potrzebne źródło ]} Pierwsza hipoteza, model allosteryczny, opiera się na dowodach, że krystalografia rentgenowska białek selektyny wykazuje dwa stany konformacyjne: konformację wygiętą pod nieobecność ligandu i konformację rozszerzoną w obecności ligandu. Główne domeny zaangażowane w te stany to domena lektynowa zawierająca miejsce wiązania ligandu oraz domena EGF , która może zmieniać konformacje między wygiętą a rozciągniętą. Model allosteryczny twierdzi, że napięcie domeny EGF sprzyja rozszerzonej konformacji, a wydłużenie tej domeny powoduje przesunięcie konformacyjne w domenie lektynowej, co skutkuje większym powinowactwem wiązania ligandu. W wyniku tej zmiany konformacyjnej ligand jest skutecznie blokowany na miejscu pomimo naprężenia wywieranego na wiązanie.

Model przesuwno-rebindujący

Model przesuwanego ponownego wiązania różni się od modelu allosterycznego tym, że model allosteryczny zakłada, że istnieje tylko jedno miejsce wiązania i można je zmienić, ale model przesuwanego ponownego wiązania stwierdza, że istnieje wiele miejsc wiązania i nie są one zmieniane przez rozszerzenie EGF. Raczej w konformacji wygiętej, która jest preferowana przy małych przyłożonych siłach, przyłożona siła jest prostopadła do linii możliwych miejsc wiązania. Tak więc, gdy połączenie między ligandem a domeną lektynową zostanie przerwane, wiązanie szybko dysocjuje. Jednak przy większych przyłożonych siłach białko jest wydłużane, a linia możliwych miejsc wiązania jest wyrównana z przyłożoną siłą, umożliwiając ligandowi szybkie ponowne związanie się z nowym miejscem wiązania po zakłóceniu początkowej interakcji. Przy wielu miejscach wiązania, a nawet zdolności do ponownego łączenia się z pierwotnym miejscem wiązania, szybkość dysocjacji liganda byłaby zmniejszona, co jest typowe dla wiązań typu catch.

Mechanizm pojedynczego wiązania selektyny

Pojedyncze wiązanie PSGL-1 i selektyny jest podobne do wiązania konwencjonalnego białka, gdy siła jest utrzymywana na stałym poziomie, ze stałą dysocjacji. Gdy wywierana siła zaczyna rosnąć, stała dysocjacji maleje, powodując silniejsze wiązanie. Gdy siła osiąga poziom progowy 11 pN, stała dysocjacji zaczyna ponownie rosnąć, osłabiając wiązanie, powodując, że wiązanie wykazuje właściwość wiązania poślizgowego.

Wiązanie FimH

Tło

Wiązania chwytające również odgrywają znaczącą rolę w adhezji bakterii, zwłaszcza w Escherichia coli . E. coli i inne bakterie bytujące w jelicie muszą mieć zdolność przylegania do ścian jelit, w przeciwnym razie mogą zostać usunięte z organizmu poprzez wypróżnienia. Jest to możliwe dzięki bakteryjnemu białku FimH, które pośredniczy w wysokiej adhezji w odpowiedzi na wysoki przepływ. Domena lektynowa to taka, która zapewnia FimH wiązanie właściwości wiązania catch podczas wiązania z mannozy z innych komórek. Eksperymenty wykazały, że przy szybkim obciążeniu siłą wiązania były w stanie przetrwać duże siły, wskazując w ten sposób na zachowanie wiązania. Wiązania wyłapujące są odpowiedzialne za brak eliminacji E. coli z dróg moczowych podczas oddawania moczu, co prowadzi do infekcji dróg moczowych. Ta wiedza jest ważna nie tylko dla zrozumienia bakterii, ale także dla poznania, jak można tworzyć technologie antyadhezyjne.

Adhezja bakterii za pośrednictwem naprężeń ścinających

Podobnie jak wiązanie selektyny, wiązanie FimH ma również próg, przy którym zaczyna wiązać się z komórkami gospodarza dopiero powyżej tego progu. Ten próg naprężenia ścinającego wynosi około 1 dyn na centymetr kwadratowy, nieco większy niż próg wiązania selektyny. Powyżej tego progu FimH również zmienia się między wiązaniem, pauzą i niewiązaniem z resztami mannozy. Jednak w odróżnieniu od wiązania selektyny, wiązanie FimH z mannozą-BSA może mieć bardzo długie lub bardzo krótkie przerwy. To powoduje, że wiązanie FimH wykazuje adhezję „stick-and-roll”, a nie adhezję toczną w przypadku wiązania selektyny. I w przeciwieństwie do wiązania selektyny, które wymaga integryny, aby pomóc w mocnym przyleganiu, wiązanie FimH może stać się stacjonarne, a proces ten jest odwracalny. We wszystkim tym pośredniczy poziom naprężenia ścinającego: przy naprężeniu ścinającym wyższym niż 20 dyn na centymetr kwadratowy wiązanie FimH jest stacjonarne. Przy naprężeniu ścinającym większym niż 100 dyn na centymetr kwadratowy obserwuje się powolne walcowanie.

Zobacz też