Makromolekulární sestava - Macromolecular assembly

Struktura nukleoproteinu MA: ribozomální podjednotka 50S z H. marismortui Rentgenová krystalografická model 29 z 33 nativních komponent z laboratoře Thomas Steitz. Z 31 komponentních proteinů je zobrazeno 27 (modrých) spolu s 2 řetězci RNA (oranžová / žlutá).[1] Měřítko: montáž je cca. 24 nm napříč.[2]

Termín makromolekulární sestava (MA) odkazuje na masivní chemické struktury, jako je viry a nebiologické nanočástice, buněčný organely a membrány a ribozomy atd., což jsou komplexní směsi polypeptid, polynukleotid, polysacharid nebo jiné polymerní makromolekuly. Obvykle se jedná o více než jeden z těchto typů a směsi jsou definovány prostorově (tj. S ohledem na jejich chemický tvar) a s ohledem na jejich základní chemické složení a struktura. Makromolekuly se nacházejí v živých a neživých věcech a skládají se z mnoha stovek nebo tisíců atomy drží pohromadě kovalentní vazby; jsou často charakterizovány opakujícími se jednotkami (tj. jsou polymery ). Sestavy z nich mohou být také biologické nebo nebiologické, ačkoli termín MA se běžněji používá v biologii a termín supramolekulární sestava se častěji používá v nebiologických kontextech (např. v supramolekulární chemie a nanotechnologie ). MA makromolekul jsou drženy v definovaných formách pomocí nekovalentní intermolekulární interakce (spíše než kovalentní vazby) a mohou být buď v neopakujících se strukturách (např. jako v ribozom (obrázek) a buněčná membrána architektury), nebo v opakujících se lineárních, kruhových, spirálových nebo jiných vzorech (např. jako v aktinová vlákna a bičíkový motor, obraz). Proces, kterým se tvoří ŘO, byl pojmenován molekulární samo-sestavení, termín zvláště používaný v nebiologických kontextech. Pro studium magisterského studia existuje široká škála fyzikálních / biofyzikálních, chemických / biochemických a výpočetních metod; vzhledem k rozsahu (molekulárních dimenzích) magisterských programů stojí v popředí moderní vědy o struktuře úsilí o vypracování jejich složení a struktury a rozeznání mechanismů, které jsou základem jejich funkcí.

Eukaryot ribozom, který katalyticky přeložit informační obsah obsažený v mRNA molekuly na proteiny. Animace představuje fáze prodloužení a cílení na membránu eukaryotický překlad, zobrazující mRNA jako černý oblouk, ribozom podjednotky zelené a žluté, tRNA tmavě modré, proteiny jako prodloužení a další faktory podílející se na světle modré barvě, rostoucí polypeptidový řetězec jako černá nit vyrůstající svisle od křivky mRNA. Na konci animace je produkovaný polypeptid extrudován přes světle modrý SecY pór[3] do šedého interiéru ER.

Biomolekulární komplex

3D tištěné model struktury a bakteriální bičík "motor" a částečná tyčová konstrukce a Salmonella druh. Zdola nahoru: tmavě modrá, opakující se FliM a FliN, motorické / přepínací proteiny; červené, FliG motorové / přepínací proteiny; žluté, FliF transmembránové vazebné proteiny; světle modré, L a P kruhové proteiny; a (nahoře), tmavě modrá, víčko, spojení hákovým vláknem, háček a tyčinkové proteiny.[4]

A biomolekulární komplex, také nazývaný a biomakromolekulární komplex, je jakýkoli biologický komplex vyrobený z více než jednoho biopolymer (protein, RNA, DNA,[5]uhlohydrát ) nebo velké nepolymerní biomolekuly (lipid ). Interakce mezi těmito biomolekulami jsou nekovalentní.[6]Příklady:

Biomakromolekulární komplexy jsou strukturně studovány pomocí Rentgenová krystalografie, NMR spektroskopie proteinů, kryo-elektronová mikroskopie a postupně analýza jednotlivých částic, a elektronová tomografie.[9]Modely atomové struktury získané rentgenovou krystalografií a biomolekulární NMR spektroskopií mohou být ukotven do mnohem větších struktur biomolekulárních komplexů získaných technikami s nižším rozlišením, jako je elektronová mikroskopie, elektronová tomografie a malý úhel rentgenového rozptylu.[10]

Komplexy makromolekul se vyskytují všudypřítomně v přírodě, kde se podílejí na konstrukci virů a všech živých buněk. Kromě toho hrají zásadní roli ve všech základních životních procesech (překlad bílkovin, buněčné dělení, obchodování s vezikuly, intra- a mezibuněčná výměna materiálu mezi oddíly atd.). V každé z těchto rolí se složité směsi organizují specifickými strukturálními a prostorovými způsoby. Zatímco jednotlivé makromolekuly jsou drženy pohromadě kombinací kovalentních vazeb a uvnitřmolekulární nekovalentní síly (tj. asociace mezi částmi v každé molekule, prostřednictvím interakce poplatek-poplatek, van der Waalsovy síly, a interakce dipól-dipól jako Vodíkové vazby ), podle definice jsou samotné MA drženy pohromadě pouze prostřednictvím nekovalentní síly, kromě nyní vyvíjených mezi molekuly (tj. intermolekulární interakce ).[Citace je zapotřebí ]

Stupnice a příklady MA

Výše uvedené obrázky naznačují složení a měřítko (dimenze) spojené s MA, ačkoli ty se začínají dotýkat složitosti struktur; v zásadě je každá živá buňka složena z MA, ale sama je také MA. V příkladech a dalších takových komplexech a sestavách jsou MA často miliony daltony v molekulové hmotnosti (megadaltony, tj. milionkrát větší než hmotnost jednoho jednoduchého atomu), i když stále mají měřitelné poměry složek (stechiometrie ) na určité úrovni přesnosti. Jak již bylo zmíněno v legendách o obrázku, při správné přípravě mohou být MA nebo dílčí komplexy MA často krystalizovány pro studium krystalografie bílkovin a související metody nebo studované jinými fyzikálními metodami (např. spektroskopie, mikroskopie ).[Citace je zapotřebí ]

Průřezy fosfolipidů (PL) relevantní pro biomembrána MA. Žluto-oranžová označuje hydrofobní lipidové ocasy; černé a bílé koule představují polární oblasti PL (v.i.). Rozměry dvouvrstvy / lipozomu (v grafice zakryté): hydrofobní a polární oblasti, každá ~ 30 Å (3,0 nm) „silná“ - polární od ~ 15 Å (1,5 nm) na každé straně.[11][12][13][14]
Grafické znázornění struktury virového MA, virus mozaiky cowpea, s 30 kopiemi každého z jeho obalových proteinů, malého obalového proteinu (S, žlutý) a velkého obalového proteinu (L, zelený), který spolu se 2 molekulami pozitivní smysl RNA (RNA-1 a RNA-2, nejsou viditelné) tvoří virion. Sestava je vysoce symetrický, a je ~ 280 Å (28 nm) napříč v nejširším místě.[je nutné ověření ][Citace je zapotřebí ]

Virové struktury byli mezi prvními studovanými MA; další biologické příklady zahrnují ribozomy (částečný obrázek výše), proteazomy a translační komplexy (s protein a nukleová kyselina složky), prokaryotické a eukaryotické transkripční komplexy a jaderný a další biologické póry které umožňují průchod materiálu mezi buňkami a buněčnými oddíly. Biomembrány jsou také obecně považovány za MA, ačkoli požadavek na strukturální a prostorovou definici je upraven tak, aby vyhovoval vlastnímu molekulární dynamika membrány lipidy a bílkovin uvnitř lipidové dvojvrstvy.[Citace je zapotřebí ]

Výzkum MA

Studium struktury a funkce MA je náročné, zejména kvůli jejich megadaltové velikosti, ale také kvůli jejich složitému složení a různým dynamickým vlastnostem. U většiny z nich byly použity standardní chemické a biochemické metody (metody čištění bílkovin a centrifugace, chemické a elektrochemické charakterizace atd.). Kromě toho jejich metody studia zahrnují moderní proteomický přístupy, výpočetní a atomové rozlišení strukturální metody (např. Rentgenová krystalografie ), malý úhel rentgenového rozptylu (SAXS) a rozptyl neutronů v malém úhlu (SANS), silová spektroskopie a transmisní elektronová mikroskopie a kryo-elektronová mikroskopie. Aaron Klug byl uznán v roce 1982 Nobelova cena v chemii za práci na strukturním objasnění pomocí elektronové mikroskopie, zejména pro MA proteiny a nukleové kyseliny včetně virus tabákové mozaiky (struktura obsahující 6400 základny ssRNA a> 2 000 molekul obalového proteinu). Krystalizační a strukturní řešení pro ribozom, MW ~ 2,5 MDa, příklad části „syntézy“ bílkovin syntetizující živé buňky, bylo předmětem roku 2009 Nobelova cena v chemii udělena Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, a Ada E. Yonath.[Citace je zapotřebí ]

Nebiologické protějšky

A konečně, biologie není jedinou doménou MA. Pole supramolekulární chemie a nanotechnologie každý má oblasti, které se vyvinuly k rozpracování a rozšíření principů, které byly poprvé prokázány v biologických MA. Zvláštní pozornost v těchto oblastech má vypracování základních procesů molekulární stroje a rozšíření známých návrhů strojů na nové typy a procesy.[Citace je zapotřebí ]

Viz také

Reference

  1. ^ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore P, Steitz T (2000). "Kompletní atomová struktura velké ribozomální podjednotky při rozlišení 2,4 ångström". Věda. 289 (5481): 905–20. Bibcode:2000Sci ... 289..905B. CiteSeerX  10.1.1.58.2271. doi:10.1126 / science.289.5481.905. PMID  10937989.
  2. ^ William McClure. „50S Ribosome Subunit“. Archivovány od originál dne 2005-11-24. Citováno 2019-10-09.
  3. ^ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). "Translokace proteinů kanálem Sec61 / SecY". Roční přehled buněčné a vývojové biologie. 21: 529–50. doi:10.1146 / annurev.cellbio.21.012704.133214. PMID  16212506.
  4. ^ Legenda, obal, J. Bacteriol., Říjen 2006.[úplná citace nutná ]
  5. ^ Kleinjung, Jens; Franca Fraternali (01.07.2005). „POPSCOMP: automatizovaná interakční analýza biomolekulárních komplexů“. Výzkum nukleových kyselin. 33 (doplněk 2): W342 – W346. doi:10.1093 / nar / gki369. ISSN  0305-1048. PMC  1160130. PMID  15980485. Citováno 2013-11-14.
  6. ^ Moore, Peter B. (2012). „Jak bychom měli přemýšlet o ribozomu?“. Roční přehled biofyziky. 41 (1): 1–19. doi:10.1146 / annurev-biophys-050511-102314. PMID  22577819.
  7. ^ Dutta, Shuchismita; Berman, Helen M. (01.03.2005). „Velké makromolekulární komplexy v proteinové databázi: Zpráva o stavu“. Struktura. 13 (3): 381–388. doi:10.1016 / j.str.2005.01.008. ISSN  0969-2126. PMID  15766539.
  8. ^ Russell, Robert B; Frank Alber; Patrick Aloy; Fred P Davis; Dmitrij Korkin; Matthieu Pichaud; Maya Topf; Andrej Sali (červen 2004). „Strukturální pohled na interakce protein – protein“. Aktuální názor na strukturní biologii. 14 (3): 313–324. doi:10.1016 / j.sbi.2004.04.006. ISSN  0959-440X. PMID  15193311.
  9. ^ van Dijk, Aalt D. J .; Rolf Boelens; Alexandre M. J. J. Bonvin (2005). „Dokování založené na datech pro studium biomolekulárních komplexů“. FEBS Journal. 272 (2): 293–312. doi:10.1111 / j.1742-4658.2004.04473.x. hdl:1874/336958. ISSN  1742-4658. PMID  15654870.
  10. ^ "Struktura tekutých lipidových dvojvrstev". Blanco.biomol.uci.edu. 10. 11. 2009. Citováno 2019-10-09.
  11. ^ Experimentální systém, dioleoylfosfatidylcholin dvojvrstvy. Hydrofobní uhlovodíková oblast lipidu je ~ 30 Á (3,0 nm), jak bylo stanoveno kombinací metod neutronového a rentgenového rozptylu; podobně je oblast polárního / rozhraní (glyceryl, fosfát a části hlavní skupiny, s jejich kombinovanou hydratací) ~ 15 Å (1,5 nm) na každé straně, pro celkovou tloušťku přibližně rovnou uhlovodíkové oblasti. Viz S.H. Bílé odkazy, předchozí a následující.
  12. ^ Wiener MC & White SH (1992). "Struktura tekuté dioleoylfosfatidylcholinové dvojvrstvy určená společným vylepšením rentgenových a neutronových difrakčních dat. III. Kompletní struktura". Biophys. J. 61 (2): 434–447. Bibcode:1992 BpJ .... 61..434 W.. doi:10.1016 / S0006-3495 (92) 81849-0. PMC  1260259. PMID  1547331.[není nutný primární zdroj ]
  13. ^ Rozměry uhlovodíků se mění v závislosti na teplotě, mechanickém namáhání, struktuře PL a koformulantech atd. O jedno až nízké dvouciferné procento těchto hodnot.[Citace je zapotřebí ]

Další čtení

Obecné recenze

  • Williamson, J. R. (2008). "Spolupráce v makromolekulárním uspořádání". Přírodní chemická biologie. 4 (8): 458–465. doi:10.1038 / nchembio.102. PMID  18641626.
  • Perrakis A, Musacchio A, Cusack S, Petosa C. Vyšetřování makromolekulárního komplexu: soubor metod. J Struct Biol. Srpen 2011; 175 (2): 106-12. doi: 10.1016 / j.jsb.2011.05.014. Epub 2011 18. května. Recenze. PubMed PMID: 21620973.
  • Dafforn TR. Jak tedy víte, že máte makromolekulární komplex? Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2007 Jan; 63 (Pt 1): 17-25. Epub 2006 13. prosince. Recenze. PubMed PMID: 17164522; PubMed Central PMCID: PMC2483502.
  • Wohlgemuth I, Lenz C, Urlaub H. Studium makromolekulárních komplexních stechiometrií pomocí hmotnostní spektrometrie na bázi peptidů. Proteomika. 2015 Mar; 15 (5-6): 862-79. doi: 10,1002 / pmic.201400466. EPUB 2015 6. února. Recenze. PubMed PMID: 25546807; PubMed Central PMCID: PMC5024058.
  • Sinha C, Arora K, Moon CS, Yarlagadda S, Woodrooffe K, Naren AP. Försterův přenos rezonanční energie - přístup k vizualizaci časoprostorové regulace tvorby makromolekulárního komplexu a rozčleněné buněčné signalizace. Biochim Biophys Acta. Říjen 2014; 1840 (10): 3067-72. doi: 10.1016 / j.bbagen.2014.07.015. EPUB 2014 30. července. Recenze. PubMed PMID: 25086255; PubMed Central PMCID: PMC4151567.
  • Berg, J. Tymoczko, J. a Stryer, L., Biochemie. (W. H. Freeman and Company, 2002), ISBN  0-7167-4955-6
  • Cox, M. a Nelson, D. L., Lehningerovy principy biochemie. (Palgrave Macmillan, 2004), ISBN  0-7167-4339-6

Recenze konkrétních MA

  • Valle M. Téměř ztracená v překladu. Cryo-EM dynamického makromolekulárního komplexu: ribozomu. Eur Biophys J. 2011 květen; 40 (5): 589-97. doi: 10,1007 / s00249-011-0683-6. EPUB 2011 19. února. Recenze. PubMed PMID: 21336521.
  • Monie TP. Kanonický inflammasom: makromolekulární komplex způsobující zánět. Subcell Biochem. 2017; 83: 43-73. doi: 10,1007 / 978-3-319-46503-6_2. Posouzení. PubMed PMID: 28271472.
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E. Identifikace makromolekulárního komplexu odpovědného za regulaci hladin cAMP závislou na PI3Kgamma. Biochem Soc Trans. Srpen 2006; 34 (Pt 4): 502-3. Posouzení. PubMed PMID: 16856844.

Primární zdroje

Jiné zdroje

  • Nobelovy ceny za chemii (2012), Nobelova cena za chemii 2009, Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, Ada E. Yonath, Nobelova cena za chemii 2009, zpřístupněno 13. června 2011.
  • Nobelova cena za chemii (2012), Nobelova cena za chemii 1982, Aaron Klug, Nobelova cena za chemii 1982, zpřístupněno 13. června 2011.

externí odkazy