Сборка макромолекул - Macromolecular assembly

Структура нуклеопротеина MA: рибосомная субъединица 50S из рентгеновской кристаллографической модели 29 из 33 нативных компонентов H. marismortui из лаборатории Томаса Стейтца . Из 31 компонента белка показаны 27 (синий) вместе с 2 цепями РНК (оранжевый / желтый). Масштаб: сборка ок. 24 нм в диаметре.

Термин макромолекулярные сборки (МА) относятся к массовым химическим структурам , таким как вирусы и не-биологические наночастицы , клеточные органеллы и мембраны и рибосомы и т.д. , которые представляют собой сложные смеси полипептида , полинуклеотид , полисахарид или других полимерных макромолекул . Как правило, они относятся к более чем одному из этих типов, и смеси определяются пространственно (то есть в отношении их химической формы), а также в отношении их основного химического состава и структуры . Макромолекулы встречаются в живых и неживых вещах и состоят из многих сотен или тысяч атомов, скрепленных ковалентными связями ; они часто характеризуются повторяющимися звеньями (т. е. являются полимерами ). Их сборки также могут быть биологическими или небиологическими, хотя термин МА чаще применяется в биологии, а термин супрамолекулярная сборка чаще применяется в небиологических контекстах (например, в супрамолекулярной химии и нанотехнологии ). МА макромолекул удерживаются в своих определенных формах за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий (а не ковалентных связей) и могут находиться либо в неповторяющихся структурах (например, как в архитектуре рибосомы (изображение) и клеточной мембраны ), либо в повторяющихся структурах. линейные, круговые, спиральные или другие паттерны (например, как в актиновых филаментах и жгутиковых моторах , образ). Процесс, с помощью которого образуются МА, получил название самосборки молекул , термин, особенно применяемый в небиологических контекстах. Для изучения МА существует широкий спектр физических / биофизических, химических / биохимических и вычислительных методов; Учитывая масштаб (молекулярные размеры) МА, попытки разработать их состав и структуру и выявить механизмы, лежащие в основе их функций, находятся на переднем крае современной структурной науки.

Эукариотические рибосомы , которые каталитически переводят информацию, содержащуюся в молекулах мРНК , в белки. На анимации представлены этапы элонгации и нацеливания на мембрану эукариотической трансляции , мРНК показана черной дугой, субъединицы рибосомы - зеленым и желтым, тРНК - темно-синим, белки, такие как удлинение, и другие факторы, участвующие в светло-синем, растущая полипептидная цепь. как черная нить, растущая вертикально от кривой мРНК. В конце анимации произведенный полипептид экструдируется через голубую пору SecY в серое внутреннее пространство ER .

Биомолекулярный комплекс

Трехмерная печатная модель структуры «мотора» жгутика бактерий и частичной стержневой структуры вида Salmonella . Снизу вверх: темно-синий, повторяющиеся FliM и FliN, моторные / переключающие белки; красный - моторные / переключающие белки FliG; желтый - трансмембранные связывающие белки FliF; светло-голубой, белки L- и P-кольца; и (вверху) темно-синий: колпачок, соединение крючок-нить, крючок и белки стержня.

Биомолекулярная комплекс , называемая также biomacromolecular комплекс , является любым биологическим комплексом , состоящий из более чем одного биополимера ( белок , РНК , ДНК , углеводы ) или больших неполимерных биомолекул ( липиды ). Взаимодействия между этими биомолекулами нековалентны. Примеры:

Биомакромолекулярные комплексы изучаются структурно с помощью рентгеновской кристаллографии , ЯМР-спектроскопии белков , криоэлектронной микроскопии и последовательного анализа отдельных частиц и электронной томографии . Модели атомной структуры, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии и биомолекулярной ЯМР-спектроскопии, могут быть стыкованы с гораздо более крупными структурами биомолекулярных комплексов, полученных с помощью методов с более низким разрешением, таких как электронная микроскопия, электронная томография и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей .

Комплексы макромолекул повсеместно встречаются в природе, где они участвуют в создании вирусов и всех живых клеток. Кроме того, они играют фундаментальную роль во всех основных жизненных процессах ( трансляция белков , деление клеток , перенос пузырьков , внутри- и межклеточный обмен материалом между компартментами и т. Д.). В каждой из этих ролей сложные смеси организуются определенным структурным и пространственным образом. В то время как отдельные макромолекулы удерживаются вместе с помощью комбинации ковалентных связей и внутри- молекулярных нековалентных сил (то есть, ассоциации между частями внутри каждой молекулы, через заряд-заряда взаимодействий , ван - дер - ваальсовых сил , и диполь-дипольное взаимодействие , такие как водородные связи ), по определению сами МА удерживаются вместе исключительно за счет нековалентных сил, за исключением теперь действующих между молекулами (то есть межмолекулярных взаимодействий ).

Шкалы MA и примеры

Изображения выше дают представление о составах и масштабе (размерах), связанных с МА, хотя они только начинают касаться сложности структур; в принципе, каждая живая клетка состоит из МА, но сама также является МА. В примерах и других подобных комплексах и сборках каждый МА часто имеет молекулярную массу в миллионы дальтон (мегадальтон, т. Е. В миллионы раз больше веса одного простого атома), хотя все еще имеет измеримые соотношения компонентов ( стехиометрии ) на некотором уровне. точности. Как указано в условных обозначениях изображений, при надлежащей подготовке МА или составляющие подкомплексы МА часто можно кристаллизовать для изучения с помощью кристаллографии белков и родственных методов или изучать другими физическими методами (например, спектроскопией , микроскопией ).

Поперечные сечения фосфолипидов (PL), относящиеся к биомембранным МА. Желто-оранжевый указывает на гидрофобные липидные хвосты; черные и белые сферы представляют полярные области ФЛ ( vi ). Размеры бислоя / липосомы (не видны на графике): гидрофобные и полярные области, каждая «толщиной» ~ 30 Å (3,0 нм) - полярность от ~ 15 Å (1,5 нм) с каждой стороны .
Графическое изображение структуры вирусного МА, вируса мозаики вигны , с 30 копиями каждого из его белков оболочки, малого белка оболочки (S, желтый) и большого белка оболочки (L, зеленый), которые вместе с 2 молекулы позитивно-смысловой РНК (РНК-1 и РНК-2, не видны) составляют вирион. Сборка высокосимметрична и имеет диаметр ~ 280 Å (28 нм) в самом широком месте.

Вирусные структуры были одними из первых изученных МА; другие биологические примеры включают рибосомы (частичное изображение выше), протеасомы и комплексы трансляции (с компонентами белка и нуклеиновой кислоты ), прокариотические и эукариотические транскрипционные комплексы, а также ядерные и другие биологические поры, которые позволяют материалу проходить между клетками и клеточными компартментами. Биомембраны также обычно считаются МА, хотя требования к структурному и пространственному определению изменены, чтобы приспособиться к внутренней молекулярной динамике липидов мембран и белков внутри липидных бислоев .

Сборка вирусов

Во время сборки вириона бактериофага (фага) Т4 морфогенетические белки, кодируемые генами фага, взаимодействуют друг с другом в характерной последовательности. Поддержание соответствующего баланса в количествах каждого из этих белков, продуцируемых во время вирусной инфекции, по-видимому, имеет решающее значение для нормального морфогенеза фага Т4 . Белки, кодируемые фагом Т4, которые определяют структуру вириона, включают основные структурные компоненты, второстепенные структурные компоненты и неструктурные белки, которые катализируют определенные стадии в последовательности морфогенеза.

Исследования в магистратуре

Изучение структуры и функции МА является сложной задачей, в частности, из-за их мегадальтонных размеров, но также из-за их сложного состава и различной динамической природы. В большинстве из них применялись стандартные химические и биохимические методы (методы очистки и центрифугирования белков , химическая и электрохимическая характеристика и т. Д.). Кроме того, их методы исследования включают современные протеомные подходы, вычислительные методы и структурные методы с атомным разрешением (например, рентгеновскую кристаллографию ), малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) и малоугловое рассеяние нейтронов (SANS), силовую спектроскопию. , просвечивающая электронная микроскопия и криоэлектронная микроскопия . Аарон Клаг был удостоен Нобелевской премии по химии 1982 года за его работу по выяснению структуры с помощью электронной микроскопии, в частности, для МА белок-нуклеиновая кислота, включая вирус табачной мозаики (структура, содержащая 6400 оснований молекулы ssRNA и> 2000 молекул белка оболочки). . Решение для кристаллизации и структурирования рибосомы с молекулярной массой ~ 2,5 МДа, являющееся примером части белкового синтетического «механизма» живых клеток, было предметом Нобелевской премии по химии 2009 года, присужденной Венкатраману Рамакришнану , Томасу А. Стейтцу и Аде. Э. Йонатх .

Небиологические аналоги

Наконец, биология - не единственная область магистратуры. У каждой области супрамолекулярной химии и нанотехнологии есть области, которые были разработаны для разработки и расширения принципов, впервые продемонстрированных в биологических МА. Особый интерес в этих областях вызывает разработка фундаментальных процессов молекулярных машин и расширение известных конструкций машин на новые типы и процессы.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

Общие обзоры

  • Уильямсон, младший (2008). «Кооперативность в сборке макромолекул». Природа Химическая биология . 4 (8): 458–465. DOI : 10.1038 / nchembio.102 . PMID  18641626 .
  • Перракис А., Мусаккио А., Кьюсак С., Петоса С. Исследование макромолекулярного комплекса: инструментарий методов. J. Struct Biol. 2011 август; 175 (2): 106-12. DOI: 10.1016 / j.jsb.2011.05.014. Epub 2011 18 мая. Обзор. PubMed PMID: 21620973.
  • Dafforn TR. Итак, как узнать, что у вас есть макромолекулярный комплекс? Acta Crystallogr D Biol Crystallogr. 2007 Янв; 63 (Pt 1): 17-25. Epub 2006 13 декабря. Обзор. PubMed PMID: 17164522; PubMed Central PMCID: PMC2483502.
  • Вольгемут I, Ленц С., Урлауб Х. Изучение стехиометрии макромолекулярных комплексов с помощью масс-спектрометрии на основе пептидов. Протеомика. 2015 Март; 15 (5-6): 862-79. DOI: 10.1002 / pmic.201400466. Epub 2015 6 февраля. Обзор. PubMed PMID: 25546807; PubMed Central PMCID: PMC5024058.
  • Синха К., Арора К., Мун С.С., Ярлагадда С., Вудроффе К., Нарен А.П. Фёрстеровский резонансный перенос энергии - подход к визуализации пространственно-временной регуляции образования макромолекулярных комплексов и компартментализованной клеточной передачи сигналов. Biochim Biophys Acta. 2014 Октябрь; 1840 (10): 3067-72. DOI: 10.1016 / j.bbagen.2014.07.015. Epub 2014 30 июля. Обзор. PubMed PMID: 25086255; PubMed Central PMCID: PMC4151567.
  • Берг, Дж. Тимочко, Дж. И Страйер, Л. , Биохимия. (WH Freeman and Company, 2002), ISBN  0-7167-4955-6
  • Кокс, М. и Нельсон Д.Л. , Ленинджера Принципы биохимии. (Palgrave Macmillan, 2004), ISBN  0-7167-4339-6

Обзоры на конкретные МА

  • Валле М. Почти потеряна в переводе. Крио-ЭМ динамического макромолекулярного комплекса: рибосома. Eur Biophys J. 2011 May; 40 (5): 589-97. DOI: 10.1007 / s00249-011-0683-6. Epub 2011 19 февраля. Обзор. PubMed PMID: 21336521.
  • Мони Т.П. Каноническая инфламмасома: макромолекулярный комплекс, вызывающий воспаление. Subcell Biochem. 2017; 83: 43-73. DOI: 10.1007 / 978-3-319-46503-6_2. Рассмотрение. PubMed PMID: 28271472.
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E. Идентификация макромолекулярного комплекса, ответственного за PI3Kgamma-зависимую регуляцию уровней цАМФ. Biochem Soc Trans. 2006 август; 34 (Pt 4): 502-3. Рассмотрение. PubMed PMID: 16856844.

Основные источники

Другие источники

внешние ссылки