Сборка макромолекул - Macromolecular assembly
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.
Биомолекулярный комплекс
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:
- Белковые комплексы , некоторые из которых являются мультиферментными комплексами : протеасомы , ДНК - полимеразы III холофермента , РНК - полимераза II холофермента , симметричные вирусных капсидов , шаперониной сложного GroEL - GroES , фотосистемами I , АТФ - синтазы , ферритина .
- РНК-белковые комплексы: рибосома , сплайсосома , свод , SnRNP . Такие комплексы в ядре клетки называются рибонуклеопротеидами (РНП).
- ДНК-белковые комплексы: нуклеосома .
- Белково-липидные комплексы: липопротеины .
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 ).
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
- Многоступенчатое моделирование биомолекул
- Четвертичная структура
- Мультибелковый комплекс
- Органелла : самое широкое определение «органеллы» включает не только связанные с мембраной клеточные структуры, но и очень большие биомолекулярные комплексы.
- Многоступенчатое моделирование биомолекул
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
- Lasker, K .; Förster, F .; Walzthoeni, T .; Вилла, E .; Unverdorben, P .; Бек, Ф .; Aebersold, R .; Сали, А .; Баумейстер, В. (2012). «Молекулярная архитектура голокомплекса 26S протеасомы определяется интегративным подходом» . Proc Natl Acad Sci USA . 109 (5): 1380–7. Bibcode : 2012PNAS..109.1380L . DOI : 10.1073 / pnas.1120559109 . PMC 3277140 . PMID 22307589 .
- Russel, D .; Lasker, K .; Webb, B .; Velázquez-Muriel, J .; Tjioe, E .; Шнейдман-Духовный, Д .; Петерсон, Б .; Сали, А. (2012). «Собираем части вместе: программное обеспечение платформы интегративного моделирования для определения структуры макромолекулярных сборок» . PLOS Biol . 10 (1): e1001244. DOI : 10.1371 / journal.pbio.1001244 . PMC 3260315 . PMID 22272186 .
- Бархум С., Палит С., Йетирадж А. Исследования диффузионного ЯМР образования макромолекулярных комплексов, скученности и удержания в мягких материалах. Prog Nucl Magn Reson Spectrosc. 2016 Май; 94-95: 1-10. DOI: 10.1016 / j.pnmrs.2016.01.004. Epub 2016 4 февраля. Обзор. PubMed PMID: 27247282.
Другие источники
- Нобелевские премии по химии (2012 г.), Нобелевские премии по химии 2009 г., Венкатраман Рамакришнан, Томас А. Стейтц, Ада Э. Йонат, Нобелевская премия по химии 2009 г. , по состоянию на 13 июня 2011 г.
- Нобелевские премии по химии (2012 г.), Нобелевская премия по химии 1982 г., Аарон Клуг, Нобелевская премия по химии 1982 г. , по состоянию на 13 июня 2011 г.
внешние ссылки
- Beck Group (2019), Структура и функция больших макромолекулярных ансамблей (домашняя страница группы Beck), Beck Group - Структура и функция больших молекулярных ансамблей - EMBL , по состоянию на 13 июня 2011 г.
- DMA Group (2019), Динамика сборки макромолекул (домашняя страница DMA Group), Раздел Динамика сборки макромолекул | Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии , по состоянию на 13 июня 2011 г.