Сборка макромолекул - Macromolecular assembly

Структура нуклеопротеина MA: субъединица рибосомы 50S из Х. марисмортуи Рентгеновский кристаллографический модель 29 из 33 родных компонентов, из лаборатории Томас Штайц. Из 31 компонента белка показаны 27 (синий) вместе с 2 цепями РНК (оранжевый / желтый).[1] Масштаб: сборка ок. 24 нм в диаметре.[2]

Период, термин сборка макромолекул (MA) относится к массивным химическим структурам, таким как вирусы и небиологический наночастицы, Сотовая связь органеллы и мембраны и рибосомы и т. д., которые представляют собой сложные смеси полипептид, полинуклеотид, полисахарид или другой полимерный макромолекулы. 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 структура. Макромолекулы находятся в живых и неживых вещах и состоят из многих сотен или тысяч атомы держится вместе ковалентные связи; они часто характеризуются повторяющимися единицами (т. е. полимеры ). Их совокупности также могут быть биологическими или небиологическими, хотя термин MA чаще применяется в биологии, а термин супрамолекулярная сборка чаще применяется в небиологических контекстах (например, в супрамолекулярная химия и нанотехнологии ). МА макромолекул в определенных формах удерживаются нековалентный межмолекулярные взаимодействия (а не ковалентные связи), и могут быть в любой неповторяющейся структуре (например, как в рибосома (изображение) и клеточная мембрана архитектур), или в повторяющихся линейных, круговых, спиральных или других образцах (например, как в актиновые нити и жгутиковый мотор, изображение). Процесс формирования МА получил название молекулярная самосборка, термин, особенно применяемый в небиологическом контексте. Для изучения МА существует большое разнообразие физических / биофизических, химических / биохимических и вычислительных методов; Учитывая масштаб (молекулярные размеры) МА, попытки разработать их состав и структуру, а также выявить механизмы, лежащие в основе их функций, находятся на переднем крае современной структурной науки.

Эукариотический рибосома, которые каталитически перевести информационное содержание, содержащееся в мРНК молекулы в белки. В анимации представлены этапы удлинения и нацеливания на мембрану эукариотический перевод, показывая мРНК в виде черной дуги, рибосома субъединицы зеленого и желтого цветов, тРНК темно-синего цвета, белки, такие как удлинение и другие факторы, вовлеченные в голубой цвет, растущую полипептидную цепь в виде черной нити, растущей вертикально от кривой мРНК. В конце анимации полученный полипептид экструдируется через голубую пору SecY.[3] в серый интерьер ER.

Биомолекулярный комплекс

3D-печать модель строения бактериальный жгутик «моторная» и частичная стержневая структура Сальмонелла виды. Снизу вверх: темно-синий, повторяющиеся FliM и FliN, моторные / переключающие белки; красный - моторные / переключающие белки FliG; желтый - трансмембранные связывающие белки FliF; светло-голубой, белки кольца L и P; и (вверху) темно-синий: колпачок, соединение крючок-нить, крючок и белки стержня.[4]

А биомолекулярный комплекс, также называемый биомакромолекулярный комплекс, состоит ли любой биологический комплекс из более чем одного биополимер (белок, РНК, ДНК,[5]углевод ) или крупные неполимерные биомолекулы (липид ). Взаимодействия между этими биомолекулами нековалентны.[6]Примеры:

Биомакромолекулярные комплексы изучаются структурно. Рентгеновская кристаллография, ЯМР-спектроскопия белков, криоэлектронная микроскопия и последующие анализ отдельных частиц, и электронная томография.[9]Модели атомной структуры, полученные методами рентгеновской кристаллографии и биомолекулярной ЯМР-спектроскопии, могут быть состыкованный в гораздо более крупные структуры биомолекулярных комплексов, полученные методами более низкого разрешения, такими как электронная микроскопия, электронная томография и малоугловое рассеяние рентгеновских лучей.[10]

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, торговля пузырьками, 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 комбинацией ковалентных связей и внутримолекулярные нековалентные силы (то есть ассоциации между частями внутри каждой молекулы через заряд-зарядовые взаимодействия, силы Ван дер Ваальса, и диполь-дипольные взаимодействия такие как водородные связи ), по определению сами МА удерживаются вместе исключительно через нековалентный силы, за исключением прилагаемых сейчас между молекулы (т.е. межмолекулярные взаимодействия ).[нужна цитата ]

Шкалы MA и примеры

Изображения выше дают представление о составе 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 МА часто составляют миллионы дальтон по молекулярной массе (мегадальтон, т. е. в миллионы раз больше веса отдельного простого атома), но все же имея измеримые соотношения компонентов (стехиометрия ) с некоторым уровнем точности. Как указано в условных обозначениях изображений, при надлежащей подготовке МА или составляющие субкомплексы МА часто могут быть кристаллизованы для изучения с помощью кристаллография белков и родственные методы, или изучены другими физическими методами (например, спектроскопия, микроскопия ).[нужна цитата ]

Поперечные сечения фосфолипидов (PL), относящиеся к биомембрана МА. Желто-оранжевый означает гидрофобный липидные хвосты; черные и белые сферы представляют полярные области ФЛ (v.i.). Размеры бислоя / липосомы (затемнены на графике): гидрофобные и полярные области, каждая ~ 30 Å (3,0 нм) «толщиной» - полярность от ~ 15 Å (1,5 нм) с каждой стороны.[11][12][13][14]
Графическое представление структуры вирусной МА, вирус мозаики коровьего гороха, с 30 копиями каждого из его белков оболочки, малого белка оболочки (S, желтый) и большого белка оболочки (L, зеленый), которые вместе с 2 молекулами положительный смысл РНК (РНК-1 и РНК-2, не видны) составляют вирион. Сборка очень симметричный, и составляет ~ 280 Å (28 нм) в самом широком месте.[требуется проверка ][нужна цитата ]

Вирусные структуры были одними из первых изученных магистров; другие биологические примеры включают рибосомы (частичное изображение выше), протеасомы и комплексы трансляции (с белок и нуклеиновая кислота компоненты), прокариотические и эукариотические транскрипционные комплексы, и ядерный и другие биологические поры которые позволяют материалу проходить между ячейками и клеточными компартментами. Биомембраны также обычно считаются МА, хотя требования к структурному и пространственному определению изменяются с учетом присущих молекулярная динамика мембраны липиды, и белков внутри липидные бислои.[нужна цитата ]

Исследования магистров

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. Большинство из них применяли стандартные химические и биохимические методы (методы очистка белка и центрифугирование, химические и электрохимический характеристика и др.). Кроме того, их методы обучения включают современные протеомный подходы, вычислительные методы и структурные методы атомарного разрешения (например, Рентгеновская кристаллография ), малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) и малоугловое рассеяние нейтронов (SANS), силовая спектроскопия и просвечивающая электронная микроскопия и криоэлектронная микроскопия. Аарон Клуг был признан с 1982 г. Нобелевская премия в области химии за его работу по выяснению структуры с помощью электронной микроскопии, в частности, для МА белок-нуклеиновая кислота, включая вирус табачной мозаики (структура, содержащая 6400 базовых оцРНК молекулы и> 2000 молекул белка оболочки). Решение по кристаллизации и структуре рибосомы с молекулярной массой ~ 2,5 МДа, являющейся частью белкового синтетического «механизма» живых клеток, было предметом исследования 2009 г. Нобелевская премия по химии награжден Венкатраман Рамакришнан, Томас А. Стейтц, и Ада Э. Йонат.[нужна цитата ]

Небиологические аналоги

Наконец, биология - не единственная сфера магистерских программ. Поля супрамолекулярная химия и нанотехнологии у каждого есть области, которые были разработаны для разработки и расширения принципов, впервые продемонстрированных в биологических МА. Особый интерес в этих областях вызывает разработка фундаментальных процессов молекулярные машины, и расширение известных конструкций машин на новые типы и процессы.[нужна цитата ]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Бан Н., Ниссен П., Хансен Дж., Мур П., Стейтц Т. (2000). «Полная атомная структура большой рибосомальной субъединицы при разрешении 2,4 Ангстрема». Наука. 289 (5481): 905–20. Bibcode:2000Sci ... 289..905B. CiteSeerX  10.1.1.58.2271. Дои:10.1126 / science.289.5481.905. PMID  10937989.
  2. ^ Уильям МакКлюр. "50S субъединица рибосомы". Архивировано из оригинал на 2005-11-24. Получено 2019-10-09.
  3. ^ Осборн А.Р., Рапопорт Т.А., ван ден Берг Б. (2005). «Транслокация белка по каналу Sec61 / SecY». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития. 21: 529–50. Дои:10.1146 / annurev.cellbio.21.012704.133214. PMID  16212506.
  4. ^ Легенда, обложка, J. ​​Bacteriol., Октябрь 2006 г.[требуется полная цитата ]
  5. ^ Кляйнджунг, Йенс; Franca Fraternali (1 июля 2005 г.). «ПОПСКОМП: автоматизированный анализ взаимодействия биомолекулярных комплексов». Исследования нуклеиновых кислот. 33 (приложение 2): W342 – W346. Дои:10.1093 / нар / gki369. ISSN  0305-1048. ЧВК  1160130. PMID  15980485. Получено 2013-11-14.
  6. ^ Мур, Питер Б. (2012). «Как мы должны думать о рибосомах?». Ежегодный обзор биофизики. 41 (1): 1–19. Дои:10.1146 / annurev-biophys-050511-102314. PMID  22577819.
  7. ^ Дутта, Шучисмита; Берман, Хелен М. (2005-03-01). «Крупные макромолекулярные комплексы в банке данных о белках: отчет о состоянии». Структура. 13 (3): 381–388. Дои:10.1016 / j.str.2005.01.008. ISSN  0969-2126. PMID  15766539.
  8. ^ Рассел, Роберт Б; Фрэнк Альбер; Патрик Элой; Фред П. Дэвис; Дмитрий Коркин; Матье Пишо; Майя Топф; Андрей Сали (июнь 2004 г.). «Структурная перспектива белок-белковых взаимодействий». Текущее мнение в структурной биологии. 14 (3): 313–324. Дои:10.1016 / j.sbi.2004.04.006. ISSN  0959-440X. PMID  15193311.
  9. ^ van Dijk, Aalt D. J .; Рольф Боленс; Александр М. Дж. Дж. Бонвин (2005). «Докинг на основе данных для исследования биомолекулярных комплексов». Журнал FEBS. 272 (2): 293–312. Дои:10.1111 / j.1742-4658.2004.04473.x. HDL:1874/336958. ISSN  1742-4658. PMID  15654870.
  10. ^ «Структура жидких липидных бислоев». Blanco.biomol.uci.edu. 2009-11-10. Получено 2019-10-09.
  11. ^ Экспериментальная система, диолеоилфосфатидилхолин бислои. Гидрофобная углеводородная область липида составляет ~ 30 Å (3,0 нм), как определено комбинацией методов рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей; аналогично, полярная / интерфейсная область (глицерил, фосфат и фрагменты головной группы с их объединенной гидратацией) составляет ~ 15 Å (1,5 нм). с каждой стороны, для общей толщины, примерно равной углеводородной области. См. S.H. Белые ссылки, предшествующие и последующие.
  12. ^ Винер MC и Белый SH (1992). «Структура жидкого бислоя диолеоилфосфатидилхолина, определенная совместным уточнением данных рентгеновской дифракции и нейтронографии. III. Полная структура». Биофиз. J. 61 (2): 434–447. Bibcode:1992BpJ .... 61..434Вт. Дои:10.1016 / S0006-3495 (92) 81849-0. ЧВК  1260259. PMID  1547331.[неосновной источник необходим ]
  13. ^ Размеры углеводородов меняются в зависимости от температуры, механического напряжения, структуры PL, соформуляторов и т. Д. В процентах от однозначных до низких двузначных цифр от этих значений.[нужна цитата ]

дальнейшее чтение

Общие обзоры

  • Уильямсон, Дж. Р. (2008). «Кооперативность в сборке макромолекул». Природа Химическая Биология. 4 (8): 458–465. Дои: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. Так как же 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 компартментализированной 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, Я. и Страйер, Л., Биохимия. (W. H. Freeman and Company, 2002), ISBN  0-7167-4955-6
  • Кокс, М. и Нельсон, Д.Л., Принципы биохимии Ленингера. (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: высокомолекулярный комплекс, вызывающий воспаление. Subcell Biochem. 2017; 83: 43-73. DOI: 10.1007 / 978-3-319-46503-6_2. Обзор. 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. Обзор. PubMed PMID: 16856844.

Основные источники

Другие источники

внешние ссылки