Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из биомолекулярного комплекса )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Структура нуклеопротеина MA: 50S рибосомная субъединица из рентгеновской кристаллографической модели 29 из 33 нативных компонентов H. marismortui из лаборатории Томаса Стейтца . Из 31 составляющего белка показаны 27 (синий) вместе с 2 цепями РНК (оранжевый / желтый). [1] Масштаб: сборка прибл. 24 нм в диаметре. [2]

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 определены пространственно (то есть в отношении их химической формы), а также в отношении их основного химического состава и структуры . Макромолекулынаходятся 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 сохраняются в их определенных формах за счет нековалентных межмолекулярных взаимодействий.(а не ковалентные связи), и могут быть либо в неповторяющихся структурах (например, как в архитектуре рибосомы (изображение) и клеточной мембраны ), либо в повторяющихся линейных, кольцевых, спиральных или других структурах (например, как в актине волокна и мотор жгутика , изображение). 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 [3] в серую внутреннюю часть ER .

Биомолекулярный комплекс [ править ]

3D-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. [4]

Биомолекулярная комплекс , называемая также biomacromolecular комплекс , является любым биологическим комплексом , состоящий из более чем одного биополимера ( белка , РНК , ДНК , [5] углеводы ) или больших неполимерных биомолекул ( липиды ). Взаимодействия между этими биомолекулами нековалентны. [6] 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 . [7] [8]

Биомакромолекулярные комплексы изучаются структурно с помощью рентгеновской кристаллографии , ЯМР-спектроскопии белков , криоэлектронной микроскопии и последовательного анализа отдельных частиц и электронной томографии .[9] 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 .[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 , 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 , идиполь-дипольные взаимодействия, 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 ). [ необходима цитата ]

Шкалы MA и примеры [ править ]

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 упоминается 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,спектроскопия , микроскопия ). [ необходима цитата ]

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 . [11] [12] [13] [14]
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. [ требуется проверка ] [ необходима цитата ]

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 . [цитата необходима ]

Сборка вирусов [ править ]

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 . [15] 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 [16]

Исследования магистратуры [ править ]

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. , и просвечивающая электронная микроскопияи криоэлектронная микроскопия . Аарон Клаг был удостоен Нобелевской премии по химии 1982 г. 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 . [цитата необходима ]

Небиологические аналоги [ править ]

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. [ необходима цитата ]

См. Также [ править ]

  • 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

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore P, Steitz T (2000). «Полная атомная структура большой субъединицы рибосомы при разрешении 2,4 Ангстрема». Наука . 289 (5481): 905–20. Bibcode : 2000Sci ... 289..905B . CiteSeerX  10.1.1.58.2271 . DOI : 10.1126 / science.289.5481.905 . PMID  10937989 .
  2. ^ Уильям МакКлюр. «50S субъединица рибосомы» . Архивировано из оригинала на 2005-11-24 . Проверено 9 октября 2019 .
  3. Перейти ↑ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). «Транслокация белка по каналу Sec61 / SecY». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 21 : 529–50. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.21.012704.133214 . PMID 16212506 . 
  4. ↑ Legend, обложка, J. ​​Bacteriol., Октябрь 2006 г. [ требуется полная ссылка ]
  5. ^ Кляйнджунг, Йенс; Franca Fraternali (1 июля 2005 г.). «ПОПСКОМП: автоматизированный анализ взаимодействия биомолекулярных комплексов» . Исследования нуклеиновых кислот . 33 (приложение 2): W342 – W346. DOI : 10.1093 / NAR / gki369 . ISSN 0305-1048 . PMC 1160130 . PMID 15980485 . Проверено 14 ноября 2013 .   
  6. ^ Мур, Питер Б. (2012). «Как мы должны думать о рибосомах?». Ежегодный обзор биофизики . 41 (1): 1–19. DOI : 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. DOI : 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. DOI : 10.1016 / j.sbi.2004.04.006 . ISSN 0959-440X . PMID 15193311 .  
  9. ^ ван Дейк, Aalt DJ; Рольф Боленс; Александр MJJ Бонвин (2005). «Докинг на основе данных для исследования биомолекулярных комплексов». Журнал FEBS . 272 (2): 293–312. DOI : 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 . Проверено 9 октября 2019 .
  11. ^ Экспериментальная система, диолеоил фосфатидилхолин двухслойных. Гидрофобная углеводородная область липида составляет ~ 30 Å (3,0 нм), как определено комбинацией методов рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей; аналогично, полярная / межфазная 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. Ссылки на SH White до и после.
  12. Перейти ↑ Wiener MC & White SH (1992). «Структура жидкого бислоя диолеоилфосфатидилхолина, определенная совместным уточнением данных рентгеновской дифракции и нейтронографии. III. Полная структура» . Биофиз. Дж . 61 (2): 434–447. Bibcode : 1992BpJ .... 61..434W . DOI : 10.1016 / S0006-3495 (92) 81849-0 . PMC 1260259 . PMID 1547331 .  [необходим неосновной источник ]
  13. ^ Размеры углеводородов меняются в зависимости от температуры, механического напряжения, структуры PL, соформуляторов и т. Д. В процентах от однозначных или двузначных чисел от этих значений. [ необходима цитата ]
  14. ^ Пол Э. Взаимодействие морфогенетических генов бактериофага Т4. J Mol Biol. 1970; 47 (3): 293-306. DOI: 10.1016 / 0022-2836 (70) 90303-7
  15. ^ Snustad DP. Доминирующие взаимодействия в клетках Escherichia coli, смешанных с бактериофагом T4D дикого типа и мутантами amber, и их возможные последствия в отношении типа функции гена-продукта: каталитическая или стехиометрическая. Вирусология. 1968; 35 (4): 550-563. DOI: 10.1016 / 0042-6822 (68) 90285-7

Дальнейшее чтение [ править ]

Общие обзоры [ править ]

  • 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. 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 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 [ править ]

  • 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.

Первоисточники [ править ]

  • 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-Духовны, 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 [ править ]

  • 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 [ править ]

  • 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.