Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Рибосомой является биологической машиной , которая использует динамики белков

Молекулярная биофизика - это быстро развивающаяся междисциплинарная область исследований, объединяющая концепции физики , химии , инженерии , математики и биологии . [1] Он пытается понять биомолекулярные системы и объяснить биологическую функцию с точки зрения молекулярной структуры, структурной организации и динамического поведения на различных уровнях сложности (от отдельных молекул до супрамолекулярных структур, вирусов и небольших живых систем). Эта дисциплина охватывает такие темы, как измерение молекулярных сил, молекулярных ассоциаций, аллостерических взаимодействий ,Броуновское движение и теория кабеля . [2] Дополнительные области исследований можно найти в Outline of Biophysics . Эта дисциплина потребовала разработки специализированного оборудования и процедур, способных отображать мельчайшие живые структуры и манипулировать ими, а также новых экспериментальных подходов.

Обзор [ править ]

Молекулярная биофизика обычно обращается к биологическим вопросам, аналогичным темам в биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, направленные на понимание взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействия между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также того, как эти взаимодействия регулируются. Чтобы ответить на эти вопросы, используются самые разные методы.

Для визуализации структур часто используются методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (AFM) и малоугловое рассеяние (SAS) как с рентгеновскими лучами, так и с нейтронами (SAXS / SANS). биологического значения. Динамику белков можно наблюдать с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре можно измерить с использованием таких методов, как интерферометрия с двойной поляризацией , круговой дихроизм , SAXS иSANS . Прямые манипуляции с молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также можно использовать для отслеживания биологических событий, когда силы и расстояния находятся на наномасштабе . Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Пользуясь знаниями и экспериментальными методами из самых разных дисциплин, биофизики часто могут непосредственно наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных молекул или комплексов молекул.

Области исследований [ править ]

Вычислительная биология [ править ]

Основная статья: Вычислительная биология

Вычислительная биология включает в себя разработку и применение аналитических и теоретических методов данных, математического моделирования и методов компьютерного моделирования для изучения биологических, экологических, поведенческих и социальных систем. Область имеет широкое определение и включает основы биологии , прикладной математики , статистики , биохимии , химии , биофизики , молекулярной биологии , генетики , геномики , информатики и эволюции . Вычислительная биология стала важной частью разработки новых технологий в области биологии.[3] Молекулярное моделирование включает все методы, теоретические и вычислительные, используемые для моделирования или имитации поведения молекул . Эти методы используются в областях вычислительной химии , дизайна лекарств , вычислительной биологии и материаловедения для изучения молекулярных систем, от небольших химических систем до больших биологических молекул и сборок материалов. [4] [5]

Биофизика мембран [ править ]

Основная статья: Мембранная биофизика

Мембранная биофизика - это исследование структуры и функции биологических мембран с использованием физических , вычислительных , математических и биофизических методов . Комбинация этих методов может быть использована для создания фазовых диаграмм различных типов мембран, которые дают информацию о термодинамическом поведении мембраны и ее компонентов. В отличие от мембранной биологии, мембранная биофизика фокусируется на количественной информации и моделировании различных мембранных явлений, таких как липидный плот.образование, скорость липидного и холестеринового триггера, белок-липидное связывание и влияние функций изгиба и эластичности мембран на межклеточные связи. [6]

Моторные белки [ править ]

Основная статья: Моторные белки
Кинезин, идущий по микротрубочке - это молекулярно- биологическая машина, использующая динамику белковых доменов на наномасштабе.

Моторные белки - это класс молекулярных моторов, которые могут перемещаться по цитоплазме клеток животных. Они преобразуют химическую энергию в механическую работу с помощью гидролиза в АТФ . Хорошим примером является миозин мышечного белка, который «двигает» сокращение мышечных волокон у животных. Моторные белки являются движущей силой большинства активного транспорта из белков и пузырьков в цитоплазме . Кинезины и цитоплазматические динеины играют важную роль во внутриклеточном транспорте, таком как аксональный транспорт, и в образованииверетенообразный аппарат и разделение хромосом при митозе и мейозе . Аксонемальный динеин, обнаруженный в ресничках и жгутиках , имеет решающее значение для подвижности клеток , например, в сперматозоидах , и транспорта жидкости, например, в трахее. Некоторые биологические машины представляют собой моторные белки , такие как миозин , который отвечает за сокращение мышц , кинезин , который перемещает грузы внутри клеток от ядра по микротрубочкам , и динеин., который перемещает грузы внутри клеток к ядру и вызывает биение аксонем подвижных ресничек и жгутиков . «[В результате] [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую из, возможно, более 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины ... Гибкие линкеры позволяют соединенным ими мобильным белковым доменам рекрутировать их связывание партнеров и вызывают аллостерию на большие расстояния через динамику белковых доменов . [7] За производство энергии отвечают другие биологические машины, например АТФ-синтаза, которая использует энергию от протонных градиентов через мембраны.чтобы управлять турбинным движением, используемым для синтеза АТФ , энергетической валюты клетки. [8] За экспрессию генов отвечают другие машины , в том числе ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК , сплайсосомы для удаления интронов и рибосомы для синтеза белков . Эти машины и их наноразмерная динамика намного сложнее любых молекулярных машин , которые были созданы искусственно. [9]

Эти молекулярные двигатели являются основными движущими силами живых организмов. В общем, двигатель - это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие из белков основанных молекулярные моторов использовать химическую свободную энергию выпущенную гидролизом из АТФ для выполнения механической работы. [10] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить доступные в настоящее время искусственные двигатели.

Ричард Фейнман размышлял о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин . Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что некоторые ремонтные машины однажды могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что можно будет (как выразился Фейнман) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года . Внизу много места . [11]

Эти биологические машины могут найти применение в наномедицине . Например, [12] их можно использовать для идентификации и уничтожения раковых клеток. [13] [14] Молекулярная нанотехнология - это спекулятивное подразделение нанотехнологий, касающееся возможности разработки молекулярных ассемблеров , биологических машин, которые могли бы переупорядочивать материю в молекулярном или атомном масштабе. Наномедицина будет использовать этих нанороботов, введенные в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология в высшей степени теоретическая, она стремится предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить повестку дня для будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, намного превосходят существующие возможности. [15] [16]

Сворачивание белков [ править ]

Основная статья: Сворачивание белка
Составляющие аминокислоты могут быть проанализированы для прогнозирования вторичной, третичной и четвертичной структуры белка.

Фолдинг белка - это физический процесс, посредством которого белковая цепь приобретает свою естественную трехмерную структуру, конформацию, которая обычно является биологически функциональной, быстрым и воспроизводимым образом. Это физический процесс, с помощью которого полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайного клубка . [17] Каждый белок существует в виде развернутого полипептида или случайной спирали при трансляции из последовательности мРНК в линейную цепочку аминокислот.. У этого полипептида отсутствует какая-либо стабильная (долговечная) трехмерная структура (левая часть первого рисунка). Когда полипептидная цепь синтезируется рибосомой , линейная цепь начинает складываться в свою трехмерную структуру. Сворачивание начинает происходить даже при трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом с образованием четко определенной трехмерной структуры, свернутого белка (правая часть рисунка), известного как нативное состояние . Полученная трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью или первичной структурой ( догма Анфинсена ). [18]

Прогноз структуры белка [ править ]

Основная статья: Прогнозирование структуры белка

Предсказание структуры белка - это вывод о трехмерной структуре белка на основе его аминокислотной последовательности, то есть прогноз его укладки, а также его вторичной и третичной структуры на основе его первичной структуры . Предсказание структуры принципиально отличается от обратной задачи дизайна белка . Прогнозирование структуры белков - одна из важнейших задач биоинформатики и теоретической химии ; это очень важно в медицине , разработке лекарств , биотехнологии и разработке новыхферменты ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в эксперименте CASP (Критическая оценка методов прогнозирования структуры белка). Постоянная оценка веб-серверов прогнозирования структуры белков выполняется проектом сообщества CAMEO3D .

Спектроскопия [ править ]

Основная статья: Спектроскопия

Спектроскопические методы, такие как ЯМР , электронный спиновый резонанс со спиновой меткой , спектроскопия комбинационного рассеяния , инфракрасная спектроскопия , круговой дихроизм и т. Д., Широко используются для понимания структурной динамики важных биомолекул и межмолекулярных взаимодействий .

См. Также [ править ]

  • Малоугловое рассеяние
  • Биофизическая химия
  • Биофизика
  • Биофизическое общество
  • Криоэлектронная микроскопия (крио-ЭМ)
  • Двухполяризационная интерферометрия и круговой дихроизм
  • Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
  • Ассоциация европейских биофизических обществ
  • Указатель статей по биофизике
  • Список публикаций по биологии - Биофизика
  • Список публикаций по физике - Биофизика
  • Список биофизиков
  • Очерк биофизики
  • Масс-спектрометрии
  • Медицинская биофизика
  • Мембранная биофизика
  • Многоугольное рассеяние света
  • Нейрофизика
  • Спектроскопия белков ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
  • Физиомика
  • Протеолиз
  • Сверхбыстрая лазерная спектроскопия
  • Вирофизика
  • Макромолекулярная кристаллография

Ссылки [ править ]

  1. ^ Что такое молекулярная биофизика?
  2. ^ Джексон, Мейер Б. (2006). Молекулярная и клеточная биофизика . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
  3. Перейти ↑ Bourne, Philip (2012). «Взлет и упадок биоинформатики? Обещания и прогресс» . PLoS вычислительная биология . 8 (4): e1002487. DOI : 10.1371 / journal.pcbi.1002487 . PMC 3343106 . PMID 22570600 .  
  4. ^ "Рабочее определение биоинформатики и вычислительной биологии NIH" (PDF) . Инициатива в области биомедицинской информатики и технологий. 17 июля 2000 г. Архивировано 5 сентября 2012 г. из оригинального (PDF) . Проверено 18 августа 2012 года .
  5. ^ "О CCMB" . Центр вычислительной молекулярной биологии . Проверено 18 августа 2012 года .
  6. ^ Zimmerberg, Joshua (2006). «Мембранная биофизика» . Текущая биология . 16 (8): R272 – R276. DOI : 10.1016 / j.cub.2006.03.050 . PMID 16631568 . 
  7. ^ Сатир, Питер; Сорен Т. Кристенсен (26 марта 2008 г.). «Строение и функции ресничек млекопитающих» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–93. DOI : 10.1007 / s00418-008-0416-9 . PMC 2386530 . PMID 18365235 . 1432-119Х.  
  8. ^ Kinbara, Kazushi; Аида, Такудзо (01.04.2005). «К интеллектуальным молекулярным машинам: направленные движения биологических и искусственных молекул и сборок». Химические обзоры . 105 (4): 1377–1400. DOI : 10.1021 / cr030071r . ISSN 0009-2665 . PMID 15826015 .  
  9. ↑ Bu Z, Callaway DJ (2011). «Белки ДВИГАЮТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетке». Структура белка и заболевания . Достижения в химии белков и структурной биологии. 83 . С. 163–221. DOI : 10.1016 / B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629. PMID  21570668 .
  10. ^ Бустаманте C, Chemla YR, Форде NR, Izhaky D (2004). «Механические процессы в биохимии». Анну. Rev. Biochem . 73 : 705–48. DOI : 10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161542 . PMID 15189157 . 
  11. ^ Фейнман RP (декабрь 1959). «Внизу много места» . Архивировано из оригинала на 2010-02-11 . Проверено 1 января 2017 .
  12. ^ Амруте-Наяк, М .; Diensthuber, RP; Steffen, W .; Kathmann, D .; Hartmann, FK; Федоров, Р .; Urbanke, C .; Манштейн, диджей; Brenner, B .; Циавалиарис, Г. (2010). «Целенаправленная оптимизация белковой наномашины для работы в биогибридных устройствах». Angewandte Chemie . 122 (2): 322–326. DOI : 10.1002 / ange.200905200 .
  13. ^ Патель, GM; Патель, GC; Патель, РБ; Патель, Дж. К.; Патель, М. (2006). «Наноробот: универсальный инструмент в наномедицине». Журнал нацеливания на лекарства . 14 (2): 63–7. DOI : 10.1080 / 10611860600612862 . PMID 16608733 . 
  14. ^ Balasubramanian, S .; Каган, Д .; Джек Ху, CM; Campuzano, S .; Лобо-Кастаньон, штат Мэриленд; Lim, N .; Канг, Д.Ю .; Циммерман, М .; Zhang, L .; Ван, Дж. (2011). «Микромашинный захват и изоляция раковых клеток в сложных средах» . Angewandte Chemie International Edition . 50 (18): 4161–4164. DOI : 10.1002 / anie.201100115 . PMC 3119711 . PMID 21472835 .  
  15. ^ Фрейтас, Роберт А., младший; Хавуккала, Илкка (2005). «Текущее состояние наномедицины и медицинской наноробототехники» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 2 (4): 471. Bibcode : 2005JCTN .... 2..471K . DOI : 10,1166 / jctn.2005.001 .
  16. ^ Сотрудничество с нанофабриками
  17. Перейти ↑ Alberts B , Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walters P (2002). «Форма и структура белков» . Молекулярная биология клетки; Четвертое издание . Нью-Йорк и Лондон: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  18. ^ Анфинсен CB (июль 1972). «Формирование и стабилизация структуры белка» . Биохимический журнал . 128 (4): 737–49. DOI : 10.1042 / bj1280737 . PMC 1173893 . PMID 4565129 .