Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Кристаллическая структура короткого пептида L-Lys-D-Ala-D-Ala (предшественник бактериальной клеточной стенки), связанного с антибиотиком ванкомицином посредством водородных связей [1]
Кристаллическая структура двух изофталевых кислот, связанных с молекулой-хозяином водородными связями [2]
Статическое распознавание между одним гостем и одним сайтом привязки узла. При динамическом распознавании связывание первый гость в первом сайте связывания вызывает изменение конформации, которое влияет на константу ассоциации второго гостя во втором сайте связывания. В данном случае это положительная аллостерическая система.

Термин « молекулярное распознавание» относится к специфическому взаимодействию между двумя или более молекулами посредством нековалентных связей, таких как водородная связь , координация металлов , гидрофобные силы , [3] [4] силы Ван-дер-Ваальса , π-π взаимодействия , связывание галогенов или резонансное взаимодействие. [5] эффекты. Помимо этих прямых взаимодействий, растворители могут играть доминирующую косвенную роль в распознавании молекул в растворе. [6] [7]хозяин и гость, участвующие в молекулярном распознавании, демонстрируют молекулярную комплементарность . Исключение составляют молекулярные контейнеры [8] [9], включая, например, нанотрубки , в которых порталы существенно контролируют селективность. [10] [11] [12] [13]

Биологические системы [ править ]

Рибосома является биологической машина , которая использует динамику белка на наномасштабах чтобы перевести РНК в белках

Молекулярное распознавание играет важную роль в биологических системах и наблюдается промежуточным рецептор-лиганд, [14] [15] антиген - антитело , ДНК - белок , сахар - лектин , РНК - рибосомы и т.д. Важный пример молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин, который избирательно связывается с пептидамис концевым D-аланил-D-аланином в бактериальных клетках через пять водородных связей. Ванкомицин является смертельным для бактерий, поскольку, как только он связался с этими конкретными пептидами, они не могут быть использованы для построения клеточной стенки бактерий . [ необходима цитата ]

Синтетическое молекулярное распознавание [ править ]

Недавняя работа предполагает, что элементы молекулярного распознавания могут быть синтетически произведены в наномасштабе [16], что позволяет обойти необходимость в естественных молекулярных элементах распознавания для разработки инструментов распознавания малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как пептоиды, могут использоваться для распознавания более крупных биологических мишеней, таких как белки [17], а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами может генерировать синтетические макромолекулярные структуры, которые служат в качестве синтетических антител для оптического распознавания и обнаружения белков. [18]

Супрамолекулярные системы [ править ]

Химики продемонстрировали, что можно создать множество искусственных супрамолекулярных систем, которые обнаруживают молекулярное распознавание. [19] Одним из первых примеров такой системы являются краун-эфиры, которые способны избирательно связывать определенные катионы. Однако с тех пор был создан ряд искусственных систем.

Статический против динамического [ править ]

Молекулярное распознавание можно разделить на статическое молекулярное распознавание и динамическое молекулярное распознавание . Статическое молекулярное распознавание можно сравнить с взаимодействием ключа и замочной скважины; это реакция комплексообразования типа 1: 1 между молекулой-хозяином и молекулой-гостем с образованием комплекса хозяин-гость . Для достижения улучшенного статического молекулярного распознавания необходимо создавать сайты узнавания, специфичные для гостевых молекул.

В случае динамического молекулярного распознавания связывание первого гостя с первым сайтом связывания хозяина влияет на константу ассоциации второго гостя со вторым сайтом связывания. приводя к кооперативности привязки. [20] В случае положительных аллостерических систем связывание первого гостя увеличивает константу ассоциации второго гостя. В то время как для отрицательных аллостерических систем связывание первого гостя снижает константу ассоциации со вторым. Динамический характер этого типа молекулярного распознавания особенно важен, поскольку он обеспечивает механизм регулирования связывания в биологических системах. Динамическое молекулярное распознавание может улучшить способность различать несколько конкурирующих целей с помощью конформационной корректуры.механизм. Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокофункциональных химических сенсорах и молекулярных устройствах .

Сложность [ править ]

Недавнее исследование, основанное на молекулярном моделировании и константах соответствия, описывает молекулярное распознавание как явление организации. Даже для небольших молекул, таких как углеводы, процесс распознавания невозможно предсказать или спроектировать, даже если предположить, что сила каждой отдельной водородной связи точно известна. [21] Однако, как Mobley et al. [22] пришли к выводу, что точное предсказание событий молекулярного распознавания должно выходить за рамки статического снимка одного кадра между гостем и хозяином. Энтропии являются ключевыми факторами связывающей термодинамики, и их необходимо учитывать для более точного прогнозирования процесса распознавания. [23] Энтропии редко наблюдаются в односвязных структурах (статический снимок).

Внутригенное дополнение [ править ]

Jehle [24] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют объединению идентичных молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом множественные копии полипептида, кодируемого геном, часто подвергаются молекулярному узнаванию друг с другом с образованием упорядоченной мультипептидной белковой структуры. Когда такой белок образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, белок, состоящий из смеси полипептидов, может проявлять большую функциональную активность, чем мульти-полипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементацией..

Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах у множества организмов. [25] Крик и Оргель [26] проанализировали результаты таких исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает из-за взаимодействия различных дефектных полипептидных мономеров, когда они образуют упорядоченный агрегат, который они назвали «мультимером».

См. Также [ править ]

  • Журнал молекулярного распознавания
  • SAMPL Challenge
  • Нековалентные взаимодействия
  • Супрамолекулярная химия
  • Аллостерия
  • Сотрудничество

Ссылки [ править ]

  1. ^ Нокс, Джеймс Р .; Пратт, РФ (июль 1990 г.). «Различные способы связывания ванкомицина и D-аланил-D-аланинпептидазы с пептидом клеточной стенки и возможная роль белка устойчивости к ванкомицину» (Полный текст) . Противомикробные препараты и химиотерапия . 34 (7): 1342–7. DOI : 10.1128 / AAC.34.7.1342 . PMC  175978 . PMID  2386365 .
  2. ^ Белявский, Кристофер; Чен, Юань-Ши; Чжан, Пэн; Перст, Пегги-Джин; Мур, Джеффри С. (1998). «Модульный подход к построению мультисайтовых рецепторов для изофталевой кислоты». Химические коммуникации . 0 (12): 1313–4. DOI : 10.1039 / a707262g .
  3. ^ Локетт, MR; Lange, H .; Breiten, B .; Heroux, A .; Шерман, В .; Раппопорт, Д .; Яу, ПО; Снайдер, П. В.; Whitesides, GM (2003). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда» . Энгью. Chem. Int. Эд . 52 (30): 7714–7717. DOI : 10.1002 / anie.201301813 . PMID 23788494 . 
  4. ^ Breiten, B .; Локетт, MR; Шерман, В .; Fujita, S .; Аль-Сайях, М .; Lange, H .; Bowers, CM; Heroux, A .; Крылов, Г .; Whitesides, GM (2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии в связывании белка с лигандом». Варенье. Chem. Soc . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . DOI : 10.1021 / ja4075776 . PMID 24044696 .  
  5. ^ Cosic, я (1994). «Макромолекулярная биоактивность: резонансное взаимодействие между макромолекулами? - теория и приложения». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии . 41 (12): 1101–14. DOI : 10.1109 / 10.335859 . PMID 7851912 . 
  6. ^ Барон, Риккардо; Сетны, Петр; Маккаммон, Дж. Эндрю (2010). «Вода в распознавании полостей-лигандов» . Журнал Американского химического общества . 132 (34): 12091–12097. DOI : 10.1021 / ja1050082 . PMC 2933114 . PMID 20695475 .  
  7. ^ Барон, Риккардо; Маккаммон, Дж. Эндрю (2013). «Молекулярное распознавание и связывание лигандов». Ежегодный обзор физической химии . 64 : 151–175. Bibcode : 2013ARPC ... 64..151B . DOI : 10,1146 / annurev-physchem-040412-110047 . PMID 23473376 . 
  8. ^ Пиши, DJ; Крам, Дж. М. Контейнерные молекулы и их гости; Королевское химическое общество: Кембридж, 1997 . ISBN 0851869726 
  9. ^ Brotin, Тьерри; Дутаста, Жан-Пьер (2009). «Криптофаны и их комплексы - настоящее и будущее». Химические обзоры . 109 (1): 88–130. DOI : 10.1021 / cr0680437 . PMID 19086781 . 
  10. ^ Лен, Жан-Мари (1995). Супрамолекулярная химия . Вайнхайм : Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-29312-4. OCLC  315928178 .[ требуется страница ]
  11. ^ Геллман, Сэмюэл Х. (1997). «Введение: молекулярное распознавание» . Химические обзоры . 97 (5): 1231–1232. DOI : 10.1021 / cr970328j . PMID 11851448 . 
  12. ^ Дипанкар Чаттерджи, Основы молекулярного распознавания , CRC Press; 2016 г. , ISBN 1482219689 
  13. ^ Молекулярное распознавание и полимеры: контроль структуры полимера и самосборки V. Rotello, S. Thayumanavan, Eds. Wiley, 2008 ISBN 0470277386 
  14. ^ Локетт, MR; Lange, H .; Breiten, B .; Heroux, A .; Шерман, В .; Раппопорт, Д .; Яу, ПО; Снайдер, П. В.; Whitesides, GM (2003). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда» . Энгью. Chem. Int. Эд . 52 (30): 7714–7717. DOI : 10.1002 / anie.201301813 . PMID 23788494 . 
  15. ^ Breiten, B .; Локетт, MR; Шерман, В .; Fujita, S .; Аль-Сайях, М .; Lange, H .; Bowers, CM; Heroux, A .; Крылов, Г .; Whitesides, GM (2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии в связывании белка с лигандом». Варенье. Chem. Soc . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . DOI : 10.1021 / ja4075776 . PMID 24044696 .  
  16. ^ Чжан, Цзинцин; и другие. (2013). «Молекулярное распознавание с использованием фазовых комплексов короны из синтетических полимеров, адсорбированных на углеродных нанотрубках» . Природа Нанотехнологии . 8 (12): 959–968. Bibcode : 2013NatNa ... 8..959Z . DOI : 10.1038 / nnano.2013.236 . PMC 5051352 . PMID 24270641 .  
  17. ^ Mannige, Ranjan V .; Haxton, Thomas K .; Пру, Кэролайн; Робертсон, Эллен Дж .; Баттигелли, Алессия; Butterfoss, Glenn L .; Цукерманн, Рональд Н .; Whitelam, Стивен (2015-10-15). «Пептоидные нанолисты демонстрируют новый мотив вторичной структуры» . Природа . 526 (7573): 415–420. Bibcode : 2015Natur.526..415M . DOI : 10.1038 / nature15363 . ISSN 0028-0836 . PMID 26444241 .  
  18. ^ Beyene, Авраам G .; Demirer, Gozde S .; Ландри, Маркита П. (01.01.2009). Платформы молекулярного распознавания наночастиц для обнаружения биологических аналитов . Текущие протоколы в химической биологии . 8 . John Wiley & Sons, Inc., стр. 197–223. DOI : 10.1002 / cpch.10 . ISBN 9780470559277. PMID  27622569 .
  19. ^ Бидерманн, Франк; Шнайдер, Ханс-Йорг (2016). «Экспериментальные энергии связи в супрамолекулярных комплексах». Химические обзоры . 116 (9): 5216–5300. DOI : 10.1021 / acs.chemrev.5b00583 . PMID 27136957 . 
  20. ^ Шинкай, Сэйдзи; Икеда, Масато; Сугасаки, Ацуши; Такеучи, Масаюки (2001). «Положительные аллостерические системы, разработанные на динамических супрамолекулярных каркасах: в сторону переключения и усиления гостевой аффинности и селективности». Счета химических исследований . 34 (6): 494–503. DOI : 10.1021 / ar000177y . PMID 11412086 . 
  21. ^ Grunenberg Йорг (2011). «Сложность в молекулярном распознавании». Физическая химия Химическая физика . 13 (21): 10136–46. Bibcode : 2011PCCP ... 1310136G . DOI : 10.1039 / C1CP20097F . PMID 21503359 . 
  22. ^ Мобли, DL; Дилл, К.А. (2009). «Связывание низкомолекулярных лигандов с белками:« то, что вы видите », не всегда« то, что вы получаете » » . Структура . 17 (4): 489–98. DOI : 10.1016 / j.str.2009.02.010 . PMC 2756098 . PMID 19368882 .  
  23. ^ Шмидтхен, Франц П. (2010). «Размещение анионов. Энергетическая перспектива». Обзоры химического общества . 39 (10): 3916–35. DOI : 10.1039 / C0CS00038H . PMID 20820595 . 
  24. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci US A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  25. ^ Бернштейн H, Эдгар RS, Denhardt GH. Внутригенная комплементация среди термочувствительных мутантов бактериофага T4D. Генетика. 1965; 51 (6): 987-1002.
  26. ^ Crick FH, Orgel LE. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958

Внешние ссылки [ править ]

  • http://www.mdpi.org/ijms/sections/molecular-recognition.htm Специальный выпуск о молекулярном распознавании в Междунар. J. Mol. Sci.