Структурная биология - это раздел молекулярной биологии , биохимии и биофизики, связанный с молекулярной структурой биологических макромолекул (особенно белков , состоящих из аминокислот , РНК или ДНК , состоящих из нуклеотидов , и мембран , состоящих из липидов ), как они приобретают структуры, которые у них есть, и то, как изменения в их структурах влияют на их функции. [1] Эта тема представляет большой интерес для биологов, поскольку макромолекулы выполняют большинство функций клеток., и только свертываясь в определенные трехмерные формы, они могут выполнять эти функции. Эта архитектура, « третичная структура » молекул, сложным образом зависит от основного состава каждой молекулы или « первичной структуры ».
В последние несколько лет стало возможным использование высокоточных физических молекулярных моделей для дополнения исследований биологических структур in silico . Примеры этих моделей можно найти в базе данных Protein Data Bank .
Вычислительные методы, такие как моделирование молекулярной динамики, могут использоваться в сочетании со стратегиями определения эмпирической структуры для расширения и изучения структуры, конформации и функции белка. [2]
История
В 1912 году Макс фон Лауэ направил рентгеновские лучи на кристаллизованный сульфат меди, создав дифракционную картину . [3] Эти эксперименты привели к развитию рентгеновской кристаллографии и ее использованию для исследования биологических структур. Кристаллы пепсина были первыми белками, кристаллизованными Теодором Сведбергом для использования в дифракции рентгеновских лучей . [4] В первой третичной структуры белка , что и миоглобина , был опубликован в 1958 году Кендрю . [5] В это время моделирование белковых структур проводилось с использованием бальзовых или проволочных моделей. [6] С изобретением программного обеспечения для моделирования, такого как CCP4, в конце 1970-х годов [7] моделирование теперь осуществляется с помощью компьютера. Последние разработки в этой области включают создание рентгеновских лазеров на свободных электронах , позволяющих анализировать ранее скрытые структуры [8] и использование структурной биологии в помощь синтетической биологии [9].
Методы
Биомолекулы слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть в деталях даже с помощью самых современных световых микроскопов . Методы, которые структурные биологи используют для определения своей структуры, обычно включают измерения огромного количества идентичных молекул одновременно. Эти методы включают:
- Масс-спектрометрии
- Макромолекулярная кристаллография
- Нейтронная дифракция
- Протеолиз
- Спектроскопия белков ядерного магнитного резонанса (ЯМР)
- Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР)
- Криогенная электронная микроскопия (криоЭМ)
- Электронная кристаллография и дифракция электронов на микрокристаллах
- Многоугольное рассеяние света
- Малоугловое рассеяние
- Сверхбыстрая лазерная спектроскопия
- Двухполяризационная интерферометрия и круговой дихроизм
Чаще всего исследователи используют их для изучения « нативного состояния » макромолекул. Но вариации этих методов также используются, чтобы наблюдать, как образующиеся или денатурированные молекулы принимают или повторно принимают свои естественные состояния. См. Сворачивание белка .
Третий подход, который используют структурные биологи к пониманию структуры, - это биоинформатика для поиска закономерностей среди разнообразных последовательностей, которые приводят к определенным формам. Исследователи часто могут вывести аспекты структуры интегральных мембранных белков на основе топологии мембраны, предсказанной анализом гидрофобности . См. Прогноз структуры белка .
Смотрите также
- Первичная структура
- Вторичная структура
- Третичная структура
- Четвертичная структура
- Структурная область
- Структурный мотив
- Белковая субъединица
- Молекулярная модель
- Сотрудничество
- Шаперонин
- Структурная геномика
- Стереохимия
- Разрешение (электронная плотность)
- Proteopedia Совместная трехмерная энциклопедия белков и других молекул .
- Прогноз структуры белка
Рекомендации
- ^ Banaszak LJ (2000). Основы структурной биологии . Берлингтон: Эльзевир. ISBN 9780080521848.
- ^ Карплюс М., Маккаммон Дж. А. (сентябрь 2002 г.). «Молекулярно-динамическое моделирование биомолекул». Структурная биология природы . 9 (9): 646–52. DOI : 10.1038 / nsb0902-646 . PMID 12198485 . S2CID 590640 .
- ^ Карри С. (июль 2015 г.). «Структурная биология: вековое путешествие в невидимый мир» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 308–328. DOI : 10.1179 / 0308018815z.000000000120 . PMC 4697198 . PMID 26740732 .
- ^ Яскольски М., Даутер З, Влодавер А. (сентябрь 2014 г.). «Краткая история кристаллографии макромолекул, проиллюстрированная генеалогическим древом и его Нобелевскими плодами» . Журнал FEBS . 281 (18): 3985–4009. DOI : 10.1111 / febs.12796 . PMC 6309182 . PMID 24698025 .
- ^ Кендрю Дж. К., Бодо Дж., Динцис Х. М., Пэрриш Р. Г., Вайкофф Х., Филлипс, округ Колумбия (март 1958 г.). «Трехмерная модель молекулы миоглобина, полученная методом рентгеноструктурного анализа». Природа . 181 (4610): 662–6. DOI : 10.1038 / 181662a0 . PMID 13517261 . S2CID 4162786 .
- ^ Гарман Э.Ф. (март 2014 г.). «Разработки в области рентгеноструктурного определения структуры биологических макромолекул». Наука . 343 (6175): 1102–8. DOI : 10.1126 / science.1247829 . PMID 24604194 . S2CID 21067016 .
- ^ «О CCP4» . legacy.ccp4.ac.uk . Проверено 2 апреля 2021 .
- ^ Waldrop MM (январь 2014 г.). «Рентгенология: большое оружие» . Природа . 505 (7485): 604–6. DOI : 10.1038 / 505604a . PMID 24476872 .
- ^ Киль С., Серрано Л. (ноябрь 2012 г.). «Структурные данные в синтетической биологии подходят для изучения общих принципов проектирования сотовых сигнальных сетей» . Структура . 20 (11): 1806–13. DOI : 10.1016 / j.str.2012.10.002 . PMID 23141693 .
Внешние ссылки
- СМИ, связанные со структурной биологией, на Викискладе?
- Природа: веб-сайт журнала " Структурная и молекулярная биология"
- Журнал структурной биологии
- Структурная биология - Виртуальная библиотека биохимии, молекулярной биологии и клеточной биологии
- Структурная биология в Европе