Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен из третичной структуры )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Protein primary structureProtein secondary structureProtein tertiary structureProtein quaternary structure
Изображение выше содержит интерактивные ссылки.
Интерактивная схема , по структуре белка , используя PCNA в качестве примера. ( PDB : 1AXC )
Nucleic acid primary structureNucleic acid secondary structureNucleic acid tertiary structureNucleic acid quaternary structure
Изображение выше содержит интерактивные ссылки.
Интерактивное изображение из кислотной структуры нуклеиновой (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) с помощью спиралей ДНК и примеры из рибозима VS и теломеразы и нуклеосом . ( PDB : ADNA , 1BNA , 4OCB , 4R4V , 1YMO , 1EQZ )

Биомолекулярных структура представляет собой запутанный сложена, трехмерную форму , которая образована молекулы из белка , ДНК или РНК , а также, что очень важно , чтобы его функции. Структуру этих молекул можно рассматривать на любом из нескольких масштабов длины, начиная от уровня отдельных атомов и заканчивая отношениями между целыми субъединицами белка . Это полезное различие между шкалами часто выражается как разложение молекулярной структуры на четыре уровня: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Каркас для этой многомасштабной организации молекулы возникает на вторичном уровне, где фундаментальными структурными элементами являются различные молекулы.водородные связи . Это приводит к нескольким узнаваемым доменам в структуру белка и кислотная структуру нуклеиновой , в том числе таких особенностей вторичной структуры , как альфа - спирали и бета - листов для белков и шпилек петель , выпуклостей и внутренних контуров для нуклеиновых кислот. Термины первичная , вторичная , третичная и четвертичная структура были введены Каем Ульриком Линдерстрём-Лангом в его лекциях по медицине на переулке 1951 года в Стэнфордском университете .

Первичная структура [ править ]

Дополнительная информация: первичная структура и Нуклеиновые кислоты первичная структура

Первичная структура из биополимера является точной спецификацией его атомным составом и химических связей , соединяющих атомы ( в том числе стереохимии ). Для типичного неразветвленного, несшитого биополимера (такого как молекула типичного внутриклеточного белка , ДНК или РНК ) первичная структура эквивалентна определению последовательности его мономерных субъединиц, таких как аминокислоты или нуклеотиды .

Первичную структуру иногда ошибочно называют первичной последовательностью , но такого термина нет, как и нет параллельной концепции вторичной или третичной последовательности. Обычно о первичной структуре белка сообщают, начиная с аминоконца (N) до карбоксильного конца (C), в то время как о первичной структуре молекулы ДНК или РНК сообщают от 5'-конца до 3'-конца.

Первичная структура молекулы нуклеиновой кислоты относится к точной последовательности нуклеотидов, составляющих всю молекулу. Часто первичная структура кодирует мотивы последовательности, которые имеют функциональное значение. Некоторые примеры таких мотивов являются: C / D [1] и Н / ACA коробки [2] из snoRNAs , LSM сайт связывания найдены в spliceosomal РНК , таких как U1 , U2 , U4 , U5 , U6 , U12 и U3 , в обуви -Dalgarno последовательности , [3] консенсусная последовательность Козака [4]и терминатор РНК-полимеразы III . [5]

Вторичная структура [ править ]

Дополнительная информация: вторичной структуры белков и нуклеиновых кислот вторичная структура
Вторичная (вставка) и третичная структура тРНК, демонстрирующая коаксиальный стэкинг PDB : 6TNA 6TNA )

Вторичная структура является структурой водородных связей в биополимере. Они определяют общую трехмерную форму локальных сегментов биополимеров, но не описывают глобальную структуру конкретных положений атомов в трехмерном пространстве, которые считаются третичной структурой . Вторичная структура формально определяется водородными связями биополимера, как это наблюдается в структуре с атомным разрешением. В белках вторичная структура определяется паттернами водородных связей между амином основной цепи и карбоксильными группами (водородные связи боковая цепь-основная цепь и боковая цепь-боковая цепь не имеют значения), где DSSPиспользуется определение водородной связи. В нуклеиновых кислотах вторичная структура определяется водородными связями между азотистыми основаниями.

Для белков, однако, водородная связь коррелирует с другими структурными особенностями, что привело к менее формальным определениям вторичной структуры. Например, спирали могут принимать двугранные углы позвоночника в некоторых областях графика Рамачандрана ; таким образом, сегмент остатков с такими двугранными углами часто называют спиралью , независимо от того, имеет ли он правильные водородные связи. Было предложено множество других менее формальных определений, часто использующих концепции дифференциальной геометрии кривых, такие как кривизна и кручение . Структурные биологи, решая новую структуру с атомным разрешением, иногда на глаз определяют ее вторичную структуру .и запишите их назначения в соответствующий файл Protein Data Bank (PDB).

Вторичная структура молекулы нуклеиновой кислоты относится к взаимодействиям спаривания оснований внутри одной молекулы или набора взаимодействующих молекул. Вторичная структура биологических РНК часто может быть однозначно разложена на стержни и петли. Часто эти элементы или их комбинации могут быть разделены, например , tetraloops , псевдоузлы и стволовые петли . Есть много элементов вторичной структуры, имеющих функциональное значение для биологической РНК. Известные примеры включают Rho-независимые петли стебля терминатора и передающую РНК (тРНК) клеверного листа. Существует небольшая группа исследователей, пытающихся определить вторичную структуру молекул РНК. Подходы включают обаэкспериментальные и вычислительные методы (см. также Список программ для предсказания структуры РНК ).

Третичная структура [ править ]

Дополнительная информация: Белок третичной структуры и нуклеиновых кислот третичную структуру

Третичную структуру из белка или любой другой макромолекулы является его трехмерную структуру, как это определено в атомных координат. [6] Белки и нуклеиновые кислоты складываются в сложные трехмерные структуры, которые определяют функции молекул. Хотя такие структуры разнообразны и сложны, они часто состоят из повторяющихся, узнаваемых мотивов и доменов третичной структуры, которые служат молекулярными строительными блоками. Считается, что третичная структура в значительной степени определяется первичной структурой биомолекулы (ее последовательностью аминокислот или нуклеотидов ).

Четвертичная структура [ править ]

Дополнительная информация: четвертичная структура и нуклеиновых кислот четвертичная структура

Четвертичная структура относится к количеству и расположению нескольких белковых молекул в нескольких субъединиц комплекса. Для нуклеиновых кислот, термин является менее распространенным, но может относиться к организации более высокого уровня ДНК в хроматин , [7] , включая его взаимодействия с гистонов , или к взаимодействию между отдельными единицами РНК в рибосоме [8] [9] или сплайсосомы .

Определение структуры [ править ]

Дополнительная информация: Структура белка и определение структуры нуклеиновой кислоты

Зондирование структуры - это процесс, с помощью которого используются биохимические методы для определения биомолекулярной структуры. [10] Этот анализ может быть использован для определения закономерностей, которые могут быть использованы для вывода молекулярной структуры, экспериментального анализа молекулярной структуры и функции, а также для дальнейшего понимания разработки более мелких молекул для дальнейших биологических исследований. [11] Анализ структурного зондирования может быть выполнен с помощью множества различных методов, включая химическое зондирование, зондирование гидроксильных радикалов, картирование интерференции нуклеотидных аналогов (NAIM) и поточное зондирование. [10]

Структуры белков и нуклеиновых кислот можно определить с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса ( ЯМР ), рентгеновской кристаллографии или криоэлектронной микроскопии одиночных частиц ( криоЭМ ). В первых опубликованных отчетах о ДНК ( Розалинд Франклин и Раймонд Гослинг в 1953 г.) рентгеновских дифракционных картин A-ДНК - а также B-ДНК - использовались анализы, основанные на преобразованиях функций Паттерсона, которые давали лишь ограниченный объем структурной информации для ориентированных волокна ДНК, выделенные из тимуса теленка . [12] [13]Затем Уилкинс и др. Предложили альтернативный анализ. в 1953 г. для исследования дифракции рентгеновских лучей B-ДНК и структур рассеяния гидратированных бактериально-ориентированных волокон ДНК и головок спермы форели в терминах квадратов функций Бесселя . [14] Хотя форма B-ДНК наиболее распространена в условиях, обнаруженных в клетках, [15] это не четко определенная конформация, а семейство или нечеткий набор конформаций ДНК, которые возникают при высоких уровнях гидратации, присутствующих в клетках. большое разнообразие живых клеток. [16] Их соответствующие картины дифракции рентгеновских лучей и рассеяния характерны для молекулярных паракристаллов со значительной степенью беспорядка (более 20%), [17] [18] и структура не поддается обработке с использованием только стандартного анализа.

В противоположность этому , стандартный анализ, с участием только преобразование Фурье от функции Бесселя [19] и ДНК молекулярных моделей , до сих пор обычно используется для анализа A-ДНК и ДНК-Z рентгеновские дифракционные картины. [20]

Прогноз структуры [ править ]

Пространство структуры тРНК-Phe Saccharomyces cerevisiae : энергии и структуры рассчитывались с использованием субопта РНК, а структурные расстояния рассчитывались с использованием расстояния РНК.
Дополнительная информация: предсказание структуры белка и предсказание структуры нуклеиновой кислоты

Прогнозирование биомолекулярной структуры - это предсказание трехмерной структуры белка по его аминокислотной последовательности или нуклеиновой кислоты по его нуклеотидной (основной) последовательности. Другими словами, это предсказание вторичной и третичной структуры по ее первичной структуре. Предсказание структуры является обратной биомолекулярной конструкции, как и в рациональной конструкции , конструкции белка , кислоты конструкции нуклеиновой и биомолекулярной инженерии .

Прогнозирование структуры белков - одна из важнейших задач биоинформатики и теоретической химии . Прогнозирование структуры белка имеет большое значение в медицине (например, при разработке лекарств ) и биотехнологии (например, при разработке новых ферментов ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в эксперименте « Критическая оценка прогнозирования структуры белка» ( CASP ).

Также было проведено значительное количество биоинформатических исследований, направленных на проблему предсказания структуры РНК. Общей проблемой исследователей, работающих с РНК, является определение трехмерной структуры молекулы с учетом только последовательности нуклеиновой кислоты. Однако в случае РНК большая часть окончательной структуры определяется вторичной структурой или внутримолекулярными взаимодействиями спаривания оснований молекулы. Об этом свидетельствует высокая сохранность пар оснований у разных видов.

Вторичная структура малых молекул нуклеиновых кислот в значительной степени определяется сильными локальными взаимодействиями, такими как водородные связи и укладка оснований . Суммирование свободной энергии для таких взаимодействий, обычно с использованием метода ближайших соседей , обеспечивает приближение устойчивости данной структуры. [21] Самый простой способ найти структуру с наименьшей свободной энергией - это создать все возможные структуры и вычислить для них свободную энергию, но количество возможных структур для последовательности увеличивается экспоненциально с увеличением длины молекулы. [22] Для более длинных молекул количество возможных вторичных структур огромно. [21]

Методы ковариации последовательностей основаны на существовании набора данных, состоящего из множества гомологичных последовательностей РНК со связанными, но непохожими последовательностями. Эти методы анализируют ковариацию отдельных базовых сайтов в эволюции ; поддержание в двух широко разделенных сайтах пары нуклеотидов спаривания оснований указывает на наличие структурно необходимой водородной связи между этими положениями. Показано, что общая проблема предсказания псевдоузлов является NP-полной . [23]

Дизайн [ править ]

Дополнительная информация: дизайн белка и кислота дизайна Нуклеинового

Биомолекулярный дизайн можно рассматривать как инверсию предсказания структуры. При прогнозировании структуры структура определяется на основе известной последовательности, тогда как при разработке белка или нуклеиновой кислоты создается последовательность, которая будет формировать желаемую структуру.

Другие биомолекулы [ править ]

Дополнительная информация: липидный бислой

Другие биомолекулы, такие как полисахариды , полифенолы и липиды , также могут иметь биологическую структуру более высокого порядка.

См. Также [ править ]

  • Биомолекулярный
  • Сравнение программного обеспечения для моделирования нуклеиновых кислот
  • Структура гена
  • Список программ для предсказания структуры РНК
  • Некодирующая РНК

Ссылки [ править ]

  1. ^ Самарский Д.А., Fournier MJ, Singer RH, Бертран E (июль 1998). «Мотив C / D snoRNA box направляет ядрышковое нацеливание, а также связывает синтез и локализацию snoRNA» . Журнал EMBO . 17 (13): 3747–57. DOI : 10.1093 / emboj / 17.13.3747 . PMC  1170710 . PMID  9649444 .
  2. ^ Ganot Р, Caizergues-Феррер М, Поцелуй Т (апрель 1997 г.). «Семейство малых ядрышковых РНК бокс-АСА определяется эволюционно консервативной вторичной структурой и повсеместными элементами последовательности, необходимыми для накопления РНК» . Гены и развитие . 11 (7): 941–56. DOI : 10,1101 / gad.11.7.941 . PMID 9106664 . 
  3. Перейти ↑ Shine J, Dalgarno L (март 1975). «Детерминант специфичности цистрона в бактериальных рибосомах». Природа . 254 (5495): 34–38. Bibcode : 1975Natur.254 ... 34S . DOI : 10.1038 / 254034a0 . PMID 803646 . S2CID 4162567 .  
  4. Перейти ↑ Kozak M (октябрь 1987). «Анализ 5'-некодирующих последовательностей из 699 матричных РНК позвоночных» . Исследования нуклеиновых кислот . 15 (20): 8125–48. DOI : 10.1093 / NAR / 15.20.8125 . PMC 306349 . PMID 3313277 .  
  5. ^ Bogenhagen DF, Brown DD (апрель 1981). «Нуклеотидные последовательности в ДНК Xenopus 5S, необходимые для терминации транскрипции». Cell . 24 (1): 261–70. DOI : 10.1016 / 0092-8674 (81) 90522-5 . PMID 6263489 . S2CID 9982829 .  
  6. ^ ИЮПАК , Сборник химической терминологии , 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) « третичная структура ». DOI : 10,1351 / goldbook.T06282
  7. ^ Sipski ML, Wagner TE (март 1977). «Исследование четвертичного порядка ДНК с помощью спектроскопии кругового дихроизма: исследования хромосомных волокон спермы лошадей». Биополимеры . 16 (3): 573–82. DOI : 10.1002 / bip.1977.360160308 . PMID 843604 . S2CID 35930758 .  
  8. ^ Ноллер HF (1984). «Структура рибосомальной РНК». Ежегодный обзор биохимии . 53 : 119–62. DOI : 10.1146 / annurev.bi.53.070184.001003 . PMID 6206780 . 
  9. Перейти ↑ Nissen P, Ippolito JA, Ban N, Moore PB, Steitz TA (апрель 2001 г.). «Третичные взаимодействия РНК в большой субъединице рибосомы: A-минорный мотив» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (9): 4899–903. Bibcode : 2001PNAS ... 98.4899N . DOI : 10.1073 / pnas.081082398 . PMC 33135 . PMID 11296253 .  
  10. ^ a b Teunissen, A. W. M. (1979). Зондирование структуры РНК: анализ биохимической структуры аутоиммунных молекул РНК . С. 1–27. ISBN 978-90-901323-4-1.
  11. ^ Pace NR, Томас BC, Вёзе CR (1999). Исследование структуры, функции и истории РНК с помощью сравнительного анализа . Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. С. 113–17. ISBN 978-0-87969-589-7.
  12. ^ Franklin RE , Гослинг RG (6 марта 1953). «Структура волокон тимонуклеата натрия (I. Влияние содержания воды и II. Цилиндрически симметричная функция Паттерсона)» (PDF) . Acta Crystallogr . 6 (8): 673–78. DOI : 10.1107 / s0365110x53001939 .
  13. ^ Franklin RE, Гослинг RG (апрель 1953). «Молекулярная конфигурация в тимонуклеате натрия». Природа . 171 (4356): 740–41. Bibcode : 1953Natur.171..740F . DOI : 10.1038 / 171740a0 . PMID 13054694 . S2CID 4268222 .  
  14. ^ Wilkins MH, Стокс Р. Уилсон HR (апрель 1953). «Молекулярная структура дезоксипентозных нуклеиновых кислот». Природа . 171 (4356): 738–40. Bibcode : 1953Natur.171..738W . DOI : 10.1038 / 171738a0 . PMID 13054693 . S2CID 4280080 .  
  15. ↑ Leslie AG, Arnott S, Chandrasekaran R, Ratliff RL (октябрь 1980 г.). «Полиморфизм двойных спиралей ДНК». Журнал молекулярной биологии . 143 (1): 49–72. DOI : 10.1016 / 0022-2836 (80) 90124-2 . PMID 7441761 . 
  16. ^ Baianu, И. С. (1980). «Структурный порядок и частичный беспорядок в биологических системах». Бык. Математика. Биол . 42 (1): 137–41. DOI : 10.1007 / BF02462372 . S2CID 189888972 . 
  17. ^ Hosemann R, Багчи Р. Н. (1962). Прямой анализ дифракции на веществе . Амстердам / Нью-Йорк: Северная Голландия.
  18. ^ Baianu IC (1978). «Рассеяние рентгеновских лучей частично неупорядоченными мембранными системами» . Acta Crystallogr. . 34 (5): 751–53. Bibcode : 1978AcCrA..34..751B . DOI : 10.1107 / s0567739478001540 .
  19. ^ "Функции Бесселя и дифракция на спиральных структурах" . planetphysics.org .[ постоянная мертвая ссылка ]
  20. ^ "Рентгенограммы кристаллов двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)" . planetphysics.org . Архивировано из оригинала 24 июля 2009 года.
  21. ^ a b Мэтьюз Д.Х. (июнь 2006 г.). «Революции в предсказании вторичной структуры РНК». Журнал молекулярной биологии . 359 (3): 526–32. DOI : 10.1016 / j.jmb.2006.01.067 . PMID 16500677 . 
  22. ^ Цукер М, Sankoff D (1984). «Вторичные структуры РНК и их предсказание». Бык. Математика. Биол . 46 (4): 591–621. DOI : 10.1007 / BF02459506 . S2CID 189885784 . 
  23. ^ Lyngsø RB, Педерсен CN (2000). «Предсказание псевдоузла РНК в энергетических моделях». Журнал вычислительной биологии . 7 (3–4): 409–27. CiteSeerX 10.1.1.34.4044 . DOI : 10.1089 / 106652700750050862 . PMID 11108471 .