Макромолекулярная сборка
Крупные химические комплексы, состоящие из полимеров и других макромолекул
Структура нуклеопротеина MA: 50S рибосомальная субъединица из H. marismortui Рентгеноструктурная кристаллографическая модель 29 из 33 нативных компонентов из лаборатории Томаса Стейца . Из 31 компонента белков показаны 27 (синие) вместе с 2 цепями РНК (оранжевый/желтый). [1] Масштаб: сборка составляет приблизительно 24 нм в поперечнике. [2]

В молекулярной биологии термин макромолекулярная сборка ( МА ) относится к массивным химическим структурам, таким как вирусы и небиологические наночастицы , клеточные органеллы и мембраны , рибосомы и т. д., которые представляют собой сложные смеси полипептидов , полинуклеотидов , полисахаридов или других полимерных макромолекул . Они, как правило, относятся к более чем одному из этих типов, и смеси определяются пространственно (т. е. относительно их химической формы), а также относительно их основного химического состава и структуры . Макромолекулы встречаются в живых и неживых существах и состоят из многих сотен или тысяч атомов, удерживаемых вместе ковалентными связями ; они часто характеризуются повторяющимися единицами (т. е. они 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 нанотехнологиях ). MA макромолекул удерживаются в своих определенных формах нековалентными межмолекулярными взаимодействиями (а не ковалентными связями ) и могут находиться либо в неповторяющихся структурах (например, как в рибосоме (изображение) и архитектурах клеточной мембраны), либо в повторяющихся линейных, круговых, спиральных или других узорах (например, как в актиновых филаментах и ​​жгутиковом двигателе , изображение). Процесс, посредством которого образуются MA, был назван молекулярной самосборкой , термин, особенно применяемый в небиологических контекстах. Для изучения MA существует широкий спектр физических/биофизических, химических/биохимических и вычислительных методов; учитывая масштаб (молекулярные размеры) MA, усилия по разработке их состава и структуры и выявлению механизмов, лежащих в основе их функций, находятся на переднем крае современной структурной науки.

Эукариотическая рибосома , которая каталитически транслирует информационное содержимое, содержащееся в молекулах мРНК , в белки. Анимация представляет этапы удлинения и нацеливания на мембрану эукариотической трансляции , показывая мРНК как черную дугу, субъединицы рибосомы зеленым и желтым, тРНК темно-синим, белки, такие как удлинение и другие факторы, участвующие в этом, светло-голубым, растущую полипептидную цепь как черную нить, растущую вертикально от изгиба мРНК. В конце анимации полученный полипептид выдавливается через светло-голубую пору SecY [3] в серую внутреннюю часть ЭР .

Биомолекулярный комплекс

3D-печатная модель структуры бактериального жгутика «мотор» 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-синий, кольцевые белки L и P; и (вверху), темно-синий, колпачок, соединение крюка с нитью, крючок и стержневые белки. [4]

Биомолекулярный комплекс , также называемый биомакромолекулярным комплексом , представляет собой любой биологический комплекс, состоящий из более чем одного биополимера ( белок , РНК , ДНК , [5] углевод ) или крупных неполимерных биомолекул ( липид ). Взаимодействия между этими биомолекулами нековалентны. [6] Примеры:

Биомакромолекулярные комплексы изучаются структурно с помощью рентгеновской кристаллографии , ЯМР-спектроскопии белков , криоэлектронной микроскопии и последовательного анализа отдельных частиц , а также электронной томографии . [9] Модели атомной структуры, полученные с помощью рентгеновской кристаллографии и биомолекулярной ЯМР-спектроскопии, могут быть встроены в гораздо более крупные структуры биомолекулярных комплексов, полученные с помощью методов с более низким разрешением, таких как электронная микроскопия, электронная томография и малоугловое рентгеновское рассеяние . [10]

Комплексы макромолекул повсеместно встречаются в природе, где они участвуют в построении вирусов и всех живых клеток. Кроме того, они играют фундаментальную роль во всех основных жизненных процессах ( трансляция белков , деление клеток , транспортировка везикул , внутри- и межклеточный обмен веществом между отсеками и т. д.). В каждой из этих ролей сложные смеси организуются определенными структурными и пространственными способами. В то время как отдельные макромолекулы удерживаются вместе комбинацией ковалентных связей и внутримолекулярных нековалентных сил (т. е. ассоциаций между частями внутри каждой молекулы посредством взаимодействий заряд-заряд , сил Ван-дер-Ваальса и диполь-дипольных взаимодействий , таких как водородные связи ), по определению сами МА удерживаются вместе исключительно посредством нековалентных сил, за исключением тех, которые теперь действуют между молекулами (т. е. межмолекулярных взаимодействий ). [ необходима цитата ]

Шкалы и примеры MA

Изображения выше дают представление о составе и масштабе (размерах), связанных с MA, хотя они только начинают касаться сложности структур; в принципе, каждая живая клетка состоит из MA, но сама по себе также является MA. В примерах и других подобных комплексах и сборках MA часто имеют молекулярную массу в миллионы дальтон (мегадальтон, т.е. в миллионы раз больше веса одного простого атома), хотя все еще имеют измеримые соотношения компонентов ( стехиометрии ) на некотором уровне точности. Как упоминается в подписях к изображениям, при правильном приготовлении MA или компонентные субкомплексы MA часто могут быть кристаллизованы для изучения с помощью кристаллографии белков и связанных методов или изучены другими физическими методами (например, спектроскопией , микроскопией ). [ необходима цитата ]

Поперечные сечения фосфолипидов (ПЛ), соответствующих биомембранным МА. Желто-оранжевый цвет обозначает гидрофобные липидные хвосты; черные и белые сферы представляют полярные области ПЛ ( vi ). Размеры бислоя/липосомы (скрыты на графике): гидрофобные и полярные области, каждая ~30 Å (3,0 нм) «толщиной» — полярные от ~15 Å (1,5 нм) с каждой стороны . [11] [12] [13] [ необходим непервичный источник ] [14]
Графическое представление структуры вирусного МА, вируса мозаики коровьего гороха , с 30 копиями каждого из его белков оболочки, малого белка оболочки (S, желтый) и большого белка оболочки (L, зеленый), которые вместе с 2 молекулами положительной РНК (РНК-1 и РНК-2, не видны) составляют вирион. Сборка высокосимметрична и имеет ~280 Å (28 нм) в поперечнике в самой широкой точке. [ требуется проверка ] [ требуется цитата ]

Структуры вирусов были среди первых изученных MA; 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 MA, хотя требование к структурному и пространственному определению изменено, чтобы приспособиться к присущей молекулярной динамике мембранных липидов и белков внутри липидных бислоев . [15]

Сборка вируса

Во время сборки вириона бактериофага (фага) T4 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 T4 . [16] Кодируемые фагом T4 белки, которые определяют структуру вириона, включают основные структурные компоненты, второстепенные структурные компоненты и неструктурные белки, которые катализируют определенные этапы в последовательности морфогенеза [17]

Исследование MA

Изучение структуры и функции МА является сложной задачей, в частности, из-за их размера в мегадальтонах, а также из-за их сложного состава и различной динамической природы. Большинство из них использовали стандартные химические и биохимические методы (методы очистки и центрифугирования белков , химическая и электрохимическая характеристика и т. д.). Кроме того, их методы изучения включают современные протеомные подходы, вычислительные и атомно-разрешающие структурные методы (например, рентгеновскую кристаллографию ), малоугловое рентгеновское рассеяние (SAXS) и малоугловое нейтронное рассеяние (SANS), силовую спектроскопию, а также просвечивающую электронную микроскопию и криоэлектронную микроскопию . Аарон Клуг был отмечен Нобелевской премией по химии 1982 года за свою работу по структурному выяснению с использованием электронной микроскопии, в частности, для МА белково-нуклеиновых кислот, включая вирус табачной мозаики (структура, содержащая молекулу одноцепочечной РНК из 6400 оснований и >2000 молекул белка оболочки). Кристаллизация и структурное решение для рибосомы, MW ~ 2,5 МДа, пример части «машины» синтеза белка в живых клетках, были объектом Нобелевской премии по химии 2009 года, присужденной Венкатраману Рамакришнану , Томасу А. Стейцу и Аде Э. Йонат . [18]

Небиологические аналоги

Наконец, биология не является единственной областью МА. В областях супрамолекулярной химии и нанотехнологий есть области, которые развивались для разработки и расширения принципов, впервые продемонстрированных в биологических МА. Особый интерес в этих областях представляла разработка фундаментальных процессов молекулярных машин и расширение известных конструкций машин для новых типов и процессов. [ необходима цитата ]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (август 2000 г.). «Полная атомная структура большой рибосомальной субъединицы с разрешением 2,4 А». Science . 289 (5481): 905–920. Bibcode :2000Sci...289..905B. CiteSeerX  10.1.1.58.2271 . doi :10.1126/science.289.5481.905. PMID  10937989.
  2. ^ МакКлур В. "50S Ribosome Subunit". Архивировано из оригинала 2005-11-24 . Получено 2019-10-09 .
  3. ^ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). «Транслокация белка по каналу Sec61/SecY». Annual Review of Cell and Developmental Biology . 21 : 529–550. doi :10.1146/annurev.cellbio.21.012704.133214. PMID  16212506.
  4. ↑ Легенда, обложка, J. ​​Bacteriol., октябрь 2006 г. [ необходима полная цитата ]
  5. ^ Kleinjung J, Fraternali F (июль 2005 г.). «POPSCOMP: автоматизированный анализ взаимодействия биомолекулярных комплексов». Nucleic Acids Research . 33 (выпуск веб-сервера): W342–W346. doi : 10.1093/nar/gki369. PMC 1160130. PMID  15980485. 
  6. ^ Мур ПБ (2012). «Как нам следует думать о рибосоме?». Annual Review of Biophysics . 41 (1): 1–19. doi :10.1146/annurev-biophys-050511-102314. PMID  22577819.
  7. ^ Dutta S, Berman HM (март 2005). "Большие макромолекулярные комплексы в банке данных белков: отчет о состоянии". Структура . 13 (3): 381–388. doi : 10.1016/j.str.2005.01.008 . PMID  15766539.
  8. ^ Russell RB, Alber F, Aloy P, Davis FP, Korkin D, Pichaud M и др. (июнь 2004 г.). «Структурная перспектива белок-белковых взаимодействий». Current Opinion in Structural Biology . 14 (3): 313–324. doi :10.1016/j.sbi.2004.04.006. PMID  15193311.
  9. ^ van Dijk AD, Boelens R, Bonvin AM (январь 2005 г.). «Управляемая данными стыковка для изучения биомолекулярных комплексов». Журнал FEBS . 272 ​​(2): 293–312. doi :10.1111/j.1742-4658.2004.04473.x. hdl : 1874/336958 . PMID  15654870. S2CID  20148856.
  10. ^ "Структура жидких липидных бислоев". Blanco.biomol.uci.edu. 2009-11-10 . Получено 2019-10-09 .
  11. ^ Экспериментальная система, диолеоилфосфатидилхолиновые бислои. Гидрофобная углеводородная область липида составляет ~30 Å (3,0 нм), как определено с помощью комбинации методов нейтронного и рентгеновского рассеяния; аналогично, полярная/интерфейсная область (глицерил, фосфат и фрагменты головной группы с их комбинированной гидратацией) составляет ~15 Å (1,5 нм) с каждой стороны , для общей толщины, примерно равной углеводородной области. См. ссылки SH White, предшествующие и последующие.
  12. ^ Wiener MC, White SH (февраль 1992). «Структура жидкого диолеоилфосфатидилхолинового бислоя, определенная совместным уточнением данных рентгеновской и нейтронной дифракции. III. Полная структура». Biophysical Journal . 61 (2): 434–447. Bibcode :1992BpJ....61..434W. doi :10.1016/S0006-3495(92)81849-0. PMC 1260259 . PMID  1547331. 
  13. ^ Размеры углеводородов изменяются в зависимости от температуры, механического напряжения, структуры PL и соформулянтов и т.д. на одно- или двузначные проценты от этих значений. [ необходима ссылка ]
  14. ^ Gerle C (июнь 2019). «Эссе о структуре биомембраны». Журнал мембранной биологии . 252 (2–3): 115–130. doi :10.1007/s00232-019-00061-w. PMC 6556169. PMID  30877332 . 
  15. ^ Floor E (февраль 1970). «Взаимодействие морфогенетических генов бактериофага T4». Журнал молекулярной биологии . 47 (3): 293–306. doi :10.1016/0022-2836(70)90303-7. PMID  4907266.
  16. ^ Snustad DP (август 1968). «Доминантные взаимодействия в клетках Escherichia coli, смешанно инфицированных бактериофагом T4D дикого типа и мутантами amber, и их возможные последствия для типа функции гена-продукта: каталитическая против стехиометрической». Вирусология . 35 (4): 550–63. doi :10.1016/0042-6822(68)90285-7. PMID  4878023.
  17. ^ "Нобелевская премия по химии 2009 года". Нобелевская премия . Nobel Prize Outreach AB 2021. Получено 10 мая 2021 г.

Дальнейшее чтение

Общие обзоры

  • Williamson JR (август 2008 г.). «Кооперативность в макромолекулярной сборке». Nature Chemical Biology . 4 (8): 458–465. doi :10.1038/nchembio.102. PMID  18641626.
  • Perrakis A, Musacchio A, Cusack S, Petosa C (август 2011 г.). «Исследование макромолекулярного комплекса: набор методов». Журнал структурной биологии . 175 (2): 106–12. doi :10.1016/j.jsb.2011.05.014. PMID  21620973.
  • Dafforn TR (январь 2007 г.). «Итак, как вы узнаете, что у вас макромолекулярный комплекс?». Acta Crystallographica. Раздел D, Биологическая кристаллография . 63 (Pt 1): 17–25. doi :10.1107/S0907444906047044. PMC  2483502. PMID  17164522 .
  • Wohlgemuth I, Lenz C, Urlaub H (март 2015 г.). «Изучение стехиометрии макромолекулярных комплексов с помощью масс-спектрометрии на основе пептидов». Proteomics . 15 (5–6): 862–79. doi :10.1002/pmic.201400466. PMC  5024058 . PMID  25546807.
  • Sinha C, Arora K, Moon CS, Yarlagadda S, Woodrooffe K, Naren AP (октябрь 2014 г.). "Резонансный перенос энергии Фёрстера — подход к визуализации пространственно-временной регуляции образования макромолекулярных комплексов и сигнализации в компартментализованных клетках". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Общие предметы . 1840 (10): 3067–72. doi :10.1016/j.bbagen.2014.07.015. PMC  4151567. PMID  25086255 .
  • Берг Дж. М., Тимочко Дж., Страйер Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4955-4.
  • Lehninger AL, Cox M, Nelson DL (2005). Принципы биохимии Ленингера (Четвертое издание). Нью-Йорк: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4339-2.

Обзоры конкретных MA

  • Valle M (май 2011). «Почти потерянный перевод. Крио-ЭМ динамического макромолекулярного комплекса: рибосома». European Biophysics Journal . 40 (5): 589–97. doi :10.1007/s00249-011-0683-6. PMID  21336521. S2CID  26027815.
  • Monie TP (2017). «Каноническая инфламмасома: макромолекулярный комплекс, вызывающий воспаление». Макромолекулярные белковые комплексы . Субклеточная биохимия. Том 83. С. 43–73. doi :10.1007/978-3-319-46503-6_2. ISBN 978-3-319-46501-2. PMID  28271472.
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E (август 2006 г.). «Идентификация макромолекулярного комплекса, ответственного за PI3Kgamma-зависимую регуляцию уровней цАМФ». Труды биохимического общества . 34 (ч. 4): 502–3. doi :10.1042/BST0340502. PMID  16856844.

Первичные источники

  • Lasker K, Förster F, Bohn S, Walzthoeni T, Villa E, Unverdorben P и др. (январь 2012 г.). «Молекулярная архитектура голокомплекса протеасомы 26S, определяемая интегративным подходом». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (5): 1380–1387. Bibcode : 2012PNAS..109.1380L. doi : 10.1073/pnas.1120559109 . PMC  3277140. PMID  22307589 .
  • Рассел Д., Ласкер К., Уэбб Б., Веласкес-Мюриэль Дж., Тьое Э., Шнайдман-Духовни Д. и др. (январь 2012 г.). «Собираем части вместе: программное обеспечение платформы интегративного моделирования для определения структуры макромолекулярных сборок». PLOS Biology . 10 (1): e1001244. doi : 10.1371/journal.pbio.1001244 . PMC  3260315 . PMID  22272186.
  • Barhoum S, Palit S, Yethiraj A (май 2016 г.). «Исследования диффузионного ЯМР образования макромолекулярных комплексов, скученности и ограничения в мягких материалах». Прогресс в области ядерно-магнитной резонансной спектроскопии . 94–95: 1–10. Bibcode :2016PNMRS..94....1B. doi :10.1016/j.pnmrs.2016.01.004. PMID  27247282.

Другие источники

  • Нобелевские премии по химии (2012), Нобелевская премия по химии 2009, Венкатраман Рамакришнан, Томас А. Стейтц, Ада Э. Йонат, Нобелевская премия по химии 2009, дата обращения 13 июня 2011 г.
  • Нобелевские премии по химии (2012), Нобелевская премия по химии 1982 года, Аарон Клуг, Нобелевская премия по химии 1982 года, дата обращения 13 июня 2011 года.
  • Beck Group (2019), Структура и функция больших макромолекулярных ансамблей (домашняя страница Beck group), Beck Group - Структура и функция больших молекулярных ансамблей - EMBL, дата обращения 13 июня 2011 г.
  • DMA Group (2019), Динамика сборки макромолекул (домашняя страница DMA Group), Раздел «Динамика сборки макромолекул» | Национальный институт биомедицинской визуализации и биоинженерии, дата обращения 13 июня 2011 г.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Макромолекулярная_сборка&oldid=1255183637"