Термин «молекулярное распознавание» относится к специфическому взаимодействию между двумя или более молекулами посредством нековалентной связи, такой как водородная связь , координация металлов , гидрофобные силы , [3] [4] силы Ван-дер-Ваальса , π-π-взаимодействия , галогенная связь 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 . Исключением являются молекулярные контейнеры, [8] [9] включая, например, нанотрубки , в которых порталы существенно контролируют селективность. [10] [11] [12] [13]
Биологические системы
Молекулярное узнавание играет важную роль в биологических системах и наблюдается между рецептором-лигандом, [14] [15] антигеном - антителом , ДНК - белком , сахаром - лектином , РНК - рибосомой и т. д. Важным примером молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин , который избирательно связывается с пептидами с концевым D-аланил-D-аланином в бактериальных клетках посредством пяти водородных связей. Ванкомицин смертелен для бактерий, поскольку, связавшись с этими конкретными пептидами, они не могут быть использованы для построения клеточной стенки бактерий . [ нужна цитата ]
Синтетическое молекулярное распознавание
Недавние работы показывают, что элементы молекулярного распознавания могут быть синтетически произведены в наномасштабе, [16] обходя потребность в встречающихся в природе элементах молекулярного распознавания для разработки сенсорных инструментов для малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как полимеры с молекулярным отпечатком [17] и пептоиды, могут использоваться для распознавания более крупных биологических мишеней, таких как белки [18] , а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами может генерировать синтетические макромолекулярные структуры, которые служат синтетическими антителами для оптических белков. распознавание и обнаружение. [19] [20]
Супрамолекулярные системы
Химики продемонстрировали, что можно создать множество искусственных супрамолекулярных систем, обладающих молекулярным распознаванием. [21] Одним из самых ранних примеров такой системы являются краун-эфиры , которые способны избирательно связывать определенные катионы. Однако с тех пор был создан ряд искусственных систем.
Статический и динамический
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 хозяина и молекулой гостя с образованием комплекса хозяин-гость . Чтобы добиться расширенного статического молекулярного распознавания, необходимо создать 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. что приводит к кооперативности связывания. [22] В случае положительных аллостерических систем связывание первого гостя увеличивает константу ассоциации второго гостя. В то время как для отрицательных аллостерических систем связывание первого гостя уменьшает константу ассоциации со вторым. Динамическая природа этого типа молекулярного распознавания особенно важна, поскольку она обеспечивает механизм регулирования связывания в биологических системах. Динамическое молекулярное распознавание может улучшить способность различать несколько конкурирующих целей с помощью механизма конформационной корректуры . Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокофункциональных химических сенсорах и молекулярных устройствах [23].
Сложность
Недавнее исследование, основанное на молекулярном моделировании и константах соответствия, описывает молекулярное распознавание как феномен 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. [24] Однако, как отмечают Mobley et al. [25] пришли к выводу, что точное предсказание событий молекулярного распознавания должно выходить за рамки статического снимка одного кадра между гостем и хозяином. Энтропия является ключевым фактором, влияющим на связывающую термодинамику, и ее необходимо учитывать, чтобы более точно предсказать процесс распознавания. [26] Энтропии редко наблюдаются в односвязных структурах (статический снимок). В белках высокоспецифичное распознавание может быть достигнуто за счет эволюционной тонкой настройки химических взаимодействий, конформационных изменений и вклада энтропии. [27]
Внутригенная комплементация
Йеле [28] указывал, что при погружении в жидкость и смешении с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют объединению одинаковых молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом многочисленные копии полипептида, кодируемого геном, часто подвергаются молекулярному распознаванию друг с другом с образованием упорядоченной мультиполипептидной 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 мультиполипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией .
Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах у самых разных организмов. [29] Крик и Оргель [30] проанализировали результаты таких исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементация в целом возникает в результате взаимодействия разнодефектных полипептидных мономеров, когда они образуют упорядоченный агрегат, который они назвали «мультимером».
^ Нокс-младший, 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» (бесплатный полный текст) . Антимикробные средства и химиотерапия . 34 (7): 1342–1347. дои : 10.1128/AAC.34.7.1342. ПМК 175978 . ПМИД 2386365.
^ Белявски С. , Чен Ю., Чжан П., Перст П., Мур Дж.С. (1998). «Модульный подход к созданию многосайтовых рецепторов изофталевой кислоты». Химические коммуникации (12): 1313–4. дои : 10.1039/a707262g.
^ Локетт М.Р., Ланге Х., Брейтен Б., Геро А., Шерман В., Раппопорт Д. и др. (Июль 2013). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Ангеванде Хеми . 52 (30): 7714–7717. дои : 10.1002/anie.201301813. PMID 23788494. S2CID 1543705.
^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (Октябрь 2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии при связывании белка с лигандом». Журнал Американского химического общества . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . дои : 10.1021/ja4075776. PMID 24044696. S2CID 17554787.
^ Чосич I (декабрь 1994 г.). «Макромолекулярная биоактивность: это резонансное взаимодействие между макромолекулами? - Теория и приложения». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 41 (12): 1101–1114. дои : 10.1109/10.335859. PMID 7851912. S2CID 23892544.
^ Барон Р., Сетни П., Маккаммон Дж.А. (сентябрь 2010 г.). «Вода в полости-распознавание лигандов». Журнал Американского химического общества . 132 (34): 12091–12097. дои : 10.1021/ja1050082. ПМЦ 2933114 . ПМИД 20695475.
^ Барон Р., Маккаммон Дж.А. (2013). «Молекулярное распознавание и ассоциация лигандов». Ежегодный обзор физической химии . 64 : 151–175. Бибкод : 2013ARPC...64..151B. doi : 10.1146/annurev-physchem-040412-110047. ПМИД 23473376.
^ Cram DJ, Cram JM (1997). Молекулы-контейнеры и их гости . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN978-0-85186-972-8.
^ Бротин Т., Дутаста JP (январь 2009 г.). «Криптофаны и их комплексы - настоящее и будущее». Химические обзоры . 109 (1): 88–130. дои : 10.1021/cr0680437. ПМИД 19086781.
^ Чаттерджи Д. (2016). Основы молекулярного распознавания . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN978-1-4822-1968-5.
^ Ротелло В., Таюманаван С., ред. (2008). Молекулярное распознавание и полимеры: контроль структуры полимера и самосборка . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN978-0-470-27738-6.
^ Локетт М.Р., Ланге Х., Брейтен Б., Геро А., Шерман В., Раппопорт Д. и др. (Июль 2013). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Ангеванде Хеми . 52 (30): 7714–7717. дои : 10.1002/anie.201301813. PMID 23788494. S2CID 1543705.
^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (Октябрь 2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии при связывании белка с лигандом». Журнал Американского химического общества . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . дои : 10.1021/ja4075776. PMID 24044696. S2CID 17554787.
^ Чжан Дж., Лэндри, член парламента, Барон П.В., Ким Дж.Х., Лин С., Улисси З.В. и др. (Декабрь 2013). «Молекулярное распознавание с использованием комплексов коронной фазы из синтетических полимеров, адсорбированных на углеродных нанотрубках». Природные нанотехнологии . 8 (12): 959–968. Бибкод : 2013NatNa...8..959Z. дои : 10.1038/nnano.2013.236. ПМК 5051352 . ПМИД 24270641.
^ Салливан М.В., Деннисон С.Р., Архонтис Дж., Редди С.М., Хейс Дж.М. (июль 2019 г.). «На пути к рациональному дизайну селективных молекулярно-импринтированных полимеров (MIP) для белков: вычислительные и экспериментальные исследования полимеров на основе акриламида для миоглобина» (PDF) . Журнал физической химии Б. 123 (26): 5432–5443. doi : 10.1021/acs.jpcb.9b03091. PMID 31150581. S2CID 172137800.
^ Маннидж Р.В., Хэкстон Т.К., Пру С., Робертсон Э.Дж., Баттиджелли А., Баттерфосс Г.Л. и др. (октябрь 2015 г.). «Пептоидные нанолисты демонстрируют новый мотив вторичной структуры». Природа . 526 (7573): 415–420. Бибкод : 2015Natur.526..415M. дои : 10.1038/nature15363. PMID 26444241. S2CID 205245623.
^ Салливан М.В., Стокберн У.Дж., Хоуз ПК, Мерсер Т., Редди С.М. (февраль 2021 г.). «Зеленый синтез как простой и быстрый путь к получению магнитных наночастиц, модифицированных белком, для использования при разработке флуорометрического анализа на основе полимера с молекулярным импринтингом для обнаружения миоглобина». Нанотехнологии . 32 (9): 095502. Бибкод : 2021Nanot..32i5502S. дои : 10.1088/1361-6528/abce2d. ПМЦ 8314874 . ПМИД 33242844.
^ Бейене АГ, Демирер Г.С., член парламента Лэндри (1 января 2009 г.). Платформы молекулярного распознавания на основе наночастиц для обнаружения биологических аналитов. Том. 8. John Wiley & Sons, Inc., стр. 197–223. дои :10.1002/cpch.10. ISBN9780470559277. ПМЦ 10539024 . PMID 27622569. S2CID 5249925. {{cite book}}: |journal=игнорируется ( помощь )
^ Бидерманн Ф, Шнайдер HJ (май 2016 г.). «Экспериментальные энергии связи в супрамолекулярных комплексах». Химические обзоры . 116 (9): 5216–5300. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00583. ПМИД 27136957.
^ Синкай С., Икеда М., Сугасаки А., Такеучи М. (июнь 2001 г.). «Положительные аллостерические системы, созданные на динамических супрамолекулярных каркасах: к переключению и усилению сродства и селективности гостей». Отчеты о химических исследованиях . 34 (6): 494–503. дои : 10.1021/ar000177y. ПМИД 11412086.
^ Макбрайд Дж. М., Экманн Дж. П., Тлусти Т. (ноябрь 2022 г.). «Общая теория специфического связывания: данные генетико-механо-химической модели белка». Молекулярная биология и эволюция . 39 (11). doi : 10.1093/molbev/msac217. ПМК 9641994 . ПМИД 36208205.
^ Грюненберг Дж (июнь 2011 г.). «Сложность молекулярного распознавания». Физическая химия Химическая физика . 13 (21): 10136–10146. Бибкод : 2011PCCP...1310136G. дои : 10.1039/C1CP20097F. ПМИД 21503359.
^ Мобли Д.Л., Дилл К.А. (апрель 2009 г.). «Связывание низкомолекулярных лигандов с белками: «то, что вы видите», не всегда «то, что вы получаете»». Состав . 17 (4): 489–498. doi :10.1016/j.str.2009.02.010. ПМК 2756098 . ПМИД 19368882.
^ Макбрайд Дж. М., Экманн Дж. П., Тлусти Т. (ноябрь 2022 г.). Эчаве Дж. (ред.). «Общая теория специфического связывания: данные генетико-механо-химической модели белка». Молекулярная биология и эволюция . 39 (11): msac217. doi : 10.1093/molbev/msac217. ПМК 9641994 . ПМИД 36208205.
^ Джеле Х (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–24. Бибкод : 1963PNAS...50..516J. дои : 10.1073/pnas.50.3.516 . ПМК 221211 . ПМИД 16578546.