stringtranslate.com

Молекулярное распознавание

Кристаллическая структура короткого пептида L-Lys-D-Ala-D-Ala (предшественника бактериальной клеточной стенки), связанного с антибиотиком ванкомицином посредством водородных связей [1]
Кристаллическая структура двух изофталевых кислот, связанных с молекулой-хозяином посредством водородных связей [2]
Статическое распознавание между одним гостем и одним сайтом связывания хозяина. При динамическом распознавании связывания первый гость в первом сайте связывания вызывает изменение конформации, которое влияет на константу ассоциации второго гостя во втором сайте связывания. В этом случае это положительная аллостерическая система.

Термин «молекулярное распознавание» относится к специфическому взаимодействию между двумя или более молекулами посредством нековалентных связей , таких как водородные связи , координация металлов , гидрофобные силы , [3] [4] силы Ван-дер-Ваальса , π-π взаимодействия , галогенные связи или резонансные взаимодействия [5] . В дополнение к этим прямым взаимодействиям растворители могут играть доминирующую косвенную роль в управлении молекулярным распознаванием в растворе. [6] [7] Хозяин и гость , участвующие в молекулярном распознавании, демонстрируют молекулярную комплементарность . Исключениями являются молекулярные контейнеры, [8] [9] включая, например, нанотрубки , в которых порталы по существу контролируют селективность. [10] [11] [12] [13] Избирательное разделение молекул между двумя или более фазами также может приводить к молекулярному распознаванию. [14] При молекулярном распознавании на основе разделения кинетика и условия равновесия регулируются присутствием растворенных веществ в двух фазах. [15]

Биологические системы

Рибосома — это биологическая машина , которая использует динамику белков в наномасштабах для перевода РНК в белки.

Молекулярное распознавание играет важную роль в биологических системах и наблюдается между рецептором-лигандом, [16] [17] антигеном - антителом , ДНК - белком , сахаром - лектином , РНК - рибосомой и т. д. Важным примером молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин , который избирательно связывается с пептидами с терминальным D-аланил-D-аланином в бактериальных клетках посредством пяти водородных связей. Ванкомицин смертелен для бактерий, поскольку после связывания с этими конкретными пептидами они не могут быть использованы для построения клеточной стенки бактерий . [ необходима цитата ]

Синтетическое молекулярное распознавание

Недавние исследования показывают, что молекулярные элементы распознавания могут быть получены синтетически в наномасштабе, [18] обходя необходимость в естественных молекулярных элементах распознавания для разработки сенсорных инструментов для малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как молекулярные импринтированные полимеры [19] и пептоиды, могут быть использованы для распознавания более крупных биологических целей, таких как белки [20] , а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами может генерировать синтетические макромолекулярные структуры, которые служат синтетическими антителами для оптического распознавания и обнаружения белков. [21] [22]

Супрамолекулярные системы

Химики продемонстрировали, что можно сконструировать множество искусственных супрамолекулярных систем, которые демонстрируют молекулярное распознавание. [23] Одним из самых ранних примеров такой системы являются краун-эфиры , которые способны избирательно связывать определенные катионы. Однако с тех пор было создано несколько искусственных систем.

Статика против динамики

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 расширенного статического молекулярного распознавания необходимо создать сайты распознавания, специфичные для молекул-гостей.

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. [24] 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 повысить способность различать несколько конкурирующих целей с помощью механизма конформационной корректуры . Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокофункциональных химических сенсорах и молекулярных устройствах [25]

Сложность

Недавнее исследование, основанное на молекулярном моделировании и константах соответствия, описывает молекулярное распознавание как явление организации. Даже для небольших молекул, таких как углеводы, процесс распознавания не может быть предсказан или разработан, даже если предположить, что прочность каждой отдельной водородной связи точно известна. [26] Однако, как заключили Мобли и др. [27] , точное предсказание событий молекулярного распознавания должно выходить за рамки статического снимка одного кадра между гостем и хозяином. Энтропии являются ключевыми факторами термодинамики связывания и должны учитываться для более точного предсказания процесса распознавания. [28] Энтропии редко наблюдаются в структурах с одинарной связью (статический снимок). В белках высокоспецифичное распознавание может быть достигнуто путем эволюционной тонкой настройки химических взаимодействий, конформационных изменений и вкладов энтропии. [29]

Внутригенная комплементарность

Йеле [30] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда благоприятствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом множественные копии полипептида, кодируемого геном, часто подвергаются молекулярному распознаванию друг с другом, образуя упорядоченную мультиполипептидную белковую структуру. Когда такой белок образуется из полипептидов, продуцируемых двумя различными мутантными аллелями определенного гена, белок, состоящий из смеси полипептидов, может проявлять большую функциональную активность, чем мультиполипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементарностью .

Внутригенная комплементарность (также называемая межаллельной комплементарностью) была продемонстрирована во многих различных генах у различных организмов. [31] Крик и Орджел [32] проанализировали результаты таких исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементарность, в общем, возникает из-за взаимодействия по-разному дефектных полипептидных мономеров, когда они образуют упорядоченный агрегат, который они назвали «мультимером».

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Knox JR, Pratt RF (июль 1990 г.). «Различные способы связывания ванкомицина и D-аланил-D-аланиновой пептидазы с пептидом клеточной стенки и возможная роль белка устойчивости к ванкомицину» (бесплатный полный текст) . Antimicrobial Agents and Chemotherapy . 34 (7): 1342–1347. doi : 10.1128 /AAC.34.7.1342. PMC  175978. PMID  2386365.
  2. ^ Белявски С , Чэнь И, Чжан П, Прест П, Мур Дж. С. (1998). «Модульный подход к построению многосайтовых рецепторов для изофталевой кислоты». Chemical Communications (12): 1313–4. doi :10.1039/a707262g.
  3. ^ Lockett MR, Lange H, Breiten B, Heroux A, Sherman W, Rappoport D и др. (июль 2013 г.). «Связывание лигандов бензоарилсульфонамида с человеческой карбоангидразой нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Angewandte Chemie . 52 (30): 7714–7717. doi :10.1002/anie.201301813. PMID  23788494. S2CID  1543705.
  4. ^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (октябрь 2013 г.). «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. 
  5. ^ Cosic I (декабрь 1994 г.). «Макромолекулярная биоактивность: является ли она резонансным взаимодействием между макромолекулами? — Теория и приложения». Труды IEEE по биомедицинской инженерии . 41 (12): 1101–1114. doi :10.1109/10.335859. PMID  7851912. S2CID  23892544.
  6. ^ Baron R, Setny P, McCammon JA (сентябрь 2010 г.). «Вода в распознавании лигандов в полости». Журнал Американского химического общества . 132 (34): 12091–12097. doi :10.1021/ja1050082. PMC 2933114. PMID  20695475 . 
  7. ^ Baron R, McCammon JA (2013). «Молекулярное распознавание и ассоциация лигандов». Annual Review of Physical Chemistry . 64 : 151–175. Bibcode : 2013ARPC...64..151B. doi : 10.1146/annurev-physchem-040412-110047. PMID  23473376.
  8. ^ Cram DJ, Cram JM (1997). Молекулы-контейнеры и их гости . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85186-972-8.
  9. ^ Brotin T, Dutasta JP (январь 2009). «Криптофаны и их комплексы — настоящее и будущее». Chemical Reviews . 109 (1): 88–130. doi :10.1021/cr0680437. PMID  19086781.
  10. ^ Лен Дж. М. (1995). Супрамолекулярная химия . Вайнхайм : Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-29312-4. OCLC  315928178.[ нужна страница ]
  11. ^ Gellman SH (август 1997). «Введение: молекулярное распознавание». Chemical Reviews . 97 (5): 1231–1232. doi :10.1021/cr970328j. PMID  11851448.
  12. ^ Чаттерджи Д. (2016). Основы молекулярного распознавания . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4822-1968-5.
  13. ^ Rotello V, Thayumanavan S, ред. (2008). Молекулярное распознавание и полимеры: контроль структуры полимеров и самосборка . Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 978-0-470-27738-6.
  14. ^ Bell TN, Feng K, Calvin G, Van Winkle DH, Lenhert S (октябрь 2020 г.). «Органические композиты как супрамолекулярные аптамеры». ACS Omega . 5 (42): 27393–27400. doi : 10.1021/acsomega.0c03799 . PMC 7594120. PMID  33134702 . 
  15. ^ Zhou H, Shiel E, Bell T, Lin S, Lenhert S (ноябрь 2023 г.). «Кинетический механизм молекулярного распознавания на основе поверхностно-активных веществ: селективная проницаемость через границу раздела нефть–вода, регулируемая супрамолекулярными агрегатами». Журнал физической химии B. 127 ( 47): 10201–10214. doi :10.1021/acs.jpcb.3c05017. PMID  37972386.
  16. ^ Lockett MR, Lange H, Breiten B, Heroux A, Sherman W, Rappoport D и др. (июль 2013 г.). «Связывание лигандов бензоарилсульфонамида с человеческой карбоангидразой нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Angewandte Chemie . 52 (30): 7714–7717. doi :10.1002/anie.201301813. PMID  23788494. S2CID  1543705.
  17. ^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (октябрь 2013 г.). «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. 
  18. ^ Zhang J, Landry MP, Barone PW, Kim JH, Lin S, Ulissi ZW и др. (декабрь 2013 г.). «Молекулярное распознавание с использованием комплексов коронной фазы из синтетических полимеров, адсорбированных на углеродных нанотрубках». Nature Nanotechnology . 8 (12): 959–968. Bibcode :2013NatNa...8..959Z. doi :10.1038/nnano.2013.236. PMC 5051352 . PMID  24270641. 
  19. ^ Салливан МВ, Деннисон СР, Архонтис Г, Редди СМ, ​​Хейс ДжМ (июль 2019 г.). «К рациональному дизайну селективных молекулярно импринтированных полимеров (MIP) для белков: вычислительные и экспериментальные исследования полимеров на основе акриламида для миоглобина» (PDF) . Журнал физической химии B. 123 ( 26): 5432–5443. doi :10.1021/acs.jpcb.9b03091. PMID  31150581. S2CID  172137800.
  20. ^ Mannige RV, Haxton TK, Proulx C, Robertson EJ, Battigelli A, Butterfoss GL и др. (октябрь 2015 г.). «Peptoid nanosheets reveal a new secondary-structure motif». Nature . 526 (7573): 415–420. Bibcode :2015Natur.526..415M. doi :10.1038/nature15363. PMID  26444241. S2CID  205245623.
  21. ^ Sullivan MV, Stockburn WJ, Hawes PC, Mercer T, Reddy SM (февраль 2021 г.). «Зеленый синтез как простой и быстрый путь к модифицированным белком магнитным наночастицам для использования в разработке флуориметрического молекулярно-импринтированного полимерного анализа для обнаружения миоглобина». Nanotechnology . 32 (9): 095502. Bibcode :2021Nanot..32i5502S. doi :10.1088/1361-6528/abce2d. PMC 8314874 . PMID  33242844. 
  22. ^ Бейен АГ, Демирер ГС, Ландри МП (2009-01-01). Платформы молекулярного распознавания на основе наночастиц для обнаружения биологических аналитов. Том 8. John Wiley & Sons, Inc. стр. 197–223. doi :10.1002/cpch.10. ISBN 9780470559277. PMC  10539024 . PMID  27622569. S2CID  5249925. {{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )
  23. ^ Biedermann F, Schneider HJ (май 2016). «Экспериментальные энергии связывания в супрамолекулярных комплексах». Chemical Reviews . 116 (9): 5216–5300. doi :10.1021/acs.chemrev.5b00583. PMID  27136957.
  24. ^ Shinkai S, Ikeda M, Sugasaki A, Takeuchi M (июнь 2001 г.). «Положительные аллостерические системы, разработанные на динамических супрамолекулярных каркасах: к переключению и усилению гостевого сродства и селективности». Accounts of Chemical Research . 34 (6): 494–503. doi :10.1021/ar000177y. PMID  11412086.
  25. ^ McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (ноябрь 2022 г.). «Общая теория специфического связывания: выводы из генетико-механо-химической модели белка». Молекулярная биология и эволюция . 39 (11). doi :10.1093/molbev/msac217. PMC 9641994. PMID  36208205 . 
  26. ^ Grunenberg J (июнь 2011 г.). «Сложность молекулярного распознавания». Physical Chemistry Chemical Physics . 13 (21): 10136–10146. Bibcode : 2011PCCP...1310136G. doi : 10.1039/C1CP20097F. PMID  21503359.
  27. ^ Mobley DL, Dill KA (апрель 2009 г.). «Связывание лигандов малых молекул с белками: «то, что вы видите», не всегда «то, что вы получаете»». Структура . 17 (4): 489–498. doi :10.1016/j.str.2009.02.010. PMC 2756098. PMID  19368882 . 
  28. ^ Schmidtchen FP (октябрь 2010 г.). «Размещение анионов. Энергетическая перспектива». Chemical Society Reviews . 39 (10): 3916–3935. doi :10.1039/C0CS00038H. PMID  20820595.
  29. ^ McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (ноябрь 2022 г.). Echave J (ред.). «Общая теория специфического связывания: выводы из генетико-механо-химической модели белка». Молекулярная биология и эволюция . 39 (11): msac217. doi :10.1093/molbev/msac217. PMC 9641994. PMID  36208205 . 
  30. ^ Jehle H (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–24. Bibcode :1963PNAS...50..516J. doi : 10.1073/pnas.50.3.516 . PMC 221211 . PMID  16578546. 
  31. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH (июнь 1965). «Внутригенная комплементарность среди температурно-чувствительных мутантов бактериофага T4D». Genetics . 51 (6): 987–1002. doi :10.1093/genetics/51.6.987. PMC 1210828 . PMID  14337770. 
  32. ^ Crick FH, Orgel LE (январь 1964). «Теория межаллельной комплементарности». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–5. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID  14149958.

Внешние ссылки