Биомолекулярная структура - Biomolecular structure

Первичная структура белкаВторичная структура белкаТретичная структура белкаЧетвертичная структура белка
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивная диаграмма из структура белка, с помощью PCNA В качестве примера. (PDB: 1AXC​)
Первичная структура нуклеиновой кислотыВторичная структура нуклеиновой кислотыТретичная структура нуклеиновой кислотыЧетвертичная структура нуклеиновой кислоты
Изображение выше содержит интерактивные ссылки
Интерактивное изображение из структура нуклеиновой кислоты (первичный, вторичный, третичный и четвертичный) с использованием Спирали ДНК и примеры из VS рибозим и теломераза и нуклеосома. (PDB: ADNA, 1BNA, 4OCB, 4R4V, 1YMO, 1EQZ​)

Биомолекулярная структура сложная трехмерная форма, образованная молекула из белок, ДНК, или же РНК, и это важно для его функции. Строение этих молекул можно рассматривать на любом из нескольких масштабов длины, начиная с уровня индивидуального атомы к отношениям между целым белковые субъединицы. 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 домены из структура белка и структура нуклеиновой кислоты, включая такие особенности вторичной структуры, как альфа-спирали и бета-листы для белков и петли для шпилек, выступы и внутренние петли для нуклеиновых кислот. начальный, вторичный, высшее, и четвертичная структура были представлены Кай Ульрик Линдерстрём-Ланг в своих медицинских лекциях 1951 г. Стэндфордский Университет.

Первичная структура

Дальнейшая информация: Первичная структура белка и Первичная структура нуклеиновой кислоты

В первичная структура из биополимер является точной спецификацией его атомного состава и химических связей, соединяющих эти атомы (включая стереохимия ). Для типичного неразветвленного, несшитого биополимер (например, молекула типичного внутриклеточного белок, или из ДНК или же РНК ) первичная структура эквивалентна заданию последовательности ее мономерный субъединицы, такие как аминокислоты или же нуклеотиды.

Первичную структуру иногда ошибочно называют первичная последовательность, но нет такого термина, как и нет параллельного понятия вторичной или третичной последовательности. Обычно о первичной структуре белка сообщают, начиная с аминоконца (N) до карбоксильного конца (C), тогда 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 последовательность мотивов которые имеют функциональное значение. Некоторые примеры таких мотивов: C / D[1]и коробки H / ACA[2]из snoRNAs, LSm сайт связывания, обнаруженный в сплайсосомных РНК, таких как U1, U2, U4, U5, U6, U12 и U3, то Последовательность Шайна-Далгарно,[3]то Консенсусная последовательность Козака[4]и Терминатор РНК-полимеразы III.[5]

Вторичная структура

Дальнейшая информация: Вторичная структура белка и Вторичная структура нуклеиновой кислоты
Вторичная (вставка) и третичная структура тРНК, демонстрирующая коаксиальный стэкинг PDB: 6TNA 6TNA​)

В вторичная структура представляет собой структуру водородных связей в биополимере. Они определяют общую трехмерную форму местные сегменты биополимеров, но не описывает глобальную структуру конкретных атомных позиций в трехмерном пространстве, которые считаются третичная структура. Вторичная структура формально определяется водородными связями биополимера, как это наблюдается в структуре с атомным разрешением. В белках вторичная структура определяется паттерном водородных связей между амином основной цепи и карбоксильными группами (водородные связи боковая цепь-основная цепь и боковая цепь-боковая цепь не имеют значения), где DSSP используется 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 иметь основу двугранные углы в некоторых регионах Рамачандран сюжет; таким образом, отрезок вычетов с такими двугранными углами часто называют спираль, независимо от того, имеет ли он правильные водородные связи. Было предложено много других менее формальных определений, часто использующих концепции из дифференциальная геометрия кривых, таких как кривизна и кручение. Структурные биологи, решая новую структуру с атомным разрешением, иногда назначают ее вторичную структуру. на глаз и записать свои назначения в соответствующие Банк данных белков (PDB) файл.

Вторичная структура молекулы нуклеиновой кислоты относится к базовая пара взаимодействия 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 дополнительно классифицированы, например тетрапетля, псевдоузлы и стержневые петли. Есть много элементов вторичной структуры, имеющих функциональное значение для биологической РНК. Известные примеры включают Ро-независимый терминатор стержневые петли и переносить РНК (тРНК) клеверный лист. Существует небольшая группа исследователей, пытающихся определить вторичную структуру молекул РНК. Подходы включают оба экспериментальный и вычислительный методы (см. также Список программ для предсказания структуры РНК ).

Третичная структура

Дальнейшая информация: Третичная структура белка и Третичная структура нуклеиновой кислоты

В третичная структура из белок или любой другой макромолекула это его трехмерная структура, как определено атомными координатами.[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 в качестве молекулярных строительных блоков. Считается, что третичная структура во многом определяется биомолекулой. первичная структура (его последовательность аминокислоты или же нуклеотиды ).

Четвертичная структура

Дальнейшая информация: Четвертичная структура белка и Четвертичная структура нуклеиновой кислоты

В четвертичная структура относится к числу и расположению множества белковых молекул в многосубъединичном комплексе. Для нуклеиновых кислот этот термин встречается реже, но может относиться к более высокоуровневой организации ДНК в хроматин,[7] включая его взаимодействие с гистоны, или к взаимодействиям между отдельными единицами РНК в рибосома[8][9] или же сплайсосома.

Определение структуры

Дальнейшая информация: Белковая структура 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 можно использовать для определения 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 выполняться множеством различных методов, включая химическое зондирование, зондирование гидроксильных радикалов, картирование интерференции нуклеотидных аналогов (NAIM) и поточное зондирование.[10]

Протеин и нуклеиновая кислота структуры могут быть определены с помощью спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР ) или же Рентгеновская кристаллография или криоэлектронная микроскопия одиночных частиц (криоЭМ ). Первые опубликованные отчеты за ДНК (к Розалинд Франклин и Раймонд Гослинг в 1953 г.) А-ДНК Рентгенограммы - а также B-ДНК - использовали анализы, основанные на Функция Паттерсона трансформации, которые предоставили лишь ограниченное количество структурной информации для ориентированных волокон ДНК, выделенных из теленка вилочковая железа.[12][13] Альтернативный анализ был предложен Wilkins et al. в 1953 году для исследования дифракции рентгеновских лучей B-ДНК и структур рассеяния гидратированных бактериально-ориентированных волокон ДНК и головок спермы форели в квадратах Функции 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 большом количестве живых клеток.[16] Соответствующие им картины дифракции рентгеновских лучей и рассеяния характерны для молекулярных паракристаллы со значительной степенью нарушения (более 20%),[17][18] и структура не поддается обработке, используя только стандартный анализ.

Напротив, стандартный анализ, включающий только Преобразования Фурье из Функции Бесселя[19] и ДНК молекулярные модели, до сих пор обычно используется для анализа дифрактограмм A-ДНК и Z-ДНК.[20]

Прогнозирование структуры

Saccharomyces cerevisiae Пространство структур тРНК-Phe: энергии и структуры были рассчитаны с использованием RNAsubopt, а структурные расстояния рассчитаны с использованием RNAdistance.
Дальнейшая информация: Прогноз структуры белка и Прогнозирование структуры нуклеиновой кислоты

Прогнозирование биомолекулярной структуры - это предсказание трехмерной структуры белок из его аминокислота последовательность, или нуклеиновая кислота из его азотистое основание (базовая) последовательность. Другими словами, это предсказание вторичной и третичной структуры по ее первичной структуре. Прогнозирование структуры - это противоположность биомолекулярного дизайна, как в рациональный дизайн, белковый дизайн, дизайн нуклеиновой кислоты, и биомолекулярная инженерия.

Прогнозирование структуры белка - одна из важнейших целей, преследуемых биоинформатика и теоретическая химия. Прогнозирование структуры белка имеет большое значение в лекарство (например, в дизайн лекарства ) и биотехнология (например, в оформлении романа ферменты ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в Критическая оценка предсказания структуры белка (CASP ) эксперимент.

Также было проведено значительное количество биоинформатика исследования, направленные 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 вторичная структура или внутримолекулярные взаимодействия молекулы за спаривание оснований. Об этом свидетельствует высокая сохранность пары оснований через различные виды.

Вторичная структура малых молекул нуклеиновых кислот в значительной степени определяется сильными локальными взаимодействиями, такими как водородные связи и базовая укладка. Суммируя свободную энергию для таких взаимодействий, обычно используя метод ближайшего соседа, обеспечивает приближение устойчивости данной структуры.[21] Самый простой способ найти структуру с наименьшей свободной энергией - это сгенерировать 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 нескольких гомологичный Последовательности РНК со связанными, но непохожими последовательностями. Эти методы анализируют ковариацию отдельных базовых сайтов в эволюция; поддержание на двух широко разделенных сайтах пары оснований нуклеотиды указывает на наличие структурно необходимой водородной связи между этими положениями. Было показано, что общая проблема предсказания псевдоузлов НП-полный.[23]

Дизайн

Дальнейшая информация: Белковый дизайн и Дизайн нуклеиновой кислоты

Биомолекулярный дизайн можно рассматривать как противоположность предсказанию 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

Дальнейшая информация: Липидный бислой

Другие биомолекулы, такие как полисахариды, полифенолы и липиды, также может иметь структуру биологического следствия более высокого порядка.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Самарский Д.А., Фурнье MJ, Зингер Р.Х., Бертран Э. (июль 1998 г.). «Мотив C / D snoRNA box направляет ядрышковое нацеливание, а также связывает синтез и локализацию snoRNA». Журнал EMBO. 17 (13): 3747–57. Дои:10.1093 / emboj / 17.13.3747. ЧВК  1170710. PMID  9649444.
  2. ^ Ганот П., Кайзерг-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. Дои:10.1101 / gad.11.7.941. PMID  9106664.
  3. ^ Шайн Дж., Далгарно Л. (март 1975 г.). «Детерминант специфичности цистронов в бактериальных рибосомах». Природа. 254 (5495): 34–38. Bibcode:1975Натура.254 ... 34С. Дои:10.1038 / 254034a0. PMID  803646.
  4. ^ Козак М. (октябрь 1987 г.). «Анализ 5'-некодирующих последовательностей из 699 матричных РНК позвоночных». Исследования нуклеиновых кислот. 15 (20): 8125–48. Дои:10.1093 / нар / 15.20.8125. ЧВК  306349. PMID  3313277.
  5. ^ Богенхаген Д.Ф., Браун Д.Д. (апрель 1981 г.). «Нуклеотидные последовательности в ДНК Xenopus 5S, необходимые для терминации транскрипции». Клетка. 24 (1): 261–70. Дои:10.1016/0092-8674(81)90522-5. PMID  6263489.
  6. ^ ИЮПАК, Сборник химической терминологии, 2-е изд. («Золотая книга») (1997). Исправленная онлайн-версия: (2006–) "третичная структура ". Дои:10.1351 / goldbook.T06282
  7. ^ Сипски М.Л., Вагнер Т.Э. (март 1977 г.). "Исследование четвертичного порядка ДНК с помощью спектроскопии кругового дихроизма: исследования хромосомных волокон спермы лошадей". Биополимеры. 16 (3): 573–82. Дои:10.1002 / bip.1977.360160308. PMID  843604.
  8. ^ Ноллер HF (1984). «Структура рибосомальной РНК». Ежегодный обзор биохимии. 53: 119–62. Дои:10.1146 / annurev.bi.53.070184.001003. PMID  6206780.
  9. ^ 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. Дои:10.1073 / pnas.081082398. ЧВК  33135. PMID  11296253.
  10. ^ а б Теуниссен, А. В. М. (1979). Исследование структуры РНК: анализ биохимической структуры молекул аутоиммунной РНК. С. 1–27. ISBN  978-90-901323-4-1.
  11. ^ Pace NR, Thomas BC, Woese 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. ^ Франклин RE, Гослинг Р.Г. (6 марта 1953 г.). «Структура тимонуклеатных волокон натрия (I. Влияние содержания воды и II. Цилиндрически симметричная функция Паттерсона)» (PDF). Acta Crystallogr. 6 (8): 673–78. Дои:10.1107 / s0365110x53001939.
  13. ^ Франклин Р. Э., Гослинг Р. Г. (апрель 1953 г.). «Молекулярная конфигурация в тимонуклеате натрия». Природа. 171 (4356): 740–41. Bibcode:1953 г., природа, 171..740F. Дои:10.1038 / 171740a0. PMID  13054694.
  14. ^ Уилкинс М.Х., Стокс А.Р., Уилсон Х.Р. (апрель 1953 г.). «Молекулярная структура дезоксипентозных нуклеиновых кислот». Природа. 171 (4356): 738–40. Bibcode:1953 г., природа. 171..738 Вт. Дои:10.1038 / 171738a0. PMID  13054693.
  15. ^ Лесли А.Г., Арнотт С., Чандрасекаран Р., Рэтлифф Р.Л. (октябрь 1980 г.). «Полиморфизм двойных спиралей ДНК». Журнал молекулярной биологии. 143 (1): 49–72. Дои:10.1016/0022-2836(80)90124-2. PMID  7441761.
  16. ^ Баяну, И. С. (1980). «Структурный порядок и частичный беспорядок в биологических системах». Бык. Математика. Биол. 42 (1): 137–41. Дои:10.1007 / BF02462372.
  17. ^ Хосеманн Р., Багчи Р.Н. (1962). Прямой анализ дифракции на веществе. Амстердам / Нью-Йорк: Северная Голландия.
  18. ^ Баяну IC (1978). «Рассеяние рентгеновских лучей частично неупорядоченными мембранными системами». Acta Crystallogr. А. 34 (5): 751–53. Bibcode:1978AcCrA..34..751B. Дои:10.1107 / s0567739478001540.
  19. ^ «Функции Бесселя и дифракция на спиральных структурах». planetphysics.org.[постоянная мертвая ссылка ]
  20. ^ "Рентгеновские дифрактограммы кристаллов двухспиральной дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)". planetphysics.org. Архивировано из оригинал 24 июля 2009 г.
  21. ^ а б Мэтьюз Д.Х. (июнь 2006 г.). «Революции в предсказании вторичной структуры РНК». Журнал молекулярной биологии. 359 (3): 526–32. Дои:10.1016 / j.jmb.2006.01.067. PMID  16500677.
  22. ^ Цукер М., Санкофф Д. (1984). «Вторичные структуры РНК и их предсказание». Бык. Математика. Биол. 46 (4): 591–621. Дои:10.1007 / BF02459506.
  23. ^ Lyngsø RB, Pedersen CN (2000). «Предсказание псевдоузла РНК в энергетических моделях». Журнал вычислительной биологии. 7 (3–4): 409–27. CiteSeerX  10.1.1.34.4044. Дои:10.1089/106652700750050862. PMID  11108471.