Молекулярная биофизика - Molecular biophysics

А рибосома это биологическая машина который использует динамика белка

Молекулярная биофизика это быстро развивающаяся междисциплинарная область исследований, объединяющая концепции в физика, химия, инженерное дело, математика и биология.[1] Он пытается понять биомолекулярный систем и объясняют биологическую функцию с точки зрения молекулярной структуры, структурной организации и динамического поведения на различных уровнях сложности (от отдельных молекул до супрамолекулярный конструкции, вирусы и малые живые системы). Эта дисциплина охватывает такие темы, как измерение молекулярных сил, молекулярных ассоциаций, аллостерические взаимодействия, Броуновское движение, и теория кабеля. [2] Дополнительные области обучения можно найти на Краткое содержание биофизики. Эта дисциплина потребовала разработки специализированного оборудования и процедур, способных отображать мельчайшие живые структуры и манипулировать ими, а также новых экспериментальных подходов.

Обзор

Молекулярная биофизика обычно решает биологические вопросы, аналогичные тем, биохимия и молекулярная биология, стремясь найти физические основы биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, направленные на понимание взаимодействий между различными системами клетки, в том числе взаимодействия между ДНК, РНК и биосинтез белка, а также как регулируются эти взаимодействия. Чтобы ответить на эти вопросы, используются самые разные методы.

Флуоресцентный методы визуализации, а также электронная микроскопия, Рентгеновская кристаллография, ЯМР-спектроскопия, атомно-силовая микроскопия (AFM) и малоугловое рассеяние (SAS) как с Рентгеновские лучи и нейтроны (SAXS / SANS) часто используются для визуализации структур, имеющих биологическое значение. Белковая динамика можно наблюдать нейтронное спиновое эхо спектроскопия. Конформационное изменение в структуре можно измерить с использованием таких методов, как двойная поляризационная интерферометрия, круговой дихроизм, SAXS и SANS. Прямое манипулирование молекулами с помощью оптический пинцет или же AFM, также может использоваться для мониторинга биологических событий, когда силы и расстояния наноразмер. Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические события как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например через статистическая механика, термодинамика и химическая кинетика. Используя знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто могут непосредственно наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных людей. молекулы или комплексы молекул.

Области исследований

Вычислительная биология

Основная статья: Вычислительная биология

Вычислительная биология включает в себя разработку и применение аналитических и теоретических методов данных, математического моделирования и методов компьютерного моделирования для изучения биологических, экологических, поведенческих и социальных систем. Область имеет широкое определение и включает в себя основы в биология, Прикладная математика, статистика, биохимия, химия, биофизика, молекулярная биология, генетика, геномика, Информатика и эволюция. Вычислительная биология стала важной частью разработки новых технологий в области биологии.[3]Молекулярное моделирование включает в себя все методы, теоретические и вычислительные, используемые для модель или имитировать поведение молекулы. Методы используются в областях вычислительная химия, дизайн лекарства, вычислительная биология и материаловедение изучать молекулярные системы, от небольших химических систем до больших биологических молекул и материальных сборок.[4][5]

Мембранная биофизика

Основная статья: Мембранная биофизика

Мембрана биофизика это изучение биологическая мембрана структура и функции с использованием физический, вычислительный, математический, и биофизические методы. Комбинация этих методов может использоваться для создания фазовые диаграммы различных типов мембран, что дает информацию о термодинамический поведение мембраны и ее компонентов. В отличие от мембранной биологии, мембранная биофизика фокусируется на количественной информации и моделировании различных мембранных явлений, таких как липидный плот образование, скорость липидного и холестеринового триггера, белок-липидное связывание и влияние функций изгиба и эластичности мембран на межклеточные связи.[6]

Моторные белки

Основная статья: Моторные белки
Кинезин гуляя по микротрубочка молекулярный биологическая машина с помощью динамика домена белка на наномасштаб

Моторные белки - это класс молекулярные моторы которые могут перемещаться по цитоплазме клеток животных. Они превращают химическую энергию в механическую работу посредством гидролиз из АТФ. Хорошим примером является мышца белок миозин который «двигает» сокращение мышечных волокон у животных. Моторные белки являются движущей силой большинства активный транспорт из белки и пузырьки в цитоплазма. Кинезины и цитоплазматические динеины играют важную роль во внутриклеточном транспорте, например, аксональный транспорт и в формировании шпиндельный аппарат и разделение хромосомы в течение митоз и мейоз. Аксонемал динеин, обнаруженный в реснички и жгутики, имеет решающее значение для подвижность клеток, например в сперматозоиды, и перенос жидкости, например, в трахею. Некоторые биологические машины моторные белки, Такие как миозин, который отвечает за мышца сжатие кинезин, который перемещает груз внутри ячеек подальше от ядро вдоль микротрубочки, и динеин, который перемещает груз внутри клеток к ядру и вызывает биение аксонемы подвижные реснички и жгутики. «[В результате] [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую из, возможно, более 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины ...Гибкие линкеры позволить мобильные белковые домены связанных ими, чтобы привлечь их связывающих партнеров и вызвать дальнодействующие аллостерия через динамика домена белка. [7] За производство энергии отвечают другие биологические машины, например АТФ-синтаза который использует энергию от градиенты протонов через мембраны приводить в движение турбиноподобное движение, используемое для синтеза АТФ, энергетическая валюта клетки.[8] Еще другие машины несут ответственность за экспрессия гена, включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК, то сплайсосома для удаления интроны, а рибосома за синтез белков. Эти машины и их наноразмерная динамика намного сложнее любых молекулярные машины которые еще были построены искусственно.[9]

Эти молекулярные моторы являются основными движущими силами живых организмов. В общем, мотор это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическая работа; например, многие белок -основные молекулярные моторы используют химические свободная энергия выпущен гидролиз из АТФ для выполнения механических работ.[10] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить существующие в настоящее время искусственные двигатели.

Ричард Фейнман теоретизировал о будущем наномедицина. Он писал об идее медицинский использовать для биологические машины. Фейнман и Альберт Хиббс предположил, что некоторые ремонтные машины однажды могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что это станет возможным (как выразился Фейнман) "проглотить доктора ". Идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года. Внизу много места.[11]

Эти биологические машины могут найти применение в наномедицина. Например,[12] их можно использовать для идентификации и уничтожения раковых клеток.[13][14] Молекулярная нанотехнология это спекулятивный подполе нанотехнологий относительно возможности инженерии молекулярные ассемблеры, биологические машины, которые могут переупорядочивать материю в молекулярном или атомном масштабе. Наномедицина будет использовать эти нанороботы, введенные в организм, чтобы восстановить или обнаружить повреждения и инфекции. Молекулярная нанотехнология в высшей степени теоретическая, она стремится предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить повестку дня для будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, намного превосходят существующие возможности.[15][16]

Сворачивание белков

Основная статья: Сворачивание белков
Составляющие аминокислоты могут быть проанализированы для прогнозирования вторичной, третичной и четвертичной структуры белка.

Сворачивание белков - это физический процесс по которому белок сеть приобретает родные 3-х мерный структура, конформация это обычно является биологически функциональным, быстрым и воспроизводимым. Это физический процесс, посредством которого полипептид складывается в его характерные и функциональные трехмерная структура из случайный катушки.[17]Каждый белок существует как развернутый полипептид или случайный клубок, когда переведено из последовательности мРНК к линейной цепочке аминокислоты. У этого полипептида отсутствует какая-либо стабильная (долговечная) трехмерная структура (левая часть первого рисунка). Поскольку полипептидная цепь синтезируется рибосома, линейная цепочка начинает сворачиваться в свою трехмерную структуру. Сворачивание начинает происходить даже при трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру, свернутый белок (правая часть рисунка), известный как родное государство. Полученная трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью или первичной структурой (Догма Анфинсена ).[18]

Прогноз структуры белка

Основная статья: Прогноз структуры белка

Прогнозирование структуры белка - это вывод о трехмерной структуре белок из его аминокислота последовательность - то есть предсказание ее складывание и это вторичный и третичная структура из его первичная структура. Прогнозирование структуры принципиально отличается от обратной задачи белковый дизайн. Прогнозирование структуры белка - одна из важнейших целей, преследуемых биоинформатика и теоретическая химия; это очень важно в лекарство, в дизайн лекарства, биотехнология и в дизайне романа ферменты ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в CASP эксперимент (Критическая оценка методов предсказания структуры белка). Постоянная оценка веб-серверов предсказания структуры белков выполняется проектом сообщества. CAMEO3D.

Спектроскопия

Основная статья: Спектроскопия

Спектроскопические методы, такие как ЯМР, метка вращения электронный спиновой резонанс, Рамановская спектроскопия, ИК-спектроскопия, круговой дихроизм и т. д. широко использовались для понимания структурной динамики важных биомолекулы и межмолекулярные взаимодействия.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Что такое молекулярная биофизика?
  2. ^ Джексон, Мейер Б. (2006). Молекулярная и клеточная биофизика. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
  3. ^ Борн, Филип (2012). «Взлет и упадок биоинформатики? Обещания и прогресс». PLoS вычислительная биология. 8 (4): e1002487. Дои:10.1371 / journal.pcbi.1002487. ЧВК  3343106. PMID  22570600.
  4. ^ «Рабочее определение биоинформатики и вычислительной биологии NIH» (PDF). Инициатива в области биомедицинской информатики и технологий. 17 июля 2000 г. Архивировано с оригинал (PDF) 5 сентября 2012 г.. Получено 18 августа 2012.
  5. ^ "О CCMB". Центр вычислительной молекулярной биологии. Получено 18 августа 2012.
  6. ^ Циммерберг, Джошуа (2006). «Мембранная биофизика». Текущая биология. 16 (8): R272 – R276. Дои:10.1016 / j.cub.2006.03.050. PMID  16631568.
  7. ^ Сатир, Питер; Сорен Т. Кристенсен (26 марта 2008 г.). «Строение и функции ресничек млекопитающих». Гистохимия и клеточная биология. 129 (6): 687–93. Дои:10.1007 / s00418-008-0416-9. ЧВК  2386530. PMID  18365235. 1432-119Х.
  8. ^ Кинбара, Казуши; Аида, Такудзо (01.04.2005). «К интеллектуальным молекулярным машинам: направленные движения биологических и искусственных молекул и сборок». Химические обзоры. 105 (4): 1377–1400. Дои:10.1021 / cr030071r. ISSN  0009-2665. PMID  15826015.
  9. ^ Bu Z, Callaway DJ (2011). «Белки ДВИГАЮТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетке». Структура белка и заболевания. Достижения в химии белков и структурной биологии. 83. С. 163–221. Дои:10.1016 / B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN  9780123812629. PMID  21570668.
  10. ^ Bustamante C, Chemla YR, Forde NR, Izhaky D (2004). «Механические процессы в биохимии». Анну. Преподобный Biochem. 73: 705–48. Дои:10.1146 / annurev.biochem.72.121801.161542. PMID  15189157.
  11. ^ Фейнман Р.П. (декабрь 1959 г.). "Внизу много места". Архивировано из оригинал на 2010-02-11. Получено 2017-01-01.
  12. ^ Амруте-Наяк, М .; Diensthuber, R.P .; Steffen, W .; Kathmann, D .; Hartmann, F.K .; Федоров, Р .; Urbanke, C .; Manstein, D. J .; Brenner, B .; Циавалиарис, Г. (2010). «Целенаправленная оптимизация белковой наномашины для работы в биогибридных устройствах». Angewandte Chemie. 122 (2): 322–326. Дои:10.1002 / ange.200905200.
  13. ^ Patel, G.M .; Patel, G.C .; Patel, R.B .; Patel, J. K .; Патель, М. (2006). «Наноробот: универсальный инструмент в наномедицине». Журнал нацеливания на лекарства. 14 (2): 63–7. Дои:10.1080/10611860600612862. PMID  16608733.
  14. ^ Balasubramanian, S .; Каган, Д .; Джек Ху, К. М .; Campuzano, S .; Lobo-Castañon, M. J .; Lim, N .; Kang, D. Y .; Циммерман, М .; Zhang, L .; Ван, Дж. (2011). «Микромашинный захват и выделение раковых клеток в сложных средах». Angewandte Chemie International Edition. 50 (18): 4161–4164. Дои:10.1002 / anie.201100115. ЧВК  3119711. PMID  21472835.
  15. ^ Freitas, Robert A., Jr .; Хавуккала, Илкка (2005). «Текущее состояние наномедицины и медицинской наноробототехники» (PDF). Журнал вычислительной и теоретической нанонауки. 2 (4): 471. Bibcode:2005JCTN .... 2..471K. Дои:10.1166 / jctn.2005.001.
  16. ^ Сотрудничество с нанофабриками
  17. ^ Альбертс Б, Джонсон А., Льюис Дж, Рафф М., Робертс К., Уолтерс П. (2002). «Форма и структура белков». Молекулярная биология клетки; Четвертый выпуск. Нью-Йорк и Лондон: Наука о гирляндах. ISBN  978-0-8153-3218-3.
  18. ^ Анфинсен CB (июль 1972 г.). «Формирование и стабилизация структуры белка». Биохимический журнал. 128 (4): 737–49. Дои:10.1042 / bj1280737. ЧВК  1173893. PMID  4565129.