Молекулярное распознавание - Molecular recognition

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

Период, термин молекулярное распознавание относится к конкретному взаимодействию между двумя или более молекулы через нековалентная связь Такие как водородная связь, координация металла, гидрофобные силы,[3][4] силы Ван дер Ваальса, π-π взаимодействия, галогенная связь, или же резонансное взаимодействие[5] последствия. В дополнение к этим непосредственный взаимодействия, растворители могут играть доминирующую роль косвенный роль в управлении молекулярным распознаванием в растворе.[6][7] В хозяин и гость участвует в молекулярном распознавании экспонатов молекулярная комплементарность. Исключение составляют молекулярные контейнеры,[8][9] включая, например, нанотрубки, в котором порталы существенно контролируют избирательность.[10][11][12][13]

Биологические системы

А рибосома это биологическая машина который использует динамика белка на наномасштаб к переведите РНК в белки

Молекулярное распознавание играет важную роль в биологический систем и наблюдается между рецептором-лигандом,[14][15] антиген -антитело, ДНК -белок, сахар -лектин, РНК -рибосома и др. Важным примером молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин который выборочно связывается с пептиды с концевым D-аланил-D-аланином в бактериальных клетках через пять водородных связей. Ванкомицин является смертельным для бактерий, поскольку, как только он связался с этими конкретными пептидами, они не могут быть использованы для создания бактерий. клеточная стенка.[нужна цитата ]

Синтетическое молекулярное распознавание

Недавняя работа предполагает, что элементы молекулярного распознавания могут быть получены синтетическим путем в наномасштабе,[16] устранение необходимости в естественных молекулярных элементах распознавания для разработки инструментов обнаружения малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как пептоиды, могут использоваться для распознавания более крупных биологических мишеней, таких как белки. [17] а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами может создавать синтетические макромолекулярные структуры, которые служат в качестве синтетических антител для оптического распознавания и обнаружения белков.[18]

Супрамолекулярные системы

Химики продемонстрировали, что многие искусственные супрамолекулярный могут быть разработаны системы, которые обнаруживают молекулярное распознавание.[19] Одним из первых примеров такой системы являются краун-эфиры которые способны избирательно связывать определенные катионы. Однако с тех пор был создан ряд искусственных систем.

Статический против динамического

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 хост-гость комплекс. Для достижения улучшенного статического молекулярного распознавания необходимо создавать 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. ведущий к сотрудничество привязки.[20] В случае положительных аллостерических систем связывание первого гостя увеличивает константу ассоциации второго гостя. В то время как для отрицательных аллостерических систем связывание первого гостя снижает константу ассоциации со вторым. Динамический характер этого типа молекулярного распознавания особенно важен, так как он обеспечивает механизм для регулирования связывания в биологических системах. Динамическое молекулярное распознавание может повысить способность различать несколько конкурирующих мишеней посредством конформационная корректура механизм. Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокофункциональных химические датчики и молекулярные устройства.

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 невозможно предсказать или спроектировать, даже если предположить, что сила каждой отдельной водородной связи точно известна.[21] Однако, как отмечает Mobley et al.[22] В заключение следует отметить, что точное предсказание событий молекулярного распознавания должно выходить за рамки статического снимка одного кадра между гостем и хозяином. Энтропии являются ключевыми факторами связывающей термодинамики, и их необходимо учитывать для более точного прогнозирования процесса распознавания.[23] Энтропии редко наблюдаются в одинарных связанных структурах (статический снимок).

Внутригенное дополнение

Jehle[24] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют объединению идентичных молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом множественные копии полипептида, кодируемого ген часто подвергаются молекулярному узнаванию друг с другом, чтобы сформировать упорядоченную структуру мультиполипептидного белка. Когда такой белок образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутант аллели конкретного гена, белок, состоящий из смеси полипептидов, может проявлять большую функциональную активность, чем мульти-полипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление упоминается как внутригенная комплементация.

Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах у множества организмов.[25] Крик и Оргел [26] проанализировали результаты таких исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает из-за взаимодействия различных дефектных полипептидных мономеров, когда они образуют упорядоченный агрегат, который они назвали «мультимером».

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Нокс, Джеймс Р .; Пратт, Р. Ф. (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). Противомикробные препараты и химиотерапия. 34 (7): 1342–7. Дои:10.1128 / AAC.34.7.1342. ЧВК  175978. PMID  2386365.
  2. ^ Белявский, Кристофер; Чен, Юань-Ши; Чжан, Пэн; Перст, Пегги-Джин; Мур, Джеффри С. (1998). «Модульный подход к построению мультисайтовых рецепторов для изофталевой кислоты». Химические коммуникации. 0 (12): 1313–4. Дои:10,1039 / a707262g.
  3. ^ Локетт, М. Р .; Lange, H .; Breiten, B .; Heroux, A .; Шерман, В .; Раппопорт, Д .; Яу, П. О .; Снайдер, П. У .; Уайтсайдс, Г. М. (2003). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Энгью. Chem. Int. Эд. 52 (30): 7714–7717. Дои:10.1002 / anie.201301813. PMID  23788494.
  4. ^ Breiten, B .; Локетт, М. Р .; Sherman, W .; Fujita, S .; Аль-Сайях, М .; Lange, H .; Bowers, C.M .; Heroux, A .; Крылов, Г .; Уайтсайдс, Г. М. (2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии в связывании белка с лигандом». Варенье. Chem. Soc. 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX  10.1.1.646.8648. Дои:10.1021 / ja4075776. PMID  24044696.
  5. ^ Cosic, I (1994). «Макромолекулярная биоактивность: резонансное взаимодействие между макромолекулами? - теория и приложения». IEEE Transactions по биомедицинской инженерии. 41 (12): 1101–14. Дои:10.1109/10.335859. PMID  7851912.
  6. ^ Барон, Риккардо; Сетны, Петр; Маккаммон, Дж. Эндрю (2010). «Вода в полости - распознавание лигандов». Журнал Американского химического общества. 132 (34): 12091–12097. Дои:10.1021 / ja1050082. ЧВК  2933114. PMID  20695475.
  7. ^ Барон, Риккардо; Маккаммон, Дж. Эндрю (2013). «Молекулярное распознавание и связывание лигандов». Ежегодный обзор физической химии. 64: 151–175. Bibcode:2013ARPC ... 64..151B. Дои:10.1146 / annurev-physchem-040412-110047. PMID  23473376.
  8. ^ Cram, D. J .; Крам, Дж. М. Молекулы-контейнеры и их гости; Королевское химическое общество: Кембридж, 1997. ISBN  0851869726
  9. ^ Бротен, Тьерри; Дутаста, Жан-Пьер (2009). «Криптофаны и их комплексы - настоящее и будущее». Химические обзоры. 109 (1): 88–130. Дои:10.1021 / cr0680437. PMID  19086781.
  10. ^ Лен, Жан-Мари (1995). Супрамолекулярная химия. Weinheim: Вайли-ВЧ. ISBN  978-3-527-29312-4. OCLC  315928178.[страница нужна ]
  11. ^ Геллман, Сэмюэл Х. (1997). «Введение: молекулярное распознавание». Химические обзоры. 97 (5): 1231–1232. Дои:10.1021 / cr970328j. PMID  11851448.
  12. ^ Дипанкар Чаттерджи, Основы молекулярного распознавания , CRC Press; 2016, ISBN  1482219689
  13. ^ Молекулярное распознавание и полимеры: контроль структуры полимера и самосборки В. Ротелло, С. Тайуманаван, ред. Вайли,2008 ISBN  0470277386
  14. ^ Локетт, М. Р .; Lange, H .; Breiten, B .; Heroux, A .; Шерман, В .; Раппопорт, Д .; Яу, П. О .; Снайдер, П. У .; Уайтсайдс, Г. М. (2003). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда». Энгью. Chem. Int. Эд. 52 (30): 7714–7717. Дои:10.1002 / anie.201301813. PMID  23788494.
  15. ^ Breiten, B .; Локетт, М. Р .; Шерман, В .; Fujita, S .; Аль-Сайях, М .; Lange, H .; Bowers, C.M .; Heroux, A .; Крылов, Г .; Уайтсайдс, Г. М. (2013). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии в связывании белка с лигандом». Варенье. Chem. Soc. 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX  10.1.1.646.8648. Дои:10.1021 / ja4075776. PMID  24044696.
  16. ^ Чжан, Цзинцин; и другие. (2013). «Молекулярное распознавание с использованием коронофазных комплексов из синтетических полимеров, адсорбированных на углеродных нанотрубках». Природа Нанотехнологии. 8 (12): 959–968. Bibcode:2013НатНа ... 8..959Z. Дои:10.1038 / nnano.2013.236. ЧВК  5051352. PMID  24270641.
  17. ^ Mannige, Ranjan V .; Haxton, Thomas K .; Пру, Кэролайн; Робертсон, Эллен Дж .; Баттигелли, Алессия; Butterfoss, Glenn L .; Цукерманн, Рональд Н .; Whitelam, Стивен (2015-10-15). «Пептоидные нанолисты демонстрируют новый мотив вторичной структуры». Природа. 526 (7573): 415–420. Bibcode:2015Натура.526..415M. Дои:10.1038 / природа15363. ISSN  0028-0836. PMID  26444241.
  18. ^ Beyene, Abraham G .; Demirer, Gozde S .; Ландри, Маркита П. (01.01.2009). Платформы молекулярного распознавания на основе наночастиц для обнаружения биологических аналитов. Текущие протоколы в химической биологии. 8. John Wiley & Sons, Inc., стр. 197–223. Дои:10.1002 / cpch.10. ISBN  9780470559277. PMID  27622569.
  19. ^ Бидерманн, Франк; Шнайдер, Ханс-Йорг (2016). «Экспериментальные энергии связи в супрамолекулярных комплексах». Химические обзоры. 116 (9): 5216–5300. Дои:10.1021 / acs.chemrev.5b00583. PMID  27136957.
  20. ^ Синкай, Сейджи; Икеда, Масато; Сугасаки, Ацуши; Такеучи, Масаюки (2001). «Положительные аллостерические системы, разработанные на динамических супрамолекулярных каркасах: в сторону переключения и усиления гостевой аффинности и селективности». Отчеты о химических исследованиях. 34 (6): 494–503. Дои:10.1021 / ar000177y. PMID  11412086.
  21. ^ Грюненберг, Йорг (2011). «Сложность в молекулярном распознавании». Физическая химия Химическая физика. 13 (21): 10136–46. Bibcode:2011PCCP ... 1310136G. Дои:10.1039 / C1CP20097F. PMID  21503359.
  22. ^ Mobley, D. L .; Дилл, К. А. (2009). «Связывание низкомолекулярных лигандов с белками:« то, что вы видите », не всегда« то, что вы получаете »"". Структура. 17 (4): 489–98. Дои:10.1016 / j.str.2009.02.010. ЧВК  2756098. PMID  19368882.
  23. ^ Шмидтхен, Франц П. (2010). «Размещение анионов. Энергетическая перспектива». Обзоры химического общества. 39 (10): 3916–35. Дои:10.1039 / C0CS00038H. PMID  20820595.
  24. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  25. ^ Бернштейн H, Эдгар RS, Денхардт GH. Внутригенная комплементация среди термочувствительных мутантов бактериофага T4D. Генетика. 1965; 51 (6): 987-1002.
  26. ^ Крик Ф.Х., Оргель ЛЕ. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958

внешняя ссылка