Jump to content

Структурная биология

Структурная биология , по определению Журнала структурной биологии , занимается структурным анализом живого материала (сформированного, состоящего из живых клеток и/или поддерживаемого и усовершенствованного живыми клетками) на каждом уровне организации. [1]

Ранние структурные биологи на протяжении 19 и начала 20 веков в основном могли изучать структуры только до предела остроты зрения невооруженным глазом и с помощью увеличительных очков и световых микроскопов. В 20 веке было разработано множество экспериментальных методов для изучения трехмерных структур биологических молекул. Наиболее известные методы — рентгеновская кристаллография , ядерный магнитный резонанс и электронная микроскопия . Благодаря открытию рентгеновских лучей и их применению к кристаллам белков структурная биология произвела революцию, поскольку теперь ученые могли получать трехмерные структуры биологических молекул с точностью до атомов. [2] Аналогично, ЯМР-спектроскопия позволила получить информацию о структуре и динамике белка. [3] Наконец, в 21 веке в электронной микроскопии также произошла радикальная революция с разработкой более когерентных источников электронов, коррекции аберраций для электронных микроскопов и программного обеспечения для реконструкции, которое позволило успешно реализовать криоэлектронную микроскопию высокого разрешения, тем самым позволив изучать отдельные белки и молекулярные комплексы в трехмерном изображении с ангстремным разрешением.


С развитием этих трех методов область структурной биологии расширилась и стала также отраслью молекулярной биологии , биохимии и биофизики, занимающейся молекулярной структурой биологических макромолекул (особенно белков , состоящих из аминокислот , РНК или ДНК , состоящих из состоят из нуклеотидов и мембран , состоящих из липидов ), как они приобретают имеющиеся у них структуры и как изменения в их структурах влияют на их функции. [4] Этот предмет представляет большой интерес для биологов, поскольку макромолекулы выполняют большинство функций клеток , и только свертываясь в определенные трехмерные формы, они способны выполнять эти функции. Эта архитектура, « третичная структура » молекул, сложным образом зависит от основного состава каждой молекулы, или « первичной структуры ». При более низком разрешении такие инструменты, как томография FIB-SEM, позволили лучше понять клетки и их органеллы в трех измерениях, а также то, как каждый иерархический уровень различных внеклеточных матриц способствует функционированию (например, в кости). За последние несколько лет также стало возможным прогнозировать высокоточные физические молекулярные модели , дополняющие экспериментальное изучение биологических структур. [5] Вычислительные методы, такие как моделирование молекулярной динамики , могут использоваться в сочетании со стратегиями определения эмпирической структуры для расширения и изучения структуры, конформации и функции белка. [6]

Гемоглобин , белок, переносящий кислород, обнаруженный в красных кровяных тельцах.
Примеры белковых структур из Банка данных белков (PDB)

История [ править ]

В 1912 году Макс фон Лауэ направил рентгеновские лучи на кристаллизованный сульфат меди, создав дифракционную картину . [7] Эти эксперименты привели к развитию рентгеновской кристаллографии и ее использованию при исследовании биологических структур. [5] В 1951 году Розалинда Франклин и Морис Уилкинс использовали рентгенограммы, чтобы получить первое изображение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Фрэнсис Крик и Джеймс Уотсон смоделировали двойную спиральную структуру ДНК, используя тот же метод в 1953 году, и получили Нобелевскую премию по медицине вместе с Уилкинсом в 1962 году. [8]

Кристаллы пепсина были первыми белками, кристаллизованными для использования в дифракции рентгеновских лучей Теодором Сведбергом , получившим в 1962 году Нобелевскую премию по химии. [9] Первая третичная структура белка , структура миоглобина , была опубликована в 1958 году Джоном Кендрю . [10] За это время моделирование белковых структур проводилось с использованием моделей из пробкового дерева или проволоки . [11] С изобретением программного обеспечения для моделирования, такого как CCP4, в конце 1970-х гг. [12] моделирование теперь осуществляется с помощью компьютера. Последние разработки в этой области включают создание рентгеновских лазеров на свободных электронах , позволяющих анализировать динамику и движение биологических молекул. [13] и использование структурной биологии в помощь синтетической биологии . [14]

В конце 1930-х и начале 1940-х годов сочетание работ Исидора Раби , Феликса Блоха и Эдварда Миллса Перселла привело к развитию ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В настоящее время ЯМР твердого тела широко используется в области структурной биологии для определения структуры и динамической природы белков ( ЯМР белков ). [15]

В 1990 году Ричард Хендерсон получил первое трехмерное изображение бактериородопсина с высоким разрешением с помощью криогенной электронной микроскопии (крио-ЭМ). [16] С тех пор криоЭМ становится все более популярным методом определения трехмерных структур биологических изображений с высоким разрешением. [17]

Совсем недавно были разработаны вычислительные методы для моделирования и изучения биологических структур. Например, молекулярная динамика (МД) обычно используется для анализа динамических движений биологических молекул. В 1975 году в журнале Nature было опубликовано первое моделирование процесса биологической складки с использованием МД. [18] Недавно предсказание структуры белка было значительно улучшено благодаря новому методу машинного обучения под названием AlphaFold. [19] Некоторые утверждают, что вычислительные подходы начинают лидировать в области исследований в области структурной биологии. [20]

Техники [ править ]

Биомолекулы слишком малы, чтобы их можно было рассмотреть в деталях даже с помощью самых совершенных световых микроскопов . Методы, которые структурные биологи используют для определения их структуры, обычно включают измерения огромного количества идентичных молекул одновременно. Эти методы включают в себя:

Чаще всего исследователи используют их для изучения « родных состояний » макромолекул. Но вариации этих методов также используются для наблюдения за возникающими или денатурированными молекулами, принимающими или возвращающими свое исходное состояние. См. сворачивание белка .

Третий подход, который используют структурные биологи для понимания структуры, — это биоинформатика, позволяющая искать закономерности среди разнообразных последовательностей , которые приводят к определенным формам. Исследователи часто могут вывести аспекты структуры интегральных мембранных белков на основе топологии мембраны, предсказанной анализом гидрофобности . См. предсказание структуры белка .

Приложения [ править ]

Блок-схема того, как структурная биология играет роль в открытии лекарств

Структурные биологи внесли значительный вклад в понимание молекулярных компонентов и механизмов, лежащих в основе заболеваний человека. Например, криоЭМ и оцЯМР использовались для изучения агрегации амилоидных фибрилл, которые связаны с болезнью Альцгеймера , болезнью Паркинсона и диабетом II типа . [21] В дополнение к амилоидным белкам ученые использовали крио-ЭМ для создания моделей тау-нитей с высоким разрешением в мозгу пациентов с болезнью Альцгеймера, что может помочь в разработке более эффективных методов лечения в будущем. [22] Инструменты структурной биологии также можно использовать для объяснения взаимодействия между патогенами и хозяевами. Например, инструменты структурной биологии позволили вирусологам понять, как оболочка ВИЧ позволяет вирусу уклоняться от иммунных реакций человека. [23]

Структурная биология также является важным компонентом открытия лекарств . [24] Ученые могут идентифицировать цели с помощью геномики, изучать эти цели с помощью структурной биологии и разрабатывать лекарства, подходящие для этих целей. лигандов ЯМР , масс-спектрометрия и рентгеновская кристаллография В частности, в процессе открытия лекарств широко используются методы . Например, исследователи использовали структурную биологию, чтобы лучше понять Met , белок, кодируемый протоонкогеном, который является важной мишенью лекарств при раке . [25] Аналогичные исследования были проведены в отношении целей борьбы с ВИЧ для лечения людей, больных СПИДом . [24] Исследователи также разрабатывают новые противомикробные препараты для лечения микобактериальных инфекций, используя открытие лекарств, основанных на структуре. [24]

См. также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ «Журнал структурной биологии | ScienceDirect.com от Elsevier» . веб.архив.орг . 18 апреля 2024 г. Проверено 14 мая 2024 г.
  2. ^ Карри, Стивен (3 июля 2015 г.). «Структурная биология: столетнее путешествие в невидимый мир» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 308–328. Бибкод : 2015ISRv...40..308C . дои : 10.1179/0308018815Z.000000000120 . ISSN   0308-0188 . ПМЦ   4697198 . ПМИД   26740732 .
  3. ^ Кэмпбелл, Иэн Д. (1 января 2013 г.). «Эволюция ЯМР белков» . Биомедицинская спектроскопия и визуализация . 2 (4): 245–264. дои : 10.3233/BSI-130055 . ISSN   2212-8794 .
  4. ^ Банашак ЖЖ (2000). Основы структурной биологии . Берлингтон: Эльзевир. ISBN  9780080521848 .
  5. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Джампер, Джон; Эванс, Ричард; Притцель, Александр; Грин, Тим; Фигурнов Михаил; Роннебергер, Олаф; Туньясувунакул, Кэтрин; Бейтс, Расс; Жидек, Августин; Потапенко, Анна; Бриджланд, Алекс; Мейер, Клеменс; Коль, Саймон А.А.; Баллард, Эндрю Дж.; Коуи, Эндрю (15 июля 2021 г.). «Высокоточное предсказание структуры белка с помощью AlphaFold» . Природа . 596 (7873): 583–589. Бибкод : 2021Natur.596..583J . дои : 10.1038/s41586-021-03819-2 . ISSN   1476-4687 . ПМЦ   8371605 . PMID   34265844 .
  6. ^ Карплюс М., Маккаммон Дж.А. (сентябрь 2002 г.). «Молекулярно-динамическое моделирование биомолекул». Структурная биология природы . 9 (9): 646–652. дои : 10.1038/nsb0902-646 . ПМИД   12198485 . S2CID   590640 .
  7. ^ Карри С. (июль 2015 г.). «Структурная биология: столетнее путешествие в невидимый мир» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 308–328. Бибкод : 2015ISRv...40..308C . дои : 10.1179/0308018815z.000000000120 . ПМЦ   4697198 . ПМИД   26740732 .
  8. ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года» . NobelPrize.org . Проверено 1 октября 2022 г.
  9. ^ Яскольски М., Даутер З., Влодавер А. (сентябрь 2014 г.). «Краткая история макромолекулярной кристаллографии, иллюстрированная генеалогическим древом и его Нобелевскими плодами» . Журнал ФЭБС . 281 (18): 3985–4009. дои : 10.1111/февраль 12796 . ПМК   6309182 . ПМИД   24698025 .
  10. ^ Кендрю Дж.К., Бодо Дж., Динцис Х.М., Пэрриш Р.Г., Вайкофф Х., Филлипс, округ Колумбия (март 1958 г.). «Трехмерная модель молекулы миоглобина, полученная методом рентгеноструктурного анализа». Природа . 181 (4610): 662–666. Бибкод : 1958Natur.181..662K . дои : 10.1038/181662a0 . ПМИД   13517261 . S2CID   4162786 .
  11. ^ Гарман Э.Ф. (март 2014 г.). «Разработки в области рентгеноструктурного определения структуры биологических макромолекул». Наука . 343 (6175): 1102–1108. Бибкод : 2014Sci...343.1102G . дои : 10.1126/science.1247829 . ПМИД   24604194 . S2CID   21067016 .
  12. ^ «О CCP4» . Legacy.ccp4.ac.uk . Проверено 2 апреля 2021 г.
  13. ^ Уолдроп М.М. (январь 2014 г.). «Рентгенология: большие пушки» . Природа . 505 (7485): 604–606. Бибкод : 2014Natur.505..604W . дои : 10.1038/505604a . ПМИД   24476872 .
  14. ^ Киль С., Серрано Л. (ноябрь 2012 г.). «Структурные данные в подходах синтетической биологии для изучения общих принципов проектирования сотовых сигнальных сетей» . Структура . 20 (11): 1806–1813. дои : 10.1016/j.str.2012.10.002 . hdl : 10230/23121 . ПМИД   23141693 .
  15. ^ Вютрих К. (ноябрь 2001 г.). «Путь к ЯМР-структурам белков». Структурная биология природы . 8 (11): 923–925. дои : 10.1038/nsb1101-923 . ПМИД   11685234 . S2CID   26153265 .
  16. ^ Хендерсон Р., Болдуин Дж. М., Ческа Т. А., Землян Ф., Бекманн Э., Даунинг К. Х. (июнь 1990 г.). «Модель структуры бактериородопсина на основе электронной криомикроскопии высокого разрешения». Журнал молекулярной биологии . 213 (4): 899–929. дои : 10.1016/S0022-2836(05)80271-2 . ПМИД   2359127 .
  17. ^ Каллауэй, Юэн (10 февраля 2020 г.). «Революционная крио-ЭМ захватывает структурную биологию» . Природа . 578 (7794): 201. Бибкод : 2020Natur.578..201C . дои : 10.1038/d41586-020-00341-9 . ПМИД   32047310 . S2CID   211081167 .
  18. ^ Левитт М., Варшел А. (февраль 1975 г.). «Компьютерное моделирование сворачивания белка». Природа . 253 (5494): 694–698. Бибкод : 1975Natur.253..694L . дои : 10.1038/253694a0 . ПМИД   1167625 . S2CID   4211714 .
  19. ^ Джампер Дж., Эванс Р., Притцель А., Грин Т., Фигурнов М., Роннебергер О. и др. (август 2021 г.). «Высокоточное предсказание структуры белка с помощью AlphaFold» . Природа . 596 (7873): 583–589. Бибкод : 2021Natur.596..583J . дои : 10.1038/s41586-021-03819-2 . ПМЦ   8371605 . PMID   34265844 .
  20. ^ Нусинов, Рут; Цай, Чунг-Юнг; Шеху, Амарда; Чан, Хёнбом (12 февраля 2019 г.). «Вычислительная структурная биология: успехи, будущие направления и проблемы» . Молекулы (Базель, Швейцария) . 24 (3): Е637. дои : 10.3390/molecules24030637 . ISSN   1420-3049 . ПМК   6384756 . ПМИД   30759724 .
  21. ^ Яданза М.Г., Джексон, член парламента, Хьюитт Э.В., Рэнсон Н.А., Рэдфорд С.Э. (декабрь 2018 г.). «Новая эра понимания амилоидных структур и заболеваний» . Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 19 (12): 755–773. дои : 10.1038/s41580-018-0060-8 . ПМИД   30237470 . S2CID   52307956 .
  22. ^ Фитцпатрик, Энтони В.П.; Сокол, Бенджамин; Он, Шаода; Мурзин Алексей Георгиевич; Муршудов, Гариб; Гарринджер, Холли Дж.; Кроутер, Р. Энтони; Гетти, Бернардино; Гедерт, Мишель; Шерес, Сьорс Х.В. (13 июля 2017 г.). «Крио-ЭМ структуры тау-нитей болезни Альцгеймера» . Природа . 547 (7662): 185–190. Бибкод : 2017Natur.547..185F . дои : 10.1038/nature23002 . ISSN   1476-4687 . ПМК   5552202 . ПМИД   28678775 .
  23. ^ Энгельман, Алан; Черепанов, Петр (16 марта 2012 г.). «Структурная биология ВИЧ-1: механизмы и терапевтические идеи» . Обзоры природы Микробиология . 10 (4): 279–290. дои : 10.1038/nrmicro2747 . ISSN   1740-1526 . ПМЦ   3588166 . ПМИД   22421880 . S2CID   14088805 .
  24. ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с Томас С.Е., Мендес В., Ким С.Ю., Малхотра С., Очоа-Монтаньо Б., Блащик М., Бланделл Т.Л. (август 2017 г.). «Структурная биология и разработка новых терапевтических средств: от ВИЧ и рака до микобактериальных инфекций: статья, посвященная Джону Кендрю» . Журнал молекулярной биологии . Специальное издание, посвященное 100-летию Джона Кендрю. 429 (17): 2677–2693. дои : 10.1016/j.jmb.2017.06.014 . ПМИД   28648615 .
  25. ^ Вендт К.У., Вайс М.С., Крамер П., Хайнц Д.В. (февраль 2008 г.). «Структуры и болезни» . Структурная и молекулярная биология природы . 15 (2): 117–120. дои : 10.1038/nsmb0208-117 . ПМК   7097323 . ПМИД   18250627 .

Внешние ссылки [ править ]

Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2c8ddebb65607eb57f0189c36a7c84f5__1715653380
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2c/f5/2c8ddebb65607eb57f0189c36a7c84f5.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Structural biology - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)