Молекулярная биофизика

Рибосома . — это биологическая машина , которая использует динамику белков

Молекулярная биофизика — быстро развивающаяся междисциплинарная область исследований, объединяющая концепции физики , химии , техники , математики и биологии . ^[1] Он стремится понять биомолекулярные системы и объяснить биологические функции с точки зрения молекулярной структуры, структурной организации и динамического поведения на различных уровнях сложности (от одиночных молекул до супрамолекулярных структур, вирусов и небольших живых систем). Эта дисциплина охватывает такие темы, как измерение молекулярных сил, молекулярных ассоциаций, аллостерических взаимодействий , броуновского движения и теории кабелей . ^[2] Дополнительные области исследований можно найти в разделе «Очерк биофизики» . Эта дисциплина потребовала разработки специализированного оборудования и процедур, способных визуализировать мельчайшие живые структуры и манипулировать ими, а также новых экспериментальных подходов.

Обзор

Молекулярная биофизика обычно решает биологические вопросы, аналогичные вопросам биохимии и молекулярной биологии , стремясь найти физическую основу биомолекулярных явлений. Ученые в этой области проводят исследования, направленные на понимание взаимодействий между различными системами клетки, включая взаимодействие между ДНК , РНК и биосинтезом белка , а также то, как эти взаимодействия регулируются. Для ответа на эти вопросы используются самые разнообразные методы.

методы флуоресцентной визуализации, а также электронная микроскопия , рентгеновская кристаллография , ЯМР-спектроскопия , атомно-силовая микроскопия (АСМ) и малоугловое рассеяние (SAS) как с рентгеновскими лучами , так и с нейтронами Для визуализации структур часто используются (SAXS/SANS). биологического значения. Динамику белка можно наблюдать с помощью спектроскопии нейтронного спинового эха . Конформационные изменения в структуре можно измерить с помощью таких методов, как интерферометрия двойной поляризации , круговой дихроизм , SAXS и SANS . Прямые манипуляции с молекулами с помощью оптического пинцета или АСМ также можно использовать для мониторинга биологических событий, когда силы и расстояния находятся на наноуровне . Молекулярные биофизики часто рассматривают сложные биологические явления как системы взаимодействующих объектов, которые можно понять, например, с помощью статистической механики , термодинамики и химической кинетики . Черпая знания и экспериментальные методы из самых разных дисциплин, биофизики часто могут напрямую наблюдать, моделировать или даже манипулировать структурами и взаимодействиями отдельных организмов. молекулы или комплексы молекул.

Области исследований

Вычислительная биология

Вычислительная биология включает разработку и применение методов анализа данных и теоретических методов, математического моделирования и методов компьютерного моделирования для изучения биологических, экологических, поведенческих и социальных систем. Эта область имеет широкое определение и включает в себя основы биологии, прикладной математики , статистики , биохимии , химии, биофизики , молекулярной биологии , генетики , геномики , информатики и эволюции . Вычислительная биология стала важной частью разработки новых технологий в области биологии. ^[3]Молекулярное моделирование охватывает все методы, теоретические и вычислительные, используемые для моделирования или имитации поведения молекул . Эти методы используются в областях вычислительной химии , дизайна лекарств , вычислительной биологии и материаловедения для изучения молекулярных систем, начиная от небольших химических систем и заканчивая большими биологическими молекулами и материальными сборками. ^[4]^[5]

Мембранная биофизика

Мембранная биофизика — это изучение биологических мембран структуры и функций с использованием физических, вычислительных , математических и биофизических методов . Комбинация этих методов может быть использована для создания фазовых диаграмм различных типов мембран, что дает информацию о термодинамическом поведении мембраны и ее компонентов. В отличие от мембранной биологии, мембранная биофизика фокусируется на количественной информации и моделировании различных мембранных явлений, таких как образование липидных рафтов , скорость переворота липидов и холестерина, белок-липидное соединение, а также влияние функций изгиба и эластичности мембран на межклеточные связи. ^[6]

Моторные белки

Моторные белки — это класс молекулярных моторов , которые могут перемещаться по цитоплазме клеток животных. работу путем гидролиза АТФ Они преобразуют химическую энергию в механическую . Хорошим примером является мышечный белок миозин , который «двигает» сокращение мышечных волокон у животных. движущей силой наиболее активного транспорта белков Моторные белки являются и везикул в цитоплазме . Кинезины и цитоплазматические динеины играют важную роль во внутриклеточном транспорте, таком как аксональный транспорт , а также в формировании веретенообразного аппарата и разделении хромосом во время митоза и мейоза . Аксонемальный динеин, обнаруженный в ресничках и жгутиках , имеет решающее значение для подвижности клеток , например, в сперматозоидах , и транспорта жидкости, например, в трахее.Некоторые биологические машины представляют собой моторные белки, такие как миозин, который отвечает за сокращение мышц , кинезин , который перемещает груз внутри клеток от ядра по микротрубочкам , и динеин , который перемещает груз внутри клеток к ядру и вызывает аксонемное биение подвижные реснички и жгутики. «По сути, [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины... Гибкие линкеры позволяют соединенным ими мобильным белковым доменам рекрутировать свое связывание партнеров и индуцируют дальнюю аллостерию посредством динамики белковых доменов . ^[7] За производство энергии отвечают другие биологические машины, например АТФ-синтаза , которая использует энергию градиента протонов через мембраны для приведения в движение турбинного движения, используемого для синтеза АТФ, энергетической валюты клетки. ^[8] отвечают и другие машины За экспрессию генов , в том числе ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК , сплайсосома для удаления интронов и рибосома для синтеза белков . Эти машины и их наноразмерная динамика гораздо сложнее, чем любые молекулярные машины , которые до сих пор были созданы искусственно. ^[9]

Эти молекулярные моторы являются важными агентами движения в живых организмах. В общих чертах двигатель — это устройство, которое потребляет энергию в одной форме и преобразует ее в движение или механическую работу ; например, многие белковые молекулярные моторы используют химическую свободную энергию, высвобождаемую при гидролизе АТФ, для выполнения механической работы. ^[10] С точки зрения энергетической эффективности этот тип двигателя может превосходить имеющиеся в настоящее время искусственные двигатели.

Ричард Фейнман высказал теорию о будущем наномедицины . Он писал об идее медицинского использования биологических машин . Фейнман и Альберт Хиббс предположили, что однажды некоторые ремонтные машины могут быть уменьшены в размерах до такой степени, что можно будет (по выражению Фейнмана) « проглотить доктора ». Эта идея обсуждалась в эссе Фейнмана 1959 года « На дне много места ». ^[11]

Эти биологические машины могут найти применение в наномедицине . Например, ^[12] их можно использовать для выявления и уничтожения раковых клеток. ^[13]^[14] Молекулярная нанотехнология — это спекулятивная область нанотехнологий, касающаяся возможности создания молекулярных ассемблеров , биологических машин, которые могли бы переупорядочивать материю на молекулярном или атомном уровне. Наномедицина будет использовать этих нанороботов , введенных в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология носит высокотеоретический характер и стремится предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить программу будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, выходят далеко за рамки нынешних возможностей. ^[15]^[16]

Складывание белка

Составляющие аминокислоты можно анализировать для прогнозирования вторичной, третичной и четвертичной структуры белка.

Сворачивание белка — это физический процесс , посредством которого белковая цепь приобретает свою нативную трехмерную структуру, конформацию , которая обычно является биологически функциональной, быстрым и воспроизводимым образом. Это физический процесс, посредством которого полипептид сворачивается в свою характерную и функциональную трехмерную структуру из случайного спираля . ^[17]Каждый белок существует как развернутый полипептид или случайный клубок при трансляции с последовательности мРНК на линейную цепь аминокислот . У этого полипептида отсутствует стабильная (долговременная) трехмерная структура (левая часть первого рисунка). Когда полипептидная цепь синтезируется рибосомой , линейная цепь начинает сворачиваться в свою трехмерную структуру. Сворачивание начинает происходить уже во время трансляции полипептидной цепи. Аминокислоты взаимодействуют друг с другом, образуя четко определенную трехмерную структуру — свернутый белок (правая часть рисунка), известный как нативное состояние . Получающаяся трехмерная структура определяется аминокислотной последовательностью или первичной структурой ( догма Анфинсена ). ^[18]

Определение структуры белка

Поскольку трехмерная структура белков дает понимание их функций и биологического контекста, на наблюдение за структурами белков прилагается много усилий. Рентгеновская кристаллография была основным методом, использовавшимся в 20 веке для определения структуры белков в их кристаллической форме. С начала 2000-х годов криогенная электронная микроскопия используется для определения структуры белков, приближенных к их нативному состоянию, а также для наблюдения за клеточными структурами. ^[19]

Прогнозирование структуры белка

Предсказание структуры белка — это вывод о трехмерной структуре белка на основе его аминокислотной последовательности, то есть предсказание его сворачивания , а также его вторичной и третичной структуры на основе его первичной структуры . Предсказание структуры фундаментально отличается от обратной задачи проектирования белка . Предсказание структуры белка — одна из важнейших целей, преследуемых биоинформатикой и теоретической химией ; это очень важно в медицине , при разработке лекарств , биотехнологии и при разработке новых ферментов ). Каждые два года эффективность существующих методов оценивается в эксперименте CASP (критическая оценка методов прогнозирования структуры белка). Непрерывную оценку веб-серверов предсказания структуры белков выполняет проект сообщества CAMEO3D .

Проблема предсказания белковых структур заключается в том, что не существует физической модели, которая могла бы полностью предсказать третичные структуры белков на основе их аминокислотной последовательности. Эта проблема известна как de novo проблема предсказания структуры белка и является одной из величайших проблем современной науки. ^[20] AlphaFold , программа искусственного интеллекта , способна точно предсказывать структуры белков с генетической гомологией с другими белками, которые были решены ранее. ^[21] Однако это не решение проблемы de novo , поскольку оно опирается на базу данных предшествующих данных, что приводит к тому, что они всегда являются предвзятыми. ^[22] Решением проблемы предсказания структуры белка de novo должна быть чисто физическая модель, которая будет моделировать сворачивание белка в его нативной среде, что приведет к наблюдению in silico структур и динамики белка, которые никогда ранее не наблюдались. ^[23]

Спектроскопия

Спектроскопические методы, такие как ЯМР, со спиновой меткой электронно-спиновый резонанс , рамановская спектроскопия , инфракрасная спектроскопия , круговой дихроизм и т. д., широко используются для понимания структурной динамики важных биомолекул и межмолекулярных взаимодействий .

См. также

Ссылки

^ «Цель молекулярной биофизики» . Программа по молекулярной биофизике . Университет Джонса Хопкинса. Архивировано из оригинала 15 марта 2012 года.
^ Джексон МБ (2006). Молекулярная и клеточная биофизика . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-44724-9 .
^ Узунис, Калифорния (2012). «Взлет и упадок биоинформатики? Перспективы и прогресс» . PLOS Вычислительная биология . 8 (4): e1002487. Бибкод : 2012PLSCB...8E2487O . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002487 . ПМК 3343106 . ПМИД 22570600 .
^ «Рабочее определение биоинформатики и вычислительной биологии Национального института здравоохранения» (PDF) . Инициатива в области биомедицинской информатики и технологий. 17 июля 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 сентября 2012 г. . Проверено 18 августа 2012 г.
^ «О ЦКМВ» . Центр вычислительной молекулярной биологии . Провиденс, Род-Айленд: Университет Брауна . Проверено 18 августа 2012 г.
^ Циммерберг Дж. (апрель 2006 г.). «Мембранная биофизика» . Современная биология . 16 (8): Р272–Р276. Бибкод : 2006CBio...16.R272Z . дои : 10.1016/j.cub.2006.03.050 . ПМИД 16631568 .
^ Сатир П., Кристенсен С.Т. (июнь 2008 г.). «Строение и функции ресничек млекопитающих» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–693. дои : 10.1007/s00418-008-0416-9 . ПМК 2386530 . ПМИД 18365235 . 1432-119Х.
^ Кинбара К., Аида Т. (апрель 2005 г.). «К интеллектуальным молекулярным машинам: направленное движение биологических и искусственных молекул и агрегатов». Химические обзоры . 105 (4): 1377–1400. дои : 10.1021/cr030071r . ПМИД 15826015 .
^ Бу Зи, Callaway DJ (2011). «Белки ДВИГАЮТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетках». Структура белка и болезни . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том. 83. стр. 163–221. дои : 10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629 . ПМИД 21570668 .
^ Бустаманте С., Чемла Ю.Р., Форд Н.Р., Ижаки Д. (2004). «Механические процессы в биохимии». Ежегодный обзор биохимии . 73 : 705–748. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542 . ПМИД 15189157 .
^ Фейнман Р.П. (декабрь 1959 г.). «Внизу много места» . Архивировано из оригинала 11 февраля 2010 г. Проверено 1 января 2017 г.
^ Амруте-Наяк М., Динстубер Р.П., Штеффен В., Катманн Д., Хартманн Ф.К., Федоров Р. и др. (2010). «Целевая оптимизация белковой наномашины для работы в биогибридных устройствах». Ангеванде Хеми . 49 (2): 312–316. Бибкод : 2010АнгЧ.122..322А . дои : 10.1002/ange.200905200 . ПМИД 19921669 .
^ Патель Г.М., Патель Г.К., Патель Р.Б., Патель Дж.К., Патель М. (февраль 2006 г.). «Наноробот: универсальный инструмент в наномедицине». Журнал по борьбе с наркотиками . 14 (2): 63–67. дои : 10.1080/10611860600612862 . ПМИД 16608733 . S2CID 25551052 .
^ Баласубраманиан С., Каган Д., Ху С.М., Кампусано С., Лобо-Кастаньон М.Дж., Лим Н. и др. (апрель 2011 г.). «Микромашинный захват и изоляция раковых клеток в сложных средах» . Ангеванде Хеми . 50 (18): 4161–4164. дои : 10.1002/anie.201100115 . ПМК 3119711 . ПМИД 21472835 .
^ Фрейтас-младший РА (декабрь 2005 г.). Касабов Н., Хавуккала I (ред.). «Текущее состояние наномедицины и медицинской наноробототехники» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 2 (4): 471. Бибкод : 2005JCTN....2..471K . дои : 10.1166/jctn.2005.001 .
^ Фрейтас-младший Р.А., Меркл Р.К. (2006). «Нанофабрика Коллаборация» . Молекулярный ассемблер .
^ Альбертс Б. , Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтерс П. (2002). «Форма и строение белков» . Молекулярная биология клетки; Четвертое издание . Нью-Йорк и Лондон: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .
^ Анфинсен CB (июль 1972 г.). «Формирование и стабилизация структуры белка» . Биохимический журнал . 128 (4): 737–749. дои : 10.1042/bj1280737 . ПМЦ 1173893 . ПМИД 4565129 .
^ Карри С. (июль 2015 г.). «Структурная биология: вековое путешествие в невидимый мир» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 308–328. Бибкод : 2015ISRv...40..308C . дои : 10.1179/0308018815Z.000000000120 . ПМЦ 4697198 . ПМИД 26740732 .
^ «Так много еще нужно знать» . Наука . 309 (5731): 78–102. 01 июля 2005 г. дои : 10.1126/science.309.5731.78b . ISSN 0036-8075 .
^ Джампер Дж., Эванс Р., Притцель А., Грин Т., Фигурнов М., Роннебергер О. и др. (26 августа 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 0028-0836 . ПМЦ 8371605 . PMID 34265844 .
^ Тервиллигер Т.С., Либшнер Д., Кролл Т.И., Уильямс С.Дж., Маккой А.Дж., Пун Б.К. и др. (30 ноября 2023 г.). «Предсказания AlphaFold являются ценными гипотезами и ускоряют, но не заменяют экспериментальное определение структуры» . Природные методы . 21 (1): 110–116. дои : 10.1038/s41592-023-02087-4 . ISSN 1548-7091 . ПМЦ 10776388 . ПМИД 38036854 .
^ Дилл К.А., Озкан С.Б., Вейкл Т.Р., Чодера Дж.Д., Воелц В.А. (01.06.2007). «Проблема сворачивания белка: когда она будет решена?» . Современное мнение в области структурной биологии . Нуклеиновые кислоты / Последовательности и топология. 17 (3): 342–346. дои : 10.1016/j.sbi.2007.06.001 . ISSN 0959-440X . ПМИД 17572080 .

[1] «Цель молекулярной биофизики» . Программа по молекулярной биофизике . Университет Джонса Хопкинса. Архивировано из оригинала 15 марта 2012 года.

[2] Джексон МБ (2006). Молекулярная и клеточная биофизика . Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-1-139-44724-9 .

[3] Узунис, Калифорния (2012). «Взлет и упадок биоинформатики? Перспективы и прогресс» . PLOS Вычислительная биология . 8 (4): e1002487. Бибкод : 2012PLSCB...8E2487O . дои : 10.1371/journal.pcbi.1002487 . ПМК 3343106 . ПМИД 22570600 .

[nih-4] «Рабочее определение биоинформатики и вычислительной биологии Национального института здравоохранения» (PDF) . Инициатива в области биомедицинской информатики и технологий. 17 июля 2000 г. Архивировано из оригинала (PDF) 5 сентября 2012 г. . Проверено 18 августа 2012 г.

[brown-5] «О ЦКМВ» . Центр вычислительной молекулярной биологии . Провиденс, Род-Айленд: Университет Брауна . Проверено 18 августа 2012 г.

[6] Циммерберг Дж. (апрель 2006 г.). «Мембранная биофизика» . Современная биология . 16 (8): Р272–Р276. Бибкод : 2006CBio...16.R272Z . дои : 10.1016/j.cub.2006.03.050 . ПМИД 16631568 .

[Satir2008-7] Сатир П., Кристенсен С.Т. (июнь 2008 г.). «Строение и функции ресничек млекопитающих» . Гистохимия и клеточная биология . 129 (6): 687–693. дои : 10.1007/s00418-008-0416-9 . ПМК 2386530 . ПМИД 18365235 . 1432-119Х.

[8] Кинбара К., Аида Т. (апрель 2005 г.). «К интеллектуальным молекулярным машинам: направленное движение биологических и искусственных молекул и агрегатов». Химические обзоры . 105 (4): 1377–1400. дои : 10.1021/cr030071r . ПМИД 15826015 .

[pmid21570668-9] Бу Зи, Callaway DJ (2011). «Белки ДВИГАЮТСЯ! Динамика белков и дальняя аллостерия в передаче сигналов в клетках». Структура белка и болезни . Достижения в области химии белков и структурной биологии. Том. 83. стр. 163–221. дои : 10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629 . ПМИД 21570668 .

[review-10] Бустаманте С., Чемла Ю.Р., Форд Н.Р., Ижаки Д. (2004). «Механические процессы в биохимии». Ежегодный обзор биохимии . 73 : 705–748. doi : 10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542 . ПМИД 15189157 .

[11] Фейнман Р.П. (декабрь 1959 г.). «Внизу много места» . Архивировано из оригинала 11 февраля 2010 г. Проверено 1 января 2017 г.

[12] Амруте-Наяк М., Динстубер Р.П., Штеффен В., Катманн Д., Хартманн Ф.К., Федоров Р. и др. (2010). «Целевая оптимизация белковой наномашины для работы в биогибридных устройствах». Ангеванде Хеми . 49 (2): 312–316. Бибкод : 2010АнгЧ.122..322А . дои : 10.1002/ange.200905200 . ПМИД 19921669 .

[patel-13] Патель Г.М., Патель Г.К., Патель Р.Б., Патель Дж.К., Патель М. (февраль 2006 г.). «Наноробот: универсальный инструмент в наномедицине». Журнал по борьбе с наркотиками . 14 (2): 63–67. дои : 10.1080/10611860600612862 . ПМИД 16608733 . S2CID 25551052 .

[14] Баласубраманиан С., Каган Д., Ху С.М., Кампусано С., Лобо-Кастаньон М.Дж., Лим Н. и др. (апрель 2011 г.). «Микромашинный захват и изоляция раковых клеток в сложных средах» . Ангеванде Хеми . 50 (18): 4161–4164. дои : 10.1002/anie.201100115 . ПМК 3119711 . ПМИД 21472835 .

[15] Фрейтас-младший РА (декабрь 2005 г.). Касабов Н., Хавуккала I (ред.). «Текущее состояние наномедицины и медицинской наноробототехники» (PDF) . Журнал вычислительной и теоретической нанонауки . 2 (4): 471. Бибкод : 2005JCTN....2..471K . дои : 10.1166/jctn.2005.001 .

[nanofactory-16] Фрейтас-младший Р.А., Меркл Р.К. (2006). «Нанофабрика Коллаборация» . Молекулярный ассемблер .

[Alberts-17] Альбертс Б. , Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтерс П. (2002). «Форма и строение белков» . Молекулярная биология клетки; Четвертое издание . Нью-Йорк и Лондон: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3 .

[Anfinsen-18] Анфинсен CB (июль 1972 г.). «Формирование и стабилизация структуры белка» . Биохимический журнал . 128 (4): 737–749. дои : 10.1042/bj1280737 . ПМЦ 1173893 . ПМИД 4565129 .

[19] Карри С. (июль 2015 г.). «Структурная биология: вековое путешествие в невидимый мир» . Междисциплинарные научные обзоры . 40 (3): 308–328. Бибкод : 2015ISRv...40..308C . дои : 10.1179/0308018815Z.000000000120 . ПМЦ 4697198 . ПМИД 26740732 .

[20] «Так много еще нужно знать» . Наука . 309 (5731): 78–102. 01 июля 2005 г. дои : 10.1126/science.309.5731.78b . ISSN 0036-8075 .

[21] Джампер Дж., Эванс Р., Притцель А., Грин Т., Фигурнов М., Роннебергер О. и др. (26 августа 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 0028-0836 . ПМЦ 8371605 . PMID 34265844 .

[22] Тервиллигер Т.С., Либшнер Д., Кролл Т.И., Уильямс С.Дж., Маккой А.Дж., Пун Б.К. и др. (30 ноября 2023 г.). «Предсказания AlphaFold являются ценными гипотезами и ускоряют, но не заменяют экспериментальное определение структуры» . Природные методы . 21 (1): 110–116. дои : 10.1038/s41592-023-02087-4 . ISSN 1548-7091 . ПМЦ 10776388 . ПМИД 38036854 .

[23] Дилл К.А., Озкан С.Б., Вейкл Т.Р., Чодера Дж.Д., Воелц В.А. (01.06.2007). «Проблема сворачивания белка: когда она будет решена?» . Современное мнение в области структурной биологии . Нуклеиновые кислоты / Последовательности и топология. 17 (3): 342–346. дои : 10.1016/j.sbi.2007.06.001 . ISSN 0959-440X . ПМИД 17572080 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]