Молекулярное распознавание



Термин «молекулярное распознавание» относится к специфическому взаимодействию между двумя или более молекулами посредством нековалентных связей, таких как водородная связь , координация металлов , гидрофобные силы , [3] [4] силы Ван-дер-Ваальса , π-π-взаимодействия , галогенная связь или резонансное взаимодействие. [5] эффекты. Помимо этих прямых взаимодействий, растворители могут играть доминирующую косвенную роль в распознавании молекул в растворе. [6] [7] Хозяин и гость, участвующие в молекулярном распознавании, демонстрируют молекулярную комплементарность . Исключением являются молекулярные контейнеры, [8] [9] включая, например, нанотрубки , в которых порталы существенно контролируют селективность. [10] [11] [12] [13] Избирательное разделение молекул между двумя или более фазами также может привести к молекулярному распознаванию. [14] При молекулярном распознавании на основе распределения кинетика и условия равновесия определяются наличием растворенных веществ в двух фазах. [15]
Биологические системы
[ редактировать ]
Молекулярное распознавание играет важную роль в биологических системах и наблюдается между рецептором и лигандом. [16] [17] антиген - антитело , ДНК - белок , сахар - лектин , РНК - рибосома и др. Важным примером молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин , который избирательно связывается с пептидами с концевым D-аланил-D-аланином в бактериальных клетках посредством пяти водородных связей. . Ванкомицин смертелен для бактерий, поскольку, связавшись с этими конкретными пептидами, они не могут быть использованы для построения клеточной стенки бактерий . [ нужна ссылка ]
Синтетическое молекулярное распознавание
[ редактировать ]Недавние работы показывают, что элементы молекулярного распознавания могут быть синтетически получены в наномасштабе. [18] обходя необходимость в встречающихся в природе элементах молекулярного распознавания для разработки инструментов обнаружения малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как полимеры с молекулярным отпечатком. [19] а пептоиды можно использовать для распознавания более крупных биологических целей, таких как белки. [20] а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами может создавать синтетические макромолекулярные структуры, которые служат синтетическими антителами для оптического распознавания и обнаружения белков. [21] [22]
Супрамолекулярные системы
[ редактировать ]Химики продемонстрировали, что множество искусственных супрамолекулярных систем, обладающих молекулярным распознаванием. можно создать [23] Одним из самых ранних примеров такой системы являются краун-эфиры , способные избирательно связывать определенные катионы. Однако с тех пор был создан ряд искусственных систем.
Статический и динамический
[ редактировать ]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 хозяина и молекулой гостя с образованием комплекса хозяин-гость . Чтобы добиться расширенного статического молекулярного распознавания, необходимо создать 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. что приводит к кооперативности связывания. [24] В случае положительных аллостерических систем связывание первого гостя увеличивает константу ассоциации второго гостя. В то время как для отрицательных аллостерических систем связывание первого гостя уменьшает константу ассоциации со вторым. Динамическая природа этого типа молекулярного распознавания особенно важна, поскольку она обеспечивает механизм регулирования связывания в биологических системах.Динамическое молекулярное распознавание может улучшить способность различать несколько конкурирующих целей с помощью механизма конформационной корректуры . Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокофункциональных химических сенсорах и молекулярных устройствах. [25]
Сложность
[ редактировать ]Недавнее исследование, основанное на молекулярном моделировании и константах соответствия, описывает молекулярное распознавание как феномен 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. [26] Однако, как отмечают Мобли и др. [27] пришли к выводу, что точное предсказание событий молекулярного распознавания должно выходить за рамки статического снимка одного кадра между гостем и хозяином. Энтропия является ключевым фактором, влияющим на термодинамику связывания, и ее необходимо учитывать, чтобы более точно предсказать процесс распознавания. [28] Энтропии редко наблюдаются в одиночных структурах (статический снимок). В белках высокоспецифичное распознавание может быть достигнуто за счет эволюционной тонкой настройки химических взаимодействий, конформационных изменений и вклада энтропии. [29]
Внутригенная комплементация
[ редактировать ]Йеле [30] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом многочисленные копии полипептида, кодируемого геном, часто подвергаются молекулярному распознаванию друг с другом с образованием упорядоченной мультиполипептидной белковой структуры. Когда такой белок образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, белок, состоящий из смеси полипептидов, может проявлять большую функциональную активность, чем мультиполипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией .
Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах у самых разных организмов. [31] Крик и Оргел [32] проанализировали результаты таких исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементация в целом возникает в результате взаимодействия разнодефектных полипептидных мономеров, когда они образуют упорядоченный агрегат, названный ими «мультимер».
См. также
[ редактировать ]- Журнал молекулярного распознавания
- ПРИМЕР ЗАДАЧИ
- Нековалентные взаимодействия
- Супрамолекулярная химия
- Аллостерия
- Кооперативность
- Молекулярный ассемблер
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Нокс-младший, Пратт РФ (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) . Антимикробные средства и химиотерапия . 34 (7): 1342–1347. дои : 10.1128/AAC.34.7.1342 . ПМК 175978 . ПМИД 2386365 .
- ^ Белявски С. , Чен Ю., Чжан П., Перст П., Мур Дж.С. (1998). «Модульный подход к созданию многосайтовых рецепторов изофталевой кислоты». Химические коммуникации (12): 1313–4. дои : 10.1039/a707262g .
- ^ Локетт М.Р., Ланге Х., Брейтен Б., Геро А., Шерман В., Раппопорт Д. и др. (июль 2013 г.). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда» . Ангеванде Хеми . 52 (30): 7714–7717. дои : 10.1002/anie.201301813 . ПМИД 23788494 . S2CID 1543705 .
- ^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (октябрь 2013 г.). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии при связывании белка с лигандом». Журнал Американского химического общества . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . дои : 10.1021/ja4075776 . ПМИД 24044696 . S2CID 17554787 .
- ^ Кошич I (декабрь 1994 г.). «Макромолекулярная биоактивность: это резонансное взаимодействие между макромолекулами? - Теория и приложения». Транзакции IEEE по биомедицинской инженерии . 41 (12): 1101–1114. дои : 10.1109/10.335859 . ПМИД 7851912 . S2CID 23892544 .
- ^ Барон Р., Сетни П., Маккаммон Дж.А. (сентябрь 2010 г.). «Вода в полости-распознавание лиганда» . Журнал Американского химического общества . 132 (34): 12091–12097. дои : 10.1021/ja1050082 . ПМЦ 2933114 . ПМИД 20695475 .
- ^ Барон Р., Маккаммон Дж.А. (2013). «Молекулярное распознавание и ассоциация лигандов». Ежегодный обзор физической химии . 64 : 151–175. Бибкод : 2013ARPC...64..151B . doi : 10.1146/annurev-physchem-040412-110047 . ПМИД 23473376 .
- ^ Cram DJ, Cram JM (1997). Молекулы-контейнеры и их гости . Кембридж: Королевское химическое общество. ISBN 978-0-85186-972-8 .
- ^ Бротин Т., Дутаста Дж.П. (январь 2009 г.). «Криптофаны и их комплексы - настоящее и будущее». Химические обзоры . 109 (1): 88–130. дои : 10.1021/cr0680437 . ПМИД 19086781 .
- ^ Лен Дж. М. (1995). Супрамолекулярная химия . Вайнхайм : Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-29312-4 . OCLC 315928178 . [ нужна страница ]
- ^ Геллман С.Х. (август 1997 г.). «Введение: молекулярное распознавание». Химические обзоры . 97 (5): 1231–1232. дои : 10.1021/cr970328j . ПМИД 11851448 .
- ^ Чаттерджи Д. (2016). Основы молекулярного распознавания . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 978-1-4822-1968-5 .
- ^ Ротелло В., Тауманаван С., ред. (2008). Молекулярное распознавание и полимеры: контроль структуры полимера и самосборка . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 978-0-470-27738-6 .
- ^ Белл Т.Н., Фенг К., Кэлвин Дж., Ван Винкль Д.Х., Ленхерт С. (октябрь 2020 г.). «Органические композомы как супрамолекулярные аптамеры» . АСУ Омега . 5 (42): 27393–27400. дои : 10.1021/acsomega.0c03799 . ПМЦ 7594120 . ПМИД 33134702 .
- ^ Чжоу Х., Шил Э., Белл Т., Лин С., Ленхерт С. (ноябрь 2023 г.). «Кинетический механизм молекулярного распознавания на основе поверхностно-активных веществ: избирательная проницаемость через границу раздела нефть-вода, регулируемая супрамолекулярными агрегатами». Журнал физической химии Б. 127 (47): 10201–10214. doi : 10.1021/acs.jpcb.3c05017 . ПМИД 37972386 .
- ^ Локетт М.Р., Ланге Х., Брейтен Б., Геро А., Шерман В., Раппопорт Д. и др. (июль 2013 г.). «Связывание бензоарилсульфонамидных лигандов с карбоангидразой человека нечувствительно к формальному фторированию лиганда» . Ангеванде Хеми . 52 (30): 7714–7717. дои : 10.1002/anie.201301813 . ПМИД 23788494 . S2CID 1543705 .
- ^ Брейтен Б., Локетт М.Р., Шерман В., Фудзита С., Аль-Сая М., Ланге Х. и др. (октябрь 2013 г.). «Водные сети способствуют компенсации энтальпии / энтропии при связывании белка с лигандом». Журнал Американского химического общества . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . дои : 10.1021/ja4075776 . ПМИД 24044696 . S2CID 17554787 .
- ^ Чжан Дж., Лэндри М.П., Барон П.В., Ким Дж.Х., Лин С., Улисси З.В. и др. (декабрь 2013 г.). «Молекулярное распознавание с использованием коронно-фазовых комплексов синтетических полимеров, адсорбированных на углеродных нанотрубках» . Природные нанотехнологии . 8 (12): 959–968. Бибкод : 2013NatNa...8..959Z . дои : 10.1038/nnano.2013.236 . ПМК 5051352 . ПМИД 24270641 .
- ^ Салливан М.В., Деннисон С.Р., Архонтис Дж., Редди С.М., Хейс Дж.М. (июль 2019 г.). «На пути к рациональному дизайну селективных молекулярно-импринтированных полимеров (MIP) для белков: вычислительные и экспериментальные исследования полимеров на основе акриламида для миоглобина» (PDF) . Журнал физической химии Б. 123 (26): 5432–5443. дои : 10.1021/acs.jpcb.9b03091 . ПМИД 31150581 . S2CID 172137800 .
- ^ Маннидж Р.В., Хэкстон Т.К., Пру С., Робертсон Э.Дж., Баттиджелли А., Баттерфосс Г.Л. и др. (октябрь 2015 г.). «Пептоидные нанолисты демонстрируют новый мотив вторичной структуры» . Природа . 526 (7573): 415–420. Бибкод : 2015Natur.526..415M . дои : 10.1038/nature15363 . ПМИД 26444241 . S2CID 205245623 .
- ^ Салливан М.В., Стокберн У.Дж., Хоуз ПК, Мерсер Т., Редди С.М. (февраль 2021 г.). «Зеленый синтез как простой и быстрый путь к получению магнитных наночастиц, модифицированных белком, для использования при разработке флуорометрического анализа на основе полимера с молекулярным импринтингом для обнаружения миоглобина» . Нанотехнологии . 32 (9): 095502. Бибкод : 2021Nanot..32i5502S . дои : 10.1088/1361-6528/abce2d . ПМЦ 8314874 . PMID 33242844 .
- ^ Бейене А.Г., Демирер Г.С., Ландри член парламента (1 января 2009 г.). Платформы молекулярного распознавания на основе наночастиц для обнаружения биологических аналитов . Том. 8. John Wiley & Sons, Inc., стр. 197–223. дои : 10.1002/cpch.10 . ISBN 9780470559277 . ПМЦ 10539024 . ПМИД 27622569 . S2CID 5249925 .
{{cite book}}
:|journal=
игнорируется ( помогите ) - ^ Бидерманн Ф., Шнайдер Х.Дж. (май 2016 г.). «Экспериментальные энергии связи в супрамолекулярных комплексах». Химические обзоры . 116 (9): 5216–5300. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00583 . ПМИД 27136957 .
- ^ Синкай С., Икеда М., Сугасаки А., Такеучи М. (июнь 2001 г.). «Положительные аллостерические системы, созданные на динамических супрамолекулярных каркасах: к переключению и усилению сродства и селективности гостей». Отчеты о химических исследованиях . 34 (6): 494–503. дои : 10.1021/ar000177y . ПМИД 11412086 .
- ^ Макбрайд Дж. М., Экманн Дж. П., Тласти Т. (ноябрь 2022 г.). «Общая теория специфического связывания: данные генетико-механо-химической модели белка» . Молекулярная биология и эволюция . 39 (11). дои : 10.1093/molbev/msac217 . ПМК 9641994 . ПМИД 36208205 .
- ^ Груненберг Дж. (июнь 2011 г.). «Сложность молекулярного распознавания». Физическая химия Химическая физика . 13 (21): 10136–10146. Бибкод : 2011PCCP...1310136G . дои : 10.1039/C1CP20097F . ПМИД 21503359 .
- ^ Мобли Д.Л., Дилл К.А. (апрель 2009 г.). «Связывание низкомолекулярных лигандов с белками: «то, что вы видите», не всегда «то, что вы получаете» » . Структура . 17 (4): 489–498. дои : 10.1016/j.str.2009.02.010 . ПМК 2756098 . ПМИД 19368882 .
- ^ Шмидтхен Ф.П. (октябрь 2010 г.). «Принимающие анионы. Энергетическая перспектива». Обзоры химического общества . 39 (10): 3916–3935. дои : 10.1039/C0CS00038H . ПМИД 20820595 .
- ^ Макбрайд Дж. М., Экманн Дж. П., Тласти Т. (ноябрь 2022 г.). Эчаве Дж. (ред.). «Общая теория специфического связывания: данные генетико-механо-химической модели белка» . Молекулярная биология и эволюция . 39 (11): msac217. дои : 10.1093/molbev/msac217 . ПМК 9641994 . ПМИД 36208205 .
- ^ Йеле Х (сентябрь 1963 г.). «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 50 (3): 516–24. Бибкод : 1963PNAS...50..516J . дои : 10.1073/pnas.50.3.516 . ПМК 221211 . ПМИД 16578546 .
- ^ Бернштейн Х., Эдгар Р.С., Денхардт Г.Х. (июнь 1965 г.). «Внутригенная комплементация термочувствительных мутантов бактериофага T4D» . Генетика . 51 (6): 987–1002. дои : 10.1093/генетика/51.6.987 . ПМЦ 1210828 . ПМИД 14337770 .
- ^ Крик Ф.Х., Оргель Л.Е. (январь 1964 г.). «Теория межаллельной комплементации». Журнал молекулярной биологии . 8 : 161–5. дои : 10.1016/s0022-2836(64)80156-x . ПМИД 14149958 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Специальный выпуск о молекулярном распознавании» . Международный журнал молекулярных наук .