Struktur des Nukleoproteins MA: Die 50S-ribosomale Untereinheit aus H. marismortui. Röntgenkristallographisches Modell von 29 der 33 nativen Komponenten aus dem Labor von Thomas Steitz . Von den 31 Komponentenproteinen sind 27 (blau) zusammen mit ihren beiden RNA-Strängen (orange/gelb) dargestellt. [ 1 ] Maßstab: Die Anordnung hat einen Durchmesser von ca. 24 nm. [ 2 ]

In der Molekularbiologie bezeichnet der Begriff makromolekulare Anordnung ( MA ) massive chemische Strukturen wie Viren und nicht-biologische Nanopartikel , Zellorganellen und -membranen sowie Ribosomen etc. , die komplexe Gemische aus Polypeptiden , Polynukleotiden , Polysacchariden oder anderen polymeren Makromolekülen darstellen . Sie bestehen in der Regel aus mehr als einem dieser Typen und die Gemische sind räumlich (d. h. hinsichtlich ihrer chemischen Form) sowie hinsichtlich ihrer zugrundeliegenden chemischen Zusammensetzung und Struktur definiert . Makromoleküle kommen in lebenden und nicht-lebenden Organismen vor und bestehen aus Hunderten oder Tausenden von Atomen , die durch kovalente Bindungen zusammengehalten werden ; sie sind oft durch sich wiederholende Einheiten charakterisiert (d. h. sie sind Polymere ). Anordnungen dieser Moleküle können ebenfalls biologisch oder nicht-biologisch sein, wobei der Begriff MA häufiger in der Biologie und der Begriff supramolekulare Anordnung häufiger in nicht-biologischen Kontexten (z. B. in der supramolekularen Chemie und Nanotechnologie ) verwendet wird. Molekülaggregate (MAs) von Makromolekülen werden durch nicht-kovalente intermolekulare Wechselwirkungen (statt kovalenter Bindungen ) in ihrer definierten Form gehalten und können entweder nicht-repetitive Strukturen (z. B. wie im Ribosom (Abbildung) und in der Zellmembranarchitektur) oder repetitive lineare, kreisförmige, spiralförmige oder andere Muster aufweisen (z. B. wie in Aktinfilamenten und dem Flagellenmotor (Abbildung)). Der Prozess der MA-Bildung wird als molekulare Selbstorganisation bezeichnet , ein Begriff, der insbesondere in nicht-biologischen Kontexten Anwendung findet. Für die Untersuchung von MAs existiert eine Vielzahl physikalischer/biophysikalischer, chemischer/biochemischer und computergestützter Methoden. Angesichts der Größenordnung (molekulare Dimensionen) von MAs stehen die Bemühungen, ihre Zusammensetzung und Struktur aufzuklären und die Mechanismen ihrer Funktionen zu verstehen, im Mittelpunkt der modernen Strukturforschung.

Ein eukaryotisches Ribosom übersetzt katalytisch die in mRNA- Molekülen enthaltene Information in Proteine. Die Animation zeigt die Elongations- und Membran-Targeting-Phasen der eukaryotischen Translation . Die mRNA ist als schwarzer Bogen dargestellt, die Ribosomenuntereinheiten grün und gelb, tRNAs dunkelblau, Proteine ​​wie Elongations- und andere beteiligte Faktoren hellblau und die wachsende Polypeptidkette als schwarzer Faden, der vertikal von der Krümmung der mRNA ausgeht. Am Ende der Animation wird das produzierte Polypeptid durch eine hellblaue SecY-Pore [ 3 ] in das graue Innere des endoplasmatischen Retikulums (ER) extrudiert .

Biomolekularer Komplex

3D-gedrucktes Modell der Struktur eines bakteriellen Flagellenmotors und der partiellen Stäbchenstruktur einer Salmonella- Art. Von unten nach oben: Dunkelblau, sich wiederholende FliM- und FliN-Motor-/Schaltproteine; Rot, FliG-Motor-/Schaltproteine; Gelb, FliF-Transmembran-Kopplungsproteine; Hellblau, L- und P-Ringproteine; und (oben) Dunkelblau, Kappe, Haken-Filament-Verbindung, Haken und Stäbchenproteine. [ 4 ]

Ein biomolekularer Komplex , auch biomakromolekularer Komplex genannt , ist ein biologischer Komplex, der aus mehr als einem Biopolymer ( Protein , RNA , DNA , [ 5 ] Kohlenhydrat ) oder großen nicht-polymeren Biomolekülen ( Lipid ) besteht. Die Wechselwirkungen zwischen diesen Biomolekülen sind nicht-kovalent. [ 6 ] Beispiele:

Die biomakromolekularen Komplexe werden strukturell mittels Röntgenkristallographie , NMR-Spektroskopie von Proteinen , Kryo-Elektronenmikroskopie und anschließender Einzelpartikelanalyse sowie Elektronentomographie untersucht . [ 9 ] Die mittels Röntgenkristallographie und biomolekularer NMR-Spektroskopie gewonnenen Atomstrukturmodelle können in die wesentlich größeren Strukturen biomolekularer Komplexe eingepasst werden , die mit weniger auflösenden Techniken wie Elektronenmikroskopie, Elektronentomographie und Kleinwinkel-Röntgenstreuung gewonnen werden . [ 10 ]

Komplexe aus Makromolekülen kommen in der Natur allgegenwärtig vor und sind am Aufbau von Viren und allen lebenden Zellen beteiligt. Darüber hinaus spielen sie eine fundamentale Rolle in allen grundlegenden Lebensprozessen ( Proteinbiosynthese , Zellteilung , Vesikeltransport , intra- und interzellulärer Stoffaustausch usw.). In all diesen Funktionen organisieren sich komplexe Gemische auf spezifische strukturelle und räumliche Weise. Während die einzelnen Makromoleküle durch eine Kombination aus kovalenten Bindungen und intramolekularen nicht-kovalenten Kräften zusammengehalten werden (d. h. Wechselwirkungen zwischen Teilen innerhalb jedes Moleküls über Ladungs-Ladungs-Wechselwirkungen , Van-der-Waals-Kräfte und Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen ), werden Makromolekülkomplexe (MAs) definitionsgemäß ausschließlich durch nicht-kovalente Kräfte zusammengehalten , mit Ausnahme der Wechselwirkungen zwischen den Molekülen (d. h. intermolekulare Wechselwirkungen ).

MA-Skalen und Beispiele

Die obigen Abbildungen geben einen Hinweis auf die Zusammensetzung und die Dimensionen von MAs, verdeutlichen aber nur die Komplexität dieser Strukturen. Prinzipiell besteht jede lebende Zelle aus MAs und ist selbst auch ein MA. In den Beispielen und ähnlichen Komplexen und Anordnungen weisen die MAs oft Molekulargewichte von mehreren Millionen Dalton (Megadalton, d. h. Millionen Mal so viel wie das Gewicht eines einzelnen Atoms) auf, besitzen aber dennoch messbare Komponentenverhältnisse ( Stöchiometrien ) mit einer gewissen Genauigkeit. Wie in den Bildunterschriften erwähnt, lassen sich MAs oder ihre Subkomplexe nach entsprechender Präparation häufig kristallisieren und mittels Proteinkristallographie und verwandten Methoden oder anderen physikalischen Methoden (z. B. Spektroskopie , Mikroskopie ) untersuchen.

Cross-sections of phospholipid (PLs) relevant to biomembrane MAs. Yellow-orange indicates hydrophobic lipid tails; black and white spheres represent PL polar regions (v.i.). Bilayer/liposome dimensions (obscured in graphic): hydrophobic and polar regions, each ~30 Å (3.0 nm) "thick"—the polar from ~15 Å (1.5 nm) on each side.[11][12][13][14]
A graphical representation of the structure of a viral MA, cowpea mosaic virus, with 30 copies of each of its coat proteins, the small coat protein (S, yellow) and the large coat protein (L, green), which, along with 2 molecules of positive-senseRNA (RNA-1 and RNA-2, not visible) constitute the virion. The assembly is highly symmetric, and is ~280 Å (28 nm) across at its widest point.

Virus structures were among the first studied MAs; other biologic examples include ribosomes (partial image above), proteasomes, and translation complexes (with protein and nucleic acid components), procaryotic and eukaryotic transcription complexes, and nuclear and other biological pores that allow material passage between cells and cellular compartments. Biomembranes are also generally considered MAs, though the requirement for structural and spatial definition is modified to accommodate the inherent molecular dynamics of membrane lipids, and of proteins within lipid bilayers.[15]

Virus assembly

During assembly of the bacteriophage (phage) T4virion, the morphogenetic proteins encoded by the phage genes interact with each other in a characteristic sequence. Maintaining an appropriate balance in the amounts of each of these proteins produced during viral infection appears to be critical for normal phage T4 morphogenesis.[16] Phage T4 encoded proteins that determine virion structure include major structural components, minor structural components and non-structural proteins that catalyze specific steps in the morphogenesis sequence[17]

Non-biologic counterparts

Schließlich beschränkt sich die Forschung an molekularen Maschinen nicht allein auf die Biologie. Auch die supramolekulare Chemie und die Nanotechnologie haben Bereiche entwickelt, die die in biologischen molekularen Maschinen erstmals demonstrierten Prinzipien weiterentwickeln und ausbauen. Von besonderem Interesse in diesen Bereichen ist die Ausarbeitung der grundlegenden Prozesse molekularer Maschinen und die Übertragung bekannter Maschinendesigns auf neue Typen und Prozesse.

Siehe auch

Referenzen

  1. ^ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (August 2000). „Die vollständige Atomstruktur der großen ribosomalen Untereinheit mit einer Auflösung von 2,4 Å“. Science . 289 (5481): 905–920 . Bibcode : 2000Sci...289..905B . CiteSeerX  10.1.1.58.2271 . doi : 10.1126/science.289.5481.905 . PMID  10937989 .
  2. ^ McClure W. „50S Ribosomen-Untereinheit“ . Archiviert vom Original am 24.11.2005 . Abgerufen am 09.10.2019 .
  3. ^ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). „Proteintranslokation durch den Sec61/SecY-Kanal“. Annual Review of Cell and Developmental Biology . 21 : 529–550 . doi : 10.1146/annurev.cellbio.21.012704.133214 . PMID 16212506 . 
  4. ^ Legende, Titelbild, J. Bacteriol., Oktober 2006.
  5. ^ Kleinjung J, Fraternali F (Juli 2005). „POPSCOMP: eine automatisierte Interaktionsanalyse biomolekularer Komplexe“ . Nucleic Acids Research . 33 (Webserver-Ausgabe): W342– W346 . doi : 10.1093/nar/gki369 . PMC 1160130. PMID 15980485 .  
  6. ^ Moore PB (2012). „Wie sollten wir über das Ribosom nachdenken?“. Annual Review of Biophysics . 41 (1): 1–19 . doi : 10.1146/annurev-biophys-050511-102314 . PMID 22577819 . 
  7. ^ Dutta S, Berman HM (März 2005). „Große makromolekulare Komplexe in der Proteindatenbank: ein Statusbericht“ . Structure . 13 (3): 381–388 . doi : 10.1016/j.str.2005.01.008 . PMID 15766539 . 
  8. Russell RB, Alber F, Aloy P, Davis FP, Korkin D, Pichaud M, et al. (Juni 2004). „Eine strukturelle Perspektive auf Protein-Protein-Interaktionen“. Current Opinion in Structural Biology . 14 (3): 313–324 . doi : 10.1016/j.sbi.2004.04.006 . PMID 15193311 . 
  9. ^ van Dijk AD, Boelens R, Bonvin AM (Januar 2005). „Datengetriebenes Docking zur Untersuchung biomolekularer Komplexe“. The FEBS Journal . 272 ​​(2): 293–312 . doi : 10.1111 / j.1742-4658.2004.04473.x . hdl : 1874/336958 . PMID 15654870. S2CID 20148856 .  
  10. ^ „Struktur von fluiden Lipiddoppelschichten“ . Blanco.biomol.uci.edu. 10.11.2009 . Abgerufen am 9.10.2019 .
  11. ^ Experimentelles System: Dioleoylphosphatidylcholin - Doppelschichten. Die hydrophobe Kohlenwasserstoffregion des Lipids ist ca. 30 Å (3,0 nm) dick, wie durch eine Kombination aus Neutronen- und Röntgenstreuung bestimmt wurde; die polare Grenzflächenregion (Glyceryl-, Phosphat- und Kopfgruppenreste mit ihrer kombinierten Hydratation) ist beidseitig ca. 15 Å (1,5 nm) dick , was einer Gesamtdicke entspricht, die in etwa der der Kohlenwasserstoffregion entspricht. Siehe SH White (vorhergehende und nachfolgende Literaturangaben).
  12. ^ Wiener MC, White SH (Februar 1992). „Struktur einer fluiden Dioleoylphosphatidylcholin-Doppelschicht, bestimmt durch gemeinsame Verfeinerung von Röntgen- und Neutronenbeugungsdaten. III. Vollständige Struktur“ . Biophysical Journal . 61 (2): 434–447 . Bibcode : 1992BpJ....61..434W . doi : 10.1016/ S0006-3495 (92)81849-0 . PMC 1260259. PMID 1547331 .  
  13. ^ Die Dimensionen der Kohlenwasserstoffe variieren mit der Temperatur, der mechanischen Belastung, der PL-Struktur und den Coformulierungsmitteln usw. um einstellige bis niedrige zweistellige Prozentwerte dieser Werte.
  14. ^ Gerle C (Juni 2019). „Essay on Biomembrane Structure“ . The Journal of Membrane Biology . 252 ( 2–3 ): 115–130 . doi : 10.1007/s00232-019-00061-w . PMC 6556169. PMID 30877332 .  
  15. ^ Floor E (Februar 1970). „Interaktion morphogenetischer Gene des Bakteriophagen T4“. Journal of Molecular Biology . 47 (3): 293–306 . doi : 10.1016/0022-2836(70)90303-7 . PMID 4907266 . 
  16. ^ Snustad DP (August 1968). „Dominanzinteraktionen in Escherichia coli-Zellen, die mit Bakteriophage T4D Wildtyp und Amber-Mutanten gemischt infiziert sind, und ihre möglichen Auswirkungen auf die Art der Genproduktfunktion: katalytisch vs. stöchiometrisch“. Virology . 35 (4): 550–63 . doi : 10.1016/0042-6822(68)90285-7 . PMID 4878023 . 

Weiterführende Literatur

Allgemeine Rezensionen

Rezensionen zu bestimmten MAs

  • Valle M (Mai 2011). „Beinahe in der Übersetzung verloren gegangen. Kryo-EM eines dynamischen makromolekularen Komplexes: das Ribosom“. European Biophysics Journal . 40 (5): 589–97 . doi : 10.1007/s00249-011-0683-6 . PMID  21336521. S2CID  26027815 .
  • Monie TP (2017). „Das kanonische Inflammasom: Ein makromolekularer Komplex als Treiber der Entzündung“. Macromolecular Protein Complexes . Subcellular Biochemistry. Band 83. S.  43–73 . doi : 10.1007/978-3-319-46503-6_2 . ISBN 978-3-319-46501-2PMID  28271472 .​
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E (August 2006). „Identifizierung des makromolekularen Komplexes, der für die PI3Kgamma-abhängige Regulation des cAMP-Spiegels verantwortlich ist“. Biochemical Society Transactions . 34 (Pt 4): 502–3 . doi : 10.1042/BST0340502 . PMID  16856844 .

Primärquellen

Andere Quellen

  • Nobelpreise für Chemie (2012), Der Nobelpreis für Chemie 2009, Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, Ada E. Yonath, Der Nobelpreis für Chemie 2009 , abgerufen am 13. Juni 2011.
  • Nobelpreise für Chemie (2012), Der Nobelpreis für Chemie 1982, Aaron Klug, Der Nobelpreis für Chemie 1982 , abgerufen am 13. Juni 2011.