
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.

Biomolekularer Komplex

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:
- Proteinkomplexe , von denen einige Multienzymkomplexe sind : Proteasom , DNA-Polymerase-III-Holoenzym , RNA-Polymerase-II-Holoenzym , symmetrische Viruskapside , Chaperoninkomplex GroEL - GroES , Photosystem I , ATP-Synthase , Ferritin .
- RNA-Protein-Komplexe: Ribosom , Spliceosom , Vault , SnRNP . Solche Komplexe im Zellkern werden Ribonukleoproteine (RNPs) genannt.
- DNA-Protein-Komplexe: Nukleosom .
- Protein-Lipid-Komplexe: Lipoprotein . [ 7 ] [ 8 ]
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.


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
- Mehrzustandsmodellierung von Biomolekülen
- Quartärstruktur
- Multiproteinkomplex
- Organelle : Die weitestgehende Definition von „Organelle“ umfasst nicht nur membrangebundene Zellstrukturen, sondern auch sehr große biomolekulare Komplexe.
- Mehrzustandsmodellierung von Biomolekülen
Referenzen
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Weiterführende Literatur
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Primärquellen
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Andere Quellen
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Externe Links
- Beck Group (2019), Struktur und Funktion großer makromolekularer Komplexe (Homepage der Beck Group), Beck Group - Struktur und Funktion großer molekularer Komplexe - EMBL , abgerufen am 13. Juni 2011.
- DMA Group (2019), Dynamik der makromolekularen Assemblierung (DMA Group Homepage), Abschnitt Dynamik der makromolekularen Assemblierung | Nationales Institut für biomedizinische Bildgebung und Bioengineering , abgerufen am 13. Juni 2011.