Biomolekulska struktura

S Wikipedije, slobodne enciklopedije
Idi na navigaciju Idi na pretragu

Biomolekulska struktura je zamršeni presavijeni trodimenzijski oblik koji nastaje od molekula proteina, DNK ili RNK, što je važno za njihovu funkciju. Struktura ovih molekula može se razmatrati na bilo kojoj od nekoliko skala dužine, u rasponu od nivoa pojedinačnih atoma do odnosa između čitavih proteinskih podjedinica. Ova korisna razlika među skalama često se izražava kao razgradnja molekulske strukture na četiri nivoa: primarni, sekundarni, tercijarni i kvartarni. Skela za ovu multiskalnu organizaciju molekule nastaje na sekundarnom nivou, gdje su osnovni strukturni elementi različita vodikove veze molekula. To dovodi do nekoliko prepoznatljivih domena strukture proteina i strukture nukleinskih kiselina, uključujući takve karakteristike sekundarne strukture kao što su alfa-heliksi i beta-listovi za proteine , i ukosnica, ispupčenja i unutrašnje petlje za nukleinske kiseline. Pojmove "primarna", "sekundarna", "tercijarna" i "kvartarna struktura" uveo je Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang u svojim medicinskim predavanjima na Lane Mdical, Stanford University, 1951.

Primarna struktura[uredi | uredi izvor]

Primarna struktura biopolimera je precizan raspored njegovog atomskog sastava i hemijskih veza koje povezuju te atome (uključujući stereohemijska svojstva). Za tipiski nerazgranati, neukršteni biopolimer (kao što je molekula tipskog unutarćelijskog proteina, ili DNK i RNK, primarna struktura je ekvivalentna preciziranju sekvence njegovih monomernih podjedinica, kao što su peptidi ili nukleotidi.

Primarna struktura proteina

Primarna struktura se ponekad greškom naziva primarnom sekvencom, ali ne postoji takav pojam, niti postoji paralelni koncept sekundarne ili tercijarne sekvence. Po konvenciji, primarna struktura proteina se javlja od amino kraja (N-kraj) do karboksilnog završetka (C-kraj), dok se primarna struktura molekule DNK ili RNK javlja od 5' kraja do 3' kraja.

Primarna struktura molekule nukleinih kiselina odnosi se na tačan niz nukleotida koji sačinjavaju cijelu molekulu. Nadređena struktura, pritom, kodira motive sekvence koji su od funkcijske važnosti. Primjeri takvih rstruktura uključuju: C/D kutije1H/ACA2snoRNA, LSm mjesta vezanja pronađena u prerađenoj RNK kao što su U1, U2, U4, U5, U6, U12 i U3, Shine-Dalgarnova sekvenca, 3Kozakov slijed konsenzusa 4 i polimeraza III RNK terminator.[1][2][3]

Sekundarna struktura[uredi | uredi izvor]

Sekundarna struktura proretna: alfa-heliks
Sekundarna struktura proteina: beta-list

Sekundarna struktura je određena obrascem vodikovih veza u biopolimeru. Oni određuju ukupni trodimenzijski oblik lokalnih segmenata biopolimera, ali ne čine ukupnu strukturu specifičnih atomskih položaja u trodimenzijskom prostoru, koja se smatra tercijarnom strukturom. Sekundarna struktura je formalno definirana vodikovim vezama biopolimera, što se vidi u strukturi atomske rezolucije.[4][5]

U proteinima, sekundarna struktura je definirana obrascima vodikovih veza između amina i karboksilnih grupa glavnog lanca (sekundarne bočno-lančane vodikove veze i bočni lanac su nevažni), gdje se koristi DSSP definicija vodikove veze. Kod nukleinskih kiselina, sekundarna struktura je definirana vodikovom vezom između dušičnih baza.

Međutim, u sekundarnoj strukturi proteina, vezanje vodika je korelirano sa drugim strukturnim karakteristikama, što rezultira manje formalnim definicijama sekundarne strukture. Naprimjer, u općim proteinskim ostacima, propeleri usvajaju glavne diedarske uglove u nekim regijama Ramachandranov dijagram; stoga se segment s takvim diedarskim uglovima često naziva propeler, bez obzira da li ima pravu vodikovu vezu . Predložene su i mnoge druge manje formalne definicije, koje često primjenjuju koncepte geometrijski različite krive, kao što su zakrivljenosti i uvijanja. U strukturnoj biologiji , u riješavanju novih struktura atomske rezolucije ponekad se dodeljuje njena sekundarna struktura gledajući golimm okom i zapisuju njena kartologija u odgovarajućem dijelu datoteke pod imenom Proteinska banka podataka (PDB).

Sekundarna struktura RNK
Sekundarna (umetnuta) i tercijarna struktura tRNA sa koaksijalnim slaganjem 6TNA

Sekundarna struktura molekula nukleinske kiseline odnosi se na interakcije spajanja baza unutar molekule koja djeluje ili skupa molekula. Sekundarna struktura RNK često se može jedinstveno razgraditi na stabljike i petlje. Ovi elementi ili njihove kombinacije mogu se dalje klasificirati, na primjer, tetrapetlje, pseudočvorovi i matične petlje. Postoji mnogo elemenata sekundarne strukture od funkcijskog značaja za djelovanje RNK. Poznati primjeri uključuju Rho neovisne završne matične petlje i djeteline transportne RNK (tRNK). Postoji čitava mala industrija istraživača koja pokušavaju utvrditi sekundarnu strukturu molekula RNK. Pristupi uključuju eksperimentalne i računarske metode.

Tercijarnastruktura[uredi | uredi izvor]

Tercijarna struktura RNK

Tercijarna struktura proteina ili bilo koje druge makromolekule je njihova trodimenzijska struktura, kao što je definirana atomskim koordinatama. Proteini i nukleinske kiseline se savijaju se u kompleksne trodimenzijske strukture, koje rezultiraju molekulskim funkcijama. Dok su takve strukture raznolike i složene, često su sačinjene od rekurentnih i prepoznatljivih motiva tercijarne strukture i domena koji služe kao molekulski gradivni blokovi. Smatra se da je tercijarna struktura uglavnom određena primarnom strukturom biomolekule (njen slijed aminokiselina ili nukleotida).

Kvaternarna struktura[uredi | uredi izvor]

Kvaternarna struktura proteina: Hemoglobin sa svojim podjedinicama

Kvaternarina struktura odnosi se na broj i raspored više molekula proteina u kompleksu višestrukih podjedinica. Za nukleiinske kiseline, termin je rijedak, ali se može odnositi na organizaciju DNK na visokom nivou u hromatinu, uključujući njihove interakcije s histonima ili interakcije između odvojenih RNK jedinica u ribosomu ili splajsosomu.

Određivanje strukture[uredi | uredi izvor]

Strukturni prostor tRNK-Phe Saccharomyces cerevisiae: energije i strukture izračunate su pomoću RNKsubopt-a, a rastojanja u strukturi ipomoću RNK-distance.

Istraživanje strukture je proces kojim se za određivanje biomolekulske strukture koriste biohemijske tehnike. Ova analiza može se koristiti za definiranje obrazaca koji se mogu koristiti za interfericiranje molekulske strukture, njenu eksperimentalnu analizu i funkcije, te veće razumijevanje razvoja manjih molekula za buduća biološka istraživanja.[6]

Strukture proteina i nukleinske kiseline mogu se odrediti pomoću spektroskopske nuklearne magnetne rezonance (NMR) ili rendgenskom kristalografijom ili krioelektronskom mikroskopijom sa jednim česticama (cryoEM). Prvi objavljeni izveštaji za DNK (Rosalind Franklin i Raymond Gosling, 1953.) A-DNK obrazacaci difrakcije X-zraka – a također i B-DNK – korištene analize zasnovane na Paterssonovoj funkciji transformacija koje su dale samo ograničenu količinu strukturnih informacija za orijentirana vlakna DNK, izolirane iz telećeg timusa.[7][8] Alternativnu analizu predložili su Wilkins i suradnici 1953., za B-DNK, rendgenskom difrakcijom i obrascem rasipanja hidriranih, bakterijski orijentiranih DNK vlakana, te glava spermatozoida pastrmke u obliku kvadrata Besselovih funkcija.[9] Iako je B-DNK oblik najčešći pod uvjetima koji se nalaze u ćelijama,[10] to nije dobro definirana konformacija, nego porodica ili nejasan skup DNK konformacija koje se javljaju na visokim nivoima hidratacije prisutnim u širokom spektru živih ćelija.[11] Njihovi odgovarajući obrasci difrakcije i rasijanja rendgenskih zraka karakteristični su za molekulske paračvorove, sa značajnim stepenom poremećaja (preko 20%),[12][13] a struktura se ne može iskoristiti pomoću samo standardne analize.

Sondiranje strukture je postupak kojim se biohemijske tehnike koriste za određivanje biomolekulske strukture. Ova analiza može se koristiti za definiranje obrazaca koji se mogu koristiti za zaključivanje o molekulskoj strukturi, eksperimentalnu analizu te strukture i funkcije i daljnje razumijevanje razvoja manjih molekula za dalja biološka istraživanja.[14] Analiza strukturnog sondiranja može se provesti mnogim različitim metodima, koje uključuju hemijsko sondiranje, sondiranje hidroksilnih radikala, mapiranje analognih interferencija nukleotida (NAIM) i linijsko sondiranje.[6]

Nasuprot tome, standardna analiza koja uključuje samo Fourierovu transformaciju s Besselovim funkcijama [15] i molekulskim modelima DNK i dalje se rutinski koriste za analizu A-DNK i Z-DNK obrazaca difrakcije X-zraka[16][17] Primjenjuju se za određivanje genskih veze između ovih položaja. Pokazalo se da je opći problem predviđanja pseudočvorova NP-kompleta.[18]

Predviđanje strukture[uredi | uredi izvor]

Predviđanje biomolekularne strukture je predviđanje trodimenzionalne strukture proteina iz njegovog sekvence aminokiselina, ili iz nukleirne kiseline iz njegovog nukleobaznog (baznog) slijeda. Drugim riječima, to je predviđanje sekundarne i tercijarne strukture iz njene primarne strukture. Predviđanje strukture je inverzno biomolekularnog dizajna, kao što su racionalni dizajn, proteinski dizajn, dizajn nukleirne kiseline i biomolekularni inženjering.[17][19] For longer molecules, the number of possible secondary structures is vast.[17] Predviđanje strukture proteina je jedan od najvažnijih ciljeva koji se gone bioinformatičkom i teoretskom hemijom. Predviđanje strukture proteina je od velike važnosti u medicini (npr. u dizajnu lijekova)i biotehnologiji (npr. u dizajnu novih enzima). Svake dvije godine, izvedba tadašnjih metoda se ocjenjuje u kritičnom eksperimentu procjene predviđanja strukture proteina (CASP).[19] Za duže molekule broj mogućih sekundarnih struktura je ogroman.[17]

Tu je i značajna količina bioinformatičkih istraživanja u cilju predviđanja RNK strukture. Čest problem za istraživanja RNK je određivanje trodimenzijske strukture molekule s obzirom samo na sekvencu nukleinske kiseline. Međutim, u slučaju RNK, dio konačne strukture određen je sekundarnom strukturom ili interakcijama uparivanja intramolekulskih baza molekule. To je pokazano nalazima visoko očuvanih baznih parova u raznim vrstama.

Sekundarna struktura malih molekula nukleinih kiselina u velikoj je veličini određena jakim lokalnim interakcijama, kao što su vodikove veze i parovi baza. Dodavanje slobodne energije za takve interakcije, obično koristeći metod najbližeg susjeda,pruža aproksimaciju za stabilnost date strukture. Najlakši način da se pronađe najniža struktura slobodne energije bio bi generiranje što više struktura i izračunavanje slobodne energije za njih, ali broj mogućih struktura za sekvencu eksponencijalno se povećava sa dužinom molekule. Za duže molekule, broj mogućih sekundarnih struktura je ogroman.

Metodi kovarijanse sekvenci zasnovani su na postojanju setova podataka, od više homolognih RNK sekvenci sa srodnim, ali različitim sekvencama. Ovi metod analiziraju kovarijansu razvijanja pojedinačnih baznih lokacija; održavanje na dva mjesta široko odvojena od uparivanja nukleotidnih baza, ukazuje na prisustvo strukturno potrebne vodikove veze između tih položaja. Pokazalo se da je glavni problem predviđanje pseudočvorova u NP-kompletima.

Dizajn[uredi | uredi izvor]

Dizajniranje biomolekula može se smatrati inverzijom predviđanja strukture. U predviđanju strukture, ona je određena iz poznate sekvence, dok se, u dizajnu proteina ili nukleinih kiselina, generira sekvenca koja će formirati željenu strukturu.

Ostale biomolekule[uredi | uredi izvor]

Druge biomolekule, kao što su polisaharidi, polifenoli i lipidi,također mogu imati viši nivo biološke strukture.

Također pogledajte[uredi | uredi izvor]

Reference[uredi | uredi izvor]

  1. ^ Samarsky DA, Fournier MJ, Singer RH, Bertrand E (juli 1998). "The snoRNA box C/D motif directs nucleolar targeting and also couples snoRNA synthesis and localization". The EMBO Journal. 17 (13): 3747–57. doi:10.1093/emboj/17.13.3747. PMC 1170710. PMID 9649444.
  2. ^ Ganot P, Caizergues-Ferrer M, Kiss T (april 1997). "The family of box ACA small nucleolar RNAs is defined by an evolutionarily conserved secondary structure and ubiquitous sequence elements essential for RNA accumulation". Genes & Development. 11 (7): 941–56. doi:10.1101/gad.11.7.941. PMID 9106664.
  3. ^ Shine J, Dalgarno L (mart 1975). "Determinant of cistron specificity in bacterial ribosomes". Nature. 254 (5495): 34–38. Bibcode:1975Natur.254...34S. doi:10.1038/254034a0. PMID 803646.
  4. ^ Kozak M (oktobar 1987). "An analysis of 5'-noncoding sequences from 699 vertebrate messenger RNAs". Nucleic Acids Research. 15 (20): 8125–48. doi:10.1093/nar/15.20.8125. PMC 306349. PMID 3313277.
  5. ^ Bogenhagen DF, Brown DD (april 1981). "Nucleotide sequences in Xenopus 5S DNA required for transcription termination". Cell. 24 (1): 261–70. doi:10.1016/0092-8674(81)90522-5. PMID 6263489.
  6. ^ a b Teunissen, A. W. M. (1979). RNA Structure Probing: Biochemical structure analysis of autoimmune-related RNA molecules. str. 1–27. ISBN 978-90-901323-4-1.
  7. ^ Franklin RE, Gosling RG (6. 3. 1953). "The Structure of Sodium Thymonucleate Fibres (I. The Influence of Water Content, and II. The Cylindrically Symmetrical Patterson Function)" (PDF). Acta Crystallogr. 6 (8): 673–78. doi:10.1107/s0365110x53001939.
  8. ^ Franklin RE, Gosling RG (april 1953). "Molecular configuration in sodium thymonucleate". Nature. 171 (4356): 740–41. Bibcode:1953Natur.171..740F. doi:10.1038/171740a0. PMID 13054694.
  9. ^ Wilkins MH, Stokes AR, Wilson HR (april 1953). "Molecular structure of deoxypentose nucleic acids". Nature. 171 (4356): 738–40. Bibcode:1953Natur.171..738W. doi:10.1038/171738a0. PMID 13054693.
  10. ^ Leslie AG, Arnott S, Chandrasekaran R, Ratliff RL (oktobar 1980). "Polymorphism of DNA double helices". Journal of Molecular Biology. 143 (1): 49–72. doi:10.1016/0022-2836(80)90124-2. PMID 7441761.
  11. ^ Baianu, I. C. (1980). "Structural Order and Partial Disorder in Biological systems". Bull. Math. Biol. 42 (1): 137–41. doi:10.1007/BF02462372.
  12. ^ Hosemann R, Bagchi RN (1962). Direct analysis of diffraction by matter. Amsterdam/New York: North-Holland.
  13. ^ Baianu IC (1978). "X-ray scattering by partially disordered membrane systems". Acta Crystallogr. A. 34 (5): 751–53. Bibcode:1978AcCrA..34..751B. doi:10.1107/s0567739478001540.
  14. ^ Pace NR, Thomas BC, Woese CR (1999). Probing RNA Structure, Function, and History by Comparative Analysis. Cold Spring Harbor Laboratory Press. str. 113–17. ISBN 978-0-87969-589-7.
  15. ^ "Bessel functions and diffraction by helical structures". planetphysics.org.[trajno mrtav link]
  16. ^ "X-Ray Diffraction Patterns of Double-Helical Deoxyribonucleic Acid (DNA) Crystals". planetphysics.org. Arhivirano s originala, 24. 7. 2009.
  17. ^ a b c d Mathews DH (juni 2006). "Revolutions in RNA secondary structure prediction". Journal of Molecular Biology. 359 (3): 526–32. doi:10.1016/j.jmb.2006.01.067. PMID 16500677.
  18. ^ Lyngsø RB, Pedersen CN (2000). "RNA pseudoknot prediction in energy-based models". Journal of Computational Biology. 7 (3–4): 409–27. doi:10.1089/106652700750050862. PMID 11108471.
  19. ^ a b Zuker M, Sankoff D (1984). "RNA secondary structures and their prediction". Bull. Math. Biol. 46 (4): 591–621. doi:10.1007/BF02459506.

Vanjski linkovi[uredi | uredi izvor]