بیوفیزیک مولکولی و ساختاری
چگونگی شکلدهی فیزیک پیوندهای شیمیایی، برهمکنشهای ضعیف و حرکت حرارتی به ساختارهای سهبعدی پروتئینها و اسیدهای نوکلئیک و انرژیزایی نحوه تاخوردگی و اتصال آنها.
Definition
بیوفیزیک مولکولی و ساختاری مطالعه نیروهای فیزیکی، انرژیزایی و دینامیک است که ساختارهای ماکرومولکولهای زیستی و برهمکنشهای بین آنها را تعیین میکند.
Scope
این حوزه اصول فیزیکی حاکم بر ماکرومولکولهای زیستی را پوشش میدهد: چگونه یک زنجیره پلیپپتیدی به یک ساختار بومی تعریفشده تا میخورد، چگونه این ساختار به صورت تجربی تعیین میشود، چگونه ماکرومولکولها یکدیگر را شناسایی کرده و به هم متصل میشوند، و چگونه حرکتهای ساختاری زیربنای عملکرد آنها را تشکیل میدهند. این حوزه ساختار و انرژیزایی را به صورت کمی، با استفاده از ترمودینامیک، مکانیک آماری و روشهای زیستشناسی ساختاری، بررسی میکند، در حالی که زیستشناسی در سطح ارگانیسم را به حوزههای دیگر واگذار میکند.
Sub-topics
Core questions
- چرا یک توالی اسید آمینه به یک ساختار بومی خاص تا میخورد؟
- چگونه ساختارهای ماکرومولکولها با وضوح اتمی به صورت تجربی تعیین میشوند؟
- چه نیروهایی قدرت و اختصاصیت اتصال ماکرومولکولی را تعیین میکنند؟
- چگونه حرکتهای ساختاری، ساختار را به عملکرد بیولوژیکی متصل میکنند؟
Key theories
- فرضیه ترمودینامیکی تاخوردگی
- اصل آنفینسن مبنی بر اینکه ساختار بومی یک پروتئین، ساختار با کمترین انرژی آزاد در شرایط فیزیولوژیکی است و به طور کامل توسط توالی اسید آمینه آن رمزگذاری میشود.
- چشمانداز انرژی آزاد ماکرومولکولها
- حالتها و گذارهای ماکرومولکولی به عنوان حرکت بر روی یک سطح انرژی آزاد چندبعدی توصیف میشوند، بنابراین تاخوردگی، اتصال و تغییرات ساختاری مربوط به نزول به و تبادل بین حداقلهای انرژی هستند.
Mechanisms
پایداری یک ماکرومولکول تاخورده تعادلی از سهمهای بزرگ و تقریباً خنثیکننده آنتالپیک و انتروپیک است: پیوندهای هیدروژنی، بستهبندی واندروالسی، الکترواستاتیک، و به ویژه اثر آبگریز که گروههای غیرقطبی را از آب دور میکند. همین برهمکنشهای ضعیف و برگشتپذیر، که در یک سطح مکمل جمع میشوند، به اتصال، میل ترکیبی و اختصاصیت میبخشند، در حالی که انرژی حرارتی از مرتبه kBT سیستم را در میان ساختارهای قابل دسترس در حال نوسان نگه میدارد. روشهای ساختاری مانند کریستالوگرافی اشعه ایکس برای اولین بار این آرایشها را با وضوح اتمی قابل مشاهده ساختند.
Clinical relevance
از آنجایی که تاخوردگی نادرست و برهمکنشهای ماکرومولکولی غیرعادی زیربنای بسیاری از فرآیندهای بیماری هستند، و از آنجایی که بیشتر داروها با اتصال به یک هدف ماکرومولکولی عمل میکنند، درک فیزیکی ساختار و اتصال که در اینجا توسعه یافته است، به زیستشناسی ساختاری و فارماکولوژی مولکولی کمک میکند. این مطالب توصیفی و آموزشی است، نه مشاوره بالینی.
History
کار پاولینگ بر روی پیوند شیمیایی و عناصر ساختار ثانویه، اولین ساختارهای پروتئینی با وضوح اتمی میوگلوبین و هموگلوبین توسط کندرو و پروتز، و آزمایشهای بازتاخوردگی آنفینسن، همگی ثابت کردند که ساختار ماکرومولکولی یک ویژگی تعیینشده فیزیکی و رمزگذاریشده توسط توالی است که بیوفیزیک ساختاری مدرن را بنیان نهاد.
Key figures
- Christian Anfinsen
- John Kendrew
- Max Perutz
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- kendrew1958
- phillips2012
Frequently asked questions
- تفاوت بین بیوفیزیک مولکولی و بیوشیمی چیست؟
- آنها همپوشانی زیادی دارند، اما بیوفیزیک مولکولی بر نیروهای فیزیکی، انرژیزایی و دینامیک پشت رفتار ماکرومولکولی تأکید دارد، اغلب با استفاده از مدلهای فیزیکی کمی و روشهای ساختاری، در حالی که بیوشیمی بر واکنشهای شیمیایی و مسیرها تأکید میکند.
- چرا اثر آبگریز برای تاخوردگی پروتئین بسیار مهم است؟
- پنهان کردن زنجیرههای جانبی غیرقطبی از آب، مولکولهای آب منظم را آزاد میکند و آنتروپی سیستم را افزایش میدهد، که بخش عمدهای از نیروی محرکه را برای فشرده شدن یک زنجیره به حالت تاخورده فشرده فراهم میکند.