Молекулярная и структурная биофизика
Как физика химических связей, слабых взаимодействий и теплового движения формирует трехмерные структуры белков и нуклеиновых кислот, а также энергетику их сворачивания и связывания.
Definition
Молекулярная и структурная биофизика — это изучение физических сил, энергетики и динамики, которые определяют структуры биологических макромолекул и взаимодействия между ними.
Scope
Эта область охватывает физические принципы, управляющие биологическими макромолекулами: как полипептидная цепь сворачивается в определенную нативную структуру, как эта структура экспериментально определяется, как макромолекулы распознают и связываются друг с другом, и как конформационное движение лежит в основе их функции. Она количественно рассматривает структуру и энергетику, опираясь на термодинамику, статистическую механику и методы структурной биологии, оставляя биологию на уровне организма другим областям.
Sub-topics
Core questions
- Почему аминокислотная последовательность сворачивается в одну конкретную нативную структуру?
- Как экспериментально определяются структуры макромолекул с атомным разрешением?
- Какие силы определяют прочность и специфичность макромолекулярного связывания?
- Как конформационные движения связывают структуру с биологической функцией?
Key theories
- Термодинамическая гипотеза сворачивания
- Принцип Анфинсена, согласно которому нативная структура белка является конформацией с наименьшей свободной энергией в физиологических условиях и полностью кодируется его аминокислотной последовательностью.
- Ландшафт свободной энергии макромолекул
- Состояния и переходы макромолекул описываются как движение по многомерной поверхности свободной энергии, так что сворачивание, связывание и конформационные изменения соответствуют спуску в энергетические минимумы и обмену между ними.
Mechanisms
Стабильность свернутой макромолекулы представляет собой баланс больших, почти компенсирующих друг друга энтальпийных и энтропийных вкладов: водородных связей, ван-дер-ваальсовой упаковки, электростатических взаимодействий и, особенно, гидрофобного эффекта, который скрывает неполярные группы от воды. Те же слабые, обратимые взаимодействия, суммированные по комплементарной поверхности, обеспечивают аффинность и специфичность связывания, в то время как тепловая энергия порядка kBT поддерживает флуктуации системы между доступными конформациями. Структурные методы, такие как рентгеновская кристаллография, впервые сделали эти расположения видимыми с атомным разрешением.
Clinical relevance
Поскольку неправильное сворачивание и аберрантные макромолекулярные взаимодействия лежат в основе многих патологических процессов, и поскольку большинство лекарств действуют путем связывания с макромолекулярной мишенью, физическое понимание структуры и связывания, разработанное здесь, служит основой для структурной биологии и молекулярной фармакологии. Изложение носит описательный и образовательный характер, а не является клиническим советом.
History
Работы Полинга по химической связи и элементам вторичной структуры, первые белковые структуры миоглобина и гемоглобина с атомным разрешением, полученные Кендрю и Перуцем, а также эксперименты Анфинсена по рефолдингу в совокупности установили, что макромолекулярная структура является физически детерминированным, кодируемым последовательностью свойством, что заложило основы современной структурной биофизики.
Key figures
- Christian Anfinsen
- John Kendrew
- Max Perutz
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- kendrew1958
- phillips2012
Frequently asked questions
- В чем разница между молекулярной биофизикой и биохимией?
- Они сильно пересекаются, но молекулярная биофизика акцентирует внимание на физических силах, энергетике и динамике, лежащих в основе макромолекулярного поведения, часто используя количественные физические модели и структурные методы, тогда как биохимия акцентирует внимание на химических реакциях и путях.
- Почему гидрофобный эффект так важен для сворачивания белков?
- Скрытие неполярных боковых цепей от воды высвобождает упорядоченные молекулы воды и увеличивает энтропию системы, обеспечивая большую часть движущей силы, которая сворачивает цепь в компактное свернутое состояние.