ชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและโครงสร้าง
ฟิสิกส์ของพันธะเคมี ปฏิกิริยาอ่อน และการเคลื่อนที่เชิงความร้อน มีอิทธิพลต่อโครงสร้างสามมิติของโปรตีนและกรดนิวคลีอิก รวมถึงพลังงานที่เกี่ยวข้องกับการพับตัวและการจับกันของโมเลกุลเหล่านี้ได้อย่างไร
Definition
ชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและโครงสร้าง คือการศึกษาแรงทางฟิสิกส์ พลังงาน และพลวัตที่กำหนดโครงสร้างของมาโครโมเลกุลทางชีวภาพและปฏิกิริยาระหว่างกัน
Scope
สาขาวิชานี้ครอบคลุมหลักการทางฟิสิกส์ที่ควบคุมมาโครโมเลกุลทางชีวภาพ: สายโพลีเปปไทด์พับตัวเป็นโครงสร้างธรรมชาติที่กำหนดได้อย่างไร, โครงสร้างนั้นถูกกำหนดด้วยการทดลองอย่างไร, มาโครโมเลกุลจดจำและจับกันได้อย่างไร, และการเคลื่อนที่ของโครงสร้างพื้นฐานรองรับการทำงานของมันอย่างไร สาขาวิชานี้จะพิจารณาโครงสร้างและพลังงานเชิงปริมาณ โดยอาศัยอุณหพลศาสตร์ กลศาสตร์เชิงสถิติ และวิธีการทางชีววิทยาโครงสร้าง ในขณะที่ชีววิทยาระดับสิ่งมีชีวิตจะถูกจัดอยู่ในสาขาอื่น
Sub-topics
Core questions
- เหตุใดลำดับกรดอะมิโนจึงพับตัวเป็นโครงสร้างธรรมชาติที่จำเพาะเจาะจงเพียงโครงสร้างเดียว?
- โครงสร้างระดับอะตอมของมาโครโมเลกุลถูกกำหนดด้วยการทดลองได้อย่างไร?
- แรงใดที่กำหนดความแข็งแรงและความจำเพาะเจาะจงของการจับกันของมาโครโมเลกุล?
- การเคลื่อนที่ของโครงสร้างเชื่อมโยงโครงสร้างกับการทำงานทางชีวภาพได้อย่างไร?
Key theories
- สมมติฐานทางอุณหพลศาสตร์ของการพับตัว
- หลักการของ Anfinsen ที่ว่าโครงสร้างธรรมชาติของโปรตีนคือโครงสร้างที่มีพลังงานอิสระต่ำที่สุดภายใต้สภาวะทางสรีรวิทยา และถูกเข้ารหัสทั้งหมดโดยลำดับกรดอะมิโนของมัน
- ภูมิทัศน์พลังงานอิสระของมาโครโมเลกุล
- สถานะและการเปลี่ยนแปลงของมาโครโมเลกุลถูกอธิบายว่าเป็นการเคลื่อนที่บนพื้นผิวพลังงานอิสระหลายมิติ ดังนั้นการพับตัว การจับกัน และการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจึงสอดคล้องกับการเคลื่อนลงสู่และการแลกเปลี่ยนระหว่างจุดต่ำสุดของพลังงาน
Mechanisms
ความเสถียรของมาโครโมเลกุลที่พับตัวแล้วเป็นผลจากความสมดุลของเอนทาลปีและเอนโทรปีที่มีขนาดใหญ่และเกือบจะหักล้างกัน: พันธะไฮโดรเจน, การจัดเรียงแบบแวนเดอร์วาลส์, แรงไฟฟ้าสถิต, และโดยเฉพาะอย่างยิ่งผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำ (hydrophobic effect) ที่ทำให้กลุ่มที่ไม่ชอบน้ำถูกซ่อนจากน้ำ ปฏิกิริยาอ่อนที่ผันกลับได้เหล่านี้ เมื่อรวมกันทั่วทั้งส่วนต่อประสานที่เข้ากันได้ จะทำให้เกิดความจำเพาะเจาะจงและความสามารถในการจับกัน ในขณะที่พลังงานความร้อนในระดับ kBT ทำให้ระบบมีการผันผวนระหว่างโครงสร้างที่เข้าถึงได้ วิธีการทางโครงสร้าง เช่น การเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (X-ray crystallography) เป็นวิธีแรกที่ทำให้การจัดเรียงเหล่านี้มองเห็นได้ในระดับอะตอม
Clinical relevance
เนื่องจากการพับตัวที่ผิดปกติและปฏิกิริยามาโครโมเลกุลที่ผิดปกติเป็นสาเหตุของกระบวนการเกิดโรคหลายชนิด และเนื่องจากยาส่วนใหญ่ทำงานโดยการจับกับเป้าหมายมาโครโมเลกุล ความเข้าใจทางฟิสิกส์ของโครงสร้างและการจับกันที่พัฒนาขึ้นในสาขานี้จึงเป็นประโยชน์ต่อชีววิทยาโครงสร้างและเภสัชวิทยาโมเลกุล การนำเสนอเนื้อหาเป็นเชิงพรรณนาและให้ความรู้ ไม่ใช่คำแนะนำทางการแพทย์
History
ผลงานของ Pauling เกี่ยวกับพันธะเคมีและองค์ประกอบโครงสร้างทุติยภูมิ, โครงสร้างโปรตีนในระดับอะตอมแรกของไมโอโกลบินและฮีโมโกลบินโดย Kendrew และ Perutz, และการทดลองการพับตัวใหม่ของ Anfinsen ได้ร่วมกันยืนยันว่าโครงสร้างมาโครโมเลกุลเป็นคุณสมบัติที่กำหนดโดยฟิสิกส์และถูกเข้ารหัสโดยลำดับ ซึ่งเป็นรากฐานของชีวฟิสิกส์โครงสร้างสมัยใหม่
Key figures
- Christian Anfinsen
- John Kendrew
- Max Perutz
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- kendrew1958
- phillips2012
Frequently asked questions
- ชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลและชีวเคมีแตกต่างกันอย่างไร?
- ทั้งสองสาขามีความทับซ้อนกันอย่างมาก แต่ชีวฟิสิกส์ระดับโมเลกุลเน้นแรงทางฟิสิกส์ พลังงาน และพลวัตที่อยู่เบื้องหลังพฤติกรรมของมาโครโมเลกุล โดยมักใช้แบบจำลองทางฟิสิกส์เชิงปริมาณและวิธีการทางโครงสร้าง ในขณะที่ชีวเคมีเน้นปฏิกิริยาเคมีและวิถีการทำงาน
- เหตุใดผลกระทบจากภาวะไม่ชอบน้ำจึงมีความสำคัญต่อการพับตัวของโปรตีน?
- การซ่อนสายโซ่ข้างที่ไม่ชอบน้ำออกจากน้ำจะปลดปล่อยโมเลกุลน้ำที่มีการจัดเรียงตัว และเพิ่มเอนโทรปีของระบบ ซึ่งเป็นแรงขับเคลื่อนสำคัญที่ทำให้สายโซ่ยุบตัวเป็นสถานะที่พับตัวอย่างกะทัดรัด