Wikipedia

Molekularno prepoznavanje

Izraz molekularno prepoznavanje odnosi se na specifičnu interakciju između dva ili više molekula putem nekovalentne veze kao što je vodonična veza, koordinacija metala, hidrofobne sile,[3] [4] van der Waalsove sile, π-π interakcije, halogena veza ili efekti rezonantne interakcije[5]. Pored ovih direktnih interakcija, rastvarači mogu igrati dominantnu indirektnu ulogu u pokretanju molekularnog prepoznavanja u otopini. [6] [7] Domaćin i gost uključeni u molekularno prepoznavanje pokazuju molekularnu komplementarnost. Izuzetak su molekularni kontejneri,[8] [9] uključujući npr. nanocijevi, u kojima portali u suštini kontrolišu selektivnost. [10] [11] [12]

Kristalna struktura kratkog peptida L-Lys-D-Ala-D-Ala (prekursora ćelijskog zida bakterije) vezanog za antibiotik vankomicin putem vodikovih veza [1]
Kristalna struktura dvije izoftalne kiseline vezane za molekulu domaćina vodoničnim vezama [2]
Statičko prepoznavanje između jednog gosta i mjesta vezanja jednog domaćina. Kod dinamičkog prepoznavanja vezivanja prvi gost na prvom mjestu vezivanja inducira promjenu konformacije koja utiče na konstantu asocijacije drugog gosta na drugom mjestu vezivanja. U ovom slučaju radi se o pozitivnom alosteričnom sistemu.

Biološki sistemi

uredi
 
Ribosom je biološka mašina koja koristi dinamiku proteina na nanoskalama za prevođenje RNK u proteine

Molekularno prepoznavanje igra važnu ulogu u biološkim sistemima i opaža se između receptor-ligand, [13] [14] antigen - antitijelo, DNK - protein, šećer - lektin, RNA - ribozom, itd. Važan primjer molekularnog prepoznavanja je antibiotik vankomicin koji se selektivno veže za peptide s terminalnim D-alanil-D-alaninom u bakterijskim ćelijama preko pet vodikovih veza. Vankomicin je smrtonosan za bakterije jer kada se jednom veže za ove specifične peptide, ne mogu se koristiti za izgradnju ćelijskog zida bakterije. 

Sintetičko molekularno prepoznavanje

uredi

Nedavni radovi sugerišu da se elementi molekularnog prepoznavanja mogu sintetički proizvesti na nano-skali,[15] zaobilazeći potrebu za prirodnim elementima molekularnog prepoznavanja za razvoj senzorskih alata za male molekule. Bio-mimetički polimeri kao što su molekularno utisnuti polimeri [16] i peptoidi mogu se koristiti za prepoznavanje većih bioloških ciljeva kao što su proteini [17], a konjugacija polimera sa sintetičkim fluorescentnim nanomaterijalima može stvoriti sintetičke makromolekularne strukture koje služe kao sintetička antitijela za optički protein prepoznavanje i detekciju. [18] [19]

Supramolekularni sistemi

uredi

Hemičari su pokazali da se mogu dizajnirati mnogi umjetni supramolekularni sistemi koji pokazuju molekularno prepoznavanje. [20] Jedan od najranijih primjera takvog sistema su krunski eteri koji su sposobni da selektivno vežu specifične katjone. Međutim, od tada su uspostavljeni brojni vještački sistemi.

Statički vs. dinamički

uredi

Molekularno prepoznavanje se može podijeliti na statičko molekularno prepoznavanje i dinamičko molekularno prepoznavanje. Statičko molekularno prepoznavanje se poredi sa interakcijom između ključa i ključaonice; to je reakcija kompleksiranja tipa 1:1 između molekula domaćina i molekula gosta kako bi se formirao kompleks domaćin-gost. Da bi se postiglo napredno statičko molekularno prepoznavanje, potrebno je napraviti mjesta za prepoznavanje specifičnih za gostujuće molekule.

U slučaju dinamičkog molekularnog prepoznavanja, vezivanje prvog gosta za prvo vezno mjesto domaćina utiče na konstantu asocijacije drugog gosta sa drugim mjestom vezivanja, što dovodi do saradnje vezivanja. [21] U slučaju pozitivnih alosteričnih sistema, vezivanje prvog gosta povećava asocijacijsku konstantu drugog gosta. Dok za negativne alosterične sisteme vezivanje prvog gosta smanjuje asocijacijsku konstantu sa drugim. Dinamička priroda ove vrste molekularnog prepoznavanja je posebno važna jer obezbjeđuje mehanizam za regulaciju vezivanja u biološkim sistemima. Dinamičko molekularno prepoznavanje može poboljšati sposobnost razlikovanja između nekoliko konkurentskih ciljeva putem mehanizma konformacijskog lektoriranja. Dinamičko molekularno prepoznavanje se također proučava za primjenu u visoko funkcionalnim hemijskim senzorima i molekularnim uređajima.

Složenost

uredi

Nedavna studija zasnovana na molekularnim simulacijama i konstantama usklađenosti opisuje molekularno prepoznavanje kao fenomen organizacije. Čak i za male molekule kao što su ugljikohidrati, proces prepoznavanja se ne može predvidjeti ili dizajnirati čak ni pod pretpostavkom da je snaga svake pojedinačne vodikove veze tačno poznata. [22] Međutim, kako su Mobley i ostali [23] zaključili, precizno predviđanje događaja molekularnog prepoznavanja treba da ide dalje od statičnog snimka jednog kadra između gosta i domaćina. Entropije su ključni faktori koji doprinose termodinamici vezivanja i moraju se uzeti u obzir kako bi se preciznije predvideo proces prepoznavanja.[24] Entropije se rijetko mogu uočiti u jednostrukim vezanim strukturama (statična slika).

Intragenska komplementacija

uredi

Jehle [25] je istakao da, kada se urone u tekućinu i pomiješaju s drugim molekulima, sile fluktuacije naboja pogoduju povezivanju identičnih molekula kao najbližih susjeda. U skladu sa ovim principom, višestruke kopije polipeptida kodiranog genom često se međusobno molekularno prepoznaju kako bi formirale uređenu multi-polipeptidnu proteinsku strukturu. Kada je takav protein formiran od polipeptida proizvedenih od strane dva različita mutantna alela određenog gena, protein sastavljen od mješavine polipeptida može pokazati veću funkcionalnu aktivnost od multi-polipeptidnog proteina koji formira svaki od mutanata sam. U takvom slučaju, fenomen se naziva intragenska komplementacija.

Intragenska komplementacija (također nazvana interalelna komplementacija) je demonstrirana u mnogim različitim genima u različitim organizmima.[26] Crick i Orgel [27] analizirali su rezultate takvih studija i došli do zaključka da intragenska komplementacija, općenito, nastaje interakcijom različito defektnih polipeptidnih monomera kada formiraju uređeni agregat koji su nazvali „multimer“.

Reference

uredi
  1. ^ Knox, James R.; Pratt, R. F. (July 1990). "Different modes of vancomycin and D-alanyl-D-alanine peptidase binding to cell wall peptide and a possible role for the vancomycin resistance protein" (Free full text). Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 34 (7): 1342–7. doi:10.1128/AAC.34.7.1342. PMC 175978. PMID 2386365.
  2. ^ Bielawski, Christopher; Chen, Yuan-Shek; Zhang, Peng; Prest, Peggy-Jean; Moore, Jeffrey S. (1998). "A modular approach to constructing multi-site receptors for isophthalic acid". Chemical Communications (12): 1313–4. doi:10.1039/a707262g.
  3. ^ Lockett, M. R.; Lange, H.; Breiten, B.; Heroux, A.; Sherman, W.; Rappoport, D.; Yau, P. O.; Snyder, P. W.; Whitesides, G. M. (2003). "The Binding of Benzoarylsulfonamide Ligands to Human Carbonic Anhydrase is Insensitive to Formal Fluorination of the Ligand". Angew. Chem. Int. Ed. 52 (30): 7714–7717. doi:10.1002/anie.201301813. PMID 23788494.
  4. ^ Breiten, B.; Lockett, M. R.; Sherman, W.; Fujita, S.; Al-Sayah, M.; Lange, H.; Bowers, C. M.; Heroux, A.; Krilov, G. (2013). "Water Networks Contribute to Enthalpy/Entropy Compensation in Protein–Ligand Binding". J. Am. Chem. Soc. 135 (41): 15579–15584. doi:10.1021/ja4075776. PMID 24044696.
  5. ^ Cosic, I (1994). "Macromolecular bioactivity: is it resonant interaction between macromolecules?—theory and applications". IEEE Transactions on Bio-Medical Engineering. 41 (12): 1101–14. doi:10.1109/10.335859. PMID 7851912.
  6. ^ Baron, Riccardo; Setny, Piotr; McCammon, J. Andrew (2010). "Water in Cavity-Ligand Recognition". Journal of the American Chemical Society. 132 (34): 12091–12097. doi:10.1021/ja1050082. PMC 2933114. PMID 20695475.
  7. ^ Baron, Riccardo; McCammon, J. Andrew (2013). "Molecular Recognition and Ligand Binding". Annual Review of Physical Chemistry. 64: 151–175. Bibcode:2013ARPC...64..151B. doi:10.1146/annurev-physchem-040412-110047. PMID 23473376.
  8. ^ Cram, D. J.; Cram, J. M. Container molecules and their guests; Royal Society of Chemistry: Cambridge, 1997. ISBN 0851869726
  9. ^ Brotin, Thierry; Dutasta, Jean-Pierre (2009). "Cryptophanes and Their Complexes—Present and Future". Chemical Reviews. 109 (1): 88–130. doi:10.1021/cr0680437. PMID 19086781.
  10. ^ Gellman, Samuel H. (1997). "Introduction: Molecular Recognition". Chemical Reviews. 97 (5): 1231–1232. doi:10.1021/cr970328j. PMID 11851448.
  11. ^ Dipankar Chatterji , Basics of Molecular Recognition, CRC Press; 2016, ISBN 1482219689
  12. ^ Molecular Recognition and Polymers: Control of Polymer Structure and Self-Assembly V. Rotello, S. Thayumanavan, Eds. Wiley ,2008 ISBN 0470277386
  13. ^ Lockett, M. R.; Lange, H.; Breiten, B.; Heroux, A.; Sherman, W.; Rappoport, D.; Yau, P. O.; Snyder, P. W.; Whitesides, G. M. (2003). "The Binding of Benzoarylsulfonamide Ligands to Human Carbonic Anhydrase is Insensitive to Formal Fluorination of the Ligand". Angew. Chem. Int. Ed. 52 (30): 7714–7717. doi:10.1002/anie.201301813. PMID 23788494.
  14. ^ Breiten, B.; Lockett, M. R.; Sherman, W.; Fujita, S.; Al-Sayah, M.; Lange, H.; Bowers, C. M.; Heroux, A.; Krilov, G. (2013). "Water Networks Contribute to Enthalpy/Entropy Compensation in Protein–Ligand Binding". J. Am. Chem. Soc. 135 (41): 15579–15584. doi:10.1021/ja4075776. PMID 24044696.
  15. ^ Zhang, Jingqing (2013). "Molecular recognition using corona phase complexes made of synthetic polymers adsorbed on carbon nanotubes". Nature Nanotechnology. 8 (12): 959–968. Bibcode:2013NatNa...8..959Z. doi:10.1038/nnano.2013.236. PMC 5051352. PMID 24270641. Nepoznati parametar |displayauthors= zanemaren (prijedlog zamjene: |display-authors=) (pomoć)
  16. ^ Sullivan, Mark V.; Dennison, Sarah R.; Archontis, Georgios; Reddy, Subrayal M.; Hayes, Joseph M. (5 July 2019). "Toward Rational Design of Selective Molecularly Imprinted Polymers (MIPs) for Proteins: Computational and Experimental Studies of Acrylamide Based Polymers for Myoglobin". The Journal of Physical Chemistry B. 123 (26): 5432–5443. doi:10.1021/acs.jpcb.9b03091.
  17. ^ Mannige, Ranjan V.; Haxton, Thomas K.; Proulx, Caroline; Robertson, Ellen J.; Battigelli, Alessia; Butterfoss, Glenn L.; Zuckermann, Ronald N.; Whitelam, Stephen (2015-10-15). "Peptoid nanosheets exhibit a new secondary-structure motif". Nature (jezik: engleski). 526 (7573): 415–420. Bibcode:2015Natur.526..415M. doi:10.1038/nature15363. ISSN 0028-0836. PMID 26444241.
  18. ^ Sullivan, Mark V; Stockburn, William J; Hawes, Philippa C; Mercer, Tim; Reddy, Subrayal M (26 February 2021). "Green synthesis as a simple and rapid route to protein modified magnetic nanoparticles for use in the development of a fluorometric molecularly imprinted polymer-based assay for detection of myoglobin". Nanotechnology. 32 (9): 095502. doi:10.1088/1361-6528/abce2d.
  19. ^ Beyene, Abraham G.; Demirer, Gozde S.; Landry, Markita P. (2009-01-01). Nanoparticle‐Templated Molecular Recognition Platforms for Detection of Biological Analytes. Current Protocols in Chemical Biology (jezik: engleski). 8. John Wiley & Sons, Inc. str. 197–223. doi:10.1002/cpch.10. ISBN 9780470559277. PMID 27622569.
  20. ^ Biedermann, Frank; Schneider, Hans-Jörg (2016). "Experimental Binding Energies in Supramolecular Complexes". Chemical Reviews. 116 (9): 5216–5300. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00583. PMID 27136957.
  21. ^ Shinkai, Seiji; Ikeda, Masato; Sugasaki, Atsushi; Takeuchi, Masayuki (2001). "Positive allosteric systems designed on dynamic supramolecular scaffolds: toward switching and amplification of guest affinity and selectivity". Accounts of Chemical Research. 34 (6): 494–503. doi:10.1021/ar000177y. PMID 11412086.
  22. ^ Grunenberg, Jörg (2011). "Complexity in molecular recognition". Physical Chemistry Chemical Physics. 13 (21): 10136–46. Bibcode:2011PCCP...1310136G. doi:10.1039/C1CP20097F. PMID 21503359.
  23. ^ Mobley, D. L.; Dill, K. A. (2009). "Binding of small-molecule ligands to proteins: "what you see" is not always "what you get"". Structure. 17 (4): 489–98. doi:10.1016/j.str.2009.02.010. PMC 2756098. PMID 19368882.
  24. ^ Schmidtchen, Franz P. (2010). "Hosting anions. The energetic perspective". Chemical Society Reviews. 39 (10): 3916–35. doi:10.1039/C0CS00038H. PMID 20820595.
  25. ^ Jehle H. Intermolecular forces and biological specificity. Proc Natl Acad Sci U S A. 1963;50(3):516-524. doi:10.1073/pnas.50.3.516
  26. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH. Intragenic complementation among temperature sensitive mutants of bacteriophage T4D. Genetics. 1965;51(6):987-1002.
  27. ^ Crick FH, Orgel LE. The theory of inter-allelic complementation. J Mol Biol. 1964 Jan;8:161-5. doi: 10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID 14149958

Vanjski linkovi

uredi
Preuzeto iz "https://bs.wikipedia.org/w/index.php?title=Molekularno_prepoznavanje&oldid=3431649"