Lazos de la Actividad de la Conformación: ¿Por Qué las Moléculas Desforman?

El Dr. Gerry Ronan, CEO, Farfield Group Ltd.
Autor Correspondiente: gronan@farfield-group.com

Antecedentes

La Bioquímica es caracterizada por débil, no covalente, los bonos entre los biopolímeros grandes que se hacen y están rotos contínuo en las fuerzas diversas de la reacción. Las fuerzas de la acción recíproca, caracterizadas por el tipo fuerzas de van der Waal pueden variar por la distancia de la acción recíproca a la potencia de 6 y por lo tanto la capacidad de una molécula a “ajustó” o se ajusta a la dimensión de una variable de un doblez o la cavidad en otra impulsa la reacción.

Inversamente, un socio obligatorio puede torcer la conformación de una biomolécula (e.g una proteína) para activar o para desactivar una actividad bioquímica potencial de tal modo que regula la reacción. De Hecho, ésta es la premisa básica detrás de la intervención farmacéutica donde las pequeñas moléculas se diseñan para que su capacidad obre recíprocamente y tuerza selectivamente la conformación de una proteína de la meta implicada en un mecanismo de la enfermedad.

La Interferometría de la Doble-Polarización (DPI) mide la conformación de una proteína midiendo su diámetro (o talla) y la densidad (es decir, su masa por volumen de unidad o cómo apretado le está plegable es) acoplando la proteína a una diapositiva de cristal y sondando usando la óptica no-difrangente. El método resuelve la conformación de la proteína a las dimensiones subatómicas (bien debajo de 0,1 Å) en tiempo real y tiene una aceptación cada vez mayor entre investigadores en el campo de la caracterización de la proteína, una disciplina esencial en la ciencia del proteomics.

En En Campo Alejado, nuestro trabajo durante la última década ha girado alrededor de la medición directa de la dimensión de una variable o de la conformación de biomoléculas y cómo éste cambia mientras que funcionan las biomoléculas. Esta capacidad de vigilar el Lazo de la Actividad de la Conformación (CAR) se manifiesta en una herramienta analítica del benchtop conocida como Interferómetro Doble de la Polarización1 que mida la talla y la densidad moleculares del doblez (y por lo tanto fórmese) de las biomoléculas que obran recíprocamente capturadas en una diapositiva de cristal. La técnica tiene resolución del picometer, es en tiempo real y la etiqueta libremente y tiene ya un userbase creciente a través de 19 países por todo el mundo.

La Importancia de los Lazos de la Actividad de la Conformación (CAR)

Por ejemplo en diseño farmacéutico, una voluntad convencional del programa de cribado de la droga selecciona a candidatos de una biblioteca de mucho mil si no millones en base de su capacidad de adherir selectivamente a la meta de la proteína (según lo implicado en el mecanismo de la enfermedad), designada la afinidad de la acción recíproca. Una alta acción recíproca de la afinidad puede ocurrir en las concentraciones muy inferiores del candidato y por lo tanto el candidato es menos probable inducir efectos secundarios a otra parte. Sin Embargo, la alta afinidad no ofrece ninguna garantía que el candidato está concordando la biomolécula correctamente o en absoluto. ¿No sería mejor tener una molécula más inferior de la afinidad, induciendo la conformación correcta para la actividad deseada que se podría entonces optimizar (por la ingeniería molecular) para aumentar su afinidad?

Un ejemplo simple se muestra abajo donde una proteína de la meta (proteína del prión según lo implicado en nvCJD) es desafiada por diversas concentraciones de varios iones del metal. De la masa del ión del metal asociada en cada concentración la afinidad (y la estequiometría) pueden ser medidas. No Obstante de los perfiles uno de la talla y de la densidad puede ver inmediatamente que el cobalto no tuerce la molécula mientras que el cinc, que tiene una afinidad similar, hace.

Además, el cambio conformacional evidente en el caso del cobre (una compactación mostrada como una disminución de la talla de la proteína y aumento en su densidad) no invierte completo (es decir ha movido de un tirón en una diversa conformación o isoform estable) mientras que el cambio conformacional con cinc invierte completo. Tres diversos Lazos de la Actividad de la Conformación a partir de tres acciones recíprocas con afinidad similar.

Cuadro 1. Ejemplos de diversos Lazos de la Actividad de la Conformación para las acciones recíprocas obligatorias de la afinidad similar de los iones del metal que atan a la proteína del prión (PrP). Se Muestran la masa de la asociación y de la disociación de diversos iones del metal en diversas concentraciones (de cuáles puede ser calculada la afinidad de la acción recíproca) y los perfiles correspondientes de la talla y de la densidad (de cuál se pueden medir los cambios conformacionales). El cambio conformacional máximo (Cu) es 0.04nm y cada reto era una inyección minuciosa 5. (Cortesía de los Datos de Gifu Univ., de Japón)

Cambios Conformacionales en Películas Finas

La materia Suave (e.g polímeros) es también conforme a distorsiones similares y él es a menudo esta naturaleza maleable que es la característica de definición en el nanoscale. La Interferometría Doble de la Polarización (DPI) es también capaz de caracterizar estos cambios en polímeros, midiendo el espesor del film y el Índice de refracción y el acuerdo con otras técnicas analíticas tales como reflexión del neutrón y ellipsometry es2 excelentes como se muestra abajo en el Cuadro 2. A Diferencia de ellipsometry, sin embargo, DPI determinará el espesor y RI independientemente de uno a en arbitrariamente las capas delgadas y a diferencia de los datos del neutrón, hará esto en tiempo real en un formato del benchtop con los canales experimentales y de mando.

Cuadro 2. Comparación de DPI y mediciones del ellipsometery de una construcción de múltiples capas del polielectrolito. En el acuerdo grueso de las capas para el espesor (d) y el Índice de refracción (n) es excelente. En los espesores reducidos ellipsometry requiere el conocimiento del RI (o del espesor) para calcular el espesor (o RI) mientras que DPI puede medir arbitrariamente las capas delgadas que revelan la oscilación en la densidad asociada a positivo alterno y negativo - depósito cargado de las capas. (Cortesía de los Datos de YKI, Estocolmo)

Muchos otros ejemplos de tales construcciones ensambladas uno mismo han sido por ejemplo multilayers estudiados, 3kitosán/heparina, 4y polielectrolitos de la DNA5,6.

Por supuesto hay muchos tipos de reorganizaci n conformacional del interés que no implican una acción obligatoria. El hinchamiento del Polímero debido a cambiar el pH es un tal proceso que se puede de manera rápida y fácil caracterizar otra vez en una resolución asociada normalmente a la “física grande”. Un ejemplo simple se muestra en el Cuadro 3 donde una película fina capturada superficie de polivinílico (allylamine) se estudia a través de un radio de acción de pH. En el pH inferior, el protonation del polímero hace la capa hincharse mientras que en de gran alcalinidad los contratos de la capa y los aumentos de la densidad.

Cuadro 3. hinchamiento del Polímero debido al protonation según lo medido por Interferometría Doble de la Polarización

Estas mediciones se pueden también ampliar a los biopolímeros donde las transiciones a partir de un isoform a otro y también estabilidad del isoform se pueden caracterizar en una matriz de diversas temperaturas, de pH, de fuerzas iónicas, de disolventes o de otras condiciones ambientales o refolding.

El Futuro de la Interferometría Doble de la Polarización

Desde su introducción en 20037, la Interferometría Doble de la Polarización ha sido adoptada por una amplia gama de investigadores en todo el mundo en la vida y las ciencias físicas. Su capacidad de medir y de caracterizar la conformación molecular en la resolución atómica sub ha creado fundamental las nuevas oportunidades para la investigación nana y bio de la ciencia. La última generación de instrumentación, el Bio Puesto de trabajo 4D es capaz de una temperatura extendida a 65°C que permita la medición del derretimiento de la proteína y de otras transiciones de fase moleculares.

Caracterizando la cinética y la afinidad de acciones recíprocas en diversas temperaturas es también posible cuantificar la energía libre, la entalpía y la entropía no sólo de atar pero también de cambios conformacionales8. Esto permite por primera vez la medición directa de la afinidad, de la cinética, de la termodinámica y del cambio conformacional de atar o simple de refolding en un único experimento.

Cuadro 4. Un instrumento Doble del benchtop del Interferómetro de la Polarización con la introducción automatizada de la muestra.

En el futuro una producción más alta y volúmenes de muestra más pequeños serán requeridos para revisar aplicaciones pero hay muchos otros niveles de información espectroscópica que pueden también ser extracted.from el Bio Puesto de trabajo 4D. La Medición de la nucleación cristalina de la proteína del primero tiempo muy9 se ha demostrado ya usando baja óptica mientras que la birrefringencia ahora se está utilizando para medir orden y desorden en bilayers del lípido10 para caracterizar acciones recíprocas del lípido de la proteína. 11¡Nuestra visión para la década próxima es aumentar la fidelidad de la caracterización en estas dimensiones también para iluminar verdad el mundo molecular!


Referencias

1. Swann M.J., Freeman N.J, Interferometría Cruzada de G. Dual Polarization: Una Técnica Óptica En tiempo real para Medir (la Bio) Orientación, Estructura y Función Moleculares en el Interfaz Sólido/Líquido. En: Prontuario de los Biosensores y de los Biochips, Conjunto de Volumen 2 (2007). Eds: R.S. Marks, C.R. Lowe, D.C. Cullen, H.H. Weetall, I. Karube. Wiley, ISBN: 978-0-470-01905-4, Vol1, parte 4, ch33, pp549-568.
2. Halthur T., Claessen P., Elofsson U., Inmovilización de la Proteína del Derivado de la Matriz de la Esmalte sobre el Polipéptido Multilayers, Mediciones ines situ Comparativas Usando Ellipsometry, Microbalanza del Cristal de Cuarzo con la Disipación, y la Interferometría de la Doble-Polarización. Langmuir (2006) 22(26) 11065-71.
3. Lee L., Johnston A.P., Caruso F., Manipulando la sal y la estabilidad térmica de las películas de múltiples capas de la DNA vía longitud del oligonucleótido. 2008) Noviembre de Biomacromolecules (9(11): 3070-8. Epub 2008 1 de octubre.
4. Lundin M., Blomberg E., Tilton R.D., Dinámica del Polímero en Asambleas de la Capa-por-Capa del Kitosán y Heparina, Langmuir, Artículos CUANTO ANTES, Fecha de Publicación (Web): 18 de noviembre, (2009) (Artículo) DOI: 10.1021/la902968h.
5. Aulin C., Varga I., Claesson P.M., Wågberg L., Lindström T., Acumulación de los multilayers del polielectrolito del polyethyleneimine y celulosa microfibrillated estudiada por interferometría in situ de la doble-polarización y la microbalanza del cristal de cuarzo con la disipación. Langmuir, (2008) 18 de marzo; 24(6): 2509-18. Epub (2008) 16 de febrero.
6. Senda T.J., FletcherW. El R., Gormally, M.V., Johal M.S., Interferometría de la Polarización del Doble-Haz Resuelve Aspectos Mecánicos de la Adsorción del Polielectrolito. Langmuir, (2008) CUANTO ANTES Artículo, Fecha de Lanzamiento del Web: 10 de septiembre, (2008).
7. Swann M.J., Freeman New Jersey, Carrington S., Ronan G., Barrett P., Cuantificando Cambios Estructurales y la Estequiometría de las Acciones Recíprocas de la Proteína Usando el Perfilado de la Talla y de la Densidad. Cartas en Ciencia del Péptido (2003) 10 487-494.
8. Usando el van't Hoff y las ecuaciones de Eyring.
9. Boudjemline A., Clarke D.T., Freeman New Jersey, Nicholson J.M., Jones G.R., primeros tiempos De la cristalización de la proteína según lo revelado por la tecnología óptica emergente J. Appl del guía de ondas. Cryst. (2008). 41, 523-530. doi: 10.1107/S0021889808005098.
10. Mashaghi A., Swann M., Popplewell J., Textor M., Reimhult E., anisotropía Óptica de las estructuras utilizadas del lípido sondadas por espectroscopia del guía de ondas y su aplicación al estudio de la cinética utilizada de la formación del bilayer del lípido, Anal. Quím., 80 (10), 3666-3676, (2008). PMID: Fecha de Lanzamiento del Web 18517221: 19, Abril. (2008); (Artículo) DOI: 10.1021/ac800027s.
11. Sanghera N., Swann M.J., Ronan G., Pinheiro T.J., Discernimiento en acciones tempranas en la agregación de la proteína del prión en las membranas del lípido, Biochimica y Acta de Biophysica (BBA) - Biomembranes, Volumen 1788, Edición 10, Octubre (2009), Paginaciones 2245-2251.

Derechos De Autor AZoNano.com, el Dr. Gerry Ronan (Grupo En Campo Alejado)

Date Added: Feb 14, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 13. June 2013 23:42

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