Relations d'Activité de Conformation : Pourquoi les Molécules Se déforment-elles ?

M. Gerry Ronan, PRÉSIDENT, Farfield Group Ltd.
Auteur Correspondant : gronan@farfield-group.com

Mouvement Propre

La Biochimie est caractérisée par faible, non covalent, des obligations entre les grands biopolymères qui sont continuellement effectués et brisés aux forces variables de réaction. Les forces d'interaction, caractérisées par le type forces de van der Waal's peuvent varier par la distance d'interaction à l'alimentation électrique de 6 et pour cette raison la capacité d'une molécule à « s'est ajustée » ou est conforme à la forme d'un pli ou la poche sur des des autres pilote la réaction.

Réciproquement, un associé obligatoire peut fausser la conformation d'un biomolécule (par exemple une protéine) pour activer ou désactiver une activité biochimique potentielle réglant de ce fait la réaction. En Effet, c'est les lieux de base derrière l'intervention pharmaceutique où des petites molécules sont conçues pour que leur capacité sélecteur agisse l'un sur l'autre et de fausse la conformation d'une protéine cible impliquée dans un mécanisme des maladies.

L'Interférométrie de Double-Polarisation (DPI) mesure la conformation d'une protéine en mesurant son diamètre (ou taille) et la densité (c.-à-d., sa masse selon le volume unitaire ou comment fortement plié lui est) en accouplant la protéine à une lamelle de verre et le sondage utilisant le bloc optique non-à diffraction. La méthode résout la conformation de protéine aux cotes plus petites que l'atome (bien en-dessous de 0,1 Å) en temps réel et a une acceptation croissante parmi des chercheurs dans le domaine de la caractérisation de protéine, une discipline essentielle en science de protéomique.

Dans En Champ Lointain, notre travail au cours de la dernière décennie a tourné autour de la mesure directe de la forme ou de la conformation des biomolécules et comment ceci change pendant que les biomolécules fonctionnent. Cette capacité de surveiller la Relation d'Activité de Conformation (CAR) est manifestée dans un outil d'analyse de benchtop connu sous le nom de Double Interféromètre de Polarisation1 qui mesure la taille et la densité moléculaires de pli (et amassez pour cette raison) des biomolécules de interaction capturés sur une lamelle de verre. La technique a la définition de picometer, est en temps réel et l'étiquette librement et a déjà un userbase croissant en travers de 19 pays mondiaux.

L'Importance des Relations d'Activité de Conformation (CAR)

Par exemple dans le design pharmaceutique, une volonté conventionnelle de programme de dépistage des drogues sélecte des candidats à partir d'une bibliothèque de plusieurs mille sinon millions sur la base de leur capacité de coller sélecteur à l'objectif de protéine (comme impliqué dans le mécanisme des maladies), désignée sous le nom de l'affinité de l'interaction. Une interaction élevée d'affinité peut se produire aux concentrations très faibles du candidat et pour cette raison le candidat est moins pour induire des effets secondaires ailleurs. Cependant, l'affinité élevée ne donne aucune affirmation que le candidat est conforme le biomolécule correctement ou du tout. Ne vaudrait-il pas mieux d'avoir une molécule inférieure d'affinité, induisant la conformation correcte pour l'activité désirée qui pourrait alors être optimisée (par le bureau d'études moléculaire) pour augmenter son affinité ?

Un exemple simple est affiché ci-dessous où une protéine cible (protéine de prion comme impliquée dans le nvCJD) est contestée par différentes concentrations d'un certain nombre d'ions en métal. De la masse de l'ion en métal associée à chaque concentration l'affinité (et la stoechiométrie) peuvent être mesurées. Toutefois des profils un de taille et de densité peut voir immédiatement que le cobalt ne fausse pas la molécule tandis que le zinc, qui a une affinité assimilée, fait.

En Outre, la modification conformationnelle évidente dans le cas du cuivre (un tassement affiché comme diminution de la taille de la protéine et augmentation de sa densité) ne s'inverse pas entièrement (c.-à-d. elle a renversé dans une conformation ou un isoform stable différente) attendu que la modification conformationnelle avec le zinc s'inverse entièrement. Trois Relations différentes d'Activité de Conformation de trois interactions avec l'affinité assimilée.

Le Schéma 1. Exemples de différentes Relations d'Activité de Conformation pour des interactions obligatoires d'affinité assimilée des ions en métal grippant à la protéine de prion (PrP). Affichés sont la masse de l'association et de la dissociation de différents ions en métal aux différentes concentrations (de ce que l'affinité d'interaction peut être prévue) et les profils correspondants de taille et de densité (à partir de ce que les modifications conformationnelles peuvent être mesurées). La modification conformationnelle maximum (Cu) est 0.04nm et chaque défi était une injection 5 mn. (Accueil de Données d'Université de Gifu, Japon)

Changements Conformationnels des Films Minces

La substance Molle (par exemple polymères) est sujette également à des déformations assimilées et souvent il est cette nature malléable qui est la caractéristique technique de définition au nanoscale. La Double Interférométrie de Polarisation (DPI) est également capable de caractériser ces changements des polymères, mesurant l'épaisseur de film et l'Indice de réfraction et la convention avec d'autres techniques analytiques telles que la réflexion de neutron et ellipsometry est2 excellent comme représenté ci-dessous sur le Schéma 2. À La Différence d'ellipsometry, cependant, DPI déterminera l'épaisseur et RI indépendamment de l'un l'autre arbitrairement aux couches minces et à la différence des données de neutron, il fera ceci en temps réel dans un format de benchtop avec les canaux de contrôle expérimentaux et.

Le Schéma 2. Comparaison de DPI et mesures d'ellipsometery d'un élément multicouche de polyélectrolyte. À la convention épaisse de couches pour l'épaisseur (d) et l'Indice de réfraction (n) est excellent. Aux épaisseurs réduites ellipsometry exige la connaissance du RI (ou de l'épaisseur) afin de prévoir l'épaisseur (ou RI) tandis que DPI peut mesurer arbitrairement des couches minces indiquant la vibration dans la densité associée avec positif alterne et négativement - déposer chargé de couches. (Accueil de Données de YKI, Stockholm)

Beaucoup d'autres exemples de tels éléments assemblés par individu ont été par exemple les multilayers étudiés, 3le chitosan/héparine, 4et les polyélectrolytes d'ADN5,6.

Naturellement il y a beaucoup de types de réorganisation conformationnelle d'intérêt qui ne concernent pas un événement obligatoire. Le gonflement de Polymère dû à changer le pH est un tel procédé qui peut rapidement et facilement être caractérisé de nouveau à une définition normalement associée avec la « grande physique ». Un exemple simple est affiché sur le Schéma 3 où un film mince capturé par surface de poly (allylamine) est étudié en travers d'un domaine des pH. À pH faible, le protonation du polymère fait gonfler la couche tandis qu'à d'un pH élevé les contrats de couche et les augmentations de densité.

Le Schéma 3. gonflement de Polymère dû au protonation comme mesuré par Double Interférométrie de Polarisation

Ces mesures peuvent également être étendues aux biopolymères où des passages d'un isoform à l'autre et également stabilité d'isoform peuvent être caractérisés dans une modification des différentes températures, des pH, des concentrations ioniques, des solvants ou d'autres conditions environnementales ou refolding.

Le Contrat À Terme de la Double Interférométrie de Polarisation

Depuis son introduction en 20037, la Double Interférométrie de Polarisation a été adoptée par un large éventail de chercheurs autour du monde pendant la durée de vie et des sciences physiques. Sa capacité de mesurer et caractériser la conformation moléculaire à la sous définition atomique a produit des opportunités principalement neuves pour la recherche nanoe et bio de la science. Le dernier rétablissement de l'instrumentation, le Bio Poste de travail 4D est capable d'une température étendue à 65°C qui permet la mesure de la fonte de protéine et d'autres passages de phase moléculaires.

En caractérisant la cinétique et l'affinité des interactions aux différentes températures il est également possible de mesurer l'énergie libre, l'enthalpie et l'entropie de gripper non seulement mais également des modifications conformationnelles8. Ceci permet pour la première fois la mesure directe de l'affinité, de la cinétique, de la thermodynamique et du changement conformationnel de gripper ou de refolding simplement d'une expérience unique.

Le Schéma 4. Un Double instrument de benchtop d'Interféromètre de Polarisation avec l'introduction robotisée témoin.

À l'avenir le haut débit et les plus petits volumes témoin seront exigés pour examiner des applications mais il y a beaucoup d'autres niveaux de l'information spectroscopique qui peuvent également être extracted.from le Bio Poste de travail 4D. La Mesure très de la nucléation en cristal de protéine de stade précoce9 a été déjà expliquée utilisant la perte optique tandis que la biréfringence maintenant est employée pour mesurer la commande et le trouble dans des bilayers de lipide10 pour caractériser des interactions de lipide de protéine. 11Notre visibilité pour la décennie suivante est d'augmenter la fidélité de la caractérisation dans ces cotes aussi bien pour illuminer vraiment le monde moléculaire !


Références

1. Swann M.J., Freeman N.J, Interférométrie Croisée de G. Dual Polarization : Une Technique Optique En temps réel pour Mesurer (la Bio) Orientation, Structure et Fonctionnement Moléculaires à Surface Adjacente Solide/Liquide. Dans : Manuel des Biocapteurs et des Biopuces, Ensemble de Volumes 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, partie, ch33, pp549-568.
2. Halthur T., Claessen P., Elofsson U., Immobilisation de Protéine de Dérivé de Modification d'Émail sur le Polypeptide Multilayers, Mesures in situ Comparatives Utilisant Ellipsometry, Microbalance de Cristal de Quartz avec la Dispersion, et l'Interférométrie de Double-Polarisation. Langmuir (2006) 22(26) 11065-71.
3. Lee L., Johnston P.a., Caruso F., Manipulant le sel et la stabilité thermique des films multicouche d'ADN par l'intermédiaire de la longueur d'oligonucléotide. 2008) Novembre de Biomacromolecules (9(11) : 3070-8. Epub 2008 1er octobre.
4. Lundin M., Blomberg E., Tilton R.D., Dynamique de Polymère dans des Assemblées de Couche-par-Couche de Chitosan et Héparine, Langmuir, Articles DÈS QUE POSSIBLE, Date de Parution (Web) : 18 novembre, (2009) (Article) DOI : 10.1021/la902968h.
5. Aulin C., Varga I., Claesson P.M., Wågberg L., Lindström T., Habillage des multilayers de polyélectrolyte de polyethyleneimine et cellulose microfibrillated étudiée par interférométrie in situ de double-polarisation et microbalance de cristal de quartz avec la dispersion. Langmuir, (2008) 18 mars ; 24(6) : 2509-18. Epub (2008) 16 février.
6. Voie T.J., FletcherW. R., Gormally, M.V., Johal M.S., Interférométrie de Polarisation de Double-Poutre Règle des Aspects Mécanistes de l'Adsorption de Polyélectrolyte. Langmuir, (2008) DÈS QUE POSSIBLE Article, Date de Sortie de Web : 10 septembre, (2008).
7. Swann M.J., Freeman New Jersey, Carrington S., Ronan G., Barrette P., Mesurant des Modifications de Structure et la Stoechiométrie des Interactions de Protéines Utilisant le Profilage de Taille et de Densité. Lettres en la Science de Peptide (2003) 10 487-494.
8. Utilisant le van't Hoff et des équations d'Eyring.
9. Boudjemline A., Clarke D.T., Freeman New Jersey, Nicholson J.M., Jones G.R., Stades précoces de cristallisation de protéine comme indiqué par technologie optique apparaissante J. Appl de guide d'ondes. Cryst. (2008). 41, 523-530. doi : 10.1107/S0021889808005098.
10. Mashaghi A., Swann M., Popplewell J., Textor M., Reimhult E., anisotropie Optique des structures supportées de lipide sondées par la spectroscopie de guide d'ondes et son application à l'étude de la cinétique supportée de formation de bilayer de lipide, Anale. Chim., 80 (10), 3666-3676, (2008). PMID : Date de Sortie du Web 18517221 : 19, Avr. (2008) ; (Article) DOI : 10.1021/ac800027s.
11. Sanghera N., Swann M.J., Ronan G., Pinheiro T.J., Aperçu des événements précoces dans la totalisation de la protéine de prion sur des membranes de lipide, Biochimica et Acta de Biophysica (BBA) - Biomembranes, Volume 1788, Délivrance 10, Octobre (2009), Pages 2245-2251.

Droit d'auteur AZoNano.com, M. Gerry Ronan (Groupe En Champ Lointain)

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

Last Update: 13. June 2013 23:10

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