Отношения Деятельности При Конформации: Почему Молекулы Изменяют Форму?

Др. Gerry Ronan, CEO, Farfield Группу Ltd.
Соответствуя автор: gronan@farfield-group.com

Предпосылка

Биохимия охарактеризована слабой, non ковалентно, скрепления между большими биополимерами которые непрерывно сделаны и сломаны на меняя прочностях реакции. Усилия взаимодействия, типизированные типом усилиями фургона der Waal's могут поменять расстоянием взаимодействия к силе 6 и поэтому способность одной молекулы к «приспосабливать» или соответствует к форме створки или карманн на других управляет реакцией.

Наоборот, binding соучастник может передернуть конформацию биомолекулы (например протеина) для того чтобы включить или отключить потенциальную биохимическую деятельность таким образом регулируя реакцию. Деиствительно, это основная предпосылка за фармацевтической интервенцией где малые молекулы конструированы для их способности выборочно взаимодействовать и передергивать конформация протеина цели вовлеченного в механизме заболеванием.

Интерферометрия Двойн-Поляризации (DPI) измеряет конформацию протеина путем измерять свой диаметр (или размер) и плотность (т.е., свою массу в объем блока или как плотно сложено ему) путем соединять протеин к стеклянной вставке и зондировать используя non-диффракционную оптику. Метод разрешает конформацию протеина к subatomic размерам (хорошо под 0,1 Å) в реальное временя и имеет растущее принятие среди исследователей в поле характеризации протеина, необходимой дисциплине в науке proteomics.

В Farfield, наша работа над прошлой декадой вращалась вокруг сразу измерения формы или конформации биомолекул и как это изменяет по мере того как биомолекулы действуют. Эта способность контролировать Отношение Деятельности При Конформации (CAR) обнародована в аналитическом средстве benchtop известном как Двойной Интерферометр Поляризации1 который измеряет молекулярные размер и плотность створки (и поэтому скапливайте) взаимодействуя биомолекул захваченных на стеклянной вставке. Метод имеет разрешение picometer, в реальном масштабе времени и обозначает свободно и уже имеет растущее userbase через 19 стран всемирных.

Важность Отношений Деятельности При Конформации (CAR)

Например в фармацевтической конструкции, обычная воля проверочной программы снадобья выбирает выбранные от архива много тысяч если не миллионы на основании их способности вставить выборочно к цели протеина (как вовлечено в механизме заболеванием), названного сродство взаимодействия. Высокое взаимодействие сродства может произойти на очень низкой концентрации выбранного и поэтому выбранный более менее правоподобн для того чтобы навести побочные эффекты в другом месте. Однако, высокое сродство не дает никакое обеспечение что выбранный соответствует биомолекула правильно или на всех. Не было бы более лучше иметь более низкую молекулу сродства, наводя правильную конформацию для пожеланной работы которая смогла после этого быть оптимизирована (молекулярным инженерством) для того чтобы увеличить свое сродство?

Простой пример показан ниже где протеин цели (протеин белковой частицы как вовлечено в nvCJD) брошен вызов различной концентрацией нескольких ионов металла. От массы иона металла связанной на каждой концентрации сродство (и стехиометричность) можно измерить. Тем Ме Менее от размера и профилей плотностей одного смогите увидеть немедленно что кобальт не передергивает молекулу пока цинк, который имеет подобное сродство, делает.

Furthermore, conformational изменение очевидное в случае меди (уплотнения показанного как уменшение в размере протеина и увеличение в своей плотности) полно не обращает (т.е. оно слегка ударяло в различные стабилизированные конформацию или isoform) тогда как conformational изменение с цинком обращает полно. 3 различных Отношения Деятельности При Конформации от 3 взаимодействий с подобным сродством.

Диаграмма 1. Примеры различных Отношений Деятельности При Конформации для взаимодействий подобного сродства binding ионов металла связывая к протеину белковой частицы (PrP). Показаны масса ассоциации и разобщенности различных ионов металла на различной концентрации (от что сродство взаимодействия можно высчитать) и соответствуя размере и профили плотностей (от что conformational изменения можно измерить). Максимальное conformational изменение (Cu) 0.04nm и каждая возможность была мельчайшей впрыской 5. (Учтивость Данных UNIV. Gifu, Японии)

Conformational Изменения в Тонких Фильмах

Мягкое дело (например полимеры) подлеубежал также подобные искажения и часто оно эта томительно-тягучая природа которая определяя характеристика на nanoscale. Двойная Интерферометрия Поляризации (DPI) также способна характеризовать эти изменения в полимерах, измеряющ и толщину фильма и R.I. и согласование с другими аналитически методами как отражение нейтрона и ellipsometry2 превосходны как показан ниже в Диаграмме 2. Не Похож На ellipsometry, однако, DPI определит толщину и RI независимо от одина другого на произвольно утончить слои и не похож на данные по нейтрона, оно сделает это в реальное временя в формате benchtop и с каналами экспириментально и управления.

Диаграмма 2. Сравнение DPI и измерения ellipsometery стройки полиэлектролита разнослоистой. На толщином согласовании слоев для толщины (d) и R.I. (n) превосходна. На уменьшенных толщинах ellipsometry требует знания RI (или толщины) для того чтобы высчитать толщину (или RI) пока DPI может измерить произвольно для того чтобы утончить слои показывая колебание в плотности связанной с другое положительным и отрицательно - порученный депозировать слоев. (Учтивость Данных YKI, Стокгольма)

Много других примеров таких строек собранных собственной личностью изученные например multilayers, 3хитозан/гепарин, 4и полиэлектролиты ДНА5,6.

Конечно много типов conformational реорганизации интереса которые не включают binding случай. Опухать Полимера должный к изменяя пэ-аш один такой процесс который смогите быстро и легко быть охарактеризовано снова на разрешении нормально связываемом с «большой физикой». Простой пример показан в Диаграмме 3 где фильм захваченный поверхностью тонкий поли (allylamine) изучен через ряд пэ-аш. На низком пэ-аш, protonation полимера причиняет слой опухнуть пока на высоком пэ-аш подряды слоя и увеличения плотности.

Диаграмма 3. опухать Полимера должный к protonation как измерено Двойной Интерферометрией Поляризации

Эти измерения можно также расширить к биополимерам где переходы от одного isoform к другому и также стабилность isoform можно характеризовать в матрице различных температур, пэ-аш, ионных прочностей, растворителей или других относящих к окружающей среде или refolding условий.

Будущее Двойной Интерферометрии Поляризации

С своего введения в 20037, Двойная Интерферометрия Поляризации была принята широким диапазоном исследователей вокруг мира как в жизни, так и в физических науках. Своя способность измерить и охарактеризовать молекулярную конформацию на sub атомном разрешении создала возможности принципиально новый для nano и био исследования науки. Самое последнее поколение измерительного оборудования, Био Рабочее место 4D способно выдвинутой температуры к 65°C которое позволяет измерению melt протеина и других молекулярных переходов участка.

Путем характеризовать кинетику и сродство взаимодействий на различных температурах также возможно квантифицировать свободную энергию, энтальпию и энтропию не только связывать но также conformational изменений8. Это позволяет для в первый раз сразу измерение сродства, кинетики, термодинамики и conformational изменения связывать или просто refolding в одиночном эксперименте.

Диаграмма 4. Двойная аппаратура benchtop Интерферометра Поляризации с автоматизированным введением образца.

В будущем более высоком объём и более малых томах образца потребует для экранировать применения но много других уровней спектроскопической информации которые могут также быть extracted.from Био Рабочее место 4D. Измерение нуклеации протеина очень скоро этапа кристаллической9 уже было продемонстрировано используя оптически потерю пока двойное лучепреломление теперь используется для того чтобы измерить заказ и разлад в bilayers липида10 для того чтобы характеризовать взаимодействия липида протеина. 11Наше зрение на следующая декада увеличить точность воспроизведения характеризации в этих размерах также поистине для того чтобы осветить молекулярный мир!


Справки

1. Swann M.J., Фримен N.J, Перекрестная Интерферометрия G. Двойн Поляризации: В реальном масштабе времени Оптически Метод для Измерять (Био) Молекулярную Ориентацию, Структуру и Функцию на Твердом/Жидкостном Интерфейсе. В: Руководство Биосенсоров и Биочипов, Комплекта Тома 2 (2007). Eds: R.S. Метка, C.R. Lowe, D.C. Cullen, H.H. Weetall, I. Karube. Wiley, ISBN: 978-0-470-01905-4, Vol1, часть 4, ch33, pp549-568.
2. Halthur T., P. Claessen, Elofsson U., Обездвиживание Протеина Производного Матрицы Эмали на Полипептид Multilayers, Сравнительные в Измерениях Situ Используя Ellipsometry, Микровес Кристл Кварца с Диссипацией, и Интерферометрией Двойн-Поляризации. Langmuir (2006) 22(26) 11065-71.
3. L. Ли, A.P. Johnston, F. Caruso, Манипулирующ соль и термальную стабилность фильмов ДНА разнослоистых через длину олигонуклеотида. 2008) NOV. Biomacromolecules (9(11): 3070-8. Epub 1-ое октября 2008.
4. Lundin M., Бломберг E., D.R. Tilton, Динамика Полимера в Агрегатах Сло--Слоя Хитозана и Гепарин, Langmuir, Статьи КАК МОЖНО СКОРЕЕ, Дата Издания (Сеть): 18-ое ноября, (2009) (Статья) DOI: 10.1021/la902968h.
5. C. Aulin, Varga I., Claesson P.M., L. Wågberg, Lindström T., Нарастание multilayers полиэлектролита polyethyleneimine и microfibrillated целлюлоза изученная мимо в интерферометрии двойн-поляризации situ и микровесе кристалла кварца с диссипацией. Langmuir, (2008) 18-ое марта; 24(6): 2509-18. Epub (2008) 16-ое февраля.
6. Майна T.J., FletcherW. R., Gormally, M.V., Johal M.S., Интерферометрия Поляризации Двойн-Луча Разрешает Mechanistic Аспекты Адсорбции Полиэлектролита. Langmuir, (2008) КАК МОЖНО СКОРЕЕ Статья, Дата Выпуска Сети: 10-ое сентября, (2008).
7. Swann M.J., Фримен N.J., Carrington S., G. Ronan, P. Barrett, Квантифицирующ Структурные Изменения и Стехиометричность Взаимодействий Протеина Используя Профилировать Размера и Плотности. Письма в Науке Пептида (2003) 10 487-494.
8. Используя van't Hoff и уровнения Eyring.
9. A. Boudjemline, Кларк D.T., Фримен N.J., Nicholson J.M., Джонс G.R., Ранние стадии кристаллизации протеина как показано путем вытекая оптически технология J. Appl волновода. Cryst. (2008). 41, 523-530. doi: 10.1107/S0021889808005098.
10. A. Mashaghi, Swann M., J. Popplewell, Textor M., Reimhult E., Оптически неизотропность поддержанных структур липида, котор зондирует спектроскопия волновода и свое применение к изучению поддержанной кинетики образования bilayer липида, Заднепроходному. Chem., 80 (10), 3666-3676, (2008). PMID: Дата Выпуска Сети 18517221: 19, Апрель. (2008); (Статья) DOI: 10.1021/ac800027s.
11. N. Sanghera, Swann M.J., G. Ronan, Pinheiro T.J., Проницательность в предыдущие случаи в комплексировании протеина белковой частицы на мембранах липида, Biochimica et Acta Biophysica (BBA) - Biomembranes, Том 1788, Вопрос 10, (2009 -го) Октябрь, Страницы 2245-2251.

Авторское Право AZoNano.com, Др. Gerry Ronan (Farfield Группа)

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

Last Update: 13. June 2013 23:39

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit