הבנה של Shells ב biomolecular Crystallization

התגבשות של מולקולות ביולוגיות כגון חלבונים, חומצות גרעין, ומורכבות מקרומולקולריות גדולות נשאר אחד השלבים התובעניים ביותר בביולוגיה מבנית. Obtaining גבישים באיכות גבוהה הוא לעתים קרובות צוואר הבקבוק המגביל את קצב בקביעת מבנים אטומיים-resolution, בעוד גורמים רבים משפיעים על תנאי התגבשות, כולל pH, כוח, טמפרטורה, ו precipitalicial של ריכוז מים; כל ריכוז של ריכוז ריכוזי משקל מרכזי;

מים אינם רק פותר פסיבי.זה משתתפת באופן פעיל בדינמיקה התואמים, יציבות, אינטראקציות בלתי-חלואליות של מאקרומולקולטים ביולוגיים.פגז ההידרומית, שכבת מים מובנית של מולקולות מים בממשק ביומולקולנט-סולק, מתווך כל מגע מולקולה עושה עם הסביבה שלה.הבנת כיצד שכבות מים אלה במהלך התגבש מאפשר לחוקרים לעצב יותר יעיל של מיפוי, קרינת רנטגן מדויקת ולהשיג מודלים מדויקים יותר עבור קרינת רנטגן.

מה הם רגיעה?

מעטפת לחות, הנקראת גם שכבת שמנת או מים של hydration, היא האנסמבל של מולקולות מים המקיף מולקולה solute לפתרון מוזר. עבור מאקרומולקולות ביולוגיים, הקליפה הזו בדרך כלל מרחיבה אחת לשלושה מולקולות מים עבות, המקבילה למרחק של בערך 3 עד 10 ו-Aring; מן פני השטח המולקולריים בתוך אזור זה, מולקולות מים לא חופשיות ונוטרופיות כמו דינמיקה מימן, במקום, תבניות אלקטרו-מולכות, על פני השטח המולקולריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מול, על-מול, על-מול, על-מול, על-ידי משטח מולקולריות, על-מול, על-ידי קבוצות אלקטרו-ידי משטח-מולקולאריות-ידי מגנטיות-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-מולקולאריות, על-ידי מטה-ידי מטה-ידי מטה-מוליד, על-ידי מטה-מוליד, על-מולקולאריכות-ידי מטה-ידי מטה-פנים-פנים-ידי מטה-ידי מטה-פנים-

סוגי מים חמים

מים חמים יכולים להיות מסווגים לאוכלוסיות נפרדות בהתבסס על מידת הזמנתם ותקופת המגורים שלה:

  • (FLT:0) מים: מולקולות מים 1 (FLT:1 ), אשר יוצרות אג"ח מימן יציב, ארוך ימים עם קבוצות קוטביות או טעונות על הביומולקול.
  • (FLT:0) Near-surface Waterמולקולות: FLT:1 מולקולות מים בתוך השכבות הראשונות והשניות של hydration כי הם הורה באופן קבוע, אך להחליף עם מים גדולים על פיקו השניות כדי ננו השניות הזמן.
  • (FLT:0) Hydrophobic מים: irFLT:1 ווטר ליד כתמים לא קוטביים המהווים הכלובים דמויי קלת-יבשת כדי למזער מגע עם קבוצות הידרופוביות.המים האלה הם בלתי-מזיקים וממלאים תפקיד מרכזי בהובלת התמוטטות הידרופובית וקישור בלתי-חלי.

המבנה המדויק והדינמיקה של מעטפת ההידרומית תלויים באופי הכימי של פני השטח המולקולרי, הכוח האנטוני של הפתרון, ואת נוכחות של פתורים משותפים או סוכנים מכוונים. בתנאים של התגבשות, גורמים אלה מתומרנים בכוונה כדי לשנות את תכונות הפגזות הייבוש ולעודד היווצרות של ליטיצ'ה מסודרת.

הכימיה הפיזית של האטה שולפיקציה

פגזי לחות נוצרים מכיוון שמולקולות מים הן די קוטביות וקטבקיות ביותר.כאשר קבוצה טעון או קוטב על ביומולקול נחשפים למים, ההאשמות החלקיות על מולקולות מים או שימושיות ליצירת אינטראקציות אלקטרוסטטיות נוח אנרגטיות.עבור קבוצה טיפוסית של carboxylate, לדוגמה, שתיים עד ארבע מולקולות מים יכולות ליצור אג"ח מימן ישיר, עם מים נוספים המגויסים לתוך מעטפת במים דרך מים מי חמצן במימן.

התרמודינמיקה של היווצרות hydrationפגז כרוכה הן מרכיבים enthalpic ו entropic.ה התרומה enthalpic מגיעה מן היווצרות של אג"ח מימן ואינטראקציות אלקטרוסטטיות בין מים לבין biomolecule, אשר בדרך כלל נוחים.התרומה האנטרופית מורכבת יותר: הזמנת מולקולות מים על פני השטח מפחיתה את התצורה של המים, אשר אינו ניתן להפריש, עם זאת, שחרור של מים חמים.

(ב) ,0Key פרמטרים המשפיעים על פגז לחות כוללים:03FLT)

  • (ב) דחיסות מטען גבוהה יותר (FLT:0) מעלה את העוצמה והטווח של אספקת מים.
  • (FLT:0) Hydrogen-bond התורם / תבנית: FLT:1, תאימות גיאומטרית בין קבוצות פני השטח לבין רשת מימן-בונד מים קובע את מבנה המים המקומי.
  • כוח וזיהוי יון: 1 ; Ions בפתרון להתחרות במים עבור אתרי מחייב ויכול לשבש או לחזק את קליפות ההייבשות בהתאם למיקומה בסדרה הומסטר.
  • (ב) טמפרטורות גבוהות יותר (FLT:0) טמפרטורות גבוהות יותר מגבירות את התנועה התרמית ולהפחית את הזמנת מים מיובשים, אשר יכול להשפיע על חנקות גבישי וצמיחה.
  • (FLT:0) פתורים וטרפדים: ⁇ FLT 1:1 פוליאתילן גליקול, אמוניום sulfate, ו גבישים נפוצים אחרים משנים את הפוטנציאל הכימי של מים ולשנות יציבות פגז לחות.

לדיון מעמיק בדינמיקה במים בממשקים ביו-מולקולאריים, ראה את ה-FLT:0Laage et al., "Water Dynamics in the Hydration Shells of Biomolecules", ביקורות כימיות (2017)FLT:1.

תפקידה של השיקום Shells in Crystallization

קריסטליזציה של מולקולות ביולוגיות היא מעבר שלב ממצב מהפרעה, מחוספס לפתרון לליטים , תקופתיים של ה- ⁇ הייבוש משפיע על כל שלב בתהליך זה: היווצרות של אשכולות לפני nucleation, nucleation, צמיחת קריסטל, ואת האיכות הסופית של ה- Crystal lattice.

Pre-Nucleation Clusters והריכוז המקומי

לפני שצורות גרעין גבישיות יציבות, מולקולות בפתרון חייבות להיתקל זה בזה וליצור אשכולות טראנסים.פגז ההידרומית פועל כמכשול פיזי ואנרגטי להתאגדות.כאשר שתי מולקולות ניגשות, יש לעקור אותן חלקית כדי לאפשר מגע לא-חלי ישיר.האנרגיה הנדרשת כדי לטשטש את פני השטח אינטראקציה היא מרכיב מרכזי של מחסום ההפעלה עבור nucleation.

בפתרונות מרוכזים, במיוחד אלה המכילים טרמפנטים הפחיתו את פעילות המים, הקליפות של מולקולות סמוכים מתחילות לחפוף ולעוות. חפיפה זו יוצרת אזורים של צפיפות מים מופחתת ודפוסי ייצור מימן שעלולים לקדם את היווצרות של אשכולות טרום-נקיה.מבנה והיציבות של אשכולות אלה תלויים באופן ביקורתי על מידת ההפרעות ההתיות.

המונחים: Kinetics

תורת נינקיה קלאסית מתארת את היווצרות גרעין גבישי כמאזן בין האנרגיה החופשית החיובית של יצירת קשרים בלתי-חלפיים ב lattice ואת האנרגיה החינמית הבלתי-מזוהה של יצירת ממשק חדש מוצק-liquid. inmolecular Crystalalization, אנרגיה חופשית בין-גזעית נשלטת על ידי על ידי עלות של שיבוש hydration על פני השטח.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

  • (FLT:0) סוג וריכוז: ריכוזים גבוהים של אמוניום sulfate או PEG להפחית את זמינות המים ולהדיח חלקית את פני השטח המולקולרי, המאפשר nucleation.
  • pH ו-ionic Power: FLT:1] התאמת pH משנה את מצב ההקפאה של שאריות פני השטח, שינוי דפוס ההפצה וההידחות של המולקולה.
  • (ב) ,0) תוספות כגון גליצרול או DMSO:Felo:FLT:1 אלה co-solvents לשנות מבנה מים ויכולים לייצב או לייצב פגזי הידבקות בהתאם לריכוז.
  • (FLT:0) בקרת Temperature: 1FLT:1 טמפרטורה נמוכה יותר להגדיל את אספקת המים ויכול להאט את קצב ההנקה, בעוד טמפרטורות גבוהות יותר לקדם התייבשות וניקוי מהיר יותר.
  • (ב) ⁇ :0) , ראה: ⁇ 1 (ב) ,הידועים בזרעים קריסטלים לפנים, מספק משטח שבו הפגזת ההייבאה כבר חיובית, תוך התעלמות מהצורך של צומת דה נובו.

אינטראקציות בלתי-חלליות מחוברות על ידי שטף מים

מולקולות מים בממשק בין מולקולות בלחיצת גביש אינן רק צופים פסיביים.בבניינים גבישיים רבים, מולקולות מים מסודרים היטב לגשר מולקולות סמוכים באמצעות אג"ח מימן, המשמשות למעשה כחלק מהלטיצר.מים אלה המתפתלים תורמים ליציבות של הקריסטל ומשפיעים על הכיוון המדויק של מולקולות בתא היחידה. הסרת או הרחקת מים אלה במהלך הליסטליזציה יכול להוביל למומים או פגמים גבישיים שונים.

הרעיון של "מגעים מתווך מים" מבוסס היטב קריסטלוגרפיה של חלבון. מחקרים הראו כי עד 30-50% של מגעים בלתי-חלטרליים גבישי חלבון כרוכים לפחות מולקולה מים אחת.אינטראקציות אלה ממותרות מים לעתים קרובות גמישות יותר מאשר מגעים חלבון ישיר, ומאפשרות ל- lattice להתאים וריאציות תואמים זעירות תוך שמירה על הסדר הכולל.

השפעה על איכות הקריסטל

איכות גביש עבור דיפרקציה רנטגן תלויה במידת הסדר ארוך טווח, הפסיפס, ואת התוכן המפתור של קליפות ההשבתה הגביש להשפיע על כל שלושת הפרמטרים הללו.

סדר ומקסמוסליות

מעטפת מיושנת מאוזנת היטב התואמת ל-The Crystal lattice מקדמת פסיפס נמוך ורזולוציה דיפרצה גבוהה.כאשר מעטפת ההידרומית מופרכת או heterogeneous, מולקולות בקריסטל עשויות לאמץ מעט נטיות שונות או התאמות, הגדלת פסיפס וצמצום הרזולוציה של נתונים מתפזרים.

פתרון תוכן ואיכות דיפרקציה

גבישי חלבונים מכילים בדרך כלל 30-70% מטווח נפח, שרובם מים.הפצה של מתווך זה בין קליפות היממה ורויעות על אזורים דמויי רובה קובע את המבנה המפתור הכולל של הקריסטל עם שיעור גבוה של פותרים לא מאוזנים נוטים להיות פסיפס גבוה יותר באיכות דיפרנציציה נמוכה יותר.

אסטרטגיות מעשיות לשיפור איכות הקריסטל באמצעות בקרת השיקום

  • (FLT:0)Optimize ריכוז טרום-התיכון: ⁇ 1) כוונון יפה את הריכוז טרום-התאטרנטי יכול לייצר גבישים עם תוכן מלוטש נמוך יותר וסדר טוב יותר.
  • (FLT:0) תוספים אשר מחקים את ההייבאה הטבעית: אנדרט (FLT):1 אומדנים מסוימים כגון trehalose או prolineייצב פגזות לחות יכול לשפר את איכות הקריסטל.
  • (FLT:0) מחיקת הייבוש לאחר קריסת הכללה: FLT:1 שליטה בהתייבויות של גבישים על ידי חשיפתם לחות מבוקרת יכולה לשפר את החלטת הניתוק על ידי הסרת מים לא פתורים מן הנקה.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של גילוח: FLT:1 (הבחירה של זעקה) משפיעה על מעבר הזכוכית של מים בגביש ויכולה למנוע היווצרות של גבישי קרח שפוגעים בלחיצות.

עבור סקירה מקיפה של אסטרטגיות אופטימיזציה של קריסטליזציה, ראה:0McPherson & Gavira, "חדירה ללחיצת חלבון", Acta Crystallographica סעיף F (2015)FLT:1.

מיפוי עבור ביולוגיה ועיצוב תרופות

היכולת להשיג גבישים איכותיים של מאקרומולקולטים ביולוגיים היא יסודית לביולוגיה מבנית.קריסטלוגרפיה רנטגן-ריונית נותרה השיטה הדומיננטית לקביעת מבנים לפתרון אטומי, ומבנים אלה תחת עיצוב סמים רציונלי, הנדסת אנזימים ומחקרים מכניסטיים של תפקוד מולקולרי.

גילוי סמים ושיקום Shell Analysis

בעיצוב תרופות מבוסס מבנה, מולקולות מים באתר המחייב הן עניין מסוים.העברה של מים מממשק מחייב חלבון-ligand יכולה לתרום באופן משמעותי כדי לחייב אנרגיה חופשית.הבנת מבנה מעטפת הידבקות של חלבון יעד מאפשרת כימאים רפואיים לעצב ligands כי או למנוע מים ספציפיים עם רווח טרופי חיובי או ליצור קשרים מימן ממומן עם חלבון זה:0 מ"מ עיצוב רלוונטי עבור מטרות טיפוליות אחרות, הוביל לשיפור מטרות טיפוליות ו- 1Frelizertase.

שיטות מקבילות כגון WaterMap, 3D-RISM, וטכנולוגיות מולקולריות של אנרגיה חופשית משמשים כעת באופן שגרתי לזיהוי מים בלתי ניתנים להחלפה במבנים גבישי חלבון וחיזוי ההשלכות התרמודדימיות של עקירת מים.כלים אלה מסתמכים על מודלים מדויקים של מבנה פגז לחות ודינמיקה שמקורם בנתונים וסימולציות ניסיוניות.

חלבונים ממברנים ואתגרי השיקום

Membrane proteins pose a special challenge for crystallization because their hydrophobic transmembrane regions are typically stabilized by detergent micelles or lipid bilayers. The hydration shell at the detergent-protein interface is distinct from that of soluble proteins, with water molecules confined to narrow channels and interfacial regions. Innovations such as lipidic cubic phase crystallization and the use of novel detergents are designed, in part, to provide a more native-like hydration environment for the protein, improving the chances of obtaining well-ordered crystals.

עבור סקירה של שיטות קרישה חלבון membrane, ראה את Birch et al., "התביש חלבון membrane: מגמות נוכחיות ונקודות מבט עתידיות", Nature Reviews כימיה (2021)FLT:1.

טכניקות ללמוד רגיעה Shells

השקעה במבנה ובדינמיקה של פגזי הידבקות מחייבת גישות ניסיוניות ומדייקטיביות שיכולות לחקור את התנהגות המים בקנה מידה המולקולרי.כל טכניקה מספקת מידע משלים על היבטים שונים של הידבקות.

ניוטרון Scattering

ניוטרון דיפרצה ופיזור נויטרונים קטנים (SANS) הם שיטות עוצמתיות ללימוד קליפות היממה כי נויטרונים רגישים מימן ודהוטריום. על ידי שימוש במים מלוטשים או בסלקציה deסלקציה deסלקציה, החוקרים יכולים להבחין בין הפיזור של מים ממטרת מים ממטרקולקלוגרפיה.

X-ray Crystallography ו Cryo-Electron Microscopy

מבנים גבישי רנטגן ברזולוציה גבוהה חושפים באופן שגרתי מולקולות מים הורה בפגזי לחות, במיוחד בפגז תיאום הראשון סביב קבוצות הקוטב ותביעות.בדרך כלל, מבנים בהחלטות יותר מ 2.0 Å יכול להיות מודל מים מקיפים, בעוד מבנים ברזולוציה נמוכה יותר עשויים להחמיץ או לא למקם אותם. Cryo-electron microscopyscopy (cryo-EM) ברזולוציה כמעט atomic הוא עכשיו לפתור מולקולות, כמו גם כדי להקלידמסובייקטציה קשה כדי לספק מידע מורכב.

Infrared ו-Tahertz Spectroscopy

ספקטרוסקופיה Vibרציונלית חוקרת את הדינמיקה של מולקולות מים באמצעות להקות הקליטה האופייניות שלהם.Tahertz spectroscopy במיוחד רגיש לתנועות הקולקטיביות של מולקולות מים בפגזי לחות ויכולה להבחין בין מים, מים מסובכים חלש, מים מקיפים מאוד.טכניקות אלה ניתן ליישם בפתרון בתנאים דמויי גביש כדי לעקוב אחר שינויים בהתמה כתפקוד של טמפרטורה, ריכוז, prepitant.

סימולציות מולקולריות Dynamics Simulations

סימולציות מחשב מספקות מבט אטומי של דינמיקת hydration שאינו נגיש באופן ניסיוני. סימולציה מולקולרית (MD) יכול לחשב זמני מגורים, חיי חיי מימן-בונלד, וחלוקות מרחביות של מים סביב biomolecules עם דיוק גבוה. כאשר בשילוב עם נתונים ניסיוניים, סימולציות MD מסייעות לפרש את התפקידים התרמודינמיים והקינטיים של hydration intraization.

עבור סקירה מתודולוגית מפורטת, ראה:0 [Perticaroli et al.] "Hydration and דינמיקות של מאקרומולקולטים ביולוגיים", סקירה שנתית של כימיה גופנית (2020)3FLT:1.

שאלות פתוחות ודרכים פתוחות

למרות עשרות שנים של מחקר, היבטים רבים של התנהגות פגז לחות במהלך התגבשות נותרו ללא הבנה מלאה.

  • (FLT:0) כיצד פגזי לחות מתפתחים בשלבים המוקדמים של nucleation?cioFLT:1 התבוננות ניסיונית ישירה של מבנה פגז לחות במקבץ לפני ההמראה היא מאתגרת מאוד ודורשת שיטות ספקטרום חדש או פיזור.
  • (FLT:0) ניתן להשתמש בתכונות קליפת הייבוש כדי לחזות תנאי התגבשות?Freave 1: דגמי למידת מכונה שלמדת מכונות המשלבים את תיאורי הפגזות לחות מפותחים כדי לחזות הצלחה גבישית מנכסים על פני פני חלבון.
  • (FLT:0) מה תפקידו של מים ביצירת פולימורפים גבישיים שונים?Buildphs?phs?Builddphs:0) צורות גביש שונות של אותה מולקולה לעתים קרובות יש מבנים שונים של פגז לחות בממשק הסגור, אבל הקשר בין hydration ופולימורפ בחירה לא מובן היטב.
  • (FLT:0) כיצד פגזים לחות משפיעים על ההתנהגות של חלבונים מהפרעה בטריינסית?(ראה) 1:1 חלבונים אלה חסרים מבנה רטיארי יציב והם מחוסנים מאוד, מה שהופך את התנהגות הקריסטליזציה שלהם שונה באופן מהותי מזו של חלבונים מקופלים.

מסקנה

קליפות הידרציה הן הרבה יותר מאשר שכבת פתרון פסיבית סביב מולקולות ביולוגיות.הם משתתפים פעילים, דינמיים בתהליך התגבשות, המשפיעים על יציבות מולקולרית, קינטיקה נירקציה, אינטראקציות בלתי אורכות, ואת האיכות הסופית של ה- קריסטלים מדע מתמשך הבנה עמוקה יותר של פיזיקה הידרובית ומאפשרת לחוקרים לעצב אסטרטגיות גבישיות רציונליות יותר, להשיג יותר דינמיות, לקבוע חלבונים מורכבים, כמו גם תכונות מורכבות יותר ויותר, כמו גם רדיקליות, כמו גם רדיקליות, כמו גם רדיקליות, כלומר, כלומר, כלומר, יעיל יותר ויותר, כמו גם חלבונים מתמטיות, יעיל יותר ויותר, כמו גם רדיקליות מורכבות יותר ויותר, כמו גם רדיקליות.

עבור אלה המבקשים מדריך מעשי לביסטליזציה ביו-מוקולרית המשלבת מושגי היממה, (FLT:0) האיחוד הבינלאומי של קריסטלוגרפיה מציע משאבים חינוכיים והנחיות מעשיות הטוב ביותר לפרקטיקה: FLT:1 כי הם מעודכנים באופן קבוע על ידי הקהילה.