高分子アセンブリ

分子生物学において、高分子アセンブリ（MA）という用語は、ウイルスや非生物学的ナノ粒子、細胞小器官や細胞膜、リボソームなど、ポリペプチド、ポリヌクレオチド、多糖類、またはその他の高分子の複雑な混合物である巨大な化学構造を指します。これらは通常、これらのタイプの1つ以上で構成され、混合物は空間的に（つまり、化学形状に関して）、および基礎となる化学組成と構造に関して定義されます。高分子は生物と無生物に見られ、共有結合で結合した数百または数千の原子で構成されています。繰り返し単位（つまり、ポリマー）を特徴とすることがよくあります。これらのアセンブリも同様に生物学的または非生物学的ですが、MAという用語は生物学でより一般的に適用され、超分子アセンブリという用語は非生物学的なコンテキスト（たとえば、超分子化学やナノテクノロジー）でより頻繁に適用されます。高分子の MA は、非共有結合性の分子間相互作用(共有結合ではなく) によって定義された形式で保持され、非反復構造 (リボソーム (画像) や細胞膜構造など)、または反復する線状、円形、らせん状、またはその他のパターン (アクチンフィラメントやべん毛モーター(画像) など) のいずれかになります。MA が形成されるプロセスは、分子自己組織化と呼ばれており、この用語は特に非生物学的な文脈で適用されています。MA の研究には、さまざまな物理的/生物物理学的、化学的/生化学的、および計算的方法があります。MA の規模 (分子の寸法) を考えると、その構成と構造を詳しく調べ、その機能の根底にあるメカニズムを識別する取り組みは、現代の構造科学の最前線にあります。

真核生物のリボソームは、mRNA分子に含まれる情報を触媒的にタンパク質に翻訳します。このアニメーションは、真核生物の翻訳の伸長段階と膜標的化段階を示しており、mRNAは黒い弧、リボソームサブユニットは緑と黄色、tRNAは濃い青、伸長に関与するタンパク質などの因子は水色、成長するポリペプチド鎖はmRNAの曲線から垂直に伸びる黒い糸として示されています。アニメーションの最後には、生成されたポリペプチドが水色のSecY細孔^[3]からERの灰色の内部に押し出されます。

生体分子複合体

生体分子複合体は生体高分子複合体とも呼ばれ、1つ以上の生体高分子（タンパク質、RNA、DNA、 ^[5] 炭水化物）または大きな非高分子生体分子（脂質）から構成される生物学的複合体である。これらの生体分子間の相互作用は非共有結合である。 ^[6] 例：

タンパク質複合体、その一部は多酵素複合体です：プロテアソーム、DNAポリメラーゼIIIホロ酵素、RNAポリメラーゼIIホロ酵素、対称ウイルスカプシド、シャペロニン複合体GroEL - GroES、光合成系I、ATP合成酵素、フェリチン。
RNA-タンパク質複合体:リボソーム、スプライソソーム、ボールト、SnRNP。細胞核内のこのような複合体はリボ核タンパク質(RNP) と呼ばれます。
DNA-タンパク質複合体：ヌクレオソーム。
タンパク質脂質複合体：リポタンパク質[ ^7]^[8]

生体高分子複合体の構造は、 X線結晶構造解析、タンパク質のNMR分光法、クライオ電子顕微鏡法と連続単粒子分析法、電子トモグラフィーによって研究されています。 ^[9] X線結晶構造解析と生体分子NMR分光法によって得られた原子構造モデルは、電子顕微鏡法、電子トモグラフィー、小角X線散乱などの解像度の低い技術によって得られた生体分子複合体のはるかに大きな構造にドッキングすることができます。 ^[10]

高分子複合体は自然界に遍在しており、ウイルスやあらゆる生体細胞の構築に関与している。さらに、あらゆる基本的な生命プロセス（タンパク質の翻訳、細胞分裂、小胞輸送、細胞内および細胞間の区画間の物質交換など）において基本的な役割を果たしている。これらの役割のそれぞれにおいて、高分子の複雑な混合物は特定の構造的および空間的な方法で組織化される。個々の高分子は共有結合と分子内非共有結合力（つまり、電荷間相互作用、ファンデルワールス力、水素結合などの双極子間相互作用による各分子内の部分間の結合）の組み合わせによって結合しているが、定義上、MA自体は、分子間で発揮されるもの（つまり、分子間相互作用）を除いて、非共有結合力のみによって結合している。^[^要出典^]

MAスケールと例

上の画像は MA に関連する構成とスケール (寸法) を示していますが、これらは構造の複雑さのほんの一部に過ぎません。原則として、各生体細胞は MA で構成されていますが、それ自体も MA です。例やその他の複合体やアセンブリでは、MA はそれぞれ分子量が数百万ダルトン(メガダルトン、つまり単一の単純な原子の重量の数百万倍) であることが多いですが、それでもある程度の精度で測定可能な成分比 (化学量論) を持っています。画像の凡例で示唆されているように、適切に準備された場合、MA または MA の成分サブ複合体は、タンパク質結晶構造解析や関連手法で研究するために結晶化したり、他の物理的手法 (分光法、顕微鏡法など) で研究したりできることがよくあります。^[要出典]

ウイルス MA、ササゲモザイクウイルスの構造の図式表現。小さなコートタンパク質 (S、黄色) と大きなコートタンパク質 (L、緑色) の各コートタンパク質が 30 個ずつ含まれており、プラス鎖 RNAの 2 つの分子(RNA-1 と RNA-2、見えません) とともにウイルス粒子を構成しています。アセンブリは高度に対称的で、最も広い部分の幅は約 280 Å (28 nm) です。^{[検証が必要]}^{[引用が必要]}

ウイルスの構造は最初に研究されたMAの一つであり、他の生物学的な例としては、リボソーム（上記部分画像）、プロテアソーム、翻訳複合体（タンパク質と核酸成分を含む）、原核生物と真核生物の転写複合体、細胞と細胞区画間の物質通過を可能にする核およびその他の生物学的孔などがある。生体膜も一般的にMAと考えられているが、膜脂質および脂質二重層内のタンパク質の固有の分子動力学に対応するために構造的および空間的定義の要件は変更されている。^[15]

ウイルスの組み立て

バクテリオファージ（ファージ）T4 ウイルス粒子の組み立て中、ファージ遺伝子によってコードされる形態形成タンパク質は、特徴的な配列で互いに相互作用する。ウイルス感染中に生成されるこれらのタンパク質のそれぞれの量の適切なバランスを維持することは、正常なファージT4形態形成にとって重要であると思われる。^[16] ウイルス粒子の構造を決定するファージT4によってコードされるタンパク質には、主要な構造成分、マイナーな構造成分、および形態形成シーケンスの特定のステップを触媒する非構造タンパク質が含まれる^[17]。

MAの研究

MAの構造と機能の研究は、特にそのメガダルトンサイズのためだけでなく、複雑な構成と多様な動的性質のために困難です。ほとんどの研究には標準的な化学的および生化学的方法（タンパク質精製および遠心分離法、化学的および電気化学的特性評価など）が適用されています。さらに、その研究方法には、最新のプロテオームアプローチ、計算および原子分解能構造法（例：X線結晶構造解析）、小角X線散乱（SAXS）および小角中性子散乱（SANS）、力分光法、透過型電子顕微鏡法およびクライオ電子顕微鏡法が含まれます。アーロン・クルーグは、電子顕微鏡法を使用した構造解明、特にタバコモザイクウイルス（6400塩基のssRNA分子と2000を超えるコートタンパク質分子を含む構造）を含むタンパク質核酸MAの構造解明に関する研究により、1982年のノーベル化学賞を受賞しました。生体細胞のタンパク質合成機構の一例であるリボソーム（分子量約2.5 MDa）の結晶化と構造解明は、2009年のノーベル化学賞の対象となり、ヴェンカトラマン・ラマクリシュナン、トーマス・A・スタイツ、アダ・E・ヨナスの3人に授与された。^[18]

非生物学的同等物

最後に、生物学は MA の唯一の領域ではありません。超分子化学とナノテクノロジーの分野にはそれぞれ、生物学的 MA で初めて実証された原理を詳細化および拡張するために発展した領域があります。これらの領域で特に興味深いのは、分子機械の基本プロセスを詳細化することと、既知の機械設計を新しいタイプとプロセスに拡張することです。^{[引用が必要]}

参照

生体分子の多状態モデリング
四次構造
多タンパク質複合体
細胞小器官: 「細胞小器官」の最も広い定義には、膜で囲まれた細胞構造だけでなく、非常に大きな生体分子複合体も含まれます。
生体分子の多状態モデリング

参考文献

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さらに読む

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その他の情報源

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外部リンク

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