Введение

Тип нековалентных связей

Термин «молекулярное распознавание» относится к специфическому взаимодействию между двумя или более молекулами посредством нековалентных связей, таких как водородные связи, координация металлов, гидрофобные взаимодействия, силы Ван-дер-Ваальса, π-π взаимодействия, галогенные связи или эффекты резонансного взаимодействия. Помимо этих прямых взаимодействий, растворители могут играть доминирующую косвенную роль в обеспечении молекулярного распознавания в растворе. Молекулы-хозяева и молекулы-гости, участвующие в молекулярном распознавании, демонстрируют молекулярную комплементарность. Исключение составляют молекулярные контейнеры, такие как, например, нанотрубки, в которых селективность в основном контролируется порталами. Селективное распределение молекул между двумя или более фазами также может приводить к молекулярному распознаванию. В случае распределения, основанного на молекулярном распознавании, кинетика и равновесные условия определяются присутствием растворенных веществ в двух фазах.

Биологические системы

Молекулярное распознавание играет важную роль в биологических системах и наблюдается в взаимодействиях между лигандом и рецептором, антигеном и антителом, ДНК и белком, сахаром и лектином, РНК и рибосомой и т.д. Важным примером молекулярного распознавания является антибиотик ванкомицин, который избирательно связывается с пептидами, содержащими терминальный D-аланил-D-аланин, в бактериальных клетках посредством пяти водородных связей. Ванкомицин смертелен для бактерий, поскольку после связывания с этими пептидами они становятся неспособными к использованию для построения клеточной стенки бактерий.

Синтетическое молекулярное распознавание

Недавние исследования показывают, что элементы молекулярного распознавания могут быть синтетически получены в наномасштабе, что позволяет избежать необходимости использования природных элементов молекулярного распознавания при разработке сенсоров для малых молекул. Биомиметические полимеры, такие как полимеры с молекулярным отпечатком и пептоиды, могут быть использованы для распознавания более крупных биологических мишеней, таких как белки, а конъюгация полимеров с синтетическими флуоресцентными наноматериалами позволяет создавать синтетические макромолекулярные структуры, функционирующие как синтетические антитела для оптического распознавания и детекции белков.

Супрамолекулярные системы

Химики показали, что можно разработать множество искусственных супрамолекулярных систем, проявляющих молекулярное распознавание. Одним из первых примеров таких систем являются краун-эфиры, способные селективно связывать определенные катионы. Однако впоследствии было создано множество других искусственных систем.

Статическая и динамическая

Молекулярное распознавание можно разделить на статическое и динамическое молекулярное распознавание. Статическое молекулярное распознавание аналогично взаимодействию ключа и замочной скважины; это реакция комплексообразования типа 1:1 между молекулой-хозяином и молекулой-гостем с образованием комплекса хозяин-гость. Для достижения продвинутого статического молекулярного распознавания необходимо создавать участки распознавания, специфичные для молекул-гостей. В случае динамического молекулярного распознавания связывание первого гостя с первым участком связывания хозяина влияет на константу ассоциации второго гостя со вторым участком связывания, что приводит к кооперативности связывания. В положительных аллостерических системах связывание первого гостя увеличивает константу ассоциации второго гостя, а в отрицательных аллостерических системах – уменьшает константу ассоциации со вторым гостем. Динамическая природа этого типа молекулярного распознавания особенно важна, поскольку она обеспечивает механизм регуляции связывания в биологических системах. Динамическое молекулярное распознавание может повысить способность различать несколько конкурирующих целей посредством механизма конформационной проверки. Динамическое молекулярное распознавание также изучается для применения в высокочувствительных химических сенсорах и молекулярных устройствах.

Сложность

Недавнее исследование, основанное на молекулярном моделировании и константах упругости, описывает молекулярное распознавание как феномен организации. Даже для небольших молекул, таких как углеводы, процесс распознавания нельзя предсказать или спроектировать, даже если точно известна сила каждой отдельной водородной связи. Однако, как заключили Mobley и др., для точного предсказания событий молекулярного распознавания необходимо выходить за рамки статического моментального снимка взаимодействия гостя и хозяина. Энтропия является ключевым фактором, определяющим термодинамику связывания, и ее необходимо учитывать для более точного прогнозирования процесса распознавания. Энтропию редко можно наблюдать в отдельных структурах (статическом снимке). В белках высокоспецифичное распознавание достигается благодаря эволюционной тонкой настройке химических взаимодействий, конформационных изменений и вкладу энтропии.

Внутреннее дополнение

Джель указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами, флуктуации заряда благоприятствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. В соответствии с этим принципом, многочисленные копии полипептида, закодированные геном, часто подвергаются молекулярному узнаванию друг с другом, формируя упорядоченную мультиполипептидную белковую структуру. Когда такой белок формируется из полипептидов, произведенных двумя различными мутантными аллелями одного и того же гена, белок, состоящий из смеси полипептидов, может проявлять более высокую функциональную активность, чем мультиполипептидный белок, образованный каждым из мутантов по отдельности. В этом случае это явление называется внутригенной комплементацией. Внутригенная комплементация (также называемая межаллельной комплементацией) была продемонстрирована во многих различных генах у разнообразных организмов. Крик и Оргель проанализировали результаты этих исследований и пришли к выводу, что внутригенная комплементация, как правило, возникает в результате взаимодействия различно дефектных полипептидных мономеров при формировании ими упорядоченного агрегата, который они назвали "мультимером".