تجميع الجزيئات الكبيرة

في علم الأحياء الجزيئي ، يشير مصطلح التجمعات الجزيئية الضخمة ( MA ) إلى تراكيب كيميائية هائلة ، مثل الفيروسات والجسيمات النانوية غير البيولوجية ، والعضيات الخلوية والأغشية والريبوسومات ، وغيرها ، وهي عبارة عن مخاليط معقدة من عديد الببتيد ، وعديد النوكليوتيدات ، وعديد السكاريد ، أو جزيئات بوليمرية ضخمة أخرى . وعادةً ما تكون هذه التجمعات من أكثر من نوع واحد، وتُحدد هذه المخاليط مكانيًا (أي من حيث شكلها الكيميائي)، ومن حيث تركيبها الكيميائي وبنيتها الأساسية . توجد الجزيئات الضخمة في الكائنات الحية وغير الحية، وتتكون من مئات أو آلاف الذرات المرتبطة بروابط تساهمية ؛ وغالبًا ما تتميز بوحدات متكررة (أي أنها بوليمرات ). يمكن أن تكون تجمعات هذه الجزيئات بيولوجية أو غير بيولوجية، مع أن مصطلح "التجمع الجزيئي" (MA) يُستخدم بشكل أكثر شيوعًا في علم الأحياء، بينما يُستخدم مصطلح "التجمع فوق الجزيئي" (فوق الجزيئي) في سياقات غير بيولوجية (مثل الكيمياء فوق الجزيئية وتقنية النانو ). تُحافظ التجمعات الجزيئية للجزيئات الكبيرة على أشكالها المحددة من خلال تفاعلات بين الجزيئات غير تساهمية (بدلاً من الروابط التساهمية )، ويمكن أن تكون في هياكل غير متكررة (مثل الريبوسوم (صورة) وهياكل غشاء الخلية)، أو في أنماط خطية أو دائرية أو حلزونية متكررة، أو أنماط أخرى (مثل خيوط الأكتين والمحرك السوطي ، صورة). تُسمى عملية تكوين التجمعات الجزيئية بالتجميع الذاتي الجزيئي ، وهو مصطلح يُستخدم بشكل خاص في سياقات غير بيولوجية. توجد مجموعة واسعة من الطرق الفيزيائية/الفيزيائية الحيوية، والكيميائية/الكيميائية الحيوية، والحسابية لدراسة التجمعات الجزيئية. بالنظر إلى حجم (الأبعاد الجزيئية) للمواد العضوية، فإن الجهود المبذولة لتوضيح تركيبها وبنيتها وتمييز الآليات الكامنة وراء وظائفها تقع في طليعة علم البنية الحديث.

المركب الجزيئي الحيوي ، ويُسمى أيضًا المركب الجزيئي الحيوي الكبير ، هو أي مركب بيولوجي يتكون من أكثر من بوليمر حيوي واحد ( بروتين ، حمض نووي ريبوزي ، حمض نووي ديوكسي ريبوزي منقوص الأكسجين ، ^{[ 5 ]} كربوهيدرات ) أو جزيئات حيوية كبيرة غير بوليمرية ( دهون ). وتكون التفاعلات بين هذه الجزيئات الحيوية غير تساهمية. ^{[ 6 ]} أمثلة:

• المركبات البروتينية ، وبعضها عبارة عن مركبات متعددة الإنزيمات : البروتيازوم ، إنزيم بوليميراز الحمض النووي الثالث الكامل ، إنزيم بوليميراز الحمض النووي الريبي الثاني الكامل، القفيصات الفيروسية المتناظرة ، مركب الشابرونين GroEL - GroES ، النظام الضوئي الأول ، سينثاز ATP ، الفيريتين .
• معقدات البروتين-RNA: الريبوسوم ، والجسيم الرابط ، والقبو ، وSnRNP . تسمى هذه المعقدات في نواة الخلية بالبروتينات النووية الريبية (RNPs).
• معقدات الحمض النووي والبروتين: النيوكليوسوم .
• معقدات البروتين والدهون: البروتين الدهني . ^{[ 7 ] [ 8 ]}

تُدرس المركبات الجزيئية الحيوية الكبيرة بنيويًا باستخدام علم البلورات بالأشعة السينية ، وطيف الرنين المغناطيسي النووي للبروتينات ، والمجهر الإلكتروني فائق البرودة ، وتحليل الجسيمات المفردة المتتالي ، والتصوير المقطعي الإلكتروني . ^{[ 9 ]} ويمكن دمج نماذج البنية الذرية التي تم الحصول عليها بواسطة علم البلورات بالأشعة السينية وطيف الرنين المغناطيسي النووي للجزيئات الحيوية في البنى الأكبر حجمًا للمركبات الجزيئية الحيوية التي تم الحصول عليها بتقنيات ذات دقة أقل مثل المجهر الإلكتروني، والتصوير المقطعي الإلكتروني، وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة . ^{[ 10 ]}

توجد معقدات الجزيئات الكبيرة في كل مكان في الطبيعة، حيث تشارك في بناء الفيروسات وجميع الخلايا الحية. بالإضافة إلى ذلك، تلعب أدوارًا أساسية في جميع العمليات الحيوية الأساسية ( ترجمة البروتين ، انقسام الخلايا ، نقل الحويصلات ، التبادل داخل الخلايا وبينها للمواد بين الحجيرات، إلخ). في كل من هذه الأدوار، تتنظم مخاليط معقدة من الجزيئات الكبيرة بطرق هيكلية ومكانية محددة. بينما ترتبط الجزيئات الكبيرة الفردية معًا بمزيج من الروابط التساهمية والقوى غير التساهمية داخل الجزيء (أي، الارتباطات بين الأجزاء داخل كل جزيء، عبر تفاعلات الشحنة-الشحنة ، وقوى فان دير فالس ، وتفاعلات ثنائي القطب مثل الروابط الهيدروجينية )، فإن الجزيئات الكبيرة نفسها، بحكم تعريفها، ترتبط معًا فقط عبر القوى غير التساهمية ، باستثناء تلك التي تُمارس بين الجزيئات (أي، التفاعلات بين الجزيئات ).

تُظهر الصور أعلاه لمحةً عن تركيبات وأبعاد الجسيمات النانوية، إلا أنها لا تُغطي سوى جزءٍ بسيط من تعقيد هذه التراكيب؛ فمن حيث المبدأ، تتكون كل خلية حية من جسيمات نانوية، وهي في حد ذاتها جسيم نانوي. في الأمثلة وغيرها من هذه المركبات والتجمعات، غالبًا ما يصل الوزن الجزيئي للجسيمات النانوية إلى ملايين الدالتون (ميغادالتون، أي ملايين أضعاف وزن ذرة بسيطة واحدة)، مع احتفاظها بنسب مكونات قابلة للقياس ( قياسات العناصر ) بدقة معينة. وكما هو موضح في شرح الصور، عند تحضيرها بشكل صحيح، يمكن غالبًا بلورة الجسيمات النانوية أو مكوناتها الفرعية لدراستها باستخدام علم البلورات البروتينية والأساليب ذات الصلة، أو دراستها باستخدام أساليب فيزيائية أخرى (مثل التحليل الطيفي والمجهر ) .

كانت بنى الفيروسات من أوائل الأغشية الخلوية التي دُرست؛ وتشمل الأمثلة البيولوجية الأخرى الريبوسومات (صورة جزئية أعلاه)، والبروتيازومات، ومجمعات الترجمة (بمكوناتها من البروتين والحمض النووي )، ومجمعات النسخ في بدائيات النوى وحقيقيات النوى، والمسام النووية وغيرها من المسام البيولوجية التي تسمح بمرور المواد بين الخلايا ومكوناتها. وتُعتبر الأغشية الحيوية عمومًا أغشية خلوية، على الرغم من تعديل متطلبات التعريف البنيوي والمكاني لاستيعاب الديناميكيات الجزيئية المتأصلة في دهون الأغشية ، والبروتينات داخل طبقات الدهون الثنائية . ^{[ 15 ]}

أخيرًا، لا يقتصر مجال الآلات الجزيئية على علم الأحياء فقط. فلكل من مجالي الكيمياء فوق الجزيئية وتقنية النانو مجالاتٌ تطورت لتطوير وتوسيع المبادئ التي تم إثباتها لأول مرة في الآلات الجزيئية البيولوجية. ومن بين المجالات ذات الأهمية الخاصة في هذه المجالات، تطوير العمليات الأساسية للآلات الجزيئية ، وتوسيع نطاق تصميمات الآلات المعروفة لتشمل أنواعًا وعمليات جديدة.

• نمذجة متعددة الحالات للجزيئات الحيوية
• بنية العصر الرباعي
• مركب بروتيني متعدد
• العضية : يشمل التعريف الأوسع لـ "العضية" ليس فقط الهياكل الخلوية المرتبطة بالغشاء، ولكن أيضًا المركبات الجزيئية الحيوية الكبيرة جدًا.
• نمذجة متعددة الحالات للجزيئات الحيوية

• مجموعة بيك (2019)، بنية ووظيفة التجمعات الجزيئية الكبيرة (الصفحة الرئيسية لمجموعة بيك)، مجموعة بيك - بنية ووظيفة التجمعات الجزيئية الكبيرة - EMBL ، تم الوصول إليها في 13 يونيو 2011.
• مجموعة DMA (2019)، ديناميكيات تجميع الجزيئات الكبيرة (الصفحة الرئيسية لمجموعة DMA)، قسم ديناميكيات تجميع الجزيئات الكبيرة | المعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية ، تم الوصول إليه في 13 يونيو 2011.