Molekularno prepoznavanje

Izraz molekularno prepoznavanje odnosi se na specifičnu interakciju između dva ili više molekula putem nekovalentne veze kao što je vodonična veza, koordinacija metala, hidrofobne sile,^{[3] [4]} van der Waalsove sile, π-π interakcije, halogena veza ili efekti rezonantne interakcije^[5]. Pored ovih direktnih interakcija, rastvarači mogu igrati dominantnu indirektnu ulogu u pokretanju molekularnog prepoznavanja u otopini. ^{[6] [7]} Domaćin i gost uključeni u molekularno prepoznavanje pokazuju molekularnu komplementarnost. Izuzetak su molekularni kontejneri,^{[8] [9]} uključujući npr. nanocijevi, u kojima portali u suštini kontrolišu selektivnost. ^{[10] [11] [12]}

Molekularno prepoznavanje igra važnu ulogu u biološkim sistemima i opaža se između receptor-ligand, ^{[13] [14]} antigen - antitijelo, DNK - protein, šećer - lektin, RNA - ribozom, itd. Važan primjer molekularnog prepoznavanja je antibiotik vankomicin koji se selektivno veže za peptide s terminalnim D-alanil-D-alaninom u bakterijskim ćelijama preko pet vodikovih veza. Vankomicin je smrtonosan za bakterije jer kada se jednom veže za ove specifične peptide, ne mogu se koristiti za izgradnju ćelijskog zida bakterije. 

Nedavni radovi sugerišu da se elementi molekularnog prepoznavanja mogu sintetički proizvesti na nano-skali,^[15] zaobilazeći potrebu za prirodnim elementima molekularnog prepoznavanja za razvoj senzorskih alata za male molekule. Bio-mimetički polimeri kao što su molekularno utisnuti polimeri ^[16] i peptoidi mogu se koristiti za prepoznavanje većih bioloških ciljeva kao što su proteini ^[17], a konjugacija polimera sa sintetičkim fluorescentnim nanomaterijalima može stvoriti sintetičke makromolekularne strukture koje služe kao sintetička antitijela za optički protein prepoznavanje i detekciju. ^{[18] [19]}

Hemičari su pokazali da se mogu dizajnirati mnogi umjetni supramolekularni sistemi koji pokazuju molekularno prepoznavanje. ^[20] Jedan od najranijih primjera takvog sistema su krunski eteri koji su sposobni da selektivno vežu specifične katjone. Međutim, od tada su uspostavljeni brojni vještački sistemi.

Molekularno prepoznavanje se može podijeliti na statičko molekularno prepoznavanje i dinamičko molekularno prepoznavanje. Statičko molekularno prepoznavanje se poredi sa interakcijom između ključa i ključaonice; to je reakcija kompleksiranja tipa 1:1 između molekula domaćina i molekula gosta kako bi se formirao kompleks domaćin-gost. Da bi se postiglo napredno statičko molekularno prepoznavanje, potrebno je napraviti mjesta za prepoznavanje specifičnih za gostujuće molekule.

U slučaju dinamičkog molekularnog prepoznavanja, vezivanje prvog gosta za prvo vezno mjesto domaćina utiče na konstantu asocijacije drugog gosta sa drugim mjestom vezivanja, što dovodi do saradnje vezivanja. ^[21] U slučaju pozitivnih alosteričnih sistema, vezivanje prvog gosta povećava asocijacijsku konstantu drugog gosta. Dok za negativne alosterične sisteme vezivanje prvog gosta smanjuje asocijacijsku konstantu sa drugim. Dinamička priroda ove vrste molekularnog prepoznavanja je posebno važna jer obezbjeđuje mehanizam za regulaciju vezivanja u biološkim sistemima. Dinamičko molekularno prepoznavanje može poboljšati sposobnost razlikovanja između nekoliko konkurentskih ciljeva putem mehanizma konformacijskog lektoriranja. Dinamičko molekularno prepoznavanje se također proučava za primjenu u visoko funkcionalnim hemijskim senzorima i molekularnim uređajima.

Nedavna studija zasnovana na molekularnim simulacijama i konstantama usklađenosti opisuje molekularno prepoznavanje kao fenomen organizacije. Čak i za male molekule kao što su ugljikohidrati, proces prepoznavanja se ne može predvidjeti ili dizajnirati čak ni pod pretpostavkom da je snaga svake pojedinačne vodikove veze tačno poznata. ^[22] Međutim, kako su Mobley i ostali ^[23] zaključili, precizno predviđanje događaja molekularnog prepoznavanja treba da ide dalje od statičnog snimka jednog kadra između gosta i domaćina. Entropije su ključni faktori koji doprinose termodinamici vezivanja i moraju se uzeti u obzir kako bi se preciznije predvideo proces prepoznavanja.^[24] Entropije se rijetko mogu uočiti u jednostrukim vezanim strukturama (statična slika).

Jehle ^[25] je istakao da, kada se urone u tekućinu i pomiješaju s drugim molekulima, sile fluktuacije naboja pogoduju povezivanju identičnih molekula kao najbližih susjeda. U skladu sa ovim principom, višestruke kopije polipeptida kodiranog genom često se međusobno molekularno prepoznaju kako bi formirale uređenu multi-polipeptidnu proteinsku strukturu. Kada je takav protein formiran od polipeptida proizvedenih od strane dva različita mutantna alela određenog gena, protein sastavljen od mješavine polipeptida može pokazati veću funkcionalnu aktivnost od multi-polipeptidnog proteina koji formira svaki od mutanata sam. U takvom slučaju, fenomen se naziva intragenska komplementacija.

Intragenska komplementacija (također nazvana interalelna komplementacija) je demonstrirana u mnogim različitim genima u različitim organizmima.^[26] Crick i Orgel ^[27] analizirali su rezultate takvih studija i došli do zaključka da intragenska komplementacija, općenito, nastaje interakcijom različito defektnih polipeptidnih monomera kada formiraju uređeni agregat koji su nazvali „multimer“.

• http://www.mdpi.org/ijms/sections/molecular-recognition.htm Specijalno izdanje o molekularnom prepoznavanju u Int. J. Mol. Sci.