Superficie accesible

Ilustración de la superficie accesible al disolvente en comparación con la superficie de van der Waals . La superficie de van der Waals dada por los radios atómicos se muestra en rojo. La superficie accesible se dibuja con líneas discontinuas y se crea trazando el centro de la esfera de la sonda (en azul) mientras rueda a lo largo de la superficie de van der Waals. Tenga en cuenta que el radio de la sonda que se muestra aquí es de menor escala que el típico 1,4Å.

El área de superficie accesible (ASA) o el área de superficie accesible al solvente (SASA) es el área de superficie de una biomolécula que es accesible a un solvente . La medición de ASA generalmente se describe en unidades de Ångstroms cuadrados (una unidad estándar de medida en biología molecular ). El ASA fue descrito por primera vez por Lee & Richards en 1971 y, a veces, se lo denomina superficie molecular de Lee-Richards . ^{[1] El} ASA se calcula típicamente utilizando el algoritmo de "bola rodante" desarrollado por Shrake & Rupley en 1973. ^[2]Este algoritmo utiliza una esfera (de disolvente) de un radio particular para "sondear" la superficie de la molécula .

Métodos de cálculo de ASA

Algoritmo Shrake-Rupley

El algoritmo de Shrake-Rupley es un método numérico que dibuja una malla de puntos equidistantes de cada átomo de la molécula y usa el número de estos puntos que son accesibles al solvente para determinar el área de la superficie. ^[2]Los puntos se dibujan en el radio estimado de una molécula de agua más allá del radio de van der Waals, que es efectivamente similar a "hacer rodar una pelota" a lo largo de la superficie. Todos los puntos se comparan con la superficie de los átomos vecinos para determinar si están enterrados o accesibles. El número de puntos accesibles se multiplica por la porción de superficie que representa cada punto para calcular el ASA. La elección del 'radio de la sonda' tiene un efecto en el área de la superficie observada, ya que el uso de un radio de sonda más pequeño detecta más detalles de la superficie y, por lo tanto, informa una superficie más grande. Un valor típico es 1.4Å, que se aproxima al radio de una molécula de agua. Otro factor que incide en los resultados es la definición de los radios VDW de los átomos de la molécula en estudio. Por ejemplo,la molécula a menudo puede carecer de átomos de hidrógeno que están implícitos en la estructura. Los átomos de hidrógeno pueden incluirse implícitamente en los radios atómicos de los átomos "pesados", con una medida denominada "radios de grupo". Además, el número de puntos creados en la superficie de van der Waals de cada átomo determina otro aspecto dediscretización , donde más puntos proporcionan un mayor nivel de detalle.

Método LCPO

El método LCPO utiliza una aproximación lineal del problema de dos cuerpos para un cálculo analítico más rápido de ASA. ^[3] Las aproximaciones utilizadas en LCPO dan como resultado un error en el rango de 1-3 Ų.

Método de diagrama de potencia

Recientemente se presentó un método que calcula ASA de forma rápida y analítica utilizando un diagrama de potencia . ^[4]

Aplicaciones

El área de superficie accesible se usa a menudo cuando se calcula la energía libre de transferencia requerida para mover una biomolécula de un solvente acuoso a un solvente no polar como un entorno lipídico. El método LCPO también se utiliza para calcular los efectos implícitos de los disolventes en el paquete de software de dinámica molecular AMBER .

Recientemente se ha sugerido que el área de superficie accesible (predicha) se puede utilizar para mejorar la predicción de la estructura secundaria de la proteína . ^{[5] [6]}

Relación con la superficie sin solvente

El ASA está estrechamente relacionado con el concepto de superficie excluida por solvente (también conocida como superficie molecular o superficie de Connolly ), que se imagina como una cavidad en el solvente a granel (efectivamente la inversa de la superficie accesible al solvente). También se calcula en la práctica mediante un algoritmo de bola rodante desarrollado por Frederic Richards ^[7] e implementado tridimensionalmente por Michael Connolly en 1983 ^[8] y Tim Richmond en 1984. ^[9] Connolly pasó varios años más perfeccionando el método. ^[10]

Ver también

• Solvatación implícita
• Superficie de Van der Waals
• Herramienta VADAR para analizar estructuras de péptidos y proteínas
• Superficie relativa accesible

Notas

1. Lee, B; Richards, FM. (1971). "La interpretación de las estructuras de proteínas: estimación de la accesibilidad estática". J Mol Biol . 55 (3): 379–400. doi : 10.1016 / 0022-2836 (71) 90324-X . PMID  5551392 .
2. Shrake, A; Rupley, JA. (1973). "Ambiente y exposición al solvente de átomos de proteínas. Lisozima e insulina". J Mol Biol . 79 (2): 351–71. doi : 10.1016 / 0022-2836 (73) 90011-9 . PMID 4760134 . 
3. Weiser J, Shenkin PS, Still WC (1999). "Superficies atómicas aproximadas de combinaciones lineales de superposiciones por pares (LCPO)". Revista de Química Computacional . 20 (2): 217–230. doi : 10.1002 / (SICI) 1096-987X (19990130) 20: 2 <217 :: AID-JCC4> 3.0.CO; 2-A .
4. Klenin K, Tristram F, Strunk T, Wenzel W (2011). "Derivadas de superficie molecular y volumen: fórmulas analíticas simples y exactas". Revista de Química Computacional . 32 (12): 2647–2653. doi : 10.1002 / jcc.21844 . PMID 21656788 . 
5. Momen-Roknabadi, A; Sadeghi, M; Pezeshk, H; Marashi, SA (2008). "Impacto de la superficie accesible de residuos en la predicción de estructuras secundarias de proteínas" . BMC Bioinformática . 9 : 357. doi : 10.1186 / 1471-2105-9-357 . PMC 2553345 . PMID 18759992 .  
6. Adamczak, R; Porollo, A; Meller, J. (2005). "Combinando predicción de estructura secundaria y accesibilidad a solventes en proteínas". Las proteínas . 59 (3): 467–75. doi : 10.1002 / prot.20441 . PMID 15768403 . 
7. Richards, FM. (1977). "Áreas, volúmenes, empaquetamiento y estructura proteica". Annu Rev Biophys Bioeng . 6 : 151-176. doi : 10.1146 / annurev.bb.06.060177.001055 . PMID 326146 . 
8. Connolly, ML (1983). "Cálculo analítico de superficies moleculares". J Appl Crystallogr . 16 (5): 548–558. doi : 10.1107 / S0021889883010985 .
9. Richmond, TJ (1984). "Superficie accesible al disolvente y volumen excluido en proteínas. Ecuaciones analíticas para esferas superpuestas e implicaciones para el efecto hidrofóbico". J Mol Biol . 178 (1): 63–89. doi : 10.1016 / 0022-2836 (84) 90231-6 . PMID 6548264 . 
10. Connolly, ML (1993). "El paquete de superficie molecular". J Mol Graphics . 11 (2): 139-141. doi : 10.1016 / 0263-7855 (93) 87010-3 .

Referencias

• Connolly, ML (1983). "Superficies de proteínas y ácidos nucleicos accesibles a disolventes". Ciencia . 221 (4612): 709–713. Código Bibliográfico : 1983Sci ... 221..709C . doi : 10.1126 / science.6879170 .
• Richmond, Timothy J. (1984). "área superficial accesible al solvente y volumen excluido en proteínas". J. Mol. Biol . 178 : 63–89. doi : 10.1016 / 0022-2836 (84) 90231-6 . PMID  6548264 .
• Connolly, Michael L. (1985). "Cálculo de volumen molecular". Mermelada. Chem. Soc . 107 (5): 118-1124. doi : 10.1021 / ja00291a006 .
• Connolly, ML (1991). "Esqueleto intersticial molecular". Informática y Química . 15 (1): 37–45. doi : 10.1016 / 0097-8485 (91) 80022-E .
• Sanner, MF (1992). Modelado y aplicaciones de superficies moleculares (tesis doctoral).
• Connolly, ML (1992). "Distribuciones de formas de topografía de proteínas". Biopolímeros . 32 (9): 1215-1236. doi : 10.1002 / bip.360320911 . PMID  1420989 .
• Blaney, JM (1994). "Geometría de distancia en el modelado molecular". Reseñas en Química Computacional . Rev. Comput. Chem. págs. 299–335. doi : 10.1002 / 9780470125823.ch6 . ISBN 9780470125823.
• Grant, JA; Camioneta, BT (1995). "Una descripción gaussiana de la forma molecular". J. Phys. Chem . 99 (11): 3503–3510. doi : 10.1021 / j100011a016 .
• Boissonnat, Jean-Daniel; Devillers, Olivier; Duquesne, Jacqueline; Yvinec, Mariette (1994). "Computación de superficies de Connolly". Revista de gráficos moleculares . 12 (1): 61–62. doi : 10.1016 / 0263-7855 (94) 80033-2 . ISSN  1093-3263 .
• Petitjean, M (1994). "Sobre el cálculo analítico de superficies y volúmenes de van der Waals: algunos aspectos numéricos". J. Comput. Chem . 15 (5). págs. 507–523. doi : 10.1002 / jcc.540150504 .
• Connolly, ML (1996). "Superficies moleculares: una revisión" . Ciencia de redes . Archivado desde el original el 15 de marzo de 2013.
• Lin, SL (1994). "Representaciones de superficies moleculares por puntos críticos dispersos" . Las proteínas . 18 (1): 94–101. doi : 10.1002 / prot.340180111 . PMID  8146125 .
• Gerstein, M; Richards, FS (2001). "Geometría de proteínas: volúmenes, áreas y distancias". CiteSeerX  10.1.1.134.2539 .
• Voss, NR (2006). "La geometría del túnel de salida del polipéptido ribosómico". J. Mol. Biol . 360 (4): 893–906. CiteSeerX  10.1.1.144.6548 . doi : 10.1016 / j.jmb.2006.05.023 . PMID  16784753 .
• Leach, A. (2001). Modelado molecular: principios y aplicaciones (2ª ed.). pag. 7 .
• Busa, Jan; Dzurina, Jozef; Hayryan, Edik (2005). "ARVO: Un paquete de fortran para calcular el área de superficie accesible al solvente y el volumen excluido de esferas superpuestas a través de ecuaciones analíticas". Computación. Phys. Comun . 165 (1): 59–96. Código Bibliográfico : 2005CoPhC.165 ... 59B . doi : 10.1016 / j.cpc.2004.08.002 .

Enlaces externos

• Network Science, Parte 5: Superficies accesibles a disolventes
• AREAIMOL es una herramienta de línea de comandos en CCP4 Program Suite para calcular ASA.
• Cálculos de área accesible a solventes de NACCESS .
• FreeSASA Herramienta de línea de comandos de código abierto, biblioteca C y módulo Python para calcular ASA.
• Surface Racer Programa de Surface Racer de Oleg Tsodikov. Cálculo del área de superficie molecular y accesible al solvente y de la curvatura promedio. Gratis para uso académico.
• ASA.py : una implementación basada en Python del algoritmo Shrake-Rupley.
• Superficie molecular de Michel Sanner : el programa más rápido para calcular la superficie excluida.
• pov4grasp renderiza superficies moleculares.
• Paquete de superficie molecular : programa de Michael Connolly.
• Volume Voxelator : una herramienta basada en web para generar superficies excluidas.
• ASV freeware Cálculo analítico del volumen y la superficie de la unión de n esferas (también se proporciona el cálculo de Monte-Carlo).
• Vorlume Computing superficie y volumen de una familia de bolas 3D.