Estructura biomolecular

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Diagrama interactivo de la estructura de la proteína , usando PCNA como ejemplo. ( PDB : 1AXC )

Imagen interactiva de la estructura del ácido nucleico (primario, secundario, terciario y cuaternario) utilizando hélices de ADN y ejemplos de la ribozima VS y la telomerasa y el nucleosoma . ( PDB : ADNA , 1BNA , 4OCB , 4R4V , 1YMO , 1EQZ )

La estructura biomolecular es la intrincada forma tridimensional plegada que está formada por una molécula de proteína , ADN o ARN , y que es importante para su función. La estructura de estas moléculas puede considerarse en cualquiera de varias escalas de longitud que van desde el nivel de átomos individuales hasta las relaciones entre subunidades de proteínas completas . Esta útil distinción entre escalas se expresa a menudo como una descomposición de la estructura molecular en cuatro niveles: primario, secundario, terciario y cuaternario. El andamio para esta organización multiescala de la molécula surge en el nivel secundario, donde los elementos estructurales fundamentales son los diversos elementos de la molécula.enlaces de hidrógeno . Esto conduce a varios dominios reconocibles de la estructura de la proteína y la estructura del ácido nucleico , incluidas las características de la estructura secundaria como las hélices alfa y láminas beta para las proteínas, y lazos en horquilla , protuberancias y lazos internos para los ácidos nucleicos. Los términos estructura primaria , secundaria , terciaria y cuaternaria fueron introducidos por Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang en sus Conferencias de Medicina Lane de 1951 en la Universidad de Stanford .

Estructura primaria

Más información: Estructura primaria de proteínas y Estructura primaria de ácidos nucleicos.

La estructura principal de un biopolímero es la especificación exacta de su composición atómica y los enlaces químicos que conectan esos átomos (incluida la estereoquímica ). Para un biopolímero no ramificado y no reticulado típico (como una molécula de una proteína intracelular típica , o de ADN o ARN ), la estructura primaria es equivalente a especificar la secuencia de sus subunidades monoméricas , como aminoácidos o nucleótidos .

La estructura primaria a veces se denomina erróneamente secuencia primaria , pero no existe tal término, ni tampoco un concepto paralelo de secuencia secundaria o terciaria. Por convención, la estructura primaria de una proteína se informa comenzando desde el terminal amino (N) hasta el terminal carboxilo (C), mientras que la estructura primaria de la molécula de ADN o ARN se informa desde el extremo 5 'hasta el extremo 3'.

La estructura primaria de una molécula de ácido nucleico se refiere a la secuencia exacta de nucleótidos que comprende la molécula completa. A menudo, la estructura primaria codifica motivos de secuencia que son de importancia funcional. Algunos ejemplos de tales motivos son: la C / D ^[1] y H / ACA cajas ^[2] de snoRNAs , LSm sitio de unión se encontró en los ARN spliceosomal tales como U1 , U2 , U4 , U5 , U6 , U12 y U3 , la Shine -Secuencia de Dalgarno , ^[3] la secuencia de consenso de Kozak^[4] y el terminador de ARN polimerasa III . ^[5]

Estructura secundaria

Más información: Estructura secundaria de proteínas y Estructura secundaria de ácidos nucleicos.

Estructura secundaria (recuadro) y terciario del ARNt que demuestra apilamiento coaxial PDB : 6TNA )

La estructura secundaria es el patrón de enlaces de hidrógeno en un biopolímero. Estos determinan la forma tridimensional general de los segmentos locales de los biopolímeros, pero no describen la estructura global de posiciones atómicas específicas en el espacio tridimensional, que se consideran estructura terciaria . La estructura secundaria se define formalmente por los enlaces de hidrógeno del biopolímero, como se observa en una estructura de resolución atómica. En las proteínas, la estructura secundaria se define por patrones de enlaces de hidrógeno entre los grupos amina y carboxilo de la cadena principal (los enlaces de hidrógeno de la cadena lateral a la cadena principal y de la cadena lateral a la cadena lateral son irrelevantes), donde el DSSPSe utiliza la definición de enlace de hidrógeno. En los ácidos nucleicos, la estructura secundaria está definida por el enlace de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

Para las proteínas, sin embargo, el enlace de hidrógeno se correlaciona con otras características estructurales, lo que ha dado lugar a definiciones menos formales de estructura secundaria. Por ejemplo, las hélices pueden adoptar ángulos diedros de la columna vertebral en algunas regiones de la trama de Ramachandran ; por lo tanto, un segmento de residuos con tales ángulos diedros a menudo se llama hélice , independientemente de si tiene los enlaces de hidrógeno correctos. Se han propuesto muchas otras definiciones menos formales, a menudo aplicando conceptos de la geometría diferencial de curvas, como curvatura y torsión . Los biólogos estructurales que resuelven una nueva estructura de resolución atómica a veces asignan su estructura secundaria a simple vista.y registre sus asignaciones en el archivo de Protein Data Bank (PDB) correspondiente.

La estructura secundaria de una molécula de ácido nucleico se refiere a las interacciones de apareamiento de bases dentro de una molécula o conjunto de moléculas que interactúan. La estructura secundaria de los ARN biológicos a menudo se puede descomponer de forma única en tallos y bucles. A menudo, estos elementos o combinaciones de ellos se pueden clasificar adicionalmente, por ejemplo , tetrabucles , pseudonudos y bucles de tallo . Hay muchos elementos de estructura secundaria de importancia funcional para el ARN biológico. Ejemplos famosos incluyen los lazos de tallo del terminador independiente de Rho y el ARN de transferencia(ARNt) hoja de trébol. Existe una industria menor de investigadores que intenta determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN. Los enfoques incluyen métodos tanto experimentales como computacionales (ver también la Lista de software de predicción de estructuras de ARN ).

Estructura terciaria

Más información: estructura terciaria de proteínas , estructura terciaria de ácidos nucleicos y alineación estructural

La estructura terciaria de una proteína o cualquier otra macromolécula es su estructura tridimensional, definida por las coordenadas atómicas. ^[6] Las proteínas y los ácidos nucleicos se pliegan en estructuras tridimensionales complejas que dan como resultado las funciones de las moléculas. Si bien estas estructuras son diversas y complejas, a menudo se componen de dominios y motivos de estructura terciaria reconocibles y recurrentes que sirven como bloques de construcción moleculares. Se considera que la estructura terciaria está determinada en gran medida por la estructura primaria de la biomolécula (su secuencia de aminoácidos o nucleótidos ).

Estructura cuaternaria

Más información: Estructura cuaternaria de proteínas y Estructura cuaternaria de ácidos nucleicos

La estructura cuaternaria se refiere al número y disposición de múltiples moléculas de proteínas en un complejo de múltiples subunidades. Para los ácidos nucleicos, el término es menos común, pero puede referirse a la organización de alto nivel del ADN en la cromatina , ^[7] incluidas sus interacciones con histonas , o las interacciones entre unidades de ARN separadas en el ribosoma ^{[8] [9].} o espliceosoma .

Determinación de estructura

Más información: Determinación de la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos

El sondeo de estructuras es el proceso mediante el cual se utilizan técnicas bioquímicas para determinar la estructura biomolecular. ^[10] Este análisis se puede utilizar para definir los patrones que se pueden utilizar para inferir la estructura molecular, el análisis experimental de la estructura y función molecular y una mayor comprensión del desarrollo de moléculas más pequeñas para futuras investigaciones biológicas. ^[11] El análisis de sondeo de estructuras se puede realizar mediante muchos métodos diferentes, que incluyen sondeo químico, sondeo de radicales hidroxilo, mapeo de interferencia de análogos de nucleótidos (NAIM) y sondeo en línea. ^[10]

Las estructuras de proteínas y ácidos nucleicos se pueden determinar usando espectroscopía de resonancia magnética nuclear ( RMN ) o cristalografía de rayos X o microscopía crioelectrónica de partículas individuales ( crioEM ). Los primeros informes publicados para el ADN (por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en 1953) de patrones de difracción de rayos X de ADN-A ( y también ADN-B) utilizaron análisis basados ​​en transformaciones de función de Patterson que proporcionaron solo una cantidad limitada de información estructural para orientaciones fibras de ADN aisladas de timo de ternera . ^{[12] [13]}Luego, Wilkins et al. Propusieron un análisis alternativo. en 1953 para la difracción de rayos X del ADN B y los patrones de dispersión de las fibras de ADN hidratadas y orientadas a las bacterias y las cabezas de los espermatozoides de trucha en términos de cuadrados de funciones de Bessel . ^[14] Aunque la forma B-DNA 'es más común en las condiciones que se encuentran en las células, ^[15] no es una conformación bien definida, sino una familia o un conjunto difuso de conformaciones de ADN que ocurren en los altos niveles de hidratación presentes en un amplia variedad de células vivas. ^[16] Sus correspondientes patrones de difracción y dispersión de rayos X son característicos de los paracristales moleculares con un grado significativo de desorden (más del 20%), ^{[17] [18]} y la estructura no es manejable usando solo el análisis estándar.

Por el contrario, el análisis estándar, que incluye sólo transformadas de Fourier de funciones de Bessel ^[19] y modelos moleculares de ADN , todavía se utiliza de forma rutinaria para analizar los patrones de difracción de rayos X de A-ADN y Z-ADN. ^[20]

Predicción de estructura

Saccharomyces cerevisiae tRNA-Phe espacio de estructura: las energías y estructuras se calcularon utilizando RNAsubopt y las distancias de estructura se calcularon utilizando RNAdistance.

Más información: predicción de estructura de proteínas y de predicción de estructura de ácidos nucleicos

La predicción de la estructura biomolecular es la predicción de la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos , o de un ácido nucleico a partir de su secuencia de nucleobase (base). En otras palabras, es la predicción de la estructura secundaria y terciaria a partir de su estructura primaria. La predicción de estructuras es la inversa del diseño biomolecular, como en el diseño racional , diseño de proteínas , diseño de ácidos nucleicos e ingeniería biomolecular .

La predicción de la estructura de las proteínas es uno de los objetivos más importantes que persigue la bioinformática y la química teórica . La predicción de la estructura de las proteínas es de gran importancia en medicina (por ejemplo, en el diseño de fármacos ) y biotecnología (por ejemplo, en el diseño de nuevas enzimas ). Cada dos años, el rendimiento de los métodos actuales se evalúa en el experimento de Evaluación crítica de predicción de la estructura de proteínas ( CASP ).

También ha habido una cantidad significativa de investigación bioinformática dirigida al problema de predicción de la estructura del ARN. Un problema común para los investigadores que trabajan con ARN es determinar la estructura tridimensional de la molécula dada solo la secuencia de ácido nucleico. Sin embargo, en el caso del ARN, gran parte de la estructura final está determinada por la estructura secundaria o las interacciones de apareamiento de bases intramoleculares de la molécula. Esto se demuestra por la alta conservación de los emparejamientos de bases en diversas especies.

La estructura secundaria de las moléculas pequeñas de ácido nucleico está determinada en gran medida por interacciones locales fuertes, como enlaces de hidrógeno y apilamiento de bases . Sumar la energía libre para tales interacciones, usualmente usando un método del vecino más cercano , proporciona una aproximación para la estabilidad de una estructura dada. ^[21] La forma más sencilla de encontrar la estructura de energía libre más baja sería generar todas las estructuras posibles y calcular la energía libre para ellas, pero el número de estructuras posibles para una secuencia aumenta exponencialmente con la longitud de la molécula. ^[22] Para moléculas más largas, el número de posibles estructuras secundarias es enorme. ^[21]

Los métodos de covariación de secuencias se basan en la existencia de un conjunto de datos compuesto por múltiples secuencias de ARN homólogas con secuencias relacionadas pero diferentes. Estos métodos analizan la covariación de sitios de base individuales en evolución ; el mantenimiento en dos sitios ampliamente separados de un par de nucleótidos de apareamiento de bases indica la presencia de un enlace de hidrógeno estructuralmente requerido entre esas posiciones. Se ha demostrado que el problema general de la predicción de pseudonudos es NP-completo . ^[23]

Diseño

Más información: diseño de proteínas y diseño de ácidos nucleicos

El diseño biomolecular puede considerarse el inverso de la predicción de estructuras. En la predicción de la estructura, la estructura se determina a partir de una secuencia conocida, mientras que, en el diseño de proteínas o ácidos nucleicos, se genera una secuencia que formará una estructura deseada.

Otras biomoléculas

Más información: bicapa lipídica

Esta sección necesita expansión . Puede ayudar agregando más . ( Abril de 2010 )

Otras biomoléculas, como polisacáridos , polifenoles y lípidos , también pueden tener una estructura de orden superior de consecuencia biológica.

Ver también

• Biomolecular
• Comparación de software de simulación de ácidos nucleicos
• Estructura genética
• Lista de software de predicción de estructura de ARN
• ARN no codificante

Referencias

1. Samarsky DA, Fournier MJ, Singer RH, Bertrand E (julio de 1998). "El motivo de la caja de snoRNA C / D dirige la focalización nucleolar y también acopla la síntesis y localización de snoRNA" . El diario EMBO . 17 (13): 3747–57. doi : 10.1093 / emboj / 17.13.3747 . PMC  1170710 . PMID  9649444 .
2. Ganot P, Caizergues-Ferrer M, Kiss T (abril de 1997). "La familia de ARN nucleolares pequeños de caja ACA se define por una estructura secundaria conservada evolutivamente y elementos de secuencia ubicuos esenciales para la acumulación de ARN" . Genes y desarrollo . 11 (7): 941–56. doi : 10.1101 / gad.11.7.941 . PMID 9106664 . 
3. Shine J, Dalgarno L (marzo de 1975). "Determinante de la especificidad del cistrón en los ribosomas bacterianos". Naturaleza . 254 (5495): 34–38. Código Bibliográfico : 1975Natur.254 ... 34S . doi : 10.1038 / 254034a0 . PMID 803646 . S2CID 4162567 .  
4. Kozak M (octubre de 1987). "Un análisis de secuencias no codificantes 5 'de 699 ARN mensajeros de vertebrados" . Investigación de ácidos nucleicos . 15 (20): 8125–48. doi : 10.1093 / nar / 15.20.8125 . PMC 306349 . PMID 3313277 .  
5. Bogenhagen DF, Brown DD (abril de 1981). "Secuencias de nucleótidos en el ADN de Xenopus 5S necesarias para la terminación de la transcripción". Celular . 24 (1): 261–70. doi : 10.1016 / 0092-8674 (81) 90522-5 . PMID 6263489 . S2CID 9982829 .  
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10. Teunissen, A. W. M. (1979). Sondeo de la estructura del ARN: análisis de la estructura bioquímica de moléculas de ARN relacionadas con la autoinmunidad . págs. 1–27. ISBN 978-90-901323-4-1.
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