El término ensamblaje macromolecular (MA) se refiere a estructuras químicas masivas como virus y nanopartículas no biológicas , orgánulos y membranas celulares y ribosomas , etc. que son mezclas complejas de polipéptidos , polinucleótidos , polisacáridos u otras macromoléculas poliméricas . Generalmente son de más de uno de estos tipos, y las mezclas se definen espacialmente (es decir, con respecto a su forma química) y con respecto a su composición química y estructura subyacentes . Macromoléculasse encuentran en seres vivos y no vivientes, y están compuestos por cientos o miles de átomos unidos por enlaces covalentes ; a menudo se caracterizan por unidades repetidas (es decir, son polímeros ). Los ensamblajes de estos también pueden ser biológicos o no biológicos, aunque el término MA se aplica más comúnmente en biología, y el término ensamblaje supramolecular se aplica con mayor frecuencia en contextos no biológicos (p. Ej., En química supramolecular y nanotecnología ). Los MA de macromoléculas se mantienen en sus formas definidas mediante interacciones intermoleculares no covalentes (en lugar de enlaces covalentes), y pueden estar en estructuras no repetidas (p. Ej., Como en las arquitecturas de ribosoma (imagen) y membrana celular ), o en estructuras repetidas patrones lineales, circulares, espirales u otros (p. ej., como en los filamentos de actina y el motor flagelar , imagen). El proceso mediante el cual se forman los MA se ha denominado autoensamblaje molecular , un término especialmente aplicado en contextos no biológicos. Existe una amplia variedad de métodos físicos / biofísicos, químicos / bioquímicos y computacionales para el estudio de la MA; Dada la escala (dimensiones moleculares) de los MA, los esfuerzos para elaborar su composición y estructura y discernir los mecanismos subyacentes a sus funciones están a la vanguardia de la ciencia de la estructura moderna.
Complejo biomolecular
Un complejo biomolecular , también llamado complejo biomacromolecular , es cualquier complejo biológico compuesto por más de un biopolímero ( proteína , ARN , ADN , [5] carbohidrato ) o biomoléculas no poliméricas grandes ( lípidos ). Las interacciones entre estas biomoléculas no son covalentes. [6] Ejemplos:
- Complejos de proteínas , algunos de los cuales son complejos multienzimáticos : proteasoma , holoenzima de ADN polimerasa III , holoenzima de ARN polimerasa II , cápsidas víricas simétricas , complejo de chaperonina GroEL - GroES , fotosistema I , ATP sintasa , ferritina .
- Complejos ARN-proteína: ribosoma , espliceosoma , bóveda , SnRNP . Estos complejos en el núcleo celular se denominan ribonucleoproteínas (RNP).
- Complejos ADN-proteína: nucleosoma .
- Complejos proteína-lípido: lipoproteína . [7] [8]
Los complejos biomacromoleculares se estudian estructuralmente mediante cristalografía de rayos X , espectroscopia de RMN de proteínas , microscopía crioelectrónica y análisis de partículas individuales sucesivas y tomografía electrónica . [9] Los modelos de estructura atómica obtenidos por cristalografía de rayos X y espectroscopia de RMN biomolecular pueden acoplarse a estructuras mucho más grandes de complejos biomoleculares obtenidos por técnicas de resolución más baja como microscopía electrónica, tomografía electrónica y dispersión de rayos X de ángulo pequeño . [10]
Los complejos de macromoléculas se encuentran de forma ubicua en la naturaleza, donde participan en la construcción de virus y de todas las células vivas. Además, juegan un papel fundamental en todos los procesos básicos de la vida ( traducción de proteínas , división celular , tráfico de vesículas , intercambio intra e intercelular de material entre compartimentos, etc.). En cada uno de estos roles, se organizan mezclas complejas de formas estructurales y espaciales específicas. Mientras que las macromoléculas individuales se mantienen juntas por una combinación de enlaces covalentes y intra fuerzas no covalentes moleculares (es decir, las asociaciones entre las partes dentro de cada molécula, a través de interacciones carga-carga , fuerzas de van der Waals y las interacciones dipolo-dipolo , tales como enlaces de hidrógeno ), por definición, los MA en sí mismos se mantienen unidos únicamente a través de las fuerzas no covalentes , excepto que ahora se ejercen entre moléculas (es decir, interacciones intermoleculares ). [ cita requerida ]
Escalas y ejemplos de MA
Las imágenes de arriba dan una indicación de las composiciones y la escala (dimensiones) asociadas con los MA, aunque estas apenas comienzan a tocar la complejidad de las estructuras; en principio, cada célula viva está compuesta de MA, pero en sí misma también es un MA. En los ejemplos y otros complejos y ensamblajes similares, los MA suelen tener cada uno millones de daltons de peso molecular (megadaltons, es decir, millones de veces el peso de un solo átomo simple), aunque todavía tienen proporciones medibles de componentes ( estequiometrías ) en algún nivel. de precisión. Como se menciona en las leyendas de las imágenes, cuando se preparan adecuadamente, los MA o los subcomplejos de componentes de los MA a menudo pueden cristalizarse para su estudio mediante cristalografía de proteínas y métodos relacionados, o estudiarse mediante otros métodos físicos (por ejemplo, espectroscopía , microscopía ). [ cita requerida ]
Las estructuras de virus estuvieron entre los primeros MA estudiados; otros ejemplos biológicos incluyen ribosomas (imagen parcial arriba), proteasomas y complejos de traducción (con componentes de proteínas y ácidos nucleicos ), complejos de transcripción procarióticos y eucarióticos, y poros nucleares y otros poros biológicos que permiten el paso de material entre células y compartimentos celulares. Las biomembranas generalmente también se consideran MA, aunque el requisito de definición estructural y espacial se modifica para adaptarse a la dinámica molecular inherente de los lípidos de la membrana y de las proteínas dentro de las bicapas lipídicas . [ cita requerida ]
Ensamblaje de virus
Durante el ensamblaje del virión del bacteriófago (fago) T4 , las proteínas morfogenéticas codificadas por los genes del fago interactúan entre sí en una secuencia característica. Mantener un equilibrio apropiado en las cantidades de cada una de estas proteínas producidas durante la infección viral parece ser crítico para la morfogénesis normal del fago T4 . [15] Las proteínas codificadas por el fago T4 que determinan la estructura del virión incluyen componentes estructurales principales, componentes estructurales menores y proteínas no estructurales que catalizan pasos específicos en la secuencia de morfogénesis [16]
Investigación en MA
El estudio de la estructura y función de la MA es un desafío, en particular debido a su tamaño de megadalton, pero también debido a sus composiciones complejas y naturalezas dinámicas variables. A la mayoría se les han aplicado métodos químicos y bioquímicos estándar (métodos de purificación y centrifugación de proteínas , caracterización química y electroquímica , etc.). Además, sus métodos de estudio incluyen enfoques proteómicos modernos , métodos estructurales computacionales y de resolución atómica (por ejemplo, cristalografía de rayos X ), dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) y dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS), espectroscopia de fuerza y microscopía electrónica de transmisión y microscopía crioelectrónica . Aaron Klug fue reconocido con el Premio Nobel de Química de 1982 por su trabajo en elucidación estructural utilizando microscopía electrónica, en particular para MA de proteína-ácido nucleico, incluido el virus del mosaico del tabaco (una estructura que contiene una molécula de ARNsc de 6400 bases y> 2000 moléculas de proteína de recubrimiento). . La solución de cristalización y estructura para el ribosoma, MW ~ 2.5 MDa, un ejemplo de parte de la 'maquinaria' sintética de proteínas de las células vivas, fue objeto del Premio Nobel de Química 2009 otorgado a Venkatraman Ramakrishnan , Thomas A. Steitz y Ada. E. Yonath . [17]
Contrapartes no biológicas
Finalmente, la biología no es el dominio exclusivo de los MA. Los campos de la química supramolecular y la nanotecnología tienen áreas que se han desarrollado para elaborar y ampliar los principios demostrados por primera vez en las MA biológicas. De particular interés en estas áreas ha sido la elaboración de los procesos fundamentales de las máquinas moleculares y la extensión de los diseños de máquinas conocidos a nuevos tipos y procesos. [ cita requerida ]
Ver también
- Modelado multiestado de biomoléculas
- Estructura cuaternaria
- Complejo multiproteico
- Orgánulo : la definición más amplia de "orgánulo" incluye no solo estructuras celulares unidas a la membrana, sino también complejos biomoleculares muy grandes.
- Modelado multiestado de biomoléculas
Referencias
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Otras lecturas
Reseñas generales
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Fuentes primarias
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Otras fuentes
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enlaces externos
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- Grupo DMA (2019), Dinámica del ensamblaje macromolecular (página de inicio del Grupo DMA), Sección Dinámica del ensamblaje macromolecular | Instituto Nacional de Bioingeniería e Imágenes Biomédicas , consultado el 13 de junio de 2011.