Estructura biomolecular

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

Estructura primaria

La estructura primaria 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 reticulado, no ramificado 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 de una proteína se informa comenzando desde el amino N-terminal hasta el carboxilo C-terminal, mientras que la estructura primaria de la molécula de ADN o ARN se conoce como la secuencia de ácido nucleico informada desde el extremo 5' hasta el extremo 3'. La secuencia de ácido nucleico se refiere a la secuencia exacta de nucleótidos que componen la molécula completa. A menudo, la estructura primaria codifica motivos de secuencia que son de importancia funcional. Algunos ejemplos de estos motivos son: las cajas C/D y H/ACA de los snoRNA, el sitio de unión de LSm que se encuentra en los RNA spliceosomales como U1, U2, U4, U5, U6, U12 y U3, la secuencia Shine-Dalgarno, el Kozak secuencia consenso y el terminador de la ARN polimerasa III.

Estructura secundaria

La estructura secundaria de una proteína 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 las posiciones atómicas específicas en el espacio tridimensional, que se consideran estructuras terciarias. 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 está definida por patrones de enlaces de hidrógeno entre la amina de la columna vertebral y los grupos carboxilo (los enlaces de hidrógeno de cadena lateral-cadena principal y cadena lateral-cadena lateral son irrelevantes), donde se usa la definición DSSP de un enlace de hidrógeno.

La estructura secundaria de un ácido nucleico se define por los enlaces 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 diédricos de columna vertebral en algunas regiones de la trama de Ramachandran; por lo tanto, un segmento de residuos con tales ángulos diédricos a menudo se denomina 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 las curvas, como la curvatura y la torsión. Los biólogos estructurales que resuelven una nueva estructura de resolución atómica a veces asignan su estructura secundaria a simple vista y registran sus asignaciones en el archivo del Banco de datos de proteínas (PDB) correspondiente.

La estructura secundaria de una molécula de ácido nucleico se refiere a las interacciones de emparejamiento 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 pueden clasificarse aún más, por ejemplo, tetraloops, pseudoknots y stem loops. Hay muchos elementos de estructura secundaria de importancia funcional para el ARN biológico. Los ejemplos famosos incluyen los bucles de tallo terminador independientes de Rho y la hoja de trébol del ARN de transferencia (ARNt). Existe una industria menor de investigadores que intentan determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN. Los enfoques incluyen métodos experimentales y computacionales (consulte también la Lista de software de predicción de estructuras de ARN).

Estructura terciaria

La estructura terciaria de una proteína o cualquier otra macromolécula es su estructura tridimensional, definida por las coordenadas atómicas. Las proteínas y los ácidos nucleicos se pliegan en estructuras tridimensionales complejas que dan como resultado las funciones de las moléculas. Si bien tales estructuras son diversas y complejas, a menudo se componen de motivos y dominios de estructura terciaria reconocibles y recurrentes que sirven como bloques de construcción molecular. 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

La estructura cuaternaria de la proteína se refiere al número y disposición de múltiples moléculas de proteína 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, incluidas sus interacciones con las histonas, o las interacciones entre unidades de ARN separadas en el ribosoma o el espliceosoma.

Determinación de la estructura

El sondeo de estructura es el proceso mediante el cual se utilizan técnicas bioquímicas para determinar la estructura biomolecular. Este análisis se puede usar para definir los patrones que se pueden usar 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. El análisis de sondeo de estructuras se puede realizar a través de muchos métodos diferentes, que incluyen sondeo químico, sondeo de radicales hidroxilo, mapeo de interferencia de análogos de nucleótidos (NAIM) y sondeo en línea.

Las estructuras de proteínas y ácidos nucleicos se pueden determinar mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), cristalografía de rayos X o microscopía crioelectrónica de partículas individuales (crioEM). Los primeros informes publicados para ADN (por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en 1953) de patrones de difracción de rayos X de A-DNA, y también de B-DNA, utilizaron análisis basados ​​en transformadas de función de Patterson que proporcionaron solo una cantidad limitada de información estructural para orientación. fibras de ADN aisladas de timo de ternero. Luego, Wilkins et al. propusieron un análisis alternativo. en 1953 para la difracción de rayos X de B-DNA y patrones de dispersión de fibras de ADN hidratadas, orientadas a bacterias y cabezas de espermatozoides de trucha en términos de cuadrados de funciones de Bessel. Aunque la forma B-DNA' es más común en las condiciones que se encuentran en las células,no es una conformación bien definida, sino una familia o un conjunto borroso de conformaciones de ADN que ocurren en los altos niveles de hidratación presentes en una amplia variedad de células vivas. 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 %) y la estructura no es tratable utilizando solo el análisis estándar.

En contraste, el análisis estándar, que involucra solo transformadas de Fourier de funciones de Bessel y modelos moleculares de ADN, todavía se usa de manera rutinaria para analizar patrones de difracción de rayos X de A-DNA y Z-DNA.

Predicción de estructura

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 lo contrario del diseño biomolecular, como en el diseño racional, el diseño de proteínas, el diseño de ácidos nucleicos y la ingeniería biomolecular.

La predicción de la estructura de proteínas es uno de los objetivos más importantes perseguidos por la bioinformática y la química teórica. La predicción de la estructura de 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 Evaluación crítica de la predicción de la estructura de proteínas (CASP).

También ha habido una cantidad significativa de investigación bioinformática dirigida al problema de la 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 intramoleculares de apareamiento de bases de la molécula. Esto se demuestra por la alta conservación de los pares 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 los enlaces de hidrógeno y el apilamiento de bases. La suma de la energía libre para tales interacciones, usualmente usando el método del vecino más cercano, proporciona una aproximación a la estabilidad de una estructura dada. 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. Para moléculas más largas, el número de posibles estructuras secundarias es enorme.

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 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.

Diseño

El diseño biomolecular puede considerarse lo contrario de la predicción estructural. En la predicción de estructuras, 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

Otras biomoléculas, como polisacáridos, polifenoles y lípidos, también pueden tener una estructura de orden superior con consecuencias biológicas.