Estructura biomolecular

La estructura biomolecular es la intrincada forma tridimensional plegada que se forma a partir de una molécula de proteína , ADN o ARN , y que es fundamental para su función. La estructura de estas moléculas puede considerarse en diversas escalas de longitud, desde el nivel de átomos individuales hasta las relaciones entre subunidades proteicas completas . Esta útil distinción entre escalas se suele expresar 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 da lugar a varios dominios reconocibles de la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos , incluyendo características de la estructura secundaria como las hélices alfa y las láminas beta para las proteínas, y los bucles en horquilla , las protuberancias y los bucles internos para los ácidos nucleicos. Los términos estructura primaria , secundaria , terciaria y cuaternaria fueron introducidos por Kaj Ulrik Linderstrøm-Lang en sus Conferencias Médicas Lane de 1951 en la Universidad de Stanford .

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 típico no ramificado ni reticulado (como una molécula de una proteína intracelular típica , o de ADN o ARN ), la estructura primaria equivale a especificar la secuencia de sus subunidades monoméricas , como aminoácidos o nucleótidos .

La estructura primaria de una proteína se describe desde el extremo N-terminal amino hasta el extremo C-terminal carboxilo , mientras que la estructura primaria de una molécula de ADN o ARN se conoce como la secuencia de ácidos nucleicos descrita desde el extremo 5' hasta el extremo 3' . La secuencia de ácidos nucleicos 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 ^{[ 1 ]} y H/ACA ^{[ 2 ]} de los snoRNA , el sitio de unión de LSm que se encuentra en los ARN espliceosomales como U1 , U2 , U4 , U5 , U6 , U12 y U3 , la secuencia de Shine-Dalgarno ^{[ 3 ]} , la secuencia consenso de Kozak ^{[ 4 ]} y el terminador de la ARN polimerasa III ^{[ 5 ]} .

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 del biopolímero, 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, tal como se observa en una estructura de resolución atómica. En las proteínas, la estructura secundaria se define por patrones de enlaces de hidrógeno entre grupos amina y carboxilo del esqueleto (los enlaces de hidrógeno entre cadenas laterales y principales, y entre cadenas laterales, son irrelevantes), donde se utiliza la definición de enlace de hidrógeno de DSSP .

La estructura secundaria de un ácido nucleico está definida por los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.

En el caso de las proteínas, sin embargo, los enlaces de hidrógeno se correlacionan con otras características estructurales, lo que ha dado lugar a definiciones menos formales de estructura secundaria. Por ejemplo, las hélices pueden adoptar ángulos diedros en la cadena principal en algunas regiones del diagrama de Ramachandran ; por lo tanto, un segmento de residuos con dichos ángulos diedros se suele denominar hélice , independientemente de si posee los enlaces de hidrógeno correctos. Se han propuesto muchas otras definiciones menos formales, a menudo aplicando conceptos de la geometría diferencial de curvas, como la curvatura y la torsión . Los biólogos estructurales que resuelven una nueva estructura a resolución atómica a veces asignan su estructura secundaria visualmente y registran sus asignaciones en el archivo correspondiente del Protein Data Bank (PDB).

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 del ARN biológico a menudo se puede descomponer de forma única en tallos y bucles. Con frecuencia, estos elementos o combinaciones de ellos se pueden clasificar aún más, por ejemplo, tetrabucles , pseudonudos y bucles de tallo . Existen muchos elementos de estructura secundaria de importancia funcional para el ARN biológico. Ejemplos famosos incluyen los bucles de tallo terminadores independientes de Rho y la estructura de trébol del ARN de transferencia (ARNt). Existe una pequeña industria de investigadores que intenta determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN. Los enfoques incluyen métodos tanto experimentales como computacionales (véase también la Lista de software de predicción de la estructura del ARN ).

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 lugar a las funciones de las moléculas. Si bien estas estructuras son diversas y complejas, a menudo están compuestas por motivos y dominios de estructura terciaria recurrentes y reconocibles 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 ).

La estructura cuaternaria de la proteína ^{[ a ]} se refiere al número y disposición de múltiples moléculas de proteína en un complejo multisubunitario.

Para los ácidos nucleicos, el término es menos común, pero puede referirse a la organización de nivel superior del ADN en la cromatina , ^{[ 7 ]} incluyendo sus interacciones con las histonas , o a las interacciones entre unidades de ARN separadas en el ribosoma ^{[ 8 ] [ 9 ]} o el espliceosoma .

Los virus , en general, pueden considerarse máquinas moleculares. El bacteriófago T4 es un virus particularmente bien estudiado y su estructura cuaternaria de proteínas está relativamente bien definida. ^{[ 10 ]} Un estudio de Floor (1970) ^{[ 11 ]} mostró que, durante la construcción in vivo del virus por proteínas morfogenéticas específicas , estas proteínas deben producirse en proporciones equilibradas para que ocurra el ensamblaje adecuado del virus. La insuficiencia (debido a una mutación ) en la producción de una proteína morfogenética particular (por ejemplo, una proteína crítica de la fibra de la cola), puede conducir a la producción de virus progenie que casi todos tienen muy pocos de ese componente proteico en particular para funcionar correctamente, es decir, para infectar las células huésped. ^{[ 11 ]} Sin embargo, una segunda mutación que reduce otro componente morfogenético (por ejemplo, en la placa basal o la cabeza del fago) podría en algunos casos restablecer un equilibrio de tal manera que una mayor proporción de las partículas virales producidas sean capaces de funcionar. ^{[ 11 ]} Así, se descubrió que una mutación que reduce la expresión de un gen, cuyo producto se utiliza en la morfogénesis, puede ser parcialmente suprimida por una mutación que reduce la expresión de un segundo gen morfogenético, lo que resulta en una producción más equilibrada de los productos génicos del virus. El concepto de que, in vivo , una disponibilidad equilibrada de componentes es necesaria para una morfogénesis molecular adecuada puede tener aplicabilidad general para comprender el ensamblaje de máquinas moleculares de proteínas.

El sondeo estructural es el proceso mediante el cual se utilizan técnicas bioquímicas para determinar la estructura biomolecular. ^{[ 12 ]} Este análisis puede utilizarse para definir patrones que permitan inferir la estructura molecular, realizar análisis experimentales de la estructura y función moleculares, y comprender mejor el desarrollo de moléculas más pequeñas para futuras investigaciones biológicas. ^{[ 13 ]} El análisis de sondeo estructural puede llevarse a cabo mediante diversos métodos, entre los que se incluyen el sondeo químico, el sondeo con radicales hidroxilo, el mapeo de interferencia de análogos de nucleótidos (NAIM) y el sondeo en línea. ^{[ 12 ]}

Las estructuras de proteínas y ácidos nucleicos pueden determinarse utilizando espectroscopia de resonancia magnética nuclear ( RMN ) o cristalografía de rayos X o microscopía crioelectrónica de partícula única ( crioEM ). Los primeros informes publicados para ADN (por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en 1953) de patrones de difracción de rayos X de A-ADN —y también de B-ADN— utilizaron análisis basados ​​en transformaciones de la función de Patterson que proporcionaron solo una cantidad limitada de información estructural para fibras orientadas de ADN aisladas del timo de ternero . ^{[ 14 ] [ 15 ]} Posteriormente, Wilkins et al. propusieron un análisis alternativo en 1953 para patrones de difracción y dispersión de rayos X de B-ADN de fibras de ADN hidratadas, orientadas bacterianamente y cabezas de esperma de trucha en términos de cuadrados de funciones de Bessel . ^{[ 16 ]} Aunque la forma B-ADN es la más común en las condiciones que se encuentran en las células, ^{[ 17 ]} no es una conformación bien definida, sino una familia o conjunto difuso de conformaciones de ADN que ocurren en los altos niveles de hidratación presentes en una amplia variedad de células vivas. ^{[ 18 ]} Sus patrones de difracción y dispersión de rayos X correspondientes son característicos de paracristales moleculares con un grado significativo de desorden (más del 20%), ^{[ 19 ] [ 20 ]} y la estructura no es manejable utilizando solo el análisis estándar.

En contraste, el análisis estándar, que involucra solo transformadas de Fourier de funciones de Bessel ^{[ 21 ]} y modelos moleculares de ADN , todavía se usa de forma rutinaria para analizar patrones de difracción de rayos X de A-ADN y Z-ADN. ^{[ 22 ]}

La predicción de la estructura biomolecular consiste en predecir la estructura tridimensional de una proteína a partir de su secuencia de aminoácidos , o de un ácido nucleico a partir de su secuencia de nucleobases (bases). En otras palabras, es la predicción de la estructura secundaria y terciaria a partir de su estructura primaria. La predicción de la estructura es el proceso inverso al 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 las proteínas es uno de los objetivos más importantes de la bioinformática y la química teórica . Esta predicción 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, se evalúa el rendimiento de los métodos actuales en el experimento de Evaluación Crítica de la Predicción de la Estructura de las Proteínas ( CASP ).

También se ha dedicado una cantidad significativa de investigación bioinformática 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 a partir únicamente de 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 evidencia en la alta conservación de los apareamientos 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 de dichas interacciones, generalmente mediante un método de vecinos más cercanos , proporciona una aproximación de la estabilidad de una estructura dada. ^{[ 23 ]} La forma más directa de encontrar la estructura de menor energía libre sería generar todas las estructuras posibles y calcular su energía libre, pero el número de estructuras posibles para una secuencia aumenta exponencialmente con la longitud de la molécula. ^{[ 24 ]} Para moléculas más largas, el número de estructuras secundarias posibles es enorme. ^{[ 23 ]}

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 disímiles. Estos métodos analizan la covariación de sitios de bases individuales en la 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 predicción de pseudonudos es NP-completo . ^{[ 25 ]}

El diseño biomolecular puede considerarse lo opuesto a la predicción de estructuras. 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 la estructura deseada.

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

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