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 1,4 Å.
El área de superficie accesible (ASA) o área de superficie accesible a solventes (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 angstroms cuadrados (una unidad de medida estándar en biología molecular ). El ASA fue descrito por primera vez por Lee y Richards en 1971 y a veces se le llama superficie molecular de Lee-Richards . [1] El ASA normalmente se calcula 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 de 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 utiliza el número de estos puntos a los que se puede acceder mediante disolvente 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 son 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 sonda' tiene un efecto en el área de superficie observada, ya que el uso de un radio de sonda más pequeño detecta más detalles de la superficie y, por lo tanto, informa de una superficie más grande. Un valor típico es 1,4 Å, 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 estar incluidos implícitamente en los radios atómicos de los átomos "pesados", con una medida llamada "radios de grupo". Además, el número de puntos creados en la superficie de van der Waals de cada átomo determina otro aspecto de la discretización , 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 del diagrama de potencia
Recientemente [ ¿ cuándo? ] , se presentó un método que calcula el ASA de forma rápida y analítica utilizando un diagrama de potencia . [4]
Aplicaciones
El área de superficie accesible se utiliza a menudo al calcular la energía libre de transferencia necesaria para mover una biomolécula de un disolvente acuoso a un disolvente 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 .
Relación con la superficie excluida de disolventes
El ASA está estrechamente relacionado con el concepto de superficie excluida del disolvente (también conocida como área de superficie molecular de Connolly o simplemente superficie de Connolly), que se imagina como una cavidad en el disolvente a granel. 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]
^ Lee, B; Richards, FM. (1971). "La interpretación de las estructuras de las proteínas: estimación de la accesibilidad estática". J Mol Biol . 55 (3): 379–400. doi :10.1016/0022-2836(71)90324-X. PMID 5551392.
^ ab Shrake, A; Rupley, JA. (1973). "Medio ambiente y exposición al disolvente de átomos de proteínas. Lisozima e insulina". J Mol Biol . 79 (2): 351–71. doi :10.1016/0022-2836(73)90011-9. PMID 4760134.
^ Weiser J, Shenkin PS, Todavía WC (1999). "Superficies atómicas aproximadas a partir 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.
^ Klenin K, Tristram F, Strunk T, Wenzel W (2011). "Derivadas de superficie y volumen molecular: fórmulas analíticas simples y exactas". Revista de Química Computacional . 32 (12): 2647–2653. doi :10.1002/jcc.21844. PMID 21656788. S2CID 27143042.
^ Momen-Roknabadi, A; Sadeghi, M; Pezeshk, H; Marashi, SA (2008). "Impacto de la superficie accesible a residuos en la predicción de estructuras secundarias de proteínas". Bioinformática BMC . 9 : 357. doi : 10.1186/1471-2105-9-357 . PMC 2553345 . PMID 18759992.
^ Adamczak, R; Porollo, A; Meller, J. (2005). "Combinación de predicción de estructura secundaria y accesibilidad a disolventes en proteínas". Proteínas . 59 (3): 467–75. doi :10.1002/prot.20441. PMID 15768403. S2CID 13267624.
^ 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.
^ Connolly, ML (1983). "Cálculo analítico de superficies moleculares". J Appl Crystallogr . 16 (5): 548–558. Código Bib : 1983JApCr..16..548C. doi :10.1107/S0021889883010985.
^ 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.
^ Connolly, ML (1993). "El paquete de superficies moleculares". Gráficos J Mol . 11 (2): 139-141. doi :10.1016/0263-7855(93)87010-3. PMID 8347567.
Referencias
Connolly, ML (1983). "Superficies de proteínas y ácidos nucleicos accesibles a disolventes". Ciencia . 221 (4612): 709–713. Código bibliográfico : 1983 Ciencia... 221..709C. doi : 10.1126/ciencia.6879170. PMID 6879170.
Richmond, Timothy J. (1984). "Superficie accesible al disolvente y volumen excluido en proteínas". J. Mol. Biol . 178 (1): 63–89. doi :10.1016/0022-2836(84)90231-6. PMID 6548264.
Connolly, Michael L. (1985). "Cálculo del volumen molecular". Mermelada. Química. Soc . 107 (5): 118-1124. doi :10.1021/ja00291a006.
Connolly, ML (1991). "Esqueleto intersticial molecular". Computación 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. S2CID 23512517.
Blaney, JM (1994). "Geometría de distancia en modelado molecular". Reseñas en Química Computacional . Rev. Computación. Química. vol. 5. págs. 299–335. doi :10.1002/9780470125823.ch6. ISBN 9780470125823.
Grant, JA; Camioneta, BT (1995). "Una descripción gaussiana de la forma molecular". J. Física. química . 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. Computación. química . 15 (5): 507–523. doi :10.1002/jcc.540150504. S2CID 24101766.
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". Proteínas . 18 (1): 94-101. doi :10.1002/prot.340180111. PMID 8146125. S2CID 38132786.
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.). Prentice Hall. pag. 7.ISBN 9780582382107.
Busa, enero; Dzurina, Jozef; Hayryan, Edik (2005). "ARVO: un paquete fortran para calcular el área de superficie accesible al disolvente y el volumen excluido de esferas superpuestas mediante ecuaciones analíticas". Computadora. Física. Comunitario . 165 (1): 59–96. Código Bib : 2005CoPhC.165...59B. doi :10.1016/j.cpc.2004.08.002.
enlaces externos
Ciencia de redes, Parte 5: Superficies accesibles a disolventes
AREAIMOL es una herramienta de línea de comandos en CCP4 Program Suite para calcular ASA.
Cálculos del 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 Surface Racer de Oleg Tsodikov. Área de superficie molecular y accesible al disolvente y cálculo de curvatura media. Gratis para uso académico.
ASA.py: una implementación basada en Python del algoritmo Shrake-Rupley.
Molecular Surface 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.
Freeware ASV Cálculo analítico del volumen y superficie de la unión de n esferas (también se proporciona el cálculo de Monte-Carlo).
Vorlume calcula el área de superficie y el volumen de una familia de bolas 3D.
GetArea Calcule en línea el área de superficie de proteínas accesible a solventes.