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 proteicas 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 andamio 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 reconocibles de la estructura de las proteínas y de los ácidos nucleicos , incluidas características de la estructura secundaria como hélices alfa y láminas beta para las proteínas, y bucles en horquilla , protuberancias y bucles internos para los 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 .
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 y no 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 informa comenzando desde el extremo amino N hasta el extremo carboxilo C , 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 tales motivos son: las cajas C/D [1] y H/ACA [2] de snoRNA , el sitio de unión de LSm que se encuentra en ARN espliceosómicos como U1 , U2 , U4 , U5 , U6 , U12 y U3 , el Shine. -Secuencia de 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 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 está formalmente definida 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 carboxilo y amina del esqueleto (los enlaces de hidrógeno cadena lateral-cadena principal y cadena lateral-cadena lateral son irrelevantes), donde se utiliza la definición DSSP de un enlace de hidrógeno.
La estructura secundaria de un ácido nucleico está definida por los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas.
Sin embargo, en el caso de las proteínas, 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 la columna vertebral en algunas regiones de la trama de Ramachandran ; por tanto, un segmento de residuos con tales ángulos diédricos suele denominarse hélice , independientemente de si tiene los enlaces de hidrógeno correctos. Se han propuesto muchas otras definiciones menos formales, aplicando a menudo 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 registran sus asignaciones en el archivo correspondiente del Banco de datos de proteínas (PDB).
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 se pueden clasificar aún más, 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 bucles de tallo terminadores independientes de Rho y la hoja de trébol de ARN de transferencia (ARNt). Existe una pequeña industria de investigadores que intentan determinar la estructura secundaria de las moléculas de ARN. Los enfoques incluyen métodos tanto experimentales como computacionales (consulte también la Lista de software de predicción de estructuras de ARN ).
La estructura terciaria de una proteína o de cualquier otra macromolécula es su estructura tridimensional, definida por las coordenadas atómicas. [6] Las proteínas y los ácidos nucleicos se pliegan formando estructuras tridimensionales complejas que dan lugar a las funciones de las moléculas. Si bien estas estructuras son diversas y complejas, a menudo se componen de motivos y dominios de estructuras terciarias reconocibles y recurrentes que sirven como componentes básicos 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 de múltiples subunidades.
Para los ácidos nucleicos, el término es menos común, pero puede referirse a la organización de nivel superior del ADN en la cromatina , [7] incluidas sus interacciones con las histonas , o a las interacciones entre unidades separadas de ARN en el ribosoma [8] [9]. o espliceosoma .
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 sobre el 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 mediante espectroscopia de resonancia magnética nuclear ( RMN ), cristalografía de rayos X o microscopía crioelectrónica de una sola partícula ( crioEM ). Los primeros informes publicados para el ADN (por Rosalind Franklin y Raymond Gosling en 1953) sobre los patrones de difracción de rayos X del ADN-A (y también del ADN-B) utilizaron análisis basados en transformadas de la función de Patterson que proporcionaban sólo una cantidad limitada de información estructural para el ADN orientado. Fibras de ADN aisladas del timo de ternera . [12] [13] Wilkins et al. propusieron un análisis alternativo. en 1953 para la difracción de rayos X del ADN B y los patrones de dispersión de fibras de ADN hidratadas orientadas a bacterias y cabezas de esperma de trucha en términos de cuadrados de funciones de Bessel . [14] Aunque la forma de ADN B 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 una amplia variedad de células vivas. [16] Sus correspondientes patrones de dispersión y difracción de rayos X son característicos de 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 implica sólo transformadas de Fourier de funciones de Bessel [19] y modelos moleculares de ADN , todavía se utiliza de forma rutinaria para analizar patrones de difracción de rayos X de ADN-A y ADN-Z. [20]
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 nucleobases (bases). En otras palabras, es la predicción de la estructura secundaria y terciaria a partir de su estructura primaria. La predicción de estructuras es lo inverso 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 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 investigaciones bioinformáticas dirigidas 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 teniendo en cuenta únicamente la secuencia del 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 pares de bases intramoleculares de la molécula. Esto se demuestra por la alta conservación de los pares de bases en diversas especies.
La estructura secundaria de las pequeñas moléculas de ácido nucleico está determinada en gran medida por fuertes interacciones locales, como los enlaces de hidrógeno y el apilamiento de bases . La suma de la energía libre para tales interacciones, generalmente utilizando el método del vecino más cercano , proporciona una aproximación a 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 de múltiples secuencias de ARN homólogas con secuencias relacionadas pero diferentes. Estos métodos analizan la covariación de sitios base individuales en la evolución ; El mantenimiento en dos sitios muy 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]
El diseño biomolecular puede considerarse lo contrario de 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 una estructura deseada.
Otras biomoléculas, como los polisacáridos , los polifenoles y los lípidos , también pueden tener una estructura de orden superior con consecuencias biológicas.
