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ensamblaje macromolecular

Estructura de la nucleoproteína MA: la subunidad ribosómica 50S del modelo cristalográfico de rayos X de H. marismortui de 29 de los 33 componentes nativos, del laboratorio de Thomas Steitz . De las 31 proteínas componentes, se muestran 27 (azul), junto con sus 2 cadenas de ARN (naranja/amarillo). [1] Escala: el montaje es de aprox. 24 millas náuticas de ancho. [2]

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 y estructura química subyacente . Las macromoléculas se encuentran en seres vivos y no vivos y están compuestas por muchos 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 repetitivas (p. ej., como en las arquitecturas de los ribosomas (imagen) y de la membrana celular ) o en estructuras repetitivas. 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 MA; Dada la escala (dimensiones moleculares) de las MA, los esfuerzos para elaborar su composición y estructura y discernir los mecanismos subyacentes a sus funciones están a la vanguardia de la ciencia estructural moderna.

Un ribosoma eucariota , que traduce catalíticamente el contenido de información contenido en las moléculas de ARNm en proteínas. La animación presenta las etapas de elongación y orientación de la membrana de la traducción eucariótica , mostrando el ARNm como un arco negro, las subunidades del ribosoma en verde y amarillo, los ARNt en azul oscuro, proteínas como la elongación y otros factores involucrados en azul claro, la cadena polipeptídica en crecimiento. como un hilo negro que crece verticalmente desde la curva del ARNm. Al final de la animación, el polipéptido producido se extruye a través de un poro SecY azul claro [3] hacia el interior gris del ER .

Complejo biomolecular

Modelo impreso en 3D de la estructura de un "motor" de flagelo bacteriano y de una estructura de varilla parcial de una especie de Salmonella . De abajo hacia arriba: azul oscuro, FliM y FliN repetidos, proteínas motoras/de conmutación; rojo, proteínas de motor/interruptor FliG; proteínas de acoplamiento transmembrana FliF, amarillas; proteínas de anillo azul claro, L y P; y (en la parte superior), azul oscuro, las proteínas de la tapa, la unión gancho-filamento, el gancho y la varilla. [4]

Un complejo biomolecular , también llamado complejo biomacromolecular , es cualquier complejo biológico formado por más de un biopolímero ( proteína , ARN , ADN , [5] carbohidrato ) o grandes biomoléculas no poliméricas ( lípidos ). Las interacciones entre estas biomoléculas no son covalentes. [6] Ejemplos:

Los complejos biomacromoleculares se estudian estructuralmente mediante cristalografía de rayos X , espectroscopia de proteínas por RMN , microscopía crioelectrónica y análisis sucesivos de partículas individuales y tomografía electrónica . [9] Los modelos de estructura atómica obtenidos mediante cristalografía de rayos X y espectroscopia de RMN biomolecular se pueden acoplar a estructuras mucho más grandes de complejos biomoleculares obtenidos mediante técnicas de menor resolución como microscopía electrónica, tomografía electrónica y dispersión de rayos X de ángulo pequeño . [10]

Los complejos de macromoléculas se encuentran en todas partes en la naturaleza, donde participan en la construcción de virus y de todas las células vivas. Además, desempeñan papeles fundamentales 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, mezclas complejas de se organizan de maneras estructurales y espaciales específicas. Mientras que las macromoléculas individuales se mantienen unidas mediante una combinación de enlaces covalentes y fuerzas intramoleculares no covalentes (es decir, asociaciones entre partes dentro de cada molécula, a través de interacciones carga-carga , fuerzas de van der Waals e interacciones dipolo-dipolo como los enlaces de hidrógeno). ), por definición, los propios MA se mantienen unidos únicamente mediante fuerzas no covalentes , excepto que ahora se ejercen entre moléculas (es decir, interacciones intermoleculares ). [ cita necesaria ]

Escalas MA y ejemplos.

Las imágenes de arriba dan una indicación de las composiciones y escalas (dimensiones) asociadas con las MA, aunque apenas comienzan a tocar la complejidad de las estructuras; En principio, cada célula viva está compuesta de MA, pero en sí misma también es una MA. En los ejemplos y otros complejos y conjuntos similares, los MA tienen a menudo millones de daltons en peso molecular (megadaltons, es decir, millones de veces el peso de un solo átomo simple), aunque todavía tienen proporciones de componentes mensurables ( estequiometrías ) en algún nivel. de precisión. Como se menciona en las leyendas de las imágenes, cuando se preparan adecuadamente, los MA o los subcomplejos componentes de los MA a menudo pueden cristalizarse para estudiarlos mediante cristalografía de proteínas y métodos relacionados, o estudiarse mediante otros métodos físicos (p. ej., espectroscopia , microscopía ). [ cita necesaria ]

Secciones transversales de fosfolípidos (PL) relevantes para MA de biomembrana . El amarillo anaranjado indica colas de lípidos hidrofóbicos ; Las esferas blancas y negras representan regiones polares de PL ( vi ). Dimensiones de bicapa/liposoma (ocultas en el gráfico): regiones hidrofóbicas y polares, cada una de ~30 Å (3,0 nm) de "grueso"; la polar de ~15 Å (1,5 nm) en cada lado . [11] [12] [13] [ se necesita fuente no primaria ] [14]
Una representación gráfica de la estructura de un MA viral, el virus del mosaico del caupí , con 30 copias de cada una de sus proteínas de cubierta, la proteína de cubierta pequeña (S, amarilla) y la proteína de cubierta grande (L, verde), que, junto con 2 Las moléculas de ARN de sentido positivo (ARN-1 y ARN-2, no visibles) constituyen el virión. El conjunto es muy simétrico y tiene ~280 Å (28 nm) de ancho en su punto más ancho. [ verificación necesaria ] [ cita necesaria ]

Las estructuras de los virus estuvieron entre las primeras MA estudiadas; otros ejemplos biológicos incluyen ribosomas (imagen parcial arriba), proteosomas y complejos de traducción (con componentes de proteínas y ácidos nucleicos ), complejos de transcripción procarióticos y eucariotas, y poros nucleares y otros poros biológicos que permiten el paso de material entre células y compartimentos celulares. Las biomembranas también se consideran generalmente MA, aunque el requisito de definición estructural y espacial se modifica para adaptarse a la dinámica molecular inherente de los lípidos de membrana y de las proteínas dentro de las bicapas lipídicas . [15]

Ensamblaje de virus

Durante el ensamblaje del virión T4 del bacteriófago (fago) , 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 fundamental para la morfogénesis normal del fago T4 . [16] 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 [17]

Investigación sobre maestrías

El estudio de la estructura y función de MA es un desafío, en particular debido a su tamaño de megadalton, pero también debido a sus composiciones complejas y sus diferentes naturalezas dinámicas. 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 la elucidación estructural mediante microscopía electrónica, en particular para MA de proteínas y ácidos nucleicos, incluido el virus del mosaico del tabaco (una estructura que contiene una molécula de ssRNA de 6400 bases y >2000 moléculas de proteína de cubierta). . La solución de cristalización y estructura del 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 . [18]

Contrapartes no biológicas

Finalmente, la biología no es dominio exclusivo de las maestrías. 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 ampliación de los diseños de máquinas conocidos a nuevos tipos y procesos. [ cita necesaria ]

Ver también

Referencias

  1. ^ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (agosto de 2000). "La estructura atómica completa de la subunidad ribosomal grande con una resolución de 2,4 A". Ciencia . 289 (5481): 905–920. Código bibliográfico : 2000Sci...289..905B. CiteSeerX  10.1.1.58.2271 . doi : 10.1126/ciencia.289.5481.905. PMID  10937989.
  2. ^ McClure W. "Subunidad del ribosoma 50S". Archivado desde el original el 24 de noviembre de 2005 . Consultado el 9 de octubre de 2019 .
  3. ^ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). "Translocación de proteínas por el canal Sec61/SecY". Revisión anual de biología celular y del desarrollo . 21 : 529–550. doi : 10.1146/annurev.cellbio.21.012704.133214. PMID  16212506.
  4. ^ Leyenda, portada, J. Bacteriol., octubre de 2006. [ se necesita cita completa ]
  5. ^ Kleinjung J, Fraternali F (julio de 2005). "POPSCOMP: un análisis de interacción automatizado de complejos biomoleculares". Investigación de ácidos nucleicos . 33 (problema del servidor web): W342–W346. doi : 10.1093/nar/gki369. PMC 1160130 . PMID  15980485. 
  6. ^ Moore PB (2012). "¿Cómo deberíamos pensar en el ribosoma?". Revista Anual de Biofísica . 41 (1): 1–19. doi :10.1146/annurev-biophys-050511-102314. PMID  22577819.
  7. ^ Dutta S, Berman HM (marzo de 2005). "Grandes complejos macromoleculares en el banco de datos de proteínas: un informe de estado". Estructura . 13 (3): 381–388. doi : 10.1016/j.str.2005.01.008 . PMID  15766539.
  8. ^ Russell RB, Alber F, Aloy P, Davis FP, Korkin D, Pichaud M, et al. (junio de 2004). "Una perspectiva estructural sobre las interacciones proteína-proteína". Opinión actual en biología estructural . 14 (3): 313–324. doi :10.1016/j.sbi.2004.04.006. PMID  15193311.
  9. ^ van Dijk AD, Boelens R, Bonvin AM (enero de 2005). "Acoplamiento basado en datos para el estudio de complejos biomoleculares". El Diario FEBS . 272 (2): 293–312. doi :10.1111/j.1742-4658.2004.04473.x. hdl : 1874/336958 . PMID  15654870. S2CID  20148856.
  10. ^ "Estructura de las bicapas lipídicas fluidas". Blanco.biomol.uci.edu. 2009-11-10 . Consultado el 9 de octubre de 2019 .
  11. ^ Sistema experimental, bicapas de dioleoil fosfatidilcolina . La región de hidrocarburo hidrófobo del lípido es ~30 Å (3,0 nm), según lo determinado mediante una combinación de métodos de dispersión de neutrones y rayos X; de manera similar, la región polar/interfaz (glicerilo, fosfato y restos del grupo de cabeza, con su hidratación combinada) es ~15 Å (1,5 nm) en cada lado , para un espesor total aproximadamente igual a la región de hidrocarburos. Véanse las referencias de SH White, anteriores y siguientes.
  12. ^ Wiener MC, White SH (febrero de 1992). "Estructura de una bicapa fluida de dioleoilfosfatidilcolina determinada mediante el refinamiento conjunto de datos de difracción de neutrones y rayos X. III. Estructura completa". Revista Biofísica . 61 (2): 434–447. Código Bib : 1992BpJ....61..434W. doi :10.1016/S0006-3495(92)81849-0. PMC 1260259 . PMID  1547331. 
  13. ^ Las dimensiones de los hidrocarburos varían con la temperatura, la tensión mecánica, la estructura de PL y los coformulantes, etc. en porcentajes de uno a dos dígitos bajos de estos valores. [ cita necesaria ]
  14. ^ Gerle C (junio de 2019). "Ensayo sobre la estructura de la biomembrana". La revista de biología de membranas . 252 (2–3): 115–130. doi :10.1007/s00232-019-00061-w. PMC 6556169 . PMID  30877332. 
  15. ↑ Piso E (febrero de 1970). "Interacción de genes morfogenéticos del bacteriófago T4". Revista de biología molecular . 47 (3): 293–306. doi :10.1016/0022-2836(70)90303-7. PMID  4907266.
  16. ^ Snustad DP (agosto de 1968). "Interacciones de dominancia en células de Escherichia coli infectadas mixtamente con mutantes ámbar y de tipo salvaje del bacteriófago T4D y sus posibles implicaciones en cuanto al tipo de función del producto genético: catalítica versus estequiométrica". Virología . 35 (4): 550–63. doi :10.1016/0042-6822(68)90285-7. PMID  4878023.
  17. ^ "El Premio Nobel de Química 2009". El premio Nobel . Divulgación del Premio Nobel AB 2021 . Consultado el 10 de mayo de 2021 .

Otras lecturas

Revisiones generales

Reseñas sobre maestrías particulares

Fuentes primarias

Otras fuentes

enlaces externos