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reconocimiento molecular

Estructura cristalina de un péptido corto L-Lys-D-Ala-D-Ala (precursor de la pared celular bacteriana) unido al antibiótico vancomicina mediante enlaces de hidrógeno [1]
Estructura cristalina de dos ácidos isoftálicos unidos a una molécula huésped mediante enlaces de hidrógeno [2]
Reconocimiento estático entre un único sitio de enlace de huésped y un único host. En el reconocimiento dinámico, la unión del primer huésped en el primer sitio de unión induce un cambio de conformación que afecta la constante de asociación del segundo huésped en el segundo sitio de unión. En este caso se trata de un sistema alostérico positivo.

El término reconocimiento molecular se refiere a la interacción específica entre dos o más moléculas a través de enlaces no covalentes como enlaces de hidrógeno , coordinación de metales , fuerzas hidrofóbicas , [3] [4] fuerzas de van der Waals , interacciones π-π , enlaces de halógeno o interacciones resonantes. [5] efectos. Además de estas interacciones directas , los disolventes pueden desempeñar un papel indirecto dominante a la hora de impulsar el reconocimiento molecular en solución. [6] [7] El anfitrión y el huésped involucrados en el reconocimiento molecular exhiben complementariedad molecular . Las excepciones son los contenedores moleculares, [8] [9] incluidos, por ejemplo, los nanotubos , en los que los portales esencialmente controlan la selectividad. [10] [11] [12] [13]

Sistemas biológicos

Un ribosoma es una máquina biológica que utiliza la dinámica de proteínas a nanoescala para traducir el ARN en proteínas.

El reconocimiento molecular juega un papel importante en los sistemas biológicos y se observa entre receptor-ligando, [14] [15] antígeno - anticuerpo , ADN - proteína , azúcar - lectina , ARN - ribosoma , etc. Un ejemplo importante de reconocimiento molecular es el Antibiótico vancomicina que se une selectivamente a los péptidos con D-alanil-D-alanina terminal en células bacterianas a través de cinco enlaces de hidrógeno. La vancomicina es letal para las bacterias ya que una vez que se ha unido a estos péptidos en particular, no pueden usarse para construir la pared celular de la bacteria . [ cita necesaria ]

Reconocimiento molecular sintético

Trabajos recientes sugieren que los elementos de reconocimiento molecular pueden producirse sintéticamente a escala nanométrica, [16] evitando la necesidad de elementos de reconocimiento molecular de origen natural para el desarrollo de herramientas de detección de moléculas pequeñas. Los polímeros biomiméticos, como los polímeros de impresión molecular [17] y los peptoides, se pueden utilizar para reconocer objetivos biológicos más grandes, como proteínas [18] , y la conjugación de polímeros con nanomateriales fluorescentes sintéticos puede generar estructuras macromoleculares sintéticas que sirven como anticuerpos sintéticos para proteínas ópticas. reconocimiento y detección. [19] [20]

Sistemas supramoleculares

Los químicos han demostrado que se pueden diseñar muchos sistemas supramoleculares artificiales que exhiban reconocimiento molecular. [21] Uno de los primeros ejemplos de un sistema de este tipo son los éteres corona , que son capaces de unir selectivamente cationes específicos. Sin embargo, desde entonces se han establecido varios sistemas artificiales.

Estático versus dinámico

El reconocimiento molecular se puede subdividir en reconocimiento molecular estático y reconocimiento molecular dinámico . El reconocimiento molecular estático se asemeja a la interacción entre una llave y el ojo de una cerradura; Es una reacción de complejación de tipo 1:1 entre una molécula huésped y una molécula huésped para formar un complejo huésped-huésped . Para lograr un reconocimiento molecular estático avanzado, es necesario crear sitios de reconocimiento que sean específicos para las moléculas invitadas.

En el caso del reconocimiento molecular dinámico, la unión del primer huésped al primer sitio de unión de un huésped afecta la constante de asociación de un segundo huésped con un segundo sitio de unión. conduciendo a la cooperatividad de vinculación. [22] En el caso de sistemas alostéricos positivos, la unión del primer huésped aumenta la constante de asociación del segundo huésped. Mientras que en los sistemas alostéricos negativos la vinculación del primer huésped disminuye la asociación constante con el segundo. La naturaleza dinámica de este tipo de reconocimiento molecular es particularmente importante ya que proporciona un mecanismo para regular la unión en sistemas biológicos. El reconocimiento molecular dinámico puede mejorar la capacidad de discriminar entre varios objetivos competitivos a través del mecanismo de corrección conformacional . El reconocimiento molecular dinámico también se está estudiando para su aplicación en sensores químicos y dispositivos moleculares altamente funcionales [23]

Complejidad

Un estudio reciente basado en simulaciones moleculares y constantes de cumplimiento describe el reconocimiento molecular como un fenómeno de organización. Incluso para moléculas pequeñas como los carbohidratos, el proceso de reconocimiento no se puede predecir ni diseñar, incluso suponiendo que se conozca exactamente la fuerza de cada enlace de hidrógeno individual. [24] Sin embargo, como Mobley et al. [25] concluyeron que la predicción precisa de los eventos de reconocimiento molecular debe ir más allá de la instantánea estática de un único cuadro entre el huésped y el anfitrión. Las entropías son contribuyentes clave a la termodinámica vinculante y es necesario tenerlas en cuenta para predecir con mayor precisión el proceso de reconocimiento. [26] Las entropías rara vez son observables en estructuras de un solo límite (instantánea estática). En las proteínas, el reconocimiento altamente específico se puede lograr mediante el ajuste evolutivo de las interacciones químicas, los cambios conformacionales y las contribuciones de entropía. [27]

Complementación intragénica

Jehle [28] señaló que, cuando se sumerge en un líquido y se mezcla con otras moléculas, las fuerzas de fluctuación de carga favorecen la asociación de moléculas idénticas como vecinas más cercanas. De acuerdo con este principio, las múltiples copias de un polipéptido codificado por un gen a menudo se reconocen molecularmente entre sí para formar una estructura proteica multipolipeptídica ordenada. Cuando dicha proteína se forma a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, la proteína compuesta de una mezcla de polipéptidos puede exhibir una mayor actividad funcional que la proteína multipolipeptídica formada por cada uno de los mutantes solo. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica .

La complementación intragénica (también llamada complementación interalélica) se ha demostrado en muchos genes diferentes en una variedad de organismos. [29] Crick y Orgel [30] analizaron los resultados de dichos estudios y llegaron a la conclusión de que la complementación intragénica, en general, surge de la interacción de monómeros polipeptídicos con defectos diferentes cuando forman un agregado ordenado al que llamaron "multímero".

Ver también

Referencias

  1. ^ Knox JR, Pratt RF (julio de 1990). "Diferentes modos de unión de vancomicina y D-alanil-D-alanina peptidasa al péptido de la pared celular y un posible papel de la proteína de resistencia a la vancomicina" (Texto completo gratuito) . Agentes antimicrobianos y quimioterapia . 34 (7): 1342-1347. doi :10.1128/AAC.34.7.1342. PMC  175978 . PMID  2386365.
  2. ^ Bielawski C , Chen Y, Zhang P, Prest P, Moore JS (1998). "Un enfoque modular para la construcción de receptores multisitio para ácido isoftálico". Comunicaciones químicas (12): 1313–4. doi :10.1039/a707262g.
  3. ^ Lockett MR, Lange H, Breiten B, Heroux A, Sherman W, Rappoport D, et al. (Julio 2013). "La unión de ligandos de benzoarilsulfonamida a la anhidrasa carbónica humana es insensible a la fluoración formal del ligando". Angewandte Chemie . 52 (30): 7714–7717. doi :10.1002/anie.201301813. PMID  23788494. S2CID  1543705.
  4. ^ Breiten B, Lockett MR, Sherman W, Fujita S, Al-Sayah M, Lange H, et al. (Octubre 2013). "Las redes de agua contribuyen a la compensación de entalpía/entropía en la unión proteína-ligando". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . doi :10.1021/ja4075776. PMID  24044696. S2CID  17554787. 
  5. ^ Cosic I (diciembre de 1994). "Bioactividad macromolecular: ¿es interacción resonante entre macromoléculas? - Teoría y aplicaciones". Transacciones IEEE sobre ingeniería biomédica . 41 (12): 1101-1114. doi :10.1109/10.335859. PMID  7851912. S2CID  23892544.
  6. ^ Baron R, Setny P, McCammon JA (septiembre de 2010). "Reconocimiento de agua en cavidad-ligando". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (34): 12091–12097. doi :10.1021/ja1050082. PMC 2933114 . PMID  20695475. 
  7. ^ Barón R, McCammon JA (2013). "Reconocimiento molecular y asociación de ligandos". Revista Anual de Química Física . 64 : 151-175. Código Bib : 2013ARPC...64..151B. doi :10.1146/annurev-physchem-040412-110047. PMID  23473376.
  8. ^ Cram DJ, Cram JM (1997). Moléculas contenedoras y sus invitados . Cambridge: Real Sociedad de Química. ISBN 978-0-85186-972-8.
  9. ^ Brotin T, Dutasta JP (enero de 2009). "Criptofanos y sus complejos: presente y futuro". Reseñas químicas . 109 (1): 88-130. doi :10.1021/cr0680437. PMID  19086781.
  10. ^ Lehn JM (1995). Química Supramolecular . Weinheim : Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-29312-4. OCLC  315928178.[ página necesaria ]
  11. ^ Gellman SH (agosto de 1997). "Introducción: reconocimiento molecular". Reseñas químicas . 97 (5): 1231-1232. doi :10.1021/cr970328j. PMID  11851448.
  12. ^ Chatterji D (2016). Conceptos básicos del reconocimiento molecular . Boca Ratón, FL: CRC Press. ISBN 978-1-4822-1968-5.
  13. ^ Rotello V, Thayumanavan S, eds. (2008). Reconocimiento molecular y polímeros: control de la estructura y autoensamblaje del polímero . Hoboken, Nueva Jersey: Wiley. ISBN 978-0-470-27738-6.
  14. ^ Lockett MR, Lange H, Breiten B, Heroux A, Sherman W, Rappoport D, et al. (Julio 2013). "La unión de ligandos de benzoarilsulfonamida a la anhidrasa carbónica humana es insensible a la fluoración formal del ligando". Angewandte Chemie . 52 (30): 7714–7717. doi :10.1002/anie.201301813. PMID  23788494. S2CID  1543705.
  15. ^ Breiten B, Lockett MR, Sherman W, Fujita S, Al-Sayah M, Lange H, et al. (Octubre 2013). "Las redes de agua contribuyen a la compensación de entalpía/entropía en la unión proteína-ligando". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 135 (41): 15579–15584. CiteSeerX 10.1.1.646.8648 . doi :10.1021/ja4075776. PMID  24044696. S2CID  17554787. 
  16. ^ Zhang J, Landry MP, Barone PW, Kim JH, Lin S, Ulissi ZW y otros. (Diciembre 2013). "Reconocimiento molecular mediante complejos de fase corona fabricados a partir de polímeros sintéticos adsorbidos en nanotubos de carbono". Nanotecnología de la naturaleza . 8 (12): 959–968. Código Bib : 2013NatNa...8..959Z. doi :10.1038/nnano.2013.236. PMC 5051352 . PMID  24270641. 
  17. ^ Sullivan MV, Dennison SR, Archontis G, Reddy SM, Hayes JM (julio de 2019). "Hacia un diseño racional de polímeros de impresión molecular selectiva (MIP) para proteínas: estudios computacionales y experimentales de polímeros basados ​​en acrilamida para mioglobina" (PDF) . La Revista de Química Física B. 123 (26): 5432–5443. doi : 10.1021/acs.jpcb.9b03091. PMID  31150581. S2CID  172137800.
  18. ^ Mannige RV, Haxton TK, Proulx C, Robertson EJ, Battigelli A, Butterfoss GL y col. (octubre de 2015). "Las nanohojas peptoides exhiben un nuevo motivo de estructura secundaria". Naturaleza . 526 (7573): 415–420. Código Bib :2015Natur.526..415M. doi : 10.1038/naturaleza15363. PMID  26444241. S2CID  205245623.
  19. ^ Sullivan MV, Stockburn WJ, Hawes PC, Mercer T, Reddy SM (febrero de 2021). "La síntesis verde como una ruta simple y rápida hacia nanopartículas magnéticas modificadas con proteínas para su uso en el desarrollo de un ensayo basado en polímeros fluorométricos de impresión molecular para la detección de mioglobina". Nanotecnología . 32 (9): 095502. Bibcode : 2021Nanot..32i5502S. doi :10.1088/1361-6528/abce2d. PMC 8314874 . PMID  33242844. 
  20. ^ Beyene AG, Demirer GS, Landry MP (1 de enero de 2009). Plataformas de reconocimiento molecular con plantillas de nanopartículas para la detección de analitos biológicos. vol. 8. John Wiley & Sons, Inc. págs. 197–223. doi :10.1002/cpch.10. ISBN 9780470559277. PMC  10539024 . PMID  27622569. S2CID  5249925. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  21. ^ Biedermann F, Schneider HJ (mayo de 2016). "Energías de unión experimentales en complejos supramoleculares". Reseñas químicas . 116 (9): 5216–5300. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00583. PMID  27136957.
  22. ^ Shinkai S, Ikeda M, Sugasaki A, Takeuchi M (junio de 2001). "Sistemas alostéricos positivos diseñados sobre andamios supramoleculares dinámicos: hacia la conmutación y amplificación de la afinidad y selectividad del huésped". Cuentas de la investigación química . 34 (6): 494–503. doi :10.1021/ar000177y. PMID  11412086.
  23. ^ McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (noviembre de 2022). "Teoría general de la unión específica: conocimientos de un modelo de proteína genético-mecano-químico". Biología Molecular y Evolución . 39 (11). doi :10.1093/molbev/msac217. PMC 9641994 . PMID  36208205. 
  24. ^ Grunenberg J (junio de 2011). "Complejidad en el reconocimiento molecular". Química Física Física Química . 13 (21): 10136–10146. Código Bib : 2011PCCP...1310136G. doi :10.1039/C1CP20097F. PMID  21503359.
  25. ^ Mobley DL, Dill KA (abril de 2009). "Unión de ligandos de moléculas pequeñas a proteínas:" lo que ves "no siempre es" lo que obtienes"". Estructura . 17 (4): 489–498. doi :10.1016/j.str.2009.02.010. PMC 2756098 . PMID  19368882. 
  26. ^ Schmidtchen FP (octubre de 2010). "Alojando aniones. La perspectiva energética". Reseñas de la sociedad química . 39 (10): 3916–3935. doi :10.1039/C0CS00038H. PMID  20820595.
  27. ^ McBride JM, Eckmann JP, Tlusty T (noviembre de 2022). Echave J (ed.). "Teoría general de la unión específica: conocimientos de un modelo de proteína genético-mecano-químico". Biología Molecular y Evolución . 39 (11): msac217. doi :10.1093/molbev/msac217. PMC 9641994 . PMID  36208205. 
  28. ^ Jehle H (septiembre de 1963). "Fuerzas intermoleculares y especificidad biológica". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 50 (3): 516–24. Código bibliográfico : 1963PNAS...50..516J. doi : 10.1073/pnas.50.3.516 . PMC 221211 . PMID  16578546. 
  29. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH (junio de 1965). "Complementación intragénica entre mutantes sensibles a la temperatura del bacteriófago T4D". Genética . 51 (6): 987–1002. doi :10.1093/genética/51.6.987. PMC 1210828 . PMID  14337770. 
  30. ^ Crick FH, Orgel LE (enero de 1964). "La teoría de la complementación interalélica". Revista de biología molecular . 8 : 161–5. doi :10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID  14149958.

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