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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 a través de enlaces de hidrógeno [1]
Estructura cristalina de dos ácidos isoftálicos unidos a una molécula huésped a través de enlaces de hidrógeno [2]
Reconocimiento estático entre un único huésped y un único sitio de unión del anfitrión. 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 hidrófobas , [3] [4] fuerzas de van der Waals , interacciones π-π , enlaces de halógeno o efectos de interacción resonante [5] . Además de estas interacciones directas , los solventes pueden desempeñar un papel indirecto dominante en 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] incluyendo, por ejemplo, nanotubos , en los que los portales controlan esencialmente la selectividad. [10] [11] [12] [13] La partición selectiva de moléculas entre dos o más fases también puede dar como resultado el reconocimiento molecular. [14] En el reconocimiento molecular basado en la partición, la cinética y las condiciones de equilibrio están gobernadas por la presencia de solutos en las dos fases. [15]

Sistemas biológicos

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

El reconocimiento molecular juega un papel importante en los sistemas biológicos y se observa entre receptor-ligando, [16] [17] antígeno - anticuerpo , ADN - proteína , azúcar - lectina , ARN - ribosoma , etc. Un ejemplo importante de reconocimiento molecular es el antibiótico vancomicina que se une selectivamente con los péptidos con D-alanil-D-alanina terminal en las 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 particulares, no pueden usarse para construir la pared celular de las bacterias . [ cita requerida ]

Reconocimiento molecular sintético

Trabajos recientes sugieren que los elementos de reconocimiento molecular pueden producirse sintéticamente a escala nanométrica, [18] 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 con impronta molecular [19] y los peptoides, pueden utilizarse para reconocer objetivos biológicos más grandes, como las proteínas [20] y la conjugación de polímeros con nanomateriales fluorescentes sintéticos puede generar estructuras macromoleculares sintéticas que sirven como anticuerpos sintéticos para el reconocimiento y la detección óptica de proteínas. [21] [22]

Sistemas supramoleculares

Los químicos han demostrado que se pueden diseñar muchos sistemas supramoleculares artificiales que exhiben reconocimiento molecular. [23] Uno de los primeros ejemplos de un sistema de este tipo son los éteres corona que son capaces de unirse selectivamente a cationes específicos. Sin embargo, desde entonces se han establecido varios sistemas artificiales.

Estático vs. 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 un ojo de cerradura; es una reacción de complexación de tipo 1:1 entre una molécula anfitriona y una molécula huésped para formar un complejo anfitrión-huésped . Para lograr un reconocimiento molecular estático avanzado, es necesario crear sitios de reconocimiento que sean específicos para las moléculas huésped.

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, lo que conduce a la cooperatividad de la unión. [24] En el caso de los sistemas alostéricos positivos, la unión del primer huésped aumenta la constante de asociación del segundo huésped, mientras que en el caso de los sistemas alostéricos negativos, la unión del primer huésped disminuye la constante de asociación 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 en competencia 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 [25].

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. [26] Sin embargo, como concluyeron Mobley et al. [27] , la predicción precisa de los eventos de reconocimiento molecular debe ir más allá de la instantánea estática de un solo marco entre el huésped y el anfitrión. Las entropías son contribuyentes clave a la termodinámica de enlace y deben tenerse en cuenta para predecir con mayor precisión el proceso de reconocimiento. [28] Las entropías rara vez se observan en estructuras de un solo enlace (instantánea estática). En las proteínas, el reconocimiento altamente específico se puede lograr mediante el ajuste fino evolutivo de las interacciones químicas, los cambios conformacionales y las contribuciones de entropía. [29]

Complementación intragénica

Jehle [30] señaló que, cuando se sumergen en un líquido y se entremezclan 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 experimentan un reconocimiento molecular 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 por 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 conoce como complementación intragénica .

La complementación intragénica (también llamada complementación interalélica) se ha demostrado en muchos genes diferentes en una variedad de organismos. [31] Crick y Orgel [32] analizaron los resultados de dichos estudios y llegaron a la conclusión de que la complementación intragénica, en general, surge de la interacción de diferentes monómeros polipeptídicos defectuosos cuando forman un agregado ordenado al que llamaron "multímero".

Véase también

Referencias

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