El área superficial accesible (ASA) o área superficial accesible al solvente (SASA) es el área superficial 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 ). ASA fue descrita por primera vez por Lee & Richards en 1971 y a veces se la llama superficie molecular de Lee-Richards . [1] ASA generalmente se calcula utilizando el algoritmo de "bola rodante" desarrollado por Shrake & Rupley en 1973. [2] Este algoritmo utiliza una esfera (de solvente) de un radio particular para "sondear" la superficie de la molécula .
Métodos de cálculo del ASA
Algoritmo Shrake-Rupley
El algoritmo 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 que son accesibles al disolvente para determinar el área de 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 verifican contra la superficie de los átomos vecinos para determinar si están enterrados o accesibles. El número de puntos accesibles se multiplica por la porción del área de superficie que cada punto representa para calcular el ASA. La elección del 'radio de la 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 una superficie más grande. Un valor típico es 1,4 Å, que se aproxima al radio de una molécula de agua. Otro factor que afecta los resultados es la definición de los radios VDW de los átomos en la molécula en estudio. Por ejemplo, la molécula puede carecer a menudo de átomos de hidrógeno, que están implícitos en la estructura. Los átomos de hidrógeno pueden incluirse implícitamente en los radios atómicos de los átomos "pesados", con una medida llamada "radios de grupo". Además, la cantidad 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 superficial accesible se utiliza a menudo para 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 del disolvente en el paquete de software de dinámica molecular AMBER .
Relación con la superficie excluida del disolvente
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 proteínicas: 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). "Ambiente y exposición al disolvente de átomos de proteína. Lisozima e insulina". J Mol Biol . 79 (2): 351–71. doi :10.1016/0022-2836(73)90011-9. PMID 4760134.
^ Weiser J, Shenkin PS, Still WC (1999). "Superficies atómicas aproximadas a partir de combinaciones lineales de superposiciones por pares (LCPO)". Journal of Computational Chemistry . 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 del área de superficie molecular y del volumen: fórmulas analíticas simples y exactas". Journal of Computational Chemistry . 32 (12): 2647–2653. doi :10.1002/jcc.21844. PMID 21656788. S2CID 27143042.
^ Momen-Roknabadi, A; Sadeghi, M; Pezeshk, H; Marashi, SA (2008). "Impacto del área superficial accesible a los residuos en la predicción de las estructuras secundarias de las proteínas". BMC Bioinformatics . 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 solventes en proteínas". Proteins . 59 (3): 467–75. doi :10.1002/prot.20441. PMID 15768403. S2CID 13267624.
^ Richards, FM. (1977). "Áreas, volúmenes, empaquetamiento y estructura de proteínas". Annu Rev Biophys Bioeng . 6 : 151–176. doi :10.1146/annurev.bb.06.060177.001055. PMID 326146.
^ Connolly, ML (1983). "Cálculo analítico de la superficie molecular". J Appl Crystallogr . 16 (5): 548–558. Código Bibliográfico :1983JApCr..16..548C. doi :10.1107/S0021889883010985.
^ Richmond, TJ (1984). "Área superficial accesible al solvente 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 superficie molecular". J Mol Graphics . 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". Science . 221 (4612): 709–713. Bibcode :1983Sci...221..709C. doi :10.1126/science.6879170. PMID 6879170.
Richmond, Timothy J. (1984). "Área superficial accesible a solventes 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". J. Am. Chem. Soc . 107 (5): 118–1124. doi :10.1021/ja00291a006.
Connolly, ML (1991). "Esqueleto intersticial molecular". Computadoras 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 la topografía de proteínas". Biopolímeros . 32 (9): 1215–1236. doi :10.1002/bip.360320911. PMID 1420989. S2CID 23512517.
Blaney, JM (1994). "Geometría de distancias en el modelado molecular". Reseñas en química computacional . Rev. Comput. Chem. Vol. 5. págs. 299–335. doi :10.1002/9780470125823.ch6. ISBN 9780470125823.
Grant, JA; Pickup, BT (1995). "Una descripción gaussiana de la forma molecular". J. Phys. Chem . 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. Comput. Chem . 15 (5): 507–523. doi :10.1002/jcc.540150504. S2CID 24101766.
Connolly, ML (1996). "Molecular Surfaces: A Review". Network Science . Archivado desde el original el 15 de marzo de 2013.
Lin, SL (1994). "Representaciones de superficies moleculares mediante 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 ribosomal". 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 (2.ª ed.). Prentice Hall. pág. 7. ISBN 9780582382107.
Busa, Jan; Dzurina, Jozef; Hayryan, Edik (2005). "ARVO: Un paquete de Fortran para calcular el área superficial accesible al solvente y el volumen excluido de esferas superpuestas mediante ecuaciones analíticas". Comput. Phys. Commun . 165 (1): 59–96. Bibcode :2005CoPhC.165...59B. doi :10.1016/j.cpc.2004.08.002.
Enlaces externos
Ciencia de redes, parte 5: superficies accesibles a solventes
AREAIMOL es una herramienta de línea de comandos en el conjunto de programas CCP4 para calcular ASA.
Cálculos del área accesible al disolvente 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. Cálculo de la curvatura media y del área superficial molecular y accesible a disolventes. Uso académico gratuito.
ASA.py: una implementación basada en Python del algoritmo Shrake-Rupley.
Superficie molecular de Michel Sanner: el programa más rápido para calcular la superficie excluida.
pov4grasp renderiza superficies moleculares.
Paquete de superficie molecular: el programa de Michael Connolly.
Volume Voxelator: una herramienta basada en web para generar superficies excluidas.
Cálculo analítico gratuito ASV del volumen y la superficie de la unión de n esferas (también se proporciona cálculo de Monte-Carlo).
Vorlume: cálculo del área de superficie y el volumen de una familia de bolas 3D.
GetArea Calcule el área superficial de proteínas accesible al solvente en línea.