Lista de estructuras cristalinas macromoleculares de importancia biofísica

Las estructuras cristalinas de las moléculas de proteínas y ácidos nucleicos, así como sus complejos, son fundamentales para la práctica de la mayoría de las ramas de la biofísica y han moldeado gran parte de nuestra comprensión científica a nivel atómico en biología. Su importancia se ve reforzada por la declaración de 2014 por las Naciones Unidas como el Año Internacional de la Cristalografía , en conmemoración del centenario del Premio Nobel de Max von Laue en 1914 por el descubrimiento de la difracción de rayos X por cristales. Esta lista cronológica de estructuras de proteínas y ácidos nucleicos biofísicamente relevantes se basa libremente en una revisión publicada en el Biophysical Journal . ^{[ 1 ]} La lista incluye las primeras doce estructuras distintas, aquellas que abrieron nuevos caminos en el tema o el método, y aquellas que se convirtieron en sistemas modelo para trabajos en futuras áreas de investigación biofísica.

1958 – La mioglobina fue la primera estructura cristalina de una molécula de proteína. ^{[ 2 ]} La mioglobina alberga un grupo hemo que contiene hierro y que se une reversiblemente al oxígeno para su uso en la energía de las fibras musculares , y esos primeros cristales fueron de mioglobina del cachalote , cuyos músculos necesitan un almacenamiento abundante de oxígeno para las inmersiones profundas. La estructura tridimensional de la mioglobina está compuesta por 8 hélices alfa , y la estructura cristalina mostró que su conformación era dextrógira y coincidía muy estrechamente con la geometría propuesta por Linus Pauling , con 3,6 residuos por vuelta y enlaces de hidrógeno de la cadena principal desde el péptido NH de un residuo hasta el péptido CO del residuo i+4. La mioglobina es un sistema modelo para muchos tipos de estudios biofísicos, ^{[ 3 ]} especialmente aquellos que involucran el proceso de unión de ligandos pequeños como el oxígeno y el monóxido de carbono . 

1960 – La estructura cristalina de la hemoglobina ^{[ 4 ]} mostró un tetrámero de dos tipos de cadena relacionados y se resolvió a una resolución mucho menor que la mioglobina monomérica, pero claramente tenía la misma arquitectura básica de 8 hélices (ahora llamada "pliegue de globina"). Otras estructuras cristalinas de hemoglobina a mayor resolución (PDB 1MHB, 1DHB) pronto mostraron el cambio acoplado de la conformación local y cuaternaria entre los estados oxi y desoxi de la hemoglobina, ^{[ 5 ]} lo que explica la cooperatividad de la unión del oxígeno en la sangre y el efecto alostérico de factores como el pH y el DPG . Durante décadas, la hemoglobina fue el principal ejemplo de enseñanza para el concepto de alostería, además de ser un foco intensivo de investigación y discusión sobre la alostería. En 1909, se utilizaron cristales de hemoglobina de más de 100 especies para relacionar la taxonomía con las propiedades moleculares. ^{[ 6 ]} Ese libro fue citado por Perutz en el informe de 1938 ^{[ 7 ]} sobre cristales de hemoglobina de caballo que dio inicio a su larga saga para resolver la estructura cristalina. Los cristales de hemoglobina son pleocroicos —rojo oscuro en dos direcciones y rojo pálido en la tercera ^{[ 6 ]} — debido a la orientación de los grupos hemo, y la brillante banda de Soret de los grupos porfirínicos del hemo se utiliza en el análisis espectroscópico de la unión de ligandos a la hemoglobina. 

1965 – Lisozima de clara de huevo (archivo PDB 1lyz). ^{[ 8 ]} fue la primera estructura cristalina de una enzima (que escinde carbohidratos pequeños en azúcares simples), utilizada para los primeros estudios del mecanismo enzimático. ^{[ 9 ]} Contenía láminas beta (antiparalelas) así como hélices, y también fue la primera estructura macromolecular cuyas coordenadas atómicas se refinaron (en el espacio real). ^{[ 10 ]} El material de partida para su preparación se puede comprar en el supermercado, y la lisozima de huevo cristaliza muy fácilmente en muchos grupos espaciales diferentes ; es el caso de prueba favorito para nuevos experimentos e instrumentos cristalográficos. Ejemplos recientes son los nanocristales de lisozima para la recolección de datos de láser de electrones libres ^{[ 11 ]} y los microcristales para la microdifracción de electrones. ^{[ 12 ]} 

1967 – La ribonucleasa A (archivo PDB 2RSA) ^{[ 13 ]} es una enzima que escinde el ARN y está estabilizada por 4 enlaces disulfuro. Se utilizó en la investigación fundamental de Anfinsen sobre el plegamiento de proteínas, que dio lugar al concepto de que la estructura tridimensional de una proteína está determinada por su secuencia de aminoácidos . La ribonucleasa S , la forma escindida de dos componentes estudiada por Fred Richards , también era enzimáticamente activa, tenía una estructura cristalina casi idéntica (archivo PDB 1RNS) ^{[ 14 ]} y se demostró que era catalíticamente activa incluso en el cristal ^{[ 15 ]} , lo que ayudó a disipar las dudas sobre la relevancia de las estructuras cristalinas de las proteínas para la función biológica. 

1967 – Las serina proteasas son un grupo históricamente muy importante de estructuras enzimáticas, porque colectivamente iluminaron el mecanismo catalítico (en su caso, por la "tríada catalítica" Ser-His-Asp), la base de las diferentes especificidades de sustrato y el mecanismo de activación por el cual una escisión enzimática controlada entierra el nuevo extremo de la cadena para reorganizar adecuadamente el sitio activo. ^{[ 16 ]} Las primeras estructuras cristalinas incluyeron quimotripsina (archivo PDB 2CHA), ^{[ 17 ]} quimotripsinógeno (archivo PDB 1CHG), ^{[ 18 ]} tripsina (archivo PDB 1PTN), ^{[ 19 ]} y elastasa (archivo PDB 1EST). ^{[ 20 ]} También fueron las primeras estructuras de proteínas que mostraron dos dominios casi idénticos, presumiblemente relacionados por duplicación génica . Una de las razones de su amplio uso como ejemplos en libros de texto y en el aula fue el sistema de numeración por código de inserción, que hizo que Ser195 e His57 fueran consistentes y fáciles de recordar a pesar de las diferencias de secuencia específicas de cada proteína. 

1968 – Papaína 

1969 – La carboxipeptidasa A es una metaloproteasa de zinc . Su estructura cristalina (archivo PDB 1CPA) ^{[ 21 ]} mostró la primera estructura beta paralela: una lámina central grande y retorcida de 8 hebras con el sitio activo de Zn ubicado en el extremo C-terminal de las hebras centrales y la lámina flanqueada a ambos lados por hélices alfa. Es una exopeptidasa que escinde péptidos o proteínas desde el extremo carboxilo-terminal en lugar de internamente a la secuencia. Posteriormente se resolvió un pequeño inhibidor proteico de la carboxipeptidasa (archivo PDB 4CPA) ^{[ 22 ]} que detiene mecánicamente la catálisis al presentar su extremo C-terminal sobresaliendo entre un anillo de enlaces disulfuro con una estructura compacta detrás, impidiendo que la enzima atraiga la cadena más allá del primer residuo. 

1969 – La subtilisina (archivo PDB 1sbt ^{[ 23 ]} ) era un segundo tipo de serina proteasa con un sitio activo casi idéntico al de la familia de enzimas tripsina, pero con un plegamiento general completamente diferente. Esto proporcionó la primera visión de la evolución convergente a nivel atómico. Posteriormente, un estudio mutacional intensivo de la subtilisina documentó los efectos de los otros 19 aminoácidos en cada posición individual. ^{[ 24 ]} 

1970 – Lactato deshidrogenasa 

1970 – El inhibidor básico de tripsina pancreática , o BPTI (archivo PDB 2pti ^{[ 25 ]} ), es una proteína pequeña y muy estable que ha sido un sistema modelo muy productivo para el estudio de la unión súper fuerte, la formación de enlaces disulfuro (SS), el plegamiento de proteínas , la estabilidad molecular por mutaciones de aminoácidos o intercambio hidrógeno-deuterio, y la dinámica local rápida por RMN . Biológicamente, el BPTI se une e inhibe la tripsina mientras está almacenado en el páncreas , permitiendo la activación de la digestión de proteínas solo después de que la tripsina se libera en el estómago. 

1970 – La rubredoxina (archivo PDB 2rxn ^{[ 26 ]} ) fue la primera estructura redox resuelta, una proteína minimalista con el hierro unido por 4 cadenas laterales de Cys de 2 bucles en la parte superior de horquillas β. Difractó a 1,2 Å, lo que permitió el primer refinamiento en el espacio recíproco de una proteína (4,5rxn ^{[ 27 ]} ). (Nota: tenga en cuenta que 4rxn se realizó sin restricciones geométricas). Las rubredoxinas arqueales representan muchas de las estructuras pequeñas de mayor resolución en el PDB. 

1971 – La insulina (archivo PDB 1INS) ^{[ 28 ]} es una hormona fundamental para el metabolismo del azúcar y el almacenamiento de grasas, e importante en enfermedades humanas como la obesidad y la diabetes . Es notable desde el punto de vista biofísico por su unión al Zn, su equilibrio entre los estados monomérico, dímero y hexamérico, su capacidad para formar cristales in vivo y su síntesis como una forma "pro" más larga que luego se escinde para plegarse como el monómero activo de 2 cadenas, unido por enlaces SS. La insulina fue un éxito del programa de crecimiento de cristales de la NASA en el Transbordador Espacial , produciendo preparaciones a granel de cristales diminutos muy uniformes para una dosificación controlada. 

1971 – Nucleasa estafilocócica 

1971 – Citocromo C 

1974 – Lisozima del fago T4 

1974 – Inmunoglobulinas 

1975 – Superóxido dismutasa de Cu, Zn 

1976 – ARN de transferencia 

1976 – Triosa fosfato isomerasa 

• 1976 – Rhizopuspepsina 
• 1976 – Endotiapepsina 
• 1976 – Penicilopepsina 

• 1978 – Virus icosaédrico 
• 1981 – Dodecámero de ADN en forma B de Dickerson 
• 1981 – Crambin 
• 1985 – Calmodulina 
• 1985 – ADN polimerasa 

• 1985 – Centro de reacción fotosintética : Pares de bacterioclorofilas (verdes) dentro de la membrana capturan la energía de la luz solar, que luego viaja a través de múltiples pasos hasta estar disponible en los grupos hemo (rojos) del módulo citocromo-C en la parte superior. Esta fue la primera estructura cristalina resuelta de una proteína de membrana, un hito reconocido con el Premio Nobel otorgado a Hartmut Michel, Hans Deisenhofer y Robert Huber. 

• 1986 – Interacciones represor/ADN 
• 1987 – Complejo mayor de histocompatibilidad 
• 1987 – Ubiquitina 
• 1987 – Proteína ROP 
• 1989 – Proteasa del VIH-1 
• 1990 – Bacteriorrodopsina 
• 1991 – Bobina enrollada GCN4 
• 1991 – Transcriptasa inversa del VIH-1 
• 1993 – Hélice beta de la pectato liasa 
• 1994 – Colágeno 
• 1994 – Complejo Barnase /barstar 
• 1994 – ATPasa F1 
• 1995 – Proteínas G heterotriméricas 
• 1996 – Proteína fluorescente verde 
• 1996 – Complejo CDK / ciclina 

• 1996 – Proteína motora kinesina 
• 1997 – GroEL /ES chaperona 
• 1997 – Nucleosoma 
• 1998 – Intrón autoescindible del grupo I 

• 1998 – Las topoisomerasas de ADN realizan la importante y necesaria tarea biológica de desenredar las hebras o hélices de ADN que se enredan entre sí o se retuercen demasiado durante los procesos celulares normales, como la transcripción de la información genética. 
• 1998 – Dímero alfa/beta de tubulina 
• 1998 – Canal de potasio 
• 1998 – Cruce de Holliday 
• 2000 – Los ribosomas son una parte fundamental de la biología y la biofísica, y su estructura se hizo accesible por primera vez en el año 2000. 

• 2000 – ATPasa AAA+ 
• 2002 – Ankyrin repite 
• 2003 – TOP 7 diseño de proteínas 
• 2004 – Proteínas del reloj circadiano de cianobacterias 
• 2004 – Riboswitch 
• 2006 – Exosoma humano 

• 2007 – Receptor acoplado a proteína G 

• 2009 – La partícula de bóveda es un nuevo e intrigante descubrimiento de una partícula hueca de gran tamaño, común en las células, con varias hipótesis sobre su posible función biológica. Las estructuras cristalinas (archivos PDB 2zuo, 2zv4, 2zv5 ^{[ 29 ]} y 4hl8 ^{[ 30 ]} ) muestran que cada mitad de la bóveda está compuesta por 39 copias de una proteína larga de 12 dominios que se entrelazan para formar la estructura. El desorden en los extremos superior e inferior sugiere aberturas que podrían permitir el acceso al interior de la bóveda.