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Articulo de referencia

Ensamblaje macromolecular

Estructura de la nucleoproteína MA: Subunidad ribosomal 50S de H. marismortui. Modelo cristalográfico de rayos X de 29 de los 33 componentes nativos, del laboratorio de Thomas S...

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Estructura de la nucleoproteína MA: Subunidad ribosomal 50S de H. marismortui. Modelo cristalográfico de rayos X 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 hebras de ARN (naranja/amarillo). [ 1 ] Escala: el ensamblaje tiene un diámetro aproximado de 24 nm. [ 2 ]

En biología molecular , el término ensamblaje macromolecular ( AM ) 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, en relación con su forma química) y en relación con su composición y estructura química subyacentes . Las macromoléculas se encuentran en seres vivos y no vivos, y están compuestas por cientos o miles de átomos unidos por enlaces covalentes ; a menudo se caracterizan por unidades repetitivas (es decir, son polímeros ). Los ensamblajes de estas pueden ser biológicos o no biológicos, aunque el término AM se aplica más comúnmente en biología, y el término ensamblaje supramolecular se aplica más a menudo en contextos no biológicos (por ejemplo, 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 presentarse en estructuras no repetitivas (por ejemplo, en el ribosoma (imagen) y las arquitecturas de la membrana celular) o en patrones lineales, circulares, espirales u otros patrones repetitivos (por ejemplo, en los filamentos de actina y el motor flagelar , imagen). El proceso por el cual se forman los MA se ha denominado autoensamblaje molecular , un término que se aplica especialmente en contextos no biológicos. Existe una amplia variedad de métodos físicos/biofísicos, químicos/bioquímicos y computacionales para el estudio de los MA; dada la escala (dimensiones moleculares) de los MA, los esfuerzos por dilucidar su composición y estructura, así como los mecanismos subyacentes a sus funciones, se encuentran a la vanguardia de la ciencia estructural moderna.

Complejo biomolecular

Un ribosoma eucariota , que traduce catalíticamente el contenido de información de las moléculas de ARNm en proteínas. La animación presenta las etapas de elongación y direccionamiento a la membrana de la traducción eucariota , mostrando el ARNm como un arco negro, las subunidades del ribosoma en verde y amarillo, los ARNt en azul oscuro, las proteínas como la elongación y otros factores involucrados en azul claro, y 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 RE .
Modelo impreso en 3D de la estructura del "motor" del flagelo bacteriano y de la estructura parcial de la varilla de una especie de Salmonella . De abajo hacia arriba: azul oscuro, proteínas motoras/de conmutación repetidas FliM y FliN; rojo, proteínas motoras/de conmutación FliG; amarillo, proteínas de acoplamiento transmembrana FliF; azul claro, proteínas de los anillos L y P; y (en la parte superior), azul oscuro, la tapa, la unión gancho-filamento, el gancho y las proteínas de 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 biomoléculas grandes no poliméricas ( lípido ). Las interacciones entre estas biomoléculas son no covalentes. [ 6 ] Ejemplos:

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

Los complejos de macromoléculas se encuentran de forma ubicua en la naturaleza, donde participan en la construcción de virus y de todas las células vivas. Además, desempeñan funciones fundamentales en todos los procesos vitales básicos ( traducción de proteínas , división celular , transporte de vesículas , intercambio intra e intercelular de material entre compartimentos, etc.). En cada una de estas funciones, las mezclas complejas se organizan de maneras estructurales y espaciales específicas. Mientras que las macromoléculas individuales se mantienen unidas por una combinación de enlaces covalentes y fuerzas no covalentes intramoleculares (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 MA en sí mismos se mantienen unidos únicamente a través de fuerzas no covalentes , excepto que ahora se ejercen entre moléculas (es decir, interacciones intermoleculares ).

Escalas y ejemplos de MA

Las imágenes anteriores dan una idea de las composiciones y la escala (dimensiones) asociadas con los MA, aunque estas solo comienzan a rozar la complejidad de las estructuras; en principio, cada célula viva está compuesta de MA, pero también es un MA en sí misma. En los ejemplos y otros complejos y ensamblajes similares, cada MA suele tener millones de daltons de peso molecular (megadaltons, es decir, millones de veces el peso de un solo átomo simple), aunque aún así tienen proporciones de componentes medibles ( estequiometrías ) con cierto grado de precisión. Como se menciona en las leyendas de las imágenes, cuando se preparan adecuadamente, los MA o los subcomplejos de MA a menudo se pueden cristalizar para su estudio mediante cristalografía de proteínas y métodos relacionados, o estudiar mediante otros métodos físicos (por ejemplo, espectroscopia , microscopía ).

Secciones transversales de fosfolípidos (PL) relevantes para las MA de biomembranas . El amarillo-naranja indica las colas lipídicas hidrofóbicas ; las esferas blancas y negras representan las regiones polares de los PL ( vi ). Dimensiones de la bicapa/liposoma (ocultas en el gráfico): regiones hidrofóbicas y polares, cada una de ~30 Å (3,0 nm) de espesor; la polar de ~15 Å (1,5 nm) a cada lado . [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]
Representación gráfica de la estructura del virus MA, virus del mosaico del caupí , con 30 copias de cada una de sus proteínas de la cápside: la proteína de la cápside pequeña (S, amarilla) y la proteína de la cápside grande (L, verde). Junto con dos moléculas de ARN de sentido positivo (ARN-1 y ARN-2, no visibles), constituyen el virión. El ensamblaje es altamente simétrico y tiene un diámetro de aproximadamente 280 Å (28 nm) en su punto más ancho.

Las estructuras virales fueron de las primeras MA estudiadas; otros ejemplos biológicos incluyen ribosomas (imagen parcial arriba), proteasomas y complejos de traducción (con componentes de proteínas y ácidos nucleicos ), complejos de transcripción procariotas 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 del bacteriófago (fago) T4 , las proteínas morfogenéticas codificadas por los genes del fago interactúan entre sí en una secuencia característica. Mantener un equilibrio adecuado 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 ]

Contrapartes no biológicas

Finalmente, la biología no es el único ámbito de las máquinas moleculares. Los campos de la química supramolecular y la nanotecnología cuentan con áreas que se han desarrollado para elaborar y extender los principios demostrados inicialmente en las máquinas moleculares biológicas. En estas áreas, ha sido de particular interés la elaboración de los procesos fundamentales de las máquinas moleculares y la extensión de diseños de máquinas conocidos a nuevos tipos y procesos.

Véase también

Referencias

  1. ↑ Ban N, Nissen P, Hansen J, Moore PB, Steitz TA (agosto de 2000). "La estructura atómica completa de la subunidad ribosómica grande a una resolución de 2,4 Å". Science . 289 (5481): 905– 920. Bibcode : 2000Sci...289..905B . CiteSeerX 10.1.1.58.2271 . doi : 10.1126/science.289.5481.905 . PMID 10937989 .  
  2. ↑ McClure W. "Subunidad ribosomal 50S" . Archivado del original el 24-11-2005 . Consultado el 09-10-2019 .
  3. ↑ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). "Translocación de proteínas por el canal Sec61/SecY". Annual Review of Cell and Developmental Biology . 21 : 529–550 . doi : 10.1146/annurev.cellbio.21.012704.133214 . PMID 16212506 . 
  4. ↑ Leyenda, portada, J. Bacteriol., octubre de 2006.
  5. ↑ Kleinjung J, Fraternali F (julio de 2005). "POPSCOMP: un análisis automatizado de la interacción de complejos biomoleculares" . Nucleic Acids Research . 33 (número especial de servidor web): W342– W346 . doi : 10.1093/nar/gki369 . PMC 1160130. PMID 15980485 .  
  6. ↑ Moore PB (2012). "¿Cómo deberíamos pensar sobre el ribosoma?". Annual Review of Biophysics . 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 Protein Data Bank: un informe de situación" . Structure . 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". Current Opinion in Structural Biology . 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". The FEBS Journal . 272 ​​(2): 293– 312. doi : 10.1111/j.1742-4658.2004.04473.x . hdl : 1874/336958 . PMID 15654870. S2CID 20148856 .  
  10. ↑ "Estructura de bicapas lipídicas fluidas" . Blanco.biomol.uci.edu. 10-11-2009 . Consultado el 09-10-2019 .
  11. ↑ Sistema experimental: bicapas de dioleoilfosfatidilcolina . La región hidrofóbica de hidrocarburos del lípido tiene un espesor de aproximadamente 30 Å (3,0 nm), determinado mediante una combinación de métodos de dispersión de neutrones y rayos X. Asimismo, la región polar/interfacial (grupos de glicerilo, fosfato y cabeza, con su hidratación combinada) tiene un espesor de aproximadamente 15 Å (1,5 nm) a cada lado , lo que da un espesor total similar al de la región de hidrocarburos. Véanse las referencias de SH White, anteriores y posteriores.
  12. ↑ Wiener MC, White SH (febrero de 1992). "Estructura de una bicapa fluida de dioleoilfosfatidilcolina determinada mediante refinamiento conjunto de datos de difracción de rayos X y neutrones. III. Estructura completa" . Biophysical Journal . 61 (2): 434– 447. Bibcode : 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 un solo dígito a porcentajes bajos de dos dígitos de estos valores.
  14. ↑ Gerle C (junio de 2019). "Ensayo sobre la estructura de las biomembranas" . The Journal of Membrane Biology . 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". Journal of Molecular Biology . 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 el bacteriófago T4D de tipo salvaje y mutantes ámbar y sus posibles implicaciones en cuanto al tipo de función del producto génico: catalítica frente a estequiométrica". Virology . 35 (4): 550– 63. doi : 10.1016/0042-6822(68)90285-7 . PMID 4878023 . 

Lecturas adicionales

Reseñas generales

  • Williamson JR (agosto de 2008). "Cooperatividad en el ensamblaje macromolecular". Nature Chemical Biology . 4 (8): 458– 465. doi : 10.1038/nchembio.102 . PMID 18641626 . 
  • Perrakis A, Musacchio A, Cusack S, Petosa C (agosto de 2011). "Investigación de un complejo macromolecular: el conjunto de métodos". Journal of Structural Biology . 175 (2): 106–12 . doi : 10.1016/j.jsb.2011.05.014 . PMID 21620973 . 
  • Dafforn TR (enero de 2007). "¿Cómo se sabe que se tiene un complejo macromolecular?" . Acta Crystallographica. Sección D, Cristalografía biológica . 63 (Pt 1): 17–25 . doi : 10.1107/S0907444906047044 . PMC 2483502. PMID 17164522 .  
  • Wohlgemuth I, Lenz C, Urlaub H (marzo de 2015). "Estudio de estequiometrías de complejos macromoleculares mediante espectrometría de masas basada en péptidos" . Proteomics . 15 ( 5–6 ): 862–79 . doi : 10.1002/pmic.201400466 . PMC 5024058. PMID 25546807 .  
  • Sinha C, Arora K, Moon CS, Yarlagadda S, Woodrooffe K, Naren AP (octubre de 2014). "Transferencia de energía por resonancia de Förster: un enfoque para visualizar la regulación espaciotemporal de la formación de complejos macromoleculares y la señalización celular compartimentalizada" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects . 1840 (10): 3067–72 . doi : 10.1016/j.bbagen.2014.07.015 . PMC 4151567. PMID 25086255 .  
  • Berg JM, Tymoczko J, Stryer L (2002). Bioquímica (5.ª  ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4955-4.
  • Lehninger AL, Cox M, Nelson DL (2005). Principios de bioquímica de Lehninger (Cuarta  ed.). Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4339-2.

Reseñas sobre MA específicas

  • Valle M (mayo de 2011). " Casi perdido en la traducción. Criomicroscopía electrónica de un complejo macromolecular dinámico: el ribosoma". European Biophysics Journal . 40 (5): 589– 97. doi : 10.1007/s00249-011-0683-6 . PMID 21336521. S2CID 26027815 .  
  • Monie TP (2017). "El inflamasoma canónico: un complejo macromolecular que impulsa la inflamación". Complejos proteicos macromoleculares . Bioquímica subcelular. Vol.  83. pp. 43–73 . doi : 10.1007/978-3-319-46503-6_2 . ISBN  978-3-319-46501-2. PMID 28271472 . 
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E (agosto de 2006). "Identificación del complejo macromolecular responsable de la regulación de los niveles de cAMP dependiente de PI3Kgamma". Biochemical Society Transactions . 34 (Pt 4): 502–3 . doi : 10.1042/BST0340502 . PMID 16856844 . 

Fuentes primarias

  • Lasker K, Förster F, Bohn S, Walzthoeni T, Villa E, Unverdorben P, et  al. (enero de 2012). "Arquitectura molecular del holocomplejo del proteasoma 26S determinada mediante un enfoque integrador" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (5): 1380– 1387. Bibcode : 2012PNAS..109.1380L . doi : 10.1073 /pnas.1120559109 . PMC 3277140. PMID 22307589 .  
  • Russel D, Lasker K, Webb B, Velázquez-Muriel J, Tjioe E, Schneidman-Duhovny D, et  al. (enero de 2012). "Uniendo las piezas: software de plataforma de modelado integrador para la determinación de la estructura de ensamblajes macromoleculares" . PLOS Biology . 10 (1) e1001244. doi : 10.1371/journal.pbio.1001244 . PMC 3260315. PMID 22272186 .  
  • Barhoum S, Palit S, Yethiraj A (mayo de 2016). "Estudios de RMN de difusión de la formación de complejos macromoleculares, el hacinamiento y el confinamiento en materiales blandos". Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy . 94–95 : 1–10 . Bibcode : 2016PNMRS..94....1B . doi : 10.1016/j.pnmrs.2016.01.004 . PMID 27247282 . 

Otras fuentes

  • Premios Nobel de Química (2012), Premio Nobel de Química 2009, Venkatraman Ramakrishnan, Thomas A. Steitz, Ada E. Yonath, Premio Nobel de Química 2009 , consultado el 13 de junio de 2011.
  • Premios Nobel de Química (2012), El Premio Nobel de Química 1982, Aaron Klug, El Premio Nobel de Química 1982 , consultado el 13 de junio de 2011.
  • Beck Group (2019), Estructura y función de grandes ensamblajes macromoleculares (página principal del grupo Beck), Beck Group - Estructura y función de grandes ensamblajes moleculares - EMBL , consultado el 13 de junio de 2011.
  • DMA Group (2019), Dinámica del ensamblaje macromolecular (página principal de DMA Group), Sección de Dinámica del Ensamblaje Macromolecular | Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería , consultado el 13 de junio de 2011.