Biología estructural

La biología estructural se ocupa del análisis estructural del material vivo (formado, compuesto y/o mantenido y refinado por células vivas) en todos los niveles de organización. ^{[ 1 ]}

Los primeros biólogos estructurales, a lo largo del siglo XIX y principios del XX, solo podían estudiar estructuras hasta el límite de la agudeza visual del ojo humano y mediante lupas y microscopios ópticos. En el siglo XX, se desarrollaron diversas técnicas experimentales para examinar las estructuras 3D de las moléculas biológicas. Las técnicas más destacadas son la cristalografía de rayos X , la resonancia magnética nuclear y la microscopía electrónica . Gracias al descubrimiento de los rayos X y sus aplicaciones a los cristales de proteínas, la biología estructural se revolucionó, ya que ahora los científicos podían obtener las estructuras tridimensionales de las moléculas biológicas con detalle atómico. ^{[ 2 ]} Asimismo, la espectroscopia de RMN permitió obtener información sobre la estructura y la dinámica de las proteínas. ^{[ 3 ]} Finalmente, en el siglo XXI, la microscopía electrónica también experimentó una revolución drástica con el desarrollo de fuentes de electrones más coherentes, corrección de aberraciones para microscopios electrónicos y software de reconstrucción que permitió la implementación exitosa de la criomicroscopía electrónica de alta resolución, lo que permitió el estudio de proteínas individuales y complejos moleculares en tres dimensiones con resolución de angstrom.

Con el desarrollo de estas tres técnicas, el campo de la biología estructural se expandió y también se convirtió en una rama de la biología molecular , la bioquímica y la biofísica que se ocupa de la estructura molecular de las macromoléculas biológicas (especialmente proteínas , formadas por aminoácidos , ARN o ADN , formados por nucleótidos , y membranas , formadas por lípidos ), cómo adquieren las estructuras que tienen y cómo las alteraciones en sus estructuras afectan su función. ^{[ 4 ]} Este tema es de gran interés para los biólogos porque las macromoléculas llevan a cabo la mayoría de las funciones de las células , y es solo al enrollarse en formas tridimensionales específicas que pueden realizar estas funciones. Esta arquitectura, la " estructura terciaria " de las moléculas, depende de manera compleja de la composición básica de cada molécula, o " estructura primaria ". A resoluciones más bajas, herramientas como la tomografía FIB-SEM han permitido una mayor comprensión de las células y sus orgánulos en 3 dimensiones, y cómo cada nivel jerárquico de las diversas matrices extracelulares contribuye a la función (por ejemplo, en el hueso). En los últimos años también ha sido posible predecir modelos moleculares físicos de alta precisión para complementar el estudio experimental de las estructuras biológicas. ^{[ 5 ]} Las técnicas computacionales, como las simulaciones de dinámica molecular, pueden utilizarse junto con estrategias empíricas de determinación de la estructura para ampliar y estudiar la estructura, la conformación y la función de las proteínas. ^{[ 6 ]}

En 1912, Max Von Laue dirigió rayos X hacia sulfato de cobre cristalizado, generando un patrón de difracción . ^{[ 7 ]} Estos experimentos condujeron al desarrollo de la cristalografía de rayos X y su uso en la exploración de estructuras biológicas. ^{[ 5 ]} En 1951, Rosalind Franklin y Maurice Wilkins utilizaron patrones de difracción de rayos X para capturar la primera imagen del ácido desoxirribonucleico (ADN). Francis Crick y James Watson modelaron la estructura de doble hélice del ADN utilizando esta misma técnica en 1953 y recibieron el Premio Nobel de Medicina junto con Wilkins en 1962. ^{[ 8 ]}

Los cristales de pepsina fueron las primeras proteínas en ser cristalizadas para su uso en difracción de rayos X, por Theodore Svedberg, quien recibió el Premio Nobel de Química en 1962. ^{[ 9 ]} La primera estructura proteica terciaria , la de la mioglobina , fue publicada en 1958 por John Kendrew . ^{[ 10 ]} Durante este tiempo, el modelado de estructuras proteicas se realizaba utilizando madera de balsa o modelos de alambre . ^{[ 11 ]} Con la invención de software de modelado como CCP4 a finales de la década de 1970, ^{[ 12 ]} el modelado ahora se realiza con asistencia informática. Los desarrollos recientes en el campo han incluido la generación de láseres de electrones libres de rayos X , que permiten el análisis de la dinámica y el movimiento de las moléculas biológicas, ^{[ 13 ]} y el uso de la biología estructural para asistir a la biología sintética . ^{[ 14 ]}

A finales de la década de 1930 y principios de la de 1940, la combinación del trabajo realizado por Isidor Rabi , Felix Bloch y Edward Mills Purcell condujo al desarrollo de la resonancia magnética nuclear (RMN). Actualmente, la RMN de estado sólido se utiliza ampliamente en el campo de la biología estructural para determinar la estructura y la naturaleza dinámica de las proteínas ( RMN de proteínas ). ^{[ 15 ]}

En 1990, Richard Henderson produjo la primera imagen tridimensional de alta resolución de bacteriorrodopsina utilizando microscopía electrónica criogénica (crio-EM). ^{[ 16 ]} Desde entonces, la crio-EM se ha convertido en una técnica cada vez más popular para determinar estructuras tridimensionales de alta resolución en imágenes biológicas. ^{[ 17 ]}

Más recientemente, se han desarrollado métodos computacionales para modelar y estudiar estructuras biológicas. Por ejemplo, la dinámica molecular (DM) se utiliza comúnmente para analizar los movimientos dinámicos de las moléculas biológicas. En 1975, se publicó en Nature la primera simulación de un proceso de plegamiento biológico mediante DM. ^{[ 18 ]} Recientemente, la predicción de la estructura de proteínas mejoró significativamente gracias a un nuevo método de aprendizaje automático llamado AlphaFold . ^{[ 19 ]} Algunos afirman que los enfoques computacionales están comenzando a liderar el campo de la investigación en biología estructural. ^{[ 20 ]}

Las biomoléculas son demasiado pequeñas para observarlas en detalle incluso con los microscopios ópticos más avanzados . Los métodos que utilizan los biólogos estructurales para determinar sus estructuras generalmente implican mediciones simultáneas de un gran número de moléculas idénticas. Estos métodos incluyen:

• Espectrometría de masas
• Cristalografía macromolecular
• difracción de neutrones
• Proteólisis
• Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas (RMN)
• Resonancia paramagnética electrónica (RPE)
• Microscopía electrónica criogénica (crio-EM)
• Cristalografía electrónica y difracción de electrones en microcristales
• Dispersión de luz multiángulo
• Dispersión de ángulo pequeño
• Espectroscopia láser ultrarrápida
• Microespectroscopia de terahercios anisotrópica
• Espectroscopia infrarroja bidimensional
• Interferometría de doble polarización y dicroísmo circular

Con mayor frecuencia, los investigadores los utilizan para estudiar los " estados nativos " de las macromoléculas. Sin embargo, también se emplean variantes de estos métodos para observar cómo las moléculas nacientes o desnaturalizadas adoptan o retoman sus estados nativos. Véase plegamiento de proteínas .

Un tercer enfoque que los biólogos estructurales emplean para comprender la estructura es la bioinformática , que busca patrones entre las diversas secuencias que dan lugar a formas particulares. Los investigadores suelen deducir aspectos de la estructura de las proteínas de membrana integrales a partir de la topología de la membrana predicha por el análisis de hidrofobicidad . Véase predicción de la estructura de proteínas .

Los biólogos estructurales han realizado importantes contribuciones a la comprensión de los componentes moleculares y los mecanismos subyacentes a las enfermedades humanas. Por ejemplo, la crio-EM y la RMN de estado sólido se han utilizado para estudiar la agregación de fibrillas amiloides, asociadas a la enfermedad de Alzheimer , la enfermedad de Parkinson y la diabetes tipo II . ^{[ 21 ]} Además de las proteínas amiloides, los científicos han utilizado la crio-EM para producir modelos de alta resolución de filamentos de tau en el cerebro de pacientes con Alzheimer, lo que podría ayudar a desarrollar mejores tratamientos en el futuro. ^{[ 22 ]} Las herramientas de biología estructural también pueden utilizarse para explicar las interacciones entre patógenos y huéspedes. Por ejemplo, han permitido a los virólogos comprender cómo la envoltura del VIH permite al virus evadir las respuestas inmunitarias humanas. ^{[ 23 ]}

La biología estructural también es un componente importante del descubrimiento de fármacos . ^{[ 24 ]} Los científicos pueden identificar dianas mediante genómica, estudiarlas mediante biología estructural y desarrollar fármacos adecuados para dichas dianas. En concreto, la RMN de ligandos , la espectrometría de masas y la cristalografía de rayos X son técnicas de uso común en el proceso de descubrimiento de fármacos. Por ejemplo, los investigadores han utilizado la biología estructural para comprender mejor Met , una proteína codificada por un protooncogén que constituye una importante diana farmacológica en el cáncer . ^{[ 25 ]} Se han realizado investigaciones similares para dianas del VIH con el fin de tratar a personas con SIDA . ^{[ 24 ]} Los investigadores también están desarrollando nuevos antimicrobianos para infecciones micobacterianas mediante el descubrimiento de fármacos basado en la estructura. ^{[ 24 ]}

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 complejo biomolecular , también llamado complejo biomacromolecular , es cualquier complejo biológico formado por más de un biopolímero ( proteína , ARN , ADN , ^{[ 30 ]} carbohidrato ) o biomoléculas grandes no poliméricas ( lípido ). Las interacciones entre estas biomoléculas son no covalentes. ^{[ 31 ]} Ejemplos:

• Complejos proteicos , algunos de los cuales son complejos multienzimáticos : proteasoma , holoenzima de la ADN polimerasa III , holoenzima de la ARN polimerasa II , cápsides virales simétricas , complejo chaperonina GroEL - GroES , fotosistema I , ATP sintasa , ferritina .
• Complejos de ARN-proteína: ribosoma , espliceosoma , bóveda , SnRNP . Estos complejos en el núcleo celular se denominan ribonucleoproteínas (RNP).
• Complejos ADN-proteína: nucleosoma .
• Complejos proteína-lípido: lipoproteína . ^{[ 32 ] [ 33 ]}

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 . ^{[ 34 ]} 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 . ^{[ 35 ]}

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

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 ).

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 . ^{[ 40 ]}

• Estructura primaria
• Estructura secundaria
• Estructura terciaria
• Estructura cuaternaria
• Dominio estructural
• Motivo estructural
• Subunidad proteica
• Modelo molecular
• Cooperación
• Chaperonina
• Genómica estructural
• Estereoquímica
• Resolución (densidad electrónica)
• Proteopedia: La enciclopedia colaborativa en 3D de proteínas y otras moléculas .
• Predicción de la estructura de proteínas
• Consorcio SBGrid
• Biología espacial

• Carugo, Oliviero; Djinović-Carugo, Kristina (29 de junio de 2023). " Biología estructural: una era dorada" . PLOS Biology . 21 (6) e3002187. doi : 10.1371/journal.pbio.3002187 . PMC 10337885. PMID 37384774 .  
• Curry, Stephen (3 de julio de 2015). "Biología estructural: un viaje de un siglo hacia un mundo invisible" . Interdisciplinary Science Reviews . 40 (3): 308– 328. Bibcode : 2015ISRv...40..308C . doi : 10.1179/ 0308018815Z.000000000120 . PMC 4697198. PMID 26740732 .  

• Contenido multimedia relacionado con la biología estructural en Wikimedia Commons.
• Sitio web de la revista Nature: Structural & Molecular Biology
• Revista de Biología Estructural
• Biología Estructural - La Biblioteca Virtual de Bioquímica, Biología Molecular y Biología Celular
• Biología estructural en Europa
• Aprendiendo cristalografía