Ensamblaje macromolecular
Grandes complejos químicos compuestos de polímeros y otras macromoléculas.
Estructura de la nucleoproteína MA: La 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 cadenas de ARN (naranja/amarillo). [1] Escala: el ensamblaje tiene aproximadamente 24 nm de ancho. [2]

En biología molecular , el término ensamblaje macromolecular ( MA ) se refiere a estructuras químicas masivas como virus y nanopartículas no biológicas , orgánulos celulares y membranas y ribosomas , etc. que son mezclas complejas de polipéptidos , polinucleótidos , polisacáridos u otras macromoléculas poliméricas . Por lo general, son de más de uno de estos tipos, y las mezclas se definen espacialmente (es decir, con respecto a su forma química) y con respecto a su composición y estructura química subyacentes . Las macromoléculas se encuentran en cosas vivas y no vivas, y están compuestas por muchos cientos o miles de átomos unidos por enlaces covalentes ; a menudo se caracterizan por unidades repetidas (es decir, son polímeros ). Los ensamblajes de estos también pueden ser biológicos o no biológicos, aunque el término MA 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 ). Las MA de las macromoléculas se mantienen en sus formas definidas por interacciones intermoleculares no covalentes (en lugar de enlaces covalentes ), y pueden estar en estructuras no repetitivas (p. ej., como en las arquitecturas del ribosoma (imagen) y la membrana celular), o en patrones repetitivos lineales, circulares, espirales u otros (p. ej., como en los filamentos de actina y el motor flagelar , imagen). El proceso por el cual se forman las MA se ha denominado autoensamblaje molecular , un término especialmente aplicado en contextos no biológicos. Existe una amplia variedad de métodos físicos/biofísicos, químicos/bioquímicos y computacionales para el estudio de las MA; dada la escala (dimensiones moleculares) de las MA, los esfuerzos para elaborar su composición y estructura y discernir los mecanismos subyacentes a sus funciones están a la vanguardia de la ciencia estructural moderna.

Un ribosoma eucariota , que traduce catalíticamente el contenido de información contenido en las moléculas de ARNm en proteínas. La animación presenta las etapas de elongación y orientación 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, 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 .

Complejo biomolecular

Modelo impreso en 3D de la estructura de un "motor" de flagelo bacteriano y estructura parcial de bastón de una especie de Salmonella . De abajo a arriba: azul oscuro, proteínas motoras/interruptoras repetidas FliM y FliN; rojo, proteínas motoras/interruptoras FliG; amarillo, proteínas de acoplamiento transmembrana FliF; azul claro, proteínas de anillo L y P; y (en la parte superior), azul oscuro, las proteínas de la tapa, de la unión entre filamentos y ganchos, del gancho y del bastón. [4]

Un complejo biomolecular , también llamado complejo biomacromolecular , es cualquier complejo biológico formado por más de un biopolímero ( proteína , ARN , ADN , [5] carbohidrato ) o grandes biomoléculas no poliméricas ( lípidos ). Las interacciones entre estas biomoléculas no son covalentes. [6] Ejemplos:

Los complejos biomacromoleculares se estudian estructuralmente mediante cristalografía de rayos X , espectroscopia RMN de proteínas , criomicroscopía electrónica y análisis sucesivo de partículas individuales , y tomografía electrónica . [9] Los modelos de estructura atómica obtenidos mediante cristalografía de rayos X y espectroscopia RMN biomolecular se pueden acoplar a las estructuras mucho más grandes de los complejos biomoleculares obtenidos 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 en todas partes en la naturaleza, donde participan en la construcción de virus y todas las células vivas. Además, desempeñan papeles fundamentales en todos los procesos básicos de la vida ( traducción de proteínas , división celular , tráfico de vesículas , intercambio intracelular e intercelular de material entre compartimentos, etc.). En cada uno de estos papeles, las mezclas complejas de se organizan de formas 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 las MA se mantienen unidas únicamente a través de fuerzas no covalentes , excepto que ahora se ejercen entre moléculas (es decir, interacciones intermoleculares ). [ cita requerida ]

Escalas y ejemplos de MA

Las imágenes de arriba dan una indicación de las composiciones y escalas (dimensiones) asociadas con los MAs, aunque estas apenas comienzan a tocar la complejidad de las estructuras; en principio, cada célula viva está compuesta de MAs, pero es en sí misma una MA también. En los ejemplos y otros complejos y ensamblajes similares, los MAs tienen cada uno a menudo millones de daltons en peso molecular (megadaltons, es decir, millones de veces el peso de un solo átomo simple), aunque aún tienen proporciones de componentes medibles ( estequiometrías ) con cierto nivel de precisión. Como se alude en las leyendas de las imágenes, cuando se preparan adecuadamente, los MAs o subcomplejos de componentes de MAs a menudo se pueden cristalizar para estudiarlos mediante cristalografía de proteínas y métodos relacionados, o estudiarse mediante otros métodos físicos (por ejemplo, espectroscopia , microscopía ). [ cita requerida ]

Secciones transversales de fosfolípidos (PL) relevantes para las MA de biomembrana . El amarillo anaranjado indica colas lipídicas hidrofóbicas ; las esferas blancas y negras representan regiones polares de PL ( vi ). Dimensiones de 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) en cada lado . [11] [12] [13] [ se necesita una fuente no primaria ] [14]
Representación gráfica de la estructura de un virus MA, el virus del mosaico del caupí , con 30 copias de cada una de sus proteínas de cubierta, la proteína de cubierta pequeña (S, amarilla) y la proteína de cubierta grande (L, verde), que, junto con 2 moléculas de ARN de sentido positivo (ARN-1 y ARN-2, no visibles) constituyen el virión. El conjunto es altamente simétrico y tiene un diámetro de ~280 Å (28 nm) en su punto más ancho. [ verificación requerida ] [ cita requerida ]

Las estructuras de los virus estuvieron entre las primeras MA estudiadas; otros ejemplos biológicos incluyen los ribosomas (imagen parcial arriba), los proteosomas y los complejos de traducción (con componentes de proteínas y ácidos nucleicos ), los complejos de transcripción procariotas y eucariotas, y los poros nucleares y otros poros biológicos que permiten el paso de material entre las células y los compartimentos celulares. Las biomembranas también se consideran generalmente MA, aunque el requisito de definición estructural y espacial se modifica para acomodar 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 apropiado 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]

Investigación sobre maestrías

El estudio de la estructura y función de MA es desafiante, en particular por su tamaño de megadalton, pero también por sus composiciones complejas y naturalezas dinámicas variables. A la mayoría se les han aplicado métodos químicos y bioquímicos estándar (métodos de purificación y centrifugación de proteínas , caracterización química y electroquímica , etc.). Además, sus métodos de estudio incluyen enfoques proteómicos modernos , métodos estructurales computacionales y de resolución atómica (por ejemplo, cristalografía de rayos X ), dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) y dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS), espectroscopia de fuerza y ​​microscopía electrónica de transmisión y microscopía crioelectrónica . Aaron Klug fue reconocido con el Premio Nobel de Química de 1982 por su trabajo en la elucidación estructural utilizando microscopía electrónica, en particular para MA de proteína-ácido nucleico, incluido el virus del mosaico del tabaco (una estructura que contiene una molécula de ssRNA de 6400 bases y >2000 moléculas de proteína de cubierta). La solución de cristalización y estructura del ribosoma, MW ~ 2,5 MDa, un ejemplo de parte de la 'maquinaria' sintética de proteínas de las células vivas, fue objeto del Premio Nobel de Química de 2009 otorgado a Venkatraman Ramakrishnan , Thomas A. Steitz y Ada E. Yonath . [18]

Contrapartes no biológicas

Por último, la biología no es el único dominio de las MA. Los campos de la química supramolecular y la nanotecnología tienen áreas que se han desarrollado para elaborar y extender los principios demostrados por primera vez en las MA biológicas. De particular interés en estas áreas ha sido la elaboración de los procesos fundamentales de las máquinas moleculares y la extensión de los diseños de máquinas conocidos a nuevos tipos y procesos. [ cita requerida ]

Véase también

Referencias

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  2. ^ McClure W. "Subunidad del ribosoma 50S". Archivado desde el original el 24 de noviembre de 2005. Consultado el 9 de octubre de 2019 .
  3. ^ Osborne AR, Rapoport TA, van den Berg B (2005). "Translocación de proteínas por el canal Sec61/SecY". Revisión anual de biología celular y del desarrollo . 21 : 529–550. doi :10.1146/annurev.cellbio.21.012704.133214. PMID  16212506.
  4. ^ Leyenda, portada, J. Bacteriol., octubre de 2006. [ cita completa necesaria ]
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  10. ^ "Estructura de las bicapas lipídicas fluidas". Blanco.biomol.uci.edu. 2009-11-10 . Consultado el 2019-10-09 .
  11. ^ Sistema experimental, bicapas de dioleoil fosfatidilcolina . La región hidrofóbica de hidrocarburos del lípido es de ~30 Å (3,0 nm), según se determinó mediante una combinación de métodos de dispersión de neutrones y rayos X; asimismo, la región polar/interfaz (fragmentos de glicerilo, fosfato y grupo de cabeza, con su hidratación combinada) es de ~15 Å (1,5 nm) en cada lado , para un espesor total aproximadamente igual a la región de hidrocarburos. Véanse las referencias de SH White, anteriores y posteriores.
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  13. ^ Las dimensiones de los hidrocarburos varían con la temperatura, el estrés mecánico, la estructura de PL y los coformulantes, etc. en porcentajes de uno a dos dígitos bajos de estos valores. [ cita requerida ]
  14. ^ Gerle C (junio de 2019). "Ensayo sobre la estructura de la biomembrana". The Journal of Membrane Biology . 252 (2–3): 115–130. doi :10.1007/s00232-019-00061-w. PMC 6556169 . PMID  30877332. 
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Lectura adicional

Reseñas generales

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  • Perrakis A, Musacchio A, Cusack S, Petosa C (agosto de 2011). "Investigación de un complejo macromolecular: el conjunto de herramientas 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). "Entonces, ¿cómo sabes que tienes un complejo macromolecular?". Acta Crystallographica. Sección D, Cristalografía biológica . 63 (parte 1): 17–25. doi :10.1107/S0907444906047044. PMC  2483502. PMID  17164522 .
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  • Sinha C, Arora K, Moon CS, Yarlagadda S, Woodrooffe K, Naren AP (octubre de 2014). "Transferencia de energía de 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) - Temas generales . 1840 (10): 3067–72. doi :10.1016/j.bbagen.2014.07.015. PMC  4151567 . PMID  25086255.
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  • Lehninger AL, Cox M, Nelson DL (2005). Principios de bioquímica de Lehninger (Cuarta edición). Nueva York: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-4339-2.

Reseñas sobre MAs particulares

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  • Monie TP (2017). "El inflamasoma canónico: un complejo macromolecular que impulsa la inflamación". Complejos proteicos macromoleculares . Bioquímica subcelular. Vol. 83. págs. 43–73. doi :10.1007/978-3-319-46503-6_2 (inactivo 2024-10-31). ISBN 978-3-319-46501-2. Número de identificación personal  28271472.{{cite book}}: CS1 maint: DOI inactivo a partir de octubre de 2024 ( enlace )
  • Perino A, Ghigo A, Damilano F, Hirsch E (agosto de 2006). "Identificación del complejo macromolecular responsable de la regulación dependiente de PI3Kgamma de los niveles de AMPc". Biochemical Society Transactions . 34 (Pt 4): 502–3. doi :10.1042/BST0340502. PMID  16856844.

Fuentes primarias

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  • Russel D, Lasker K, Webb B, Velázquez-Muriel J, Tjioe E, Schneidman-Duhovny D, et al. (enero de 2012). "Putting the pieces together: integrative modeling platform software for structure determination of macromolecular assemblies" (Uniendo las piezas: software de plataforma de modelado integrador para la determinación de la estructura de ensambles 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, aglomeración y confinamiento en materiales blandos". Progreso en espectroscopia de resonancia magnética nuclear . 94–95: 1–10. Bibcode :2016PNMRS..94....1B. doi :10.1016/j.pnmrs.2016.01.004. PMID  27247282.

Otras fuentes

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  • 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 conjuntos macromoleculares (página de inicio del grupo Beck), Beck Group - Estructura y función de grandes conjuntos moleculares - EMBL, consultado el 13 de junio de 2011.
  • DMA Group (2019), Dinámica del ensamblaje macromolecular (página de inicio de DMA Group), Sección Dinámica del ensamblaje macromolecular | Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería, consultado el 13 de junio de 2011.
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