Biofísica Molecular y Estructural
Cómo la física de los enlaces químicos, las interacciones débiles y el movimiento térmico da forma a las estructuras tridimensionales de proteínas y ácidos nucleicos, y la energética de cómo se pliegan y unen.
Definition
La biofísica molecular y estructural es el estudio de las fuerzas físicas, la energética y la dinámica que determinan las estructuras de las macromoléculas biológicas y las interacciones entre ellas.
Scope
Esta área cubre los principios físicos que gobiernan las macromoléculas biológicas: cómo una cadena polipeptídica se pliega a una estructura nativa definida, cómo se determina experimentalmente esa estructura, cómo las macromoléculas se reconocen y se unen entre sí, y cómo el movimiento conformacional subyace a su función. Trata la estructura y la energética cuantitativamente, basándose en la termodinámica, la mecánica estadística y los métodos de la biología estructural, mientras que la biología a nivel de organismo se deja para otras áreas.
Sub-topics
Core questions
- ¿Por qué una secuencia de aminoácidos se pliega en una estructura nativa particular?
- ¿Cómo se determinan experimentalmente las estructuras de macromoléculas a resolución atómica?
- ¿Qué fuerzas establecen la fuerza y la especificidad de la unión macromolecular?
- ¿Cómo conectan los movimientos conformacionales la estructura con la función biológica?
Key theories
- Hipótesis termodinámica del plegamiento
- El principio de Anfinsen de que la estructura nativa de una proteína es la conformación de menor energía libre en condiciones fisiológicas y está codificada completamente por su secuencia de aminoácidos.
- Paisaje de energía libre de las macromoléculas
- Los estados y transiciones macromoleculares se describen como movimiento en una superficie multidimensional de energía libre, por lo que el plegamiento, la unión y el cambio conformacional corresponden al descenso y al intercambio entre mínimos de energía.
Mechanisms
La estabilidad de una macromolécula plegada es un equilibrio de grandes contribuciones entálpicas y entrópicas que casi se cancelan: enlaces de hidrógeno, empaquetamiento de van der Waals, electrostática y, especialmente, el efecto hidrofóbico que entierra los grupos no polares lejos del agua. Las mismas interacciones débiles y reversibles, sumadas sobre una interfaz complementaria, confieren a la unión su afinidad y especificidad, mientras que la energía térmica del orden de kBT mantiene el sistema fluctuando entre conformaciones accesibles. Métodos estructurales como la cristalografía de rayos X hicieron visibles por primera vez estas disposiciones a resolución atómica.
Clinical relevance
Dado que el plegamiento incorrecto y las interacciones macromoleculares aberrantes subyacen a muchos procesos patológicos, y debido a que la mayoría de los fármacos actúan uniéndose a un objetivo macromolecular, la comprensión física de la estructura y la unión desarrollada aquí informa a la biología estructural y la farmacología molecular. El tratamiento es descriptivo y educativo, no un consejo clínico.
History
El trabajo de Pauling sobre el enlace químico y los elementos de estructura secundaria, las primeras estructuras proteicas a resolución atómica de la mioglobina y la hemoglobina por Kendrew y Perutz, y los experimentos de replegamiento de Anfinsen establecieron conjuntamente que la estructura macromolecular es una propiedad físicamente determinada y codificada por la secuencia, fundando la biofísica estructural moderna.
Key figures
- Christian Anfinsen
- John Kendrew
- Max Perutz
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- kendrew1958
- phillips2012
Frequently asked questions
- ¿Cuál es la diferencia entre biofísica molecular y bioquímica?
- Se superponen en gran medida, pero la biofísica molecular enfatiza las fuerzas físicas, la energética y la dinámica detrás del comportamiento macromolecular, a menudo utilizando modelos físicos cuantitativos y métodos estructurales, mientras que la bioquímica enfatiza las reacciones y vías químicas.
- ¿Por qué el efecto hidrofóbico es tan importante para el plegamiento de proteínas?
- Enterrar las cadenas laterales no polares lejos del agua libera moléculas de agua ordenadas y aumenta la entropía del sistema, proporcionando gran parte de la fuerza impulsora que colapsa una cadena en un estado plegado compacto.