Biofísica Molecular e Estrutural
Como a física das ligações químicas, interações fracas e movimento térmico molda as estruturas tridimensionais de proteínas e ácidos nucleicos, e a energética de como eles se dobram e se ligam.
Definition
A biofísica molecular e estrutural é o estudo das forças físicas, energética e dinâmica que determinam as estruturas das macromoléculas biológicas e as interações entre elas.
Scope
Esta área abrange os princípios físicos que governam as macromoléculas biológicas: como uma cadeia polipeptídica se dobra para uma estrutura nativa definida, como essa estrutura é determinada experimentalmente, como as macromoléculas se reconhecem e se ligam umas às outras, e como o movimento conformacional sustenta sua função. Ela trata a estrutura e a energética quantitativamente, baseando-se na termodinâmica, mecânica estatística e nos métodos da biologia estrutural, enquanto deixa a biologia em nível de organismo para outras áreas.
Sub-topics
Core questions
- Por que uma sequência de aminoácidos se dobra em uma estrutura nativa particular?
- Como as estruturas de resolução atômica de macromoléculas são determinadas experimentalmente?
- Que forças estabelecem a força e a especificidade da ligação macromolecular?
- Como os movimentos conformacionais conectam a estrutura à função biológica?
Key theories
- Hipótese termodinâmica do dobramento
- O princípio de Anfinsen de que a estrutura nativa de uma proteína é a conformação de menor energia livre sob condições fisiológicas e é codificada inteiramente por sua sequência de aminoácidos.
- Paisagem de energia livre de macromoléculas
- Os estados e transições macromoleculares são descritos como movimento em uma superfície multidimensional de energia livre, de modo que o dobramento, a ligação e a mudança conformacional correspondem à descida e troca entre mínimos de energia.
Mechanisms
A estabilidade de uma macromolécula dobrada é um equilíbrio de grandes contribuições entálpicas e entrópicas que quase se cancelam: ligações de hidrogênio, empacotamento de van der Waals, eletrostática e, especialmente, o efeito hidrofóbico que enterra grupos apolares longe da água. As mesmas interações fracas e reversíveis, somadas sobre uma interface complementar, conferem à ligação sua afinidade e especificidade, enquanto a energia térmica da ordem de kBT mantém o sistema flutuando entre conformações acessíveis. Métodos estruturais como a cristalografia de raios-X tornaram esses arranjos visíveis em resolução atômica pela primeira vez.
Clinical relevance
Como o dobramento incorreto e as interações macromoleculares aberrantes estão subjacentes a muitos processos de doenças, e porque a maioria dos medicamentos age ligando-se a um alvo macromolecular, a compreensão física da estrutura e da ligação desenvolvida aqui informa a biologia estrutural e a farmacologia molecular. O tratamento é descritivo e educacional, não um conselho clínico.
History
O trabalho de Pauling sobre a ligação química e sobre elementos de estrutura secundária, as primeiras estruturas proteicas de resolução atômica da mioglobina e hemoglobina por Kendrew e Perutz, e os experimentos de redobramento de Anfinsen, juntos estabeleceram que a estrutura macromolecular é uma propriedade fisicamente determinada e codificada pela sequência, fundando a biofísica estrutural moderna.
Key figures
- Christian Anfinsen
- John Kendrew
- Max Perutz
- Linus Pauling
Related topics
Seminal works
- anfinsen1973
- kendrew1958
- phillips2012
Frequently asked questions
- Qual é a diferença entre biofísica molecular e bioquímica?
- Elas se sobrepõem fortemente, mas a biofísica molecular enfatiza as forças físicas, a energética e a dinâmica por trás do comportamento macromolecular, frequentemente usando modelos físicos quantitativos e métodos estruturais, enquanto a bioquímica enfatiza as reações e vias químicas.
- Por que o efeito hidrofóbico é tão importante para o dobramento de proteínas?
- Enterrar cadeias laterais apolares longe da água libera moléculas de água ordenadas e aumenta a entropia do sistema, fornecendo grande parte da força motriz que colapsa uma cadeia em um estado dobrado compacto.