Subestimamos la importancia del agua en la biología celular?

                                ¿Subestimamos la importancia del agua en la biología celular?

Resumen | El agua líquida es un material altamente versátil. Aunque está formado por las moléculas más pequeñas, puede dar forma y controlar biomoléculas. Las propiedades de enlace de hidrógeno del agua son cruciales para esta versatilidad, ya que permiten que el agua ejecute un intrincado 'ballet' tridimensional, intercambiando socios mientras retienen orden complejo y efectos perdurables. El agua puede generar pequeños grupos activos y conjuntos macroscópicos, que pueden transmitir información a diferentes escalas.

Seguramente es hora de que el agua ocupe su legítima posición como la más importante y activa de todas las moléculas biológicas, y deje atrás la percepción de que su influencia es intrascendente y su presencia puede ser descartada con seguridad. El agua líquida no es un "jugador de bits" en el teatro de la vida; es el acto principal. Aunque se han publicado regularmente recordatorios de su importancia central, aunque escasamente, durante el siglo pasado (TIMELINE), las oleadas de interés que generan siempre han disminuido, dando paso a las estructuras y propiedades 'glitzier', y menos efímeras. otras biomoléculas como proteínas y ácidos nucleicos.
Incluso hoy en día, gran parte del material publicado que se refiere a las moléculas biológicas ignora el papel central del agua en la maquinaria de la vida.
Recientemente, sin embargo, su lugar como el jugador principal y más versátil en biología celular y molecular se ha vuelto más claro.
En agua líquida a granel, cada molécula de agua no solo forma hasta cuatro enlaces de hidrógeno dirigidos tetraédricamente con moléculas de agua vecinas, sino que cada molécula también puede establecer interacciones dipolares e dipolo inducidas con otras moléculas (Figura 1). Estos grupos de agua le dan al agua líquida un carácter heterogéneo que puede cambiar con diferentes condiciones físicas y ambientales. Los átomos de las biomoléculas pueden reemplazar cualquiera o todos los enlaces alrededor de cada molécula de agua, lo que afecta la estructuración de las moléculas de agua adyacentes y los grupos biomoleculares, así como las moléculas conectadas de forma secundaria y las partes distantes de las biomoléculas. Dichas moléculas de agua se pueden unir a las superficies de las biomoléculas mediante fuerzas más fuertes o más débiles que sus fuerzas de interacción de fase a granel promedio. De cualquier forma, intercambian lugares con otras moléculas de agua en una escala de tiempo de aproximadamente 1-100 picosegundos1, y este intercambio depende más de la topografía local y la exposición a las moléculas de agua competidoras que de la fuerza de su unión. Este intercambio rápido de parejas permite que la forma de la superficie de una biomolécula cambie, pero no cambia significativamente otros efectos de la hidratación, como la dirección de la red y la fuerza de la unión de hidrógeno.

A través de la alta densidad de enlaces de hidrógeno obedientes, pero fuertes, del agua líquida, controla el plegamiento, la estructura y la actividad de la proteína. Determina la torsión de la doble hélice de ADN y el reconocimiento de la secuencia de ADN. Como medio para los procesos biológicos, puede cambiarlos y afectarlos en un instante, ralentizándolos en un momento, acelerándolos en otro, mientras transfiere de manera constante y rápida información de un lugar a otro, tanto de cerca como de lejos. El agua puede funcionar como moléculas individuales aisladas, pequeños grupos, redes mucho más grandes o como fases líquidas que pueden tener diferentes "personalidades". Los cúmulos de agua muestran una gran diversidad tanto en su estructura como en su función, y sus estructuras localizadas están determinadas por la energía libre de los contactos de unión y no de unión. A pesar de un mensaje claro, constante y creciente que se ha extraído de fenómenos de amplio alcance, la confirmación inequívoca de la presencia de grupos de agua particulares sigue siendo difícil de alcanzar. Esto se debe a que la mayoría de las técnicas experimentales y teóricas no pueden observar el agrupamiento a gran escala y solo describen el entorno fugaz alrededor de las moléculas individuales. Además, las simulaciones pueden dar resultados que se basan en un muestreo incompleto, y el poder de resolución de muchos experimentos está limitado por el promedio de tiempo y espacio. De hecho, ni los estudios de difracción ni de RMN en agua pura muestran ninguna evidencia de agrupación organizada, debido a deficiencias metodológicas o a la ausencia real de tales agrupamientos.

Este artículo presenta evidencia de solo algunos de los temas amplios y complejos que rodean la actividad biológica del agua, y ofrece solo un atisbo de la realidad. Excede la influencia de control del agua sobre la estructura y función de las proteínas y los ácidos nucleicos, así como sobre la actividad celular. Para un análisis más profundo, el lector se dirige a la lista de referencias y a la información adicional. Los efectos del agua en las proteínas El agua es una parte integral de muchas biomoléculas. En particular, las interacciones proteína-agua establecen y moldean el paisaje de energía libre que rige el plegamiento, la estructura, la estabilidad y la actividad de las proteínas, como se analiza en las siguientes subsecciones.
Proteina  plegable Las proteínas se pliegan rápidamente en formas tridimensionales bien definidas que dependen de la secuencia primaria de sus aminoácidos. Para que esto sea posible, el paisaje de energía de plegamiento debe consistir en un embudo multidimensional con solo pequeñas barreras de energía que pueden ser fácilmente superadas por la energía térmica disponible (Figura 2). Esto requiere un mecanismo que involucre enlaces flexibles, intercambiables y extensibles, y la unión de hidrógeno mediada por agua es ideal para este propósito. Por lo tanto, es sorprendente que recientemente se haya propuesto que el plegamiento de proteínas esté mediado y guiado por la solvatación acuosa. La mayor parte del plegamiento de proteínas ocurre con agua que hidrata la columna vertebral del péptido y maniobra con precisión la columna vertebral a través de su conjunto estructural secundario y supersecundario hacia su estructura activa última y única.
Solo tarde en el desarrollo estructural, el agua es exprimida por interacciones peptídicas cooperativas de enlaces de hidrógeno desde las áreas más hidrofóbicas hacia las más hidrófilas. Aunque el agua está implícitamente involucrada y se usan modelos de agua implícitos en la predicción de la estructura de la proteína para reducir la sobrecarga computacional, las metodologías empíricas para la predicción de la estructura de la proteína generalmente no incluyen ninguna molécula de agua explícita. Sin embargo, está claro que el agua debe estar explícitamente involucrada en los métodos de predicción estructural más poderosos que siguen de manera realista el mecanismo biológico del plegamiento.

Estructura de la proteína El agua no está presente simplemente para llenar el espacio disponible dentro y alrededor de las proteínas biológicas. Las moléculas de agua ocupan sitios específicos y forman grupos localizados con estructuras que están determinadas por sus capacidades de enlaces de hidrógeno y la estructura de la proteína. Las moléculas de agua ocupan las cavidades en la mayoría de las proteínas globulares, donde están presentes en cantidades similares a las cantidades de aminoácidos individuales que están presentes y se conservan como parte integral de la proteína. Aunque estas moléculas de agua son intercambiables con moléculas de agua externas, muchas de ellas son tan esenciales para funcionar como los aminoácidos. Las moléculas de agua superficial se mantienen en su lugar más fuertemente por los aminoácidos cargados, pero también se mantienen en su lugar por otros grupos polares. 'Cúmulos de agua resbaladiza', que tienen una mayor libertad para la traslación bidimensional a lo largo de una superficie pero tienen una movilidad rotacional molecular restringida, se forman alrededor de las áreas hidrofóbicas expuestas.
El intercambio de agua superficial y, por lo tanto, la persistencia del agrupamiento local y la flexibilidad general del sistema, se controla mediante la exposición de las moléculas de agua al disolvente a granel, con una mayor exposición que se relaciona con una mayor flexibilidad y un movimiento proteínico más liberado . Las moléculas de agua pueden unirse entre las áreas de una proteína que se aproximan entre sí pero que no se están tocando, y pueden transferir información de superficie entre subunidades y alejarse hacia la masa (Figura 3a). Como las moléculas de agua y sus conglomerados son extremadamente complacientes en términos de su orientación y distribución espacial, pueden reducir las barreras de energía entre los mínimos energéticos de los sistemas vecinos. Por lo tanto, el agua puede funcionar como un lubricante, ya que alivia los reordenamientos necesarios del enlace de hidrógeno péptido-amida-carbonilo durante los cambios conformacionales, lo que les da a las proteínas la flexibilidad que necesitan para sus funciones. Los enlaces de hidrógeno de las moléculas de agua y sus agrupaciones también pueden funcionar como "embragues mecánicos" que transmiten el movimiento relativo entre las subunidades y los dominios, dependiendo de las circunstancias.

Actividad y dinámica de proteínas.

 Una cierta cantidad de agua es necesaria para la actividad biológica de todas las proteínas. Incluso las enzimas aparentemente "secas" en presencia de sustratos en fase gaseosa no muestran actividad sin presencia de agua. La mayoría de las enzimas solubles requieren una cantidad sustancial de moléculas de agua para funcionar. Trabajos recientes han indicado que, como mínimo, se requiere una red de moléculas de agua ligadas a hidrógeno que abarque la mayor parte de la superficie de una enzima para la actividad de la enzima. Tales redes conectan todos los clústeres de agua con enlaces de hidrógeno en la superficie de una proteína y controlan la dinámica de una proteína, como los movimientos de su dominio. Las interacciones estructurales reciprocadas entre las moléculas de agua y una proteína transmiten información alrededor de una proteína. Tal dinámica, a su vez, subyace a la función biológica de una proteína. De manera notable y significativa, la red de agua que atraviesa tiene poder sobre la dinámica de las proteínas. El soporte para esta vista proviene de experimentos que han interrumpido la red de expansión, por ejemplo, al cambiar la temperatura para aumentar la rotura de enlaces de hidrógeno. Tales perturbaciones tienden a causar que una proteína se desnaturalice y pierda su actividad biológica, pero solo en presencia de agua. La fuerza del hombre de la red de agua envejece la dinámica de las proteínas, con mayores movimientos de proteínas que ocurren en regiones que contienen muchos enlaces hidroeléctricos débiles, rotos o rotos, debido a la presencia de agua más reactiva. Por el contrario, el movimiento restringido resulta de la presencia de muchos enlaces de hidrógeno acuosos intramoleculares fuertes. Los elementos estructurales que están más expuestos a los medios acuosos a granel son los menos restringidos. La red de agua vincula elementos estructurales secundarios en la proteína y, por lo tanto, determina no solo los detalles finos de la estructura de una proteína, sino también qué vibraciones moleculares particulares se prefieren.

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