Un mapa de contacto de proteínas representa la distancia entre todos los posibles pares de residuos de aminoácidos de una estructura proteica tridimensional utilizando una matriz binaria bidimensional . Para dos residuos y , el elemento de la matriz es 1 si los dos residuos están más cerca que un umbral predeterminado, y 0 en caso contrario. Se han propuesto varias definiciones de contacto: La distancia entre el átomo de C α -C α con un umbral de 6-12 Å ; distancia entre átomos de C β -C β con umbral de 6-12 Å (C α se usa para glicina ); y la distancia entre los centros de masa de las cadenas laterales .
Los mapas de contacto proporcionan una representación más reducida de la estructura de una proteína que sus coordenadas atómicas 3D completas. La ventaja es que los mapas de contactos son invariantes a las rotaciones y traslaciones. Se predicen más fácilmente mediante métodos de aprendizaje automático . También se ha demostrado que en determinadas circunstancias (por ejemplo, bajo contenido de contactos predichos erróneamente) es posible reconstruir las coordenadas 3D de una proteína utilizando su mapa de contactos. [1] [2]
Los mapas de contacto también se utilizan para la superposición de proteínas y para describir similitudes entre estructuras de proteínas. [3] Se predicen a partir de la secuencia de proteínas o se calculan a partir de una estructura determinada.
Con la disponibilidad de un gran número de secuencias genómicas, resulta factible analizar dichas secuencias en busca de residuos coevolutivos . La eficacia de este enfoque resulta del hecho de que es más probable que una mutación en la posición i de una proteína esté asociada con una mutación en la posición j que con una retromutación en i si ambas posiciones están funcionalmente acopladas (por ejemplo, al participar en un dominio enzimático, o por ser adyacente en una proteína plegada, o incluso por ser adyacente en un oligómero de esa proteína). [4]
Existen varios métodos estadísticos para extraer de un alineamiento de secuencias múltiples dichos pares de residuos acoplados: frecuencias observadas versus esperadas de pares de residuos (OMES); [5] la correlación de sustitución basada en McLachlan (McBASC); [6] análisis estadístico de acoplamiento ; Métodos basados en información mutua (MI); [7] y recientemente análisis de acoplamiento directo (DCA). [8] [9]
Los algoritmos de aprendizaje automático han podido mejorar los métodos de análisis de MSA, especialmente para proteínas no homólogas (es decir, MSA poco profundas). [10]
Los mapas de contacto previstos se han utilizado en la predicción de proteínas de membrana donde se dirigen las interacciones hélice-hélice. [11]
El conocimiento de la relación entre la estructura de una proteína y su comportamiento dinámico es esencial para comprender la función de la proteína. La descripción de una estructura tridimensional de una proteína como una red de interacciones de enlaces de hidrógeno ( gráfico HB ) [12] se introdujo como una herramienta para explorar la estructura y función de las proteínas. Al analizar la red de interacciones terciarias, se puede investigar la posible difusión de información dentro de una proteína.
El gráfico HB ofrece una forma sencilla de analizar la estructura secundaria y terciaria de las proteínas . Los enlaces de hidrógeno que estabilizan elementos estructurales secundarios ( enlaces de hidrógeno secundarios ) y los formados entre residuos de aminoácidos distantes, definidos como enlaces de hidrógeno terciarios , se pueden distinguir fácilmente en el gráfico HB, por lo que se pueden identificar los residuos de aminoácidos involucrados en la estabilización de la estructura y función de las proteínas.
La gráfica distingue entre interacciones de enlace de hidrógeno de cadena principal-cadena principal, cadena principal-cadena lateral y cadena lateral-cadena lateral . Enlaces de hidrógeno bifurcados y múltiples enlaces de hidrógeno entre residuos de aminoácidos ; y los enlaces de hidrógeno intra e intercatenarios también se indican en los gráficos. Se distinguen tres clases de enlaces de hidrógeno mediante códigos de colores; Enlaces de hidrógeno cortos (distancia menor a 2,5 Å entre donante y aceptor), intermedios (entre 2,5 Å y 3,2 Å) y largos (mayores a 3,2 Å).
En las representaciones del gráfico HB, se pueden reconocer fácilmente los patrones característicos de los elementos de la estructura secundaria , como sigue:
Los citocromo P450 (P450) son enzimas que contienen hemo unidas a membrana y que metabolizan xenobióticos y que utilizan oxígeno molecular y electrones de la citocromo P450 reductasa NADPH para oxidar sus sustratos . CYP2B4, un miembro de la familia del citocromo P450, es la única proteína dentro de esta familia cuya estructura de rayos X tanto en forma abierta 11 como cerrada 12 está publicada. La comparación de las estructuras abiertas y cerradas de las estructuras CYP2B4 revela un reordenamiento conformacional a gran escala entre los dos estados, con el mayor cambio conformacional alrededor de los residuos 215-225, que están ampliamente abiertos en el estado libre de ligando y cerrados después de la unión del ligando; y la región alrededor del bucle C cerca del hemo.
El examen de la gráfica HB del estado cerrado y abierto de CYP2B4 reveló que la reordenación de los enlaces de hidrógeno terciarios concordaba excelentemente con el conocimiento actual del ciclo catalítico del citocromo P450 .
El primer paso en el ciclo catalítico de P450 se identifica como unión al sustrato. La unión preliminar de un ligando cerca de la entrada rompe los enlaces de hidrógeno S212-E474, S207-H172 en la forma abierta de CYP2B4 y se forman los enlaces de hidrógeno E218-A102, Q215-L51 que fijan la entrada en la forma cerrada, como lo revela el gráfico HB. .
El segundo paso es la transferencia del primer electrón del NADPH a través de una cadena de transferencia de electrones. Para la transferencia de electrones se produce un cambio conformacional que desencadena la interacción del P450 con la NADPH citocromo P450 reductasa. Rotura de enlaces de hidrógeno entre S128-N287, S128-T291, L124-N287 y formación de S96-R434, A116-R434, R125-I435, D82-R400 en el sitio de unión de la citocromo P450 reductasa NADPH , como se ve en el gráfico HB, transforma CYP2B4. a un estado de conformación, donde se produce la unión de la NADPH citocromo P450 reductasa.
En el tercer paso, el oxígeno ingresa al CYP2B4 en estado cerrado, el estado en el que los enlaces de hidrógeno recién formados S176-T300, H172-S304, N167-R308 abren un túnel que tiene exactamente el tamaño y la forma de una molécula de oxígeno .
La familia de las lipocalinas es una familia grande y diversa de proteínas con funciones como transportadores de pequeñas moléculas hidrofóbicas . La beta-lactoglobulina es un miembro típico de la familia de las lipocalinas. Se descubrió que la beta-lactoglobulina desempeña un papel en el transporte de ligandos hidrofóbicos como el retinol o los ácidos grasos . [13] Su estructura cristalina se determinó [por ejemplo, Qin, 1998] con diferentes ligandos y también en forma libre de ligandos. Las estructuras cristalinas determinadas hasta ahora revelan que la lipocalina típica contiene un barril antiparalelo de ocho cadenas dispuestas para formar una cavidad central cónica en la que está unido el ligando hidrofóbico. La estructura de la beta-lactoglobulina revela que la estructura en forma de barril con la cavidad central de la proteína tiene una "entrada" rodeada por cinco bucles beta con centros alrededor de 26, 35, 63, 87 y 111, que sufren un cambio conformacional. durante la unión del ligando y cerrar la cavidad.
La forma general de la beta-lactoglobulina es característica de la familia de las lipocalinas. [ cita necesaria ] En ausencia de hélices alfa , la diagonal principal casi desaparece y las diagonales cruzadas que representan las hojas beta dominan la trama. En el gráfico se puede encontrar un número relativamente bajo de enlaces de hidrógeno terciarios, con tres regiones de alta densidad, una de las cuales está conectada a un bucle en los residuos alrededor de 63, una segunda está conectada al bucle alrededor de 87 y una tercera región que está conectado a las regiones 26 y 35. El quinto bucle alrededor de 111 está representado solo por un enlace de hidrógeno terciario en el gráfico HB.
En la estructura tridimensional, los enlaces de hidrógeno terciarios se forman (1) cerca de la entrada, directamente involucrados en el reordenamiento conformacional durante la unión del ligando; y (2) en el fondo del "barril". Las gráficas HB de las formas abierta y cerrada de beta-lactoglobulina son muy similares, todos los motivos únicos pueden reconocerse en ambas formas. Las diferencias en los gráficos de HB de forma abierta y unida a ligando muestran pocos cambios individuales importantes en el patrón de enlaces de hidrógeno terciario. Especialmente, la formación de enlaces de hidrógeno entre Y20-E157 y S21-H161 en forma cerrada podría ser crucial en el reordenamiento conformacional. Estos enlaces de hidrógeno se encuentran en el fondo de la cavidad, lo que sugiere que el cierre de la entrada de una lipocalina comienza cuando un ligando llega al fondo de la cavidad y rompe los enlaces de hidrógeno R123-Y99, R123-T18 y V41-Q120. Se sabe que las lipocalinas tienen una similitud de secuencia muy baja con una alta similitud estructural. [ cita necesaria ] Las únicas regiones conservadas son exactamente la región alrededor de 20 y 160 con un papel desconocido.
