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Dinámica de proteínas

En biología molecular , se cree que las proteínas adoptan estructuras únicas determinadas por sus secuencias de aminoácidos . Sin embargo, las proteínas no son objetos estrictamente estáticos, sino que pueblan conjuntos de conformaciones (a veces similares) . Las transiciones entre estos estados ocurren en una variedad de escalas de longitud (décimas de angstroms a nm) y escalas de tiempo (ns a s), y se han vinculado a fenómenos funcionalmente relevantes como la señalización alostérica [1] y la catálisis enzimática . [2]

El estudio de la dinámica de las proteínas se ocupa más directamente de las transiciones entre estos estados, pero también puede involucrar la naturaleza y las poblaciones de equilibrio de los propios estados. Estas dos perspectivas (cinética y termodinámica , respectivamente) pueden sintetizarse conceptualmente en un paradigma de " paisaje energético ": [3] los estados altamente poblados y la cinética de las transiciones entre ellos pueden describirse por las profundidades de los pozos de energía y las alturas de las barreras de energía, respectivamente.

La kinesina camina sobre un microtúbulo . Es una máquina biológica molecular que utiliza la dinámica de dominios proteicos a escala nanométrica.

Flexibilidad local: átomos y residuos

Algunas partes de las estructuras de las proteínas a menudo se desvían del estado de equilibrio. Algunas de estas desviaciones son armónicas , como las fluctuaciones estocásticas de los enlaces químicos y los ángulos de enlace. Otras son anarmónicas , como las cadenas laterales que saltan entre mínimos de energía discretos separados, o los rotámeros . [4]

La evidencia de flexibilidad local se obtiene a menudo a partir de espectroscopia de RMN . Las regiones flexibles y potencialmente desordenadas de una proteína se pueden detectar utilizando el índice de bobina aleatoria . La flexibilidad en proteínas plegadas se puede identificar analizando la relajación de espín de átomos individuales en la proteína. La flexibilidad también se puede observar en mapas de densidad electrónica de muy alta resolución producidos por cristalografía de rayos X , [5] particularmente cuando los datos de difracción se recopilan a temperatura ambiente en lugar de la temperatura criogénica tradicional (normalmente cerca de 100 K). [6] La información sobre la distribución de frecuencia y la dinámica de la flexibilidad local de las proteínas se puede obtener utilizando espectroscopia Raman y óptica de efecto Kerr [7], así como microespectroscopia anisotrópica [8] en el dominio de frecuencia de terahercios.

Flexibilidad regional: acoplamiento multirresiduos dentro del dominio

Red de conformaciones alternativas en la catalasa (código del banco de datos de proteínas: 1gwe) con diversas propiedades. Múltiples fenómenos definen la red: interacciones de van der Waals (puntos azules y segmentos de línea) entre cadenas laterales, un enlace de hidrógeno (línea verde punteada) a través de un agua de ocupación parcial (marrón), acoplamiento a través de la cadena principal localmente móvil (negro) y quizás fuerzas electrostáticas entre la lisina (verde) y los residuos polares cercanos (azul: Glu, amarillo: Asp, violeta: Ser). Esta red en particular está distal al sitio activo y, por lo tanto, supuestamente no es crítica para la función.

Muchos residuos se encuentran en estrecha proximidad espacial en las estructuras de las proteínas. Esto es así para la mayoría de los residuos que son contiguos en la secuencia primaria, pero también para muchos que están distales en la secuencia pero que entran en contacto en la estructura plegada final. Debido a esta proximidad, los paisajes energéticos de estos residuos se acoplan en función de varios fenómenos biofísicos, como los enlaces de hidrógeno , los enlaces iónicos y las interacciones de van der Waals (véase la figura).

Por lo tanto, las transiciones entre estados para dichos conjuntos de residuos se vuelven correlacionadas. [9]

Esto es quizás más obvio para los bucles expuestos en la superficie, que a menudo cambian colectivamente para adoptar diferentes conformaciones en diferentes estructuras cristalinas (ver figura). Sin embargo, la heterogeneidad conformacional acoplada también es evidente a veces en la estructura secundaria. [10] Por ejemplo, los residuos consecutivos y los residuos desplazados por 4 en la secuencia primaria a menudo interactúan en hélices α . Además, los residuos desplazados por 2 en la secuencia primaria apuntan sus cadenas laterales hacia la misma cara de las láminas β y están lo suficientemente cerca como para interactuar estéricamente, al igual que los residuos en cadenas adyacentes de la misma lámina β. Algunos de estos cambios conformacionales son inducidos por modificaciones postraduccionales en la estructura de la proteína, como la fosforilación y la metilación. [10] [11]

Un "conjunto" de 44 estructuras cristalinas de lisozima de clara de huevo de gallina del Banco de Datos de Proteínas, que muestra que diferentes condiciones de cristalización conducen a diferentes conformaciones para varios bucles y extremos expuestos en la superficie (flechas rojas).

Cuando estos residuos acoplados forman vías que unen partes funcionalmente importantes de una proteína, pueden participar en la señalización alostérica . Por ejemplo, cuando una molécula de oxígeno se une a una subunidad del tetrámero de hemoglobina , esa información se propaga alostéricamente a las otras tres subunidades, mejorando así su afinidad por el oxígeno. En este caso, la flexibilidad acoplada en la hemoglobina permite la unión cooperativa del oxígeno, lo que es fisiológicamente útil porque permite una rápida carga de oxígeno en el tejido pulmonar y una rápida descarga de oxígeno en los tejidos privados de oxígeno (por ejemplo, el músculo).

Flexibilidad global: múltiples dominios

La presencia de múltiples dominios en las proteínas da lugar a una gran flexibilidad y movilidad , lo que conduce a la dinámica de los dominios proteicos . [1] Los movimientos de los dominios se pueden inferir comparando diferentes estructuras de una proteína (como en la base de datos de movimientos moleculares ), o se pueden observar directamente utilizando espectros [12] [13] medidos por espectroscopia de eco de espín de neutrones . También se pueden sugerir mediante el muestreo en trayectorias de dinámica molecular extensas [14] y análisis de componentes principales. [15] Los movimientos de los dominios son importantes para:

Uno de los mayores movimientos de dominio observados es el mecanismo de "giro" en la piruvato fosfato diquinasa . El dominio de fosfoinosítido gira entre dos estados para llevar un grupo fosfato desde el sitio activo del dominio de unión de nucleótidos al del dominio fosfoenolpiruvato/piruvato. [23] El grupo fosfato se mueve sobre una distancia de 45 Å que implica un movimiento de dominio de aproximadamente 100 grados alrededor de un solo residuo. En las enzimas, el cierre de un dominio sobre otro captura un sustrato por un ajuste inducido, lo que permite que la reacción se lleve a cabo de manera controlada. Un análisis detallado de Gerstein condujo a la clasificación de dos tipos básicos de movimiento de dominio: bisagra y cizallamiento. [20] Solo una porción relativamente pequeña de la cadena, a saber, el enlazador entre dominios y las cadenas laterales experimentan cambios conformacionales significativos tras la reorganización del dominio. [24]

Movimientos de bisagra

Movimiento de bisagra en el dominio de activación desordenado en tripsinógeno (PDB ID: 2PTN)
Movimiento de bisagra en el dominio de activación desordenado en tripsinógeno (PDB ID: 2PTN). Las bisagras predichas con PACKMAN. La predicción de la bisagra está coloreada en azul (residuos 23:28) y rojo (residuos 175:182). La región coloreada en verde es el sitio activo. El movimiento se genera con hdANM.

Un estudio de Hayward [25] descubrió que los extremos de las hélices α y las láminas β forman bisagras en un gran número de casos. Se descubrió que muchas bisagras involucraban dos elementos de estructura secundaria que actuaban como las bisagras de una puerta, lo que permitía que se produjera un movimiento de apertura y cierre. Esto puede surgir cuando dos hebras vecinas dentro de una lámina β situada en un dominio, divergen al unirse al otro dominio. Los dos extremos resultantes forman entonces las regiones de flexión entre los dos dominios. Se descubrió que las hélices α que conservan su red de enlaces de hidrógeno cuando se doblan se comportan como bisagras mecánicas, almacenando "energía elástica" que impulsa el cierre de los dominios para la captura rápida de un sustrato. [25] Khade et. al. trabajaron en la predicción de las bisagras [26] en cualquier conformación y construyeron además un modelo de red elástica llamado hdANM [27] que puede modelar esos movimientos.

Conformación helicoidal a extendida

La interconversión de conformaciones helicoidales y extendidas en el sitio del límite de un dominio no es poco común. En la calmodulina, los ángulos de torsión cambian para cinco residuos en el medio de una hélice α que une el dominio. La hélice se divide en dos hélices más pequeñas, casi perpendiculares, separadas por cuatro residuos de una hebra extendida. [28] [29]

Movimientos de corte

Los movimientos de cizallamiento implican un pequeño movimiento deslizante de las interfaces de los dominios, controlado por las cadenas laterales de aminoácidos dentro de la interfaz. Las proteínas que muestran movimientos de cizallamiento a menudo tienen una arquitectura en capas: apilamiento de estructuras secundarias. El enlazador entre dominios tiene simplemente la función de mantener los dominios en estrecha proximidad. [ cita requerida ]

Movimiento de dominios y dinámica funcional en enzimas

El análisis de la dinámica interna de enzimas estructuralmente diferentes, pero funcionalmente similares, ha puesto de relieve una relación común entre la posición del sitio activo y los dos subdominios proteicos principales. De hecho, en el caso de varios miembros de la superfamilia de las hidrolasas, el sitio catalítico se encuentra cerca de la interfaz que separa los dos dominios cuasi-rígidos principales. [14] Esta posición parece ser fundamental para mantener la geometría precisa del sitio activo, permitiendo al mismo tiempo una modulación funcionalmente orientada apreciable de las regiones flanqueantes resultantes del movimiento relativo de los dos subdominios. [ cita requerida ]

Implicaciones para la evolución macromolecular

La evidencia sugiere que la dinámica de las proteínas es importante para la función, por ejemplo, la catálisis enzimática en la dihidrofolato reductasa ( DHFR ), pero también se postula que facilita la adquisición de nuevas funciones por evolución molecular . [30] Este argumento sugiere que las proteínas han evolucionado para tener estructuras plegadas estables, en su mayoría únicas, pero la inevitable flexibilidad residual conduce a cierto grado de promiscuidad funcional, que puede ser amplificada/aprovechada/desviada por mutaciones posteriores. [ cita requerida ] La investigación sobre proteínas promiscuas dentro de la familia BCL-2 reveló que la dinámica de proteínas a escala de nanosegundos puede desempeñar un papel crucial en el comportamiento de unión de proteínas y, por lo tanto, en la promiscuidad. [31]

Sin embargo, cada vez hay más conciencia de que las proteínas intrínsecamente no estructuradas son bastante frecuentes en los genomas eucariotas, [32] lo que pone aún más en duda la interpretación más simple del dogma de Anfinsen : "la secuencia determina la estructura (singular)". En efecto, el nuevo paradigma se caracteriza por la adición de dos salvedades: "la secuencia y el entorno celular determinan el conjunto estructural".

Referencias

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