stringtranslate.com

Dinámica de proteínas

Generalmente se piensa 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 Å a nm) y escalas de tiempo (ns a s), y se han relacionado con 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 el equilibrio de las poblaciones 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 mediante las profundidades de los pozos de energía y las alturas de las barreras energéticas. , respectivamente.

Kinesina caminando sobre un microtúbulo . Es una máquina de biología molecular que utiliza la dinámica de dominios de proteínas a nanoescala

Flexibilidad local: átomos y residuos.

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

La evidencia de la flexibilidad local a menudo se obtiene mediante espectroscopia de RMN . Las regiones flexibles y potencialmente desordenadas de una proteína se pueden detectar utilizando el índice de espiral aleatorio . La flexibilidad en las proteínas plegadas se puede identificar analizando la relajación del espín de los átomos individuales de 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] Se puede obtener información sobre la distribución de frecuencia y la dinámica de la flexibilidad local de las proteínas utilizando espectroscopia Raman y de efecto Kerr óptico [7] , así como microespectroscopia anisotrópica [8] en el dominio de frecuencia de terahercios.

Flexibilidad regional: acoplamiento de múltiples residuos dentro del dominio

Una red de conformaciones alternativas en catalasa (código del Protein Data Bank: 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 de puntos verde) a través de agua de ocupación parcial (marrón), acoplamiento a través de la columna vertebral localmente móvil (negro), y tal vez Fuerzas electrostáticas entre Lys (verde) y los residuos polares cercanos (azul: Glu, amarillo: Asp, morado: Ser). Esta red particular está distal del sitio activo y, por lo tanto, supuestamente no es crítica para su función.

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

Por lo tanto, las transiciones entre estados para tales conjuntos de residuos se correlacionan. [9]

Esto quizás sea más obvio en el caso de 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 a veces evidente en la estructura secundaria. [10] Por ejemplo, los residuos consecutivos y los residuos compensados ​​por 4 en la secuencia primaria a menudo interactúan en hélices α . Además, los residuos desplazados en 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 hebras adyacentes de la misma lámina β. Algunos de estos cambios conformacionales son inducidos por modificaciones postraduccionales en la estructura de las proteínas, como la fosforilación y la metilación. [10] [11]

Un "conjunto" de 44 estructuras cristalinas de lisozima de clara de huevo de gallina del Protein Data Bank, 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 de oxígeno, lo cual es fisiológicamente útil porque permite una rápida carga de oxígeno en el tejido pulmonar y una rápida descarga de oxígeno en tejidos privados de oxígeno (por ejemplo, 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 de las proteínas . [1] Los movimientos de dominio se pueden inferir comparando diferentes estructuras de una proteína (como en Base de datos de movimientos moleculares ), o se pueden observar directamente utilizando espectros [12] [13] medidos mediante espectroscopia de eco de espín de neutrones . También pueden sugerirse mediante muestreo en trayectorias extensas de dinámica molecular [14] y análisis de componentes principales. [15] Los movimientos de dominio son importantes para:

Uno de los mayores movimientos de dominio observados es el mecanismo de "giro" en la piruvato fosfato diquinasa . El dominio fosfoinosítido gira entre dos estados para llevar un grupo fosfato del sitio activo del dominio de unión de nucleótidos al del dominio fosfoenolpiruvato/piruvato. [23] El grupo fosfato se mueve a una distancia de 45 Å, lo 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 mediante un ajuste inducido, lo que permite que la reacción tenga lugar de forma controlada. Un análisis detallado de Gerstein condujo a la clasificación de dos tipos básicos de movimiento de dominio; bisagra y cizalla. [20] Sólo una porción relativamente pequeña de la cadena, a saber, el conector entre dominios y las cadenas laterales, experimentan cambios conformacionales significativos tras el reordenamiento de dominios. [24]

Movimientos de bisagra

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

Un estudio de Hayward [25] encontró 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 estructurales secundarios que actuaban como bisagras de una puerta, permitiendo 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 cuando se unen al otro dominio. Los dos extremos resultantes forman entonces las regiones de flexión entre los dos dominios. Se ha descubierto 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 dominios para la captura rápida de un sustrato. [25] Khade et. Alabama. trabajó en la predicción de las bisagras [26] en cualquier conformación y además construyó 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 de un límite de dominio no es infrecuente. En la calmodulina, los ángulos de torsión cambian para cinco residuos en el medio de un dominio que une la hélice α. La hélice se divide en dos hélices más pequeñas, casi perpendiculares, separadas por cuatro residuos de una hebra extendida. [28] [29]

Movimientos cortantes

Los movimientos de corte implican un pequeño movimiento deslizante de las interfaces de dominio, controlado por las cadenas laterales de aminoácidos dentro de la interfaz. Las proteínas que muestran movimientos de cizallamiento suelen tener una arquitectura en capas: apilamiento de estructuras secundarias. El enlazador entre dominios tiene simplemente la función de mantener los dominios muy cerca. [ cita necesaria ]

Movimiento de dominio 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, para varios miembros de la superfamilia de hidrolasas, el sitio catalítico está ubicado cerca de la interfaz que separa los dos dominios cuasi rígidos principales. [14] Tal posicionamiento parece fundamental para mantener la geometría precisa del sitio activo, al tiempo que permite una modulación apreciable orientada funcionalmente de las regiones flanqueantes resultantes del movimiento relativo de los dos subdominios. [ cita necesaria ]

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 mediante la 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 necesaria ]

Sin embargo, existe una creciente conciencia de que las proteínas intrínsecamente no estructuradas son bastante frecuentes en los genomas eucariotas, [31] lo que arroja más dudas sobre 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 advertencias: "la secuencia y el entorno celular determinan el conjunto estructural".

Referencias

  1. ^ ab Bu Z, Callaway DJ (2011). "¡Las proteínas se mueven! Dinámica de proteínas y alosterio de largo alcance en la señalización celular". En Donev R (ed.). Estructura de proteínas y enfermedades . Avances en química de proteínas y biología estructural. vol. 83. Prensa académica. págs. 163–221. doi :10.1016/B978-0-12-381262-9.00005-7. ISBN 9780123812629. PMID  21570668.
  2. ^ Fraser JS, Clarkson MW, Degnan SC, Erion R, Kern D, Alber T (diciembre de 2009). "Estructuras alternativas ocultas de prolina isomerasa esenciales para la catálisis". Naturaleza . 462 (7273): 669–673. Código Bib :2009Natur.462..669F. doi : 10.1038/naturaleza08615. PMC 2805857 . PMID  19956261. 
  3. ^ Frauenfelder H, Sligar SG, Wolynes PG (diciembre de 1991). "Los paisajes de la energía y los movimientos de las proteínas". Ciencia . 254 (5038): 1598–1603. Código bibliográfico : 1991 Ciencia... 254.1598F. doi : 10.1126/ciencia.1749933. PMID  1749933.
  4. ^ Dunbrack, Roland L (agosto de 2002). "Bibliotecas Rotamer en el siglo XXI". Opinión actual en biología estructural . 12 (4): 431–440. doi :10.1016/s0959-440x(02)00344-5. PMID  12163064.
  5. ^ Davis IW, Arendall WB, Richardson DC, Richardson JS (febrero de 2006). "El movimiento de frotamiento de la espalda: cómo la columna vertebral de la proteína se encoge de hombros cuando baila una cadena lateral". Estructura . 14 (2): 265–274. doi : 10.1016/j.str.2005.10.007 . PMID  16472746.
  6. ^ Fraser JS, van den Bedem H, Samelson AJ, Lang PT, Holton JM, Echols N, Alber T (septiembre de 2011). "Acceso a conjuntos conformacionales de proteínas mediante cristalografía de rayos X a temperatura ambiente". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 108 (39): 16247–16252. Código bibliográfico : 2011PNAS..10816247F. doi : 10.1073/pnas.1111325108 . PMC 3182744 . PMID  21918110. 
  7. ^ Turton DA, Senn HM, Harwood T, Lapthorn AJ, Ellis EM, Wynne K (junio de 2014). "El movimiento vibratorio subamortiguado de terahercios gobierna la unión proteína-ligando en solución". Comunicaciones de la naturaleza . 5 : 3999. Código Bib : 2014NatCo...5.3999T. doi : 10.1038/ncomms4999 . PMID  24893252.
  8. ^ Acbas, G.; Niessen, KA; Snell, EH; Markelz, AG (2014). "Medidas ópticas de proteínas de vibraciones de proteínas de largo alcance". Comunicaciones de la naturaleza . 5 : 3076. doi : 10.1038/ncomms4076 . PMID  24430203.
  9. ^ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (septiembre de 2001). "Regímenes dinámicos y dinámica estructural correlacionada en alfa-lactoalbúmina nativa y desnaturalizada". Revista de biología molecular . 312 (4): 865–873. doi :10.1006/jmbi.2001.5006. PMID  11575938.
  10. ^ ab Costa CH, Oliveira AR, Dos Santos AM, da Costa KS, Lima AH, Alves CN, Lameira J (octubre de 2019). "Estudio computacional de cambios conformacionales en la 3-hidroxi-3-metilglutaril coenzima reductasa humana inducidos por la unión de sustrato". Revista de estructura y dinámica biomoleculares . 37 (16): 4374–4383. doi :10.1080/07391102.2018.1549508. PMID  30470158. S2CID  53717806.
  11. ^ Groban ES, Narayanan A, Jacobson MP (abril de 2006). Shakhnovich E (ed.). "Cambios conformacionales en bucles y hélices de proteínas inducidos por fosforilación postraduccional". PLOS Biología Computacional . 2 (4): e32. Código Bib : 2006PLSCB...2...32G. doi : 10.1371/journal.pcbi.0020032 . PMC 1440919 . PMID  16628247. 
  12. ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (noviembre de 2010). "Activación del movimiento del dominio de proteína alostérica a nanoescala revelada por espectroscopia de eco de espín de neutrones". Revista Biofísica . 99 (10): 3473–3482. Código Bib : 2010BpJ....99.3473F. doi :10.1016/j.bpj.2010.09.058. PMC 2980739 . PMID  21081097. 
  13. ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (diciembre de 2005). "Movimiento del dominio de proteína acoplada en la polimerasa Taq revelado por espectroscopia de eco de espín de neutrones" (PDF) . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 102 (49): 17646–17651. Código bibliográfico : 2005PNAS..10217646B. doi : 10.1073/pnas.0503388102 . PMC 1345721 . PMID  16306270. 
  14. ^ ab Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (junio de 2009). "Descripción general de la dinámica interna de las proteínas: una estrategia óptima para descomponer proteínas en subunidades rígidas". Revista Biofísica . 96 (12): 4993–5002. Código Bib : 2009BpJ....96.4993P. doi :10.1016/j.bpj.2009.03.051. PMC 2712024 . PMID  19527659. 
  15. ^ Baron R, Vellore NA (julio de 2012). "LSD1/CoREST es una abrazadera alostérica a nanoescala regulada por el reconocimiento molecular de cola de histonas H3". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 109 (31): 12509–14. Código bibliográfico : 2012PNAS..10912509B. doi : 10.1073/pnas.1207892109 . PMC 3411975 . PMID  22802671. 
  16. ^ Ponte-Sucre A, ed. (2009). Transportadores ABC en microorganismos . Académico Caister. ISBN 978-1-904455-49-3.
  17. ^ Kamerlin SC, Warshel A (mayo de 2010). "En los albores del siglo XXI: ¿Es la dinámica el eslabón perdido para comprender la catálisis enzimática?". Proteínas . 78 (6): 1339–75. doi :10.1002/prot.22654. PMC 2841229 . PMID  20099310. 
  18. ^ Howard J (2001). Mecánica de las proteínas motoras y el citoesqueleto (1ª ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 9780878933334.
  19. ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T, Stingaciu LR, Stanley CB, Heller WT, Bu Z (abril de 2017). "La activación controlable de la dinámica a nanoescala en una proteína desordenada altera la cinética de unión". Revista de biología molecular . 429 (7): 987–998. doi :10.1016/j.jmb.2017.03.003. PMC 5399307 . PMID  28285124. 
  20. ^ ab Gerstein M, Lesk AM, Chothia C (junio de 1994). "Mecanismos estructurales para los movimientos de dominios en proteínas". Bioquímica . 33 (22): 6739–49. doi :10.1021/bi00188a001. PMID  8204609.
  21. ^ Nicholl ID, Matsui T, Weiss TM, Stanley CB, Heller WT, Martel A, Farago B, Callaway DJ, Bu Z (21 de agosto de 2018). "Estructura de alfa-catenina y dinámica a nanoescala en solución y en complejo con actina F". Revista Biofísica . 115 (4): 642–654. Código Bib : 2018BpJ...115..642N. doi :10.1016/j.bpj.2018.07.005. hdl :2436/621755. PMC 6104293 . PMID  30037495. 
  22. ^ Voet D (2011). Bioquímica . Voet, Judith G. (4ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 9780470570951. OCLC  690489261.
  23. ^ Herzberg O, Chen CC, Kapadia G, McGuire M, Carroll LJ, Noh SJ, Dunaway-Mariano D (abril de 1996). "Mecanismo de dominio giratorio para la fosfotransferencia enzimática entre sitios de reacción remotos". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 93 (7): 2652–7. Código bibliográfico : 1996PNAS...93.2652H. doi : 10.1073/pnas.93.7.2652 . PMC 39685 . PMID  8610096. 
  24. ^ Janin J, Wodak SJ (1983). "Dominios estructurales de las proteínas y su papel en la dinámica de la función de las proteínas". Avances en Biofísica y Biología Molecular . 42 (1): 21–78. doi : 10.1016/0079-6107(83)90003-2 . PMID  6353481.
  25. ^ ab Hayward S (septiembre de 1999). "Principios estructurales que gobiernan los movimientos de dominio en proteínas". Proteínas . 36 (4): 425–35. doi :10.1002/(SICI)1097-0134(19990901)36:4<425::AID-PROT6>3.0.CO;2-S. PMID  10450084. S2CID  29808315.
  26. ^ Khade, Pranav M.; Kumar, Ambuj; Jernigan, Robert L. (17 de enero de 2020). "Caracterización y predicción de bisagras de proteínas para una visión mecanicista". Revista de biología molecular . 432 (2): 508–522. doi :10.1016/j.jmb.2019.11.018. ISSN  1089-8638. PMC 7029793 . PMID  31786268. 
  27. ^ Khade, Pranav M.; Scaramozzino, Domenico; Kumar, Ambuj; Lacidogna, Giuseppe; Carpintero, Alberto; Jernigan, Robert L. (16 de noviembre de 2021). "hdANM: un nuevo modelo dinámico integral para bisagras de proteínas". Revista Biofísica . 120 (22): 4955–4965. doi :10.1016/j.bpj.2021.10.017. ISSN  1542-0086. PMC 8633836 . PMID  34687719. 
  28. ^ Meador WE, Significa AR, Quiocho FA (agosto de 1992). "Reconocimiento de la enzima objetivo por calmodulina: 2.4 Una estructura de un complejo calmodulina-péptido". Ciencia . 257 (5074): 1251-1255. Código bibliográfico : 1992 Ciencia... 257.1251M. doi : 10.1126/ciencia.1519061. PMID  1519061.
  29. ^ Ikura M, Clore GM, Gronenborn AM, Zhu G, Klee CB, Bax A (mayo de 1992). "Estructura de la solución de un complejo de calmodulina-péptido diana mediante RMN multidimensional". Ciencia . 256 (5057): 632–638. Código Bib : 1992 Ciencia... 256..632I. doi : 10.1126/ciencia.1585175. PMID  1585175.
  30. ^ Tokuriki N, Tawfik DS (abril de 2009). "Dinamismo y capacidad de evolución de las proteínas". Ciencia . 324 (5924): 203–207. Código Bib : 2009 Ciencia... 324.. 203T. doi : 10.1126/ciencia.1169375. PMID  19359577. S2CID  28576496.
  31. ^ Dyson HJ , Wright PE (marzo de 2005). "Proteínas intrínsecamente no estructuradas y sus funciones". Reseñas de la naturaleza Biología celular molecular . 6 (3): 197–208. doi :10.1038/nrm1589. PMID  15738986. S2CID  18068406.