Estructura de proteínas
Anuncio
Experimento de Anfinsen (1956-1957) Teoría “termodinámica” Christian B. Anfinsen (1916-1995) Plegamiento de proteínas Teoría cinética Para describir la posición de un átomo en el espacio uno necesita definir 3 coordenadas Para una proteína de 100 aminoácidos necesitamos 6000 coordenadas (consideramos que un AA contiene en promedio 20 átomos) Si cada una de esas coordendas puede tomar al menos 2 valores distintos tendríamos que el espacio conformacional de la proteína sería de 26000 Si cada transición entre cada una de éstas conformaciones distintas requiere de un tiempo de por ejemplo 110-13 segundos…. …plegar una proteína requeriría 25987 segundos!!! “Paradoja de Levintal” Protein Folding Una mirada a los factores contribuyentes. Estructura nativa Intra H-Bond (H) Hydrophobic Effect (S) Packing (H) Conjunto desnaturalizado H-Bond to Water (H) Configurational Entropy (S) Energía libre del plegamiento = Gu – GN = H-TS ~ 10 kcal/mol Número chico resultado de la diferencia de números MUY grandes. Muy dificil para lograr un efecto particular! Claramente hay una compensación entre entropía-energía. A medida que T aumenta, G se vuelve cero y luego positiva Protein Folding Dos asunciones • El plegamiento de una proteína encuentra el mínimo global de energía libre en el paisaje de conformaciones posibles. • La estructura 3-D de una proteína es determinada solamente por su estructura primaria (lista de aminoácidos). Anfinsen (Premio Nobel 1972) Existe una única correlación entre estructura plegada y Por qué es un problema computacionalmente difícil? Si “conocemos” los factores energéticos que controlan el sistema, por qué no podemos encontrar el mínimo global de energía libre y solucionar el problema? Paradoja de Levinthal El problema del golfista ciego Intentar encontrar el agujero en un campo de golf plano. D D Energy Grooved golf course Paradoja de Levinthal El “Campo de golf” chato Solución del camino de Levinthal El “Campo de golf acanalado” Solución del camino. El fondo del embudo es el mínimo termodinámico. Varios diferentes caminos cinéticos alcanzan el fondo Más realístico, embudo áspero El espacio conformacional se reduce cada vez que se produce un buen contacto. Protein Folding: Fast Folders Time Scale: 80’s ps 90’s ns 00’s 00’s ms ms Folding MD Simulations • • • • • • 90’s ms 80’s sec Folding Experiments Trp-cage, designed mini-protein (20 aa): 4μs b-hairpin of C-terminus of protein G (16 aa) : 6 μs Engrailed homeodomain (En-HD) (61 aa): ~27 μs WW domains (38-44 aa): >24 μs Fe(II) cytochrome b562 (106 aa): extrapolated ~5 μs B domain of protein A (58 aa): extrapolated ~8 μs Trp-cage Folding • • • Newly designed 20residue mini-protein called Trp-cage Residue Trp6 is caged Folds in about 4 μs Trp-cage C hydrophobic core polyproline II N i:i+10 H-bond a helix i:i-5 H-bond (75%) 310 helix MD low energy 1L2Y model 1 Cómo se forma la estructura? a helix se forma antes que la caja Adaptación funcional (I) Sulfide-binding hemoglobins Efectos de mutaciones sobre la dinámica Substituciones en la secuencia de aa afectan a función HbI dinámica estructura SW HbI es ~5000 veces mas afín por SH2 que SW HbI SW Phe 29 His 64 Leu 29 Gln 64 Phe 68 Phe 43 SH2 Heme Val 68 Phe 43 SH2 Heme HbI SW FQF His64(E7) Gln, Leu29(B10) Phe, Val68(E11) Phe FQF es ~7 mas afín por SH2 que SW ¿Existe alguna propiedad dinámica que dá cuenta del resto? Rocking freedom inusual en el grupo heme de HbI que facilitaria la entrada del ligando Puentes de H de heme-propionatos HbI SW Arg 45 His 97 Arg 99 Ser 92 Ser92: lifetime = 3.4 ps Arg 99: lifetime = 1.7 ps His97: lifetime = 2.2 ps Arg45: lifetime = 4.1 ps Adaptación funcional Adaptación al frío Efectos de mutaciones sobre la flexibilidad Enzimas psicrófilas evolucionaron para catalizar reacciones a bajas temperaturas Compensación térmica (Ley de Arrhenius ( k=Ae-Ea/RT )) para acomodar mejor a los sustratos y realizar los cambios conformacionales Aumento de la flexibilidad estructural Mesophile Psychrophile Adenilate Kinase SeqId %: 68.72 Bacillus Subtilis (transferasa) Bacillus Globisporus (transferasa) Amylase Pig pancreatic (hydrolase) SeqId %: 46.53 Alteromonas haloplanctis Xylanase SeqId %: 19.61 Clostridium Thermocellum (hydrolase) Pseudoalteromonas Haloplantis (hydrolase) Factores estructurales en la adaptacion al frio • Agregados de residuos de glicina (proveen mobilidad local) • Disminucion el contenido de prolinas en loops y turns (proveen flexibilidad entre estructuras secundarias) • Disminución del número de argininas (disminucion Arg/(Arg+Lys)) • Disminución del número de aminoácidos que forman puentes de hidrógeno • Disminución de interacciones aromáticas (Triptofano-Tirosina-Fenilalanina) • Disminucion de la hidrofobicidad en el interior (descompactación: Val → Ala, Ala → Ile ) • Exceso de cargas negativas en la superficie (cambio significativo del pI) (aumento de Aspartato)
