El plegamiento cuesta abajo es un proceso en el que una proteína se pliega sin encontrar ninguna barrera macroscópica significativa de energía libre . Es una predicción clave de la hipótesis del embudo de plegamiento de la teoría del paisaje energético de las proteínas.
Descripción general
Se predice que el plegamiento cuesta abajo se produce en condiciones de sesgo nativo extremo , es decir, a bajas temperaturas o en ausencia de desnaturalizantes . Esto corresponde al escenario de tipo 0 [ aclaración necesaria ] en la teoría del paisaje energético . A temperaturas o concentraciones de desnaturalizante cercanas a sus puntos medios aparentes , las proteínas pueden cambiar de plegamiento cuesta abajo a dos estados, la transición de tipo 0 a tipo 1 .
El plegamiento descendente global (o plegamiento de un estado ) es otro escenario en el que la proteína se pliega en ausencia de una barrera de energía libre en todas las condiciones. En otras palabras, existe una distribución de población unimodal a todas las temperaturas y concentraciones de desnaturalizante, lo que sugiere una transición de desarrollo continuo en la que diferentes conjuntos de estructuras se pueblan en diferentes condiciones. Esto contrasta con el plegado de dos estados, que supone solo dos conjuntos (plegado y desplegado) y una transición de despliegue nítida.
Se predice que las barreras de energía libre en el plegamiento de proteínas son pequeñas porque surgen como resultado de la compensación entre términos energéticos y entrópicos grandes . La falta de sincronización entre la ganancia de energía estabilizadora y la pérdida de entropía conformacional da como resultado un plegado de dos estados, mientras que una sincronización entre estos dos términos a medida que avanza el plegado da como resultado un plegado cuesta abajo.
Estudios experimentales
Las estructuras de estado de transición en el plegado de dos estados no son accesibles experimentalmente (por definición, son las menos pobladas a lo largo de la coordenada de reacción ), pero los subconjuntos de plegado en los procesos de plegado descendente son teóricamente distinguibles mediante espectroscopia . [1] [2] Se ha demostrado experimentalmente que la proteína BBL de 40 residuos, que es un dominio de plegamiento independiente de la subunidad E2 del complejo multienzimático 2-oxoglutarato deshidrogenasa de E. coli , se pliega globalmente cuesta abajo. [3] [4] Además, se ha demostrado que un mutante de la proteína represora lambda cambia de estado descendente a estado doble al cambiar las condiciones de temperatura / disolvente. Sin embargo, el estado de BBL como una proteína que se pliega cuesta abajo y, por extensión, la existencia de carpetas cuesta abajo que ocurren naturalmente, ha sido controvertido. [5] [6] [7] La controversia actual surge del hecho de que la única forma en que una proteína puede etiquetarse como de dos estados o cuesta abajo es analizando los datos experimentales con modelos que aborden explícitamente estas dos situaciones, es decir, permitiendo las alturas de las barreras varían. Desafortunadamente, la mayoría de los datos experimentales hasta ahora se han analizado con un modelo químico simple de dos estados. En otras palabras, se ha supuesto de antemano la presencia de una barrera de energía libre bastante grande, descartando la posibilidad de identificar el plegamiento de proteínas cuesta abajo o globalmente cuesta abajo. Esto es fundamental porque cualquier curva de despliegue sigmoidal , independientemente del grado de cooperatividad , puede ajustarse a un modelo de dos estados. Cinéticamente, la presencia de una barrera garantiza una sola exponencial, pero no al revés. [8] Sin embargo, en algunas proteínas como la quinasa fosfoglicerato de levadura y una ubiquitina humana mutante , se ha observado una cinética no exponencial que sugiere un plegamiento cuesta abajo. [9]
Una solución propuesta a estos problemas es desarrollar modelos que puedan diferenciar entre las diferentes situaciones e identificar criterios experimentales simples pero sólidos para identificar proteínas plegables cuesta abajo. Estos se describen a continuación.
Criterios de equilibrio
Diferencias en las temperaturas de fusión aparentes
Un análisis basado en una extensión del modelo de plegamiento de proteínas de Zwanzig [10] indica que las proteínas de plegamiento descendente globales deberían revelar diferentes temperaturas de fusión aparentes (Tms) cuando se controlan mediante diferentes técnicas. [2] Esto se confirmó experimentalmente en la proteína BBL mencionada anteriormente. El despliegue seguido de calorimetría de barrido diferencial (DSC), dicroísmo circular (CD), transferencia de energía de resonancia de fluorescencia (FRET) y fluorescencia revelaron diferentes temperaturas de fusión aparentes. [3] También se observó una temperatura de fusión dependiente de la longitud de onda en los experimentos de CD. Los datos analizados con un modelo mecánico estadístico basado en estructura dieron como resultado una distribución de población unimodal a todas las temperaturas, lo que indica un proceso de despliegue continuo desacoplado estructuralmente. El tema crucial en tales experimentos es usar sondas que monitorean diferentes aspectos de la estructura. Por ejemplo, DSC proporciona información sobre los cambios en la capacidad calorífica (y, por tanto, la entalpía ) asociados con el despliegue, la fluorescencia en el entorno inmediato del fluoróforo, FRET en las dimensiones medias de la molécula y CD en la estructura secundaria .
Una prueba más estricta implicaría seguir los cambios químicos de todos y cada uno de los átomos de la molécula mediante resonancia magnética nuclear (RMN) en función de la temperatura / desnaturalizante. Aunque requiere mucho tiempo, este método no requiere ningún modelo específico para la interpretación de los datos. Las Tms de todos los átomos deberían ser idénticas dentro del error experimental si la proteína se pliega en dos estados. Pero para una proteína que se pliega globalmente cuesta abajo, las curvas de despliegue deberían tener Tms muy diferentes. Se encontró que el comportamiento de despliegue atómico de BBL sigue a este último, mostrando una gran dispersión en la Tms consistente con el comportamiento global descendente. [4] Se encontró que la Tms de algunos átomos era similar a la de la Tm global (obtenida de una técnica de baja resolución como CD o fluorescencia), lo que indica que se debe seguir el despliegue de múltiples átomos, en lugar de unos pocos como se realiza con frecuencia en tales experimentos. El comportamiento de despliegue atómico promedio fue sorprendentemente similar al de CD, lo que subraya el hecho de que las curvas de despliegue de experimentos de baja resolución son representaciones muy simplificadas de un comportamiento más complejo.
Calorimetría y cruce de líneas de base
Las líneas de base que se utilizan con frecuencia en los ajustes de dos estados corresponden a las fluctuaciones en el pozo plegado o desplegado. Son puramente empíricos, ya que hay poca o ninguna información sobre cómo cambia la propiedad de los estados plegados o desplegados con la temperatura / desnaturalizante químico . Esto adquiere aún más importancia en el caso de los experimentos de DSC, ya que los cambios en la capacidad calorífica corresponden tanto a las fluctuaciones en el conjunto de proteínas como a la exposición de residuos hidrófobos al desplegarse. Los perfiles de DSC de muchas proteínas pequeñas de plegado rápido son amplios, con pendientes pronunciadas antes de la transición. Los ajustes de dos estados a estos perfiles dan como resultado el cruce de las líneas de base, lo que indica que el supuesto de dos estados ya no es válido. Esto fue reconocido por Muñoz y Sánchez-Ruiz, lo que resultó en el desarrollo del modelo de barrera variable. [11] En lugar de intentar una inversión sin modelo del perfil DSC para extraer la función de densidad de probabilidad subyacente , asumieron una función de energía libre específica con uno o dos mínimos (similar a la teoría de las transiciones de fase de Landau ) permitiendo así la extracción de alturas de barrera de energía libre. Este modelo es el primero de su tipo en bioquímica física que permite la determinación de alturas de barrera a partir de experimentos de equilibrio . El análisis del perfil DSC de BBL con este modelo dio como resultado una altura de barrera cero, es decir, plegado cuesta abajo, lo que confirma el resultado anterior del modelo mecánico estadístico. Cuando se aplicó el modelo de barrera variable a un conjunto de proteínas para las que están disponibles tanto la velocidad como los datos de DSC, se obtuvo una correlación muy alta de 0,95 entre las velocidades y las alturas de la barrera. [12] Muchas de las proteínas examinadas tenían pequeñas barreras (<20 kJ / mol) con un cruce de línea de base evidente para proteínas que se pliegan más rápido que 1 ms. Esto contrasta con el supuesto tradicional de que la barrera de energía libre entre los estados plegado y desplegado es grande.
Simulaciones
Debido a que el plegamiento cuesta abajo es difícil de medir experimentalmente, se han realizado simulaciones de dinámica molecular y Monte Carlo en proteínas de plegado rápido para explorar su cinética de plegado. Las proteínas cuya tasa de plegado está en o cerca del "límite de velocidad" de plegado, cuyas escalas de tiempo hacen que su plegado sea más accesible a los métodos de simulación, pueden plegarse con mayor frecuencia cuesta abajo. [13] Los estudios de simulación de la proteína BBL implican que su velocidad de plegado rápida y su barrera de muy baja energía surgen de la falta de cooperación en la formación de contactos nativos durante el proceso de plegado; es decir, una orden de contacto baja . El vínculo entre la falta de cooperación y el bajo orden de contacto también se observó en el contexto de las simulaciones de celosía de Monte Carlo [14] Estos datos sugieren que el número promedio de "contactos no locales" por residuo en una proteína sirve como indicador de la altura de la barrera. donde valores de contacto no local muy bajos implican plegado cuesta abajo. [15] Las simulaciones de grano grueso de Knott y Chan también apoyan la observación experimental del plegamiento descendente global en BBL. [dieciséis]
Ver también
- Dr. Víctor Muñoz
Referencias
- ↑ Eaton, WA (25 de mayo de 1999). "Búsqueda de" escenarios cuesta abajo "en el plegamiento de proteínas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE . UU . Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. 96 (11): 5897–5899. doi : 10.1073 / pnas.96.11.5897 . ISSN 0027-8424 . PMC 34202 . PMID 10339514 .
- ^ a b Muñoz, Víctor (2002). "Termodinámica y cinética del plegamiento de proteínas cuesta abajo investigadas con un modelo mecánico estadístico simple". Revista Internacional de Química Cuántica . 90 (4–5): 1522–1528. doi : 10.1002 / qua.10384 . ISSN 0020-7608 .
- ^ a b García-Mira, MM (2002). "Identificación experimental de plegamiento de proteínas cuesta abajo". Ciencia . 298 (5601): 2191–2195. Código Bibliográfico : 2002Sci ... 298.2191G . doi : 10.1126 / science.1077809 . ISSN 0036-8075 . PMID 12481137 . S2CID 14856515 .
- ^ a b Sadqi, Mourad; Fushman, David; Muñoz, Victor (14 de junio de 2006). "Análisis átomo por átomo del plegamiento global de proteínas cuesta abajo". Naturaleza . Springer Science and Business Media LLC. 442 (7100): 317–321. doi : 10.1038 / nature04859 . ISSN 0028-0836 . PMID 16799571 . S2CID 4355553 .
- ^ Ferguson, Neil; Schartau, Pamela J .; Sharpe, Timothy D .; Sato, Satoshi; Fersht, Alan R. (2004). "Descenso de un estado frente al plegamiento de proteínas convencional". Revista de Biología Molecular . Elsevier BV. 344 (2): 295-301. doi : 10.1016 / j.jmb.2004.09.069 . ISSN 0022-2836 . PMID 15522284 .
- ^ Naganathan, Athi N .; Pérez-Jiménez, Raúl; Sánchez-Ruiz, José M .; Muñoz, Víctor (2005). "Robustez del plegado cuesta abajo: directrices para el análisis de experimentos de equilibrio de plegado en pequeñas proteínas". Bioquímica . Sociedad Química Estadounidense (ACS). 44 (20): 7435–7449. doi : 10.1021 / bi050118y . ISSN 0006-2960 . PMID 15895987 .
- ^ Ferguson, Neil; Sharpe, Timothy D .; Schartau, Pamela J .; Sato, Satoshi; Allen, Mark D .; et al. (2005). "Plegado ultrarrápido con barrera limitada en la familia de dominios de enlace de subunidades periféricas". Revista de Biología Molecular . Elsevier BV. 353 (2): 427–446. doi : 10.1016 / j.jmb.2005.08.031 . ISSN 0022-2836 . PMID 16168437 .
- ^ Hagen, Stephen J. (5 de noviembre de 2002). "Cinética de desintegración exponencial en el plegamiento de proteínas" cuesta abajo ". Proteínas: estructura, función y bioinformática . Wiley. 50 (1): 1–4. doi : 10.1002 / prot.10261 . ISSN 0887-3585 . PMID 12471594 . S2CID 21339577 .
- ^ Sabelko, J .; Ervin, J .; Gruebele, M. (25 de mayo de 1999). "Observación de cinéticas extrañas en el plegamiento de proteínas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE . UU . Procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. 96 (11): 6031–6036. doi : 10.1073 / pnas.96.11.6031 . ISSN 0027-8424 . PMC 26830 . PMID 10339536 .
- ^ Zwanzig, R. (10 de octubre de 1995). "Modelo simple de cinética de plegamiento de proteínas" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 92 (21): 9801–9804. doi : 10.1073 / pnas.92.21.9801 . ISSN 0027-8424 . PMC 40890 . PMID 7568221 .
- ^ Muñoz, V .; Sánchez-Ruiz, JM (2004). "Exploración de conjuntos de plegamiento de proteínas: un modelo de barrera variable para el análisis de experimentos de desarrollo de equilibrio" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 101 (51): 17646-17651. Código Bibliográfico : 2004PNAS..10117646M . doi : 10.1073 / pnas.0405829101 . ISSN 0027-8424 . PMC 539728 . PMID 15591110 .
- ^ Naganathan, Athi N .; Sánchez-Ruiz, José M .; Muñoz, Víctor (2005). "Medición directa de alturas de barrera en plegamiento de proteínas". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . Sociedad Química Estadounidense (ACS). 127 (51): 17970–17971. doi : 10.1021 / ja055996y . hdl : 10261/76066 . ISSN 0002-7863 . PMID 16366525 .
- ^ Kubelka, Jan; Hofrichter, James; Eaton, William A (2004). "La proteína de plegado 'límite de velocidad ' " . Opinión actual en biología estructural . Elsevier BV. 14 (1): 76–88. doi : 10.1016 / j.sbi.2004.01.013 . ISSN 0959-440X . PMID 15102453 .
- ^ Faisca, PFN; Telo da Gama, MM; Ball, RC (28 de mayo de 2004). "Plegado y forma: conocimientos de las simulaciones de celosía". Revisión E física . 69 (5): 051917. arXiv : cond-mat / 0312346 . doi : 10.1103 / physreve.69.051917 . ISSN 1539-3755 . PMID 15244857 . S2CID 310456 .
- ^ Zuo, Guanghong; Wang, Jun; Wang, Wei (13 de enero de 2006). "Plegado con comportamiento cuesta abajo y baja cooperatividad de proteínas". Proteínas: estructura, función y bioinformática . Wiley. 63 (1): 165-173. doi : 10.1002 / prot.20857 . ISSN 0887-3585 . PMID 16416404 . S2CID 11970404 .
- ^ Knott, Michael; Chan, Hue Sun (14 de agosto de 2006). "Criterios para el plegamiento de proteínas cuesta abajo: calorimetría, gráfico de chevron, relajación cinética y radio de giro de una sola molécula en modelos de cadena con grados moderados de cooperatividad". Proteínas: estructura, función y bioinformática . Wiley. 65 (2): 373–391. doi : 10.1002 / prot.21066 . ISSN 0887-3585 . PMID 16909416 . S2CID 15717915 .
Otras lecturas
- Bieri O, Kiefhaber T. (2000). Modelos cinéticos en el plegamiento de proteínas . En Mechanisms of Protein Folding 2ª ed. Ed. RH Dolor. Serie Fronteras en Biología Molecular . Oxford University Press: Oxford, Reino Unido.
- Gruebele M. (2008) Plegamiento rápido de proteínas. En Protein Folding, Misfolding and Aggregation Ed. V Muñoz. Serie RSC Biomolecular Sciences. Publicaciones de la Royal Society of Chemistry: Cambridge, Reino Unido.