El embudo de plegado hipótesis es una versión específica de la teoría del paisaje de energía de plegamiento de proteínas , que asume que una proteína Es estado nativo corresponde a su mínimo de energía libre bajo las condiciones de la solución que habitualmente se encuentran en las células . Aunque los paisajes energéticos pueden ser "accidentados", con muchos mínimos locales no nativos en los que las proteínas parcialmente plegadas pueden quedar atrapadas, la hipótesis del embudo plegable supone que el estado nativo es un mínimo de energía libre profunda con paredes empinadas, correspondiente a un solo pozo. estructura terciaria definida . El término fue introducido por Ken A. Dillen un artículo de 1987 que analiza la estabilidad de las proteínas globulares. [1]
La hipótesis del embudo de plegamiento está estrechamente relacionada con la hipótesis del colapso hidrófobo , según la cual la fuerza impulsora del plegamiento de proteínas es la estabilización asociada con el secuestro de cadenas laterales de aminoácidos hidrófobos en el interior de la proteína plegada. Esto permite que el solvente de agua maximice su entropía, reduciendo la energía libre total. En el lado de la proteína, la energía libre se reduce aún más mediante contactos energéticos favorables: aislamiento de las cadenas laterales cargadas electrostáticamente en la superficie de la proteína accesible al solvente y neutralización de los puentes salinos dentro del núcleo de la proteína. El estado del glóbulo fundido predicho por la teoría del embudo de plegamiento como un conjunto de intermedios de plegamiento corresponde a una proteína en la que se ha producido un colapso hidrófobo pero aún no se han formado muchos contactos nativos , o interacciones cercanas residuo-residuo representadas en el estado nativo. [ cita requerida ]
En la descripción canónica del embudo plegable, la profundidad del pozo representa la estabilización energética del estado nativo versus el estado desnaturalizado , y el ancho del pozo representa la entropía conformacional del sistema. La superficie exterior del pozo se muestra relativamente plana para representar la heterogeneidad del estado aleatorio de la bobina . El nombre de la teoría deriva de una analogía entre la forma del pozo y un embudo físico , en el que el líquido disperso se concentra en una sola área estrecha.
Fondo
El problema del plegamiento de proteínas está relacionado con tres preguntas, como afirman Ken A. Dill y Justin L. MacCallum : (i) ¿Cómo puede una secuencia de aminoácidos determinar la estructura nativa 3D de una proteína ? (ii) ¿Cómo puede una proteína plegarse tan rápidamente a pesar de un gran número de posibles conformaciones (la paradoja de Levinthal )? ¿Cómo sabe la proteína qué conformaciones no buscar? Y (iii) ¿es posible crear un algoritmo informático para predecir la estructura nativa de una proteína basándose únicamente en su secuencia de aminoácidos? [2] Los factores auxiliares dentro de la célula viva, como los catalizadores de plegamiento y las chaperonas, ayudan en el proceso de plegado, pero no determinan la estructura nativa de una proteína. [3] Los estudios durante la década de 1980 se centraron en modelos que podrían explicar la forma del paisaje energético , una función matemática que describe la energía libre de una proteína en función de los grados microscópicos de libertad. [4]
Después de introducir el término en 1987, Ken A. Dill examinó la teoría de los polímeros en el plegamiento de proteínas , en la que aborda dos acertijos, el primero es la paradoja del relojero ciego en el que las proteínas biológicas no pueden originarse a partir de secuencias aleatorias, y el segundo una es la paradoja de Levinthal de que el plegamiento de proteínas no puede ocurrir al azar. [5] Dill sacó la idea del relojero ciego en su metáfora de la cinética de plegamiento de proteínas. El estado nativo de la proteína se puede lograr mediante un proceso de plegado que implica un pequeño sesgo y elecciones aleatorias para acelerar el tiempo de búsqueda. Eso significaría que incluso los residuos en posiciones muy diferentes en la secuencia de aminoácidos podrán entrar en contacto entre sí. Sin embargo, un sesgo durante el proceso de plegado puede cambiar el tiempo de plegado de decenas a cientos de órdenes de magnitud. [5]
A medida que el proceso de plegamiento de proteínas pasa por una búsqueda estocástica de conformaciones antes de llegar a su destino final, [3] la gran cantidad de conformaciones posibles se considera irrelevante, mientras que las trampas cinéticas comienzan a desempeñar un papel. [5] La idea estocástica de las conformaciones intermedias de proteínas revela el concepto de un " paisaje energético " o " embudo de plegado " en el que las propiedades de plegado están relacionadas con la energía libre y que las conformaciones accesibles de una proteína se reducen a medida que se acerca a la estructura nativa. . [3] El eje y del embudo representa la "energía libre interna" de una proteína: la suma de enlaces de hidrógeno , pares de iones , energías de ángulo de torsión, energías libres hidrófobas y de solvatación. Los muchos ejes x representan las estructuras conformacionales, y aquellas que son geométricamente similares entre sí están próximas entre sí en el panorama energético . [6] La teoría del embudo plegable también es apoyada por Peter G Wolynes , Zaida Luthey-Schulten y Jose Onuchic , que la cinética de plegado debe considerarse como una organización progresiva de estructuras parcialmente plegadas en un conjunto (un embudo), en lugar de una vía lineal en serie. de intermedios. [7]
Se ha demostrado que los estados nativos de las proteínas son estructuras termodinámicamente estables que existen en condiciones fisiológicas, [3] y se han probado en experimentos con ribonucleasa por Christian B. Anfinsen (ver dogma de Anfinsen ). Se sugiere que debido a que el paisaje está codificado por la secuencia de aminoácidos, la selección natural ha permitido que las proteínas evolucionen para que puedan plegarse rápida y eficientemente. [8] En una estructura nativa de baja energía, no hay competencia entre contribuciones energéticas conflictivas, lo que lleva a una frustración mínima. Esta noción de frustración se mide además cuantitativamente en vidrios giratorios, en los que la temperatura de transición de plegado T f se compara con la temperatura de transición vítrea T g . T f representa las interacciones nativas en la estructura plegada y T g representa la fuerza de las interacciones no nativas en otras configuraciones. Una relación T f / T g alta indica una tasa de plegamiento más rápida en una proteína y menos productos intermedios en comparación con otras. En un sistema con alta frustración, una leve diferencia en la condición termodinámica puede conducir a diferentes trampas cinéticas y rugosidad del paisaje. [9]
Modelos de embudo propuestos
Paisaje energético en forma de embudo
Ken A. Dill y Hue Sun Chan (1997) ilustraron un diseño de camino plegable basado en la paradoja de Levinthal , llamado paisaje del "campo de golf", donde una búsqueda aleatoria de los estados nativos resultaría imposible, debido al hipotético "campo de juego plano". "ya que la" bola "de proteína tardaría mucho tiempo en encontrar una caída en el" agujero "nativo. Sin embargo, un camino accidentado que se desvía del campo de golf liso inicial crea un túnel dirigido por donde la proteína desnaturalizada atraviesa para alcanzar su estructura nativa, y pueden existir valles (estados intermedios) o colinas (estados de transición) a lo largo del camino hacia una proteína. estado nativo. Sin embargo, esta vía propuesta produce un contraste entre la dependencia de la vía versus la independencia de la vía, o la dicotomía de Levinthal y enfatiza la vía de conformación unidimensional.
Otro enfoque para el plegamiento de proteínas elimina el término "vía" y lo reemplaza por "embudos" en lo que se refiere a procesos paralelos, conjuntos y dimensiones múltiples en lugar de una secuencia de estructuras por las que tiene que pasar una proteína. Por lo tanto, un embudo ideal consiste en un paisaje de energía multidimensional suave donde el aumento de los contactos entre cadenas se correlaciona con la disminución del grado de libertad y, en última instancia, con el logro del estado nativo. [6]
A diferencia de un embudo liso idealizado, un embudo resistente muestra trampas cinéticas, barreras de energía y algunos caminos estrechos hacia el estado nativo. Esto también explica una acumulación de intermedios mal plegados donde las trampas cinéticas evitan que los intermediarios proteicos logren su conformación final. Para aquellos que están atrapados en esta trampa, tendrían que romper los contactos favorables que no conducen a su estado natal antes de llegar a su punto de partida original y encontrar otra búsqueda diferente cuesta abajo. [6] Un paisaje de Foso, por otro lado, ilustra la idea de una variación de rutas que incluye una ruta de trampa cinética obligatoria que las cadenas de proteínas toman para alcanzar su estado nativo. Este panorama energético proviene de un estudio de Christopher Dobson y sus colegas sobre la lisozima de la clara de huevo de gallina, en la que la mitad de su población experimenta un plegado rápido normal, mientras que la otra mitad primero forma el dominio de hélices α rápidamente y luego la hoja β uno lentamente. [6] Es diferente del paisaje accidentado, ya que no hay trampas cinéticas accidentales, sino que son necesarias para que las porciones de proteína pasen antes de alcanzar el estado final. No obstante, tanto el paisaje accidentado como el paisaje de Moat presentan el mismo concepto en el que las configuraciones de proteínas pueden encontrar trampas cinéticas durante su proceso de plegado. Por otro lado, el paisaje de la copa de champán implica barreras de energía libre debido a la entropía conformacional que se asemeja en parte a la ruta aleatoria de un campo de golf en la que se pierde una configuración de cadena de proteínas y tiene que dedicar tiempo a buscar la ruta cuesta abajo. Esta situación se puede aplicar a una búsqueda conformacional de residuos polares que eventualmente conectarán dos grupos hidrófobos. [6]
El modelo de embudo en forma de volcán foldon
En otro estudio, Rollins y Dill (2014) presentan el modelo de embudo de Foldon, una nueva incorporación a los embudos de plegado anteriores, en el que las estructuras secundarias se forman secuencialmente a lo largo de la vía de plegado y se estabilizan mediante interacciones terciarias . El modelo predice que el paisaje de energía libre tiene forma de volcán en lugar de un simple embudo que se mencionó anteriormente, en el que el paisaje exterior está inclinado hacia arriba porque las estructuras secundarias de proteínas son inestables. Estas estructuras secundarias luego se estabilizan mediante interacciones terciarias , que, a pesar de sus estructuras cada vez más parecidas a las nativas, también aumentan en energía libre hasta el penúltimo al último paso que es cuesta abajo en energía libre. La energía libre más alta en el paisaje del volcán está en el escalón con la estructura justo antes del estado nativo. Esta predicción del panorama energético es consistente con experimentos que muestran que la mayoría de las estructuras secundarias de proteínas son inestables por sí mismas y con cooperatividades de equilibrio de proteínas medidas . Por lo tanto, todos los pasos anteriores antes de llegar al estado nativo están en preequilibrio. A pesar de que su modelo es diferente de otros modelos anteriores, el modelo de embudo de Foldon todavía divide el espacio conformacional en dos estados cinéticos: nativo versus todos los demás. [10]
Solicitud
La teoría del embudo plegable tiene una aplicación tanto cualitativa como cuantitativa. La visualización de embudos crea una herramienta de comunicación entre las propiedades mecánicas estadísticas de las proteínas y su cinética de plegamiento. [4] Sugiere la estabilidad del proceso de plegado, que sería difícil de destruir por mutación si se mantiene la estabilidad. Para ser más específicos, puede ocurrir una mutación que lleve al bloqueo de una ruta al estado nativo, pero otra ruta puede tomar el relevo siempre que alcance la estructura final. [9]
La estabilidad de una proteína aumenta a medida que se acerca a su estado nativo a través de la configuración parcialmente plegada. Las estructuras locales como las hélices y los giros ocurren primero, seguidas del ensamblaje global. A pesar de un proceso de prueba y error, el plegamiento de proteínas puede ser rápido porque las proteínas alcanzan su estructura nativa mediante este proceso de dividir y conquistar, de local a global. [2] La idea del embudo plegable ayuda a racionalizar el propósito de los chaperones , en los que el proceso de plegado de una proteína puede ser catalizado por chaperones que la separan y la llevan a un paisaje de alta energía y dejan que se pliegue de nuevo de forma aleatoria. de ensayos y errores. [6] Los paisajes canalizados sugieren que diferentes moléculas individuales de la misma secuencia de proteínas pueden utilizar rutas microscópicamente diferentes para llegar al mismo destino. Algunos caminos estarán más poblados que otros. [2]
Los embudos distinguen los conceptos básicos entre el plegamiento y la analogía de reacciones químicas clásicas simples. Una reacción química comienza a partir de su reactivo A y pasa por un cambio de estructura para llegar a su producto B. Por otro lado, el plegamiento es una transición del desorden al orden, no solo de una estructura a otra. La vía de reacción unidimensional simple no captura la reducción del plegamiento de proteínas en la degeneración conformacional. [4] En otras palabras, los embudos plegables proporcionan un marco microscópico para la cinética de plegado. La cinética de plegado se describe mediante modelos simples de acción de masas , DIN (intermedio I en la ruta entre D desnaturalizado y N nativo) o XDN (X intermedio fuera de la ruta), y se conoce como el marco macroscópico de plegado. [4] La vista Sequential Micropath representa el modelo de acción masiva y explica la cinética de plegamiento en términos de vías, estados de transición, intermedios dentro y fuera de la ruta y lo que se ve en los experimentos, y no se preocupa por la actividad de una molécula o el estado. de una secuencia de monómero en un estado de transición macroscópico específico. Su problema está relacionado con la paradoja de Levinthal, o el problema de la búsqueda. [5] Por el contrario, los modelos de embudo tienen como objetivo explicar la cinética en términos de fuerzas físicas subyacentes, para predecir la composición de microestados de esos macroestados.
No obstante, resulta un desafío para las simulaciones por computadora (paisaje energético) reconciliar la visión "macroscópica" de los modelos de acción masiva con la comprensión "microscópica" de los cambios en la conformación de las proteínas durante el proceso de plegado. La información de los embudos no es suficiente para mejorar los métodos de búsqueda por computadora. Un paisaje suave y en forma de embudo a escala global puede parecer áspero a escala local en simulaciones por computadora. [2]
Ver también
- Chaperona : proteínas que ayudan a otras proteínas a plegarse o desplegarse
- Paradoja levinthal
- Predicción de la estructura de proteínas
Referencias
- ^ Eneldo, Ken A. (1987). Oxender, DL; Fox, CF (eds.). "Las estabilidades de las proteínas globulares". Ingeniería de proteínas . Nueva York: Alan R. Liss, Inc .: 187-192.
- ^ a b c d Dill KA, MacCallum JL (noviembre de 2012). "El problema del plegamiento de proteínas, 50 años después". Ciencia . 338 (6110): 1042–6. Código Bibliográfico : 2012Sci ... 338.1042D . doi : 10.1126 / science.1219021 . PMID 23180855 .
- ^ a b c d Dobson CM (febrero de 2004). "Principios de plegamiento, plegamiento incorrecto y agregación de proteínas". Seminarios en Biología Celular y del Desarrollo . 15 (1): 3-16. doi : 10.1016 / j.semcdb.2003.12.008 . PMID 15036202 .
- ^ a b c d Eneldo KA, Ozkan SB, Shell MS, Weikl TR (junio de 2008). "El problema del plegamiento de proteínas" . Revisión anual de biofísica . 37 (1): 289–316. doi : 10.1146 / annurev.biophys.37.092707.153558 . PMC 2443096 . PMID 18573083 .
- ^ a b c d Dill KA (junio de 1999). "Principios poliméricos y plegamiento de proteínas" . Ciencia de las proteínas . 8 (6): 1166–80. doi : 10.1110 / ps.8.6.1166 . PMC 2144345 . PMID 10386867 .
- ^ a b c d e f Dill KA, Chan HS (enero de 1997). "De Levinthal a las vías de los embudos". Biología estructural de la naturaleza . 4 (1): 10–9. doi : 10.1038 / nsb0197-10 . PMID 8989315 .
- ^ Wolynes P, Luthey-Schulten Z, Onuchic J (junio de 1996). "Experimentos de plegado rápido y la topografía de paisajes energéticos de plegamiento de proteínas" . Química y Biología . 3 (6): 425–32. doi : 10.1016 / s1074-5521 (96) 90090-3 . PMID 8807873 .
- ^ Dobson CM (diciembre de 2003). "Proteínas plegables y mal plegadas". Naturaleza . 426 (6968): 884–90. Código Bibliográfico : 2003Natur.426..884D . doi : 10.1038 / nature02261 . PMID 14685248 .
- ^ a b Onuchic JN, Wolynes PG (febrero de 2004). "Teoría del plegamiento de proteínas". Opinión actual en biología estructural . 14 (1): 70–5. doi : 10.1016 / j.sbi.2004.01.009 . PMID 15102452 .
- ^ Rollins GC, Dill KA (agosto de 2014). "Mecanismo general de la cinética de plegamiento de proteínas de dos estados" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 136 (32): 11420–7. doi : 10.1021 / ja5049434 . PMC 5104671 . PMID 25056406 .
Otras lecturas
- Dobson CM (15 de diciembre de 2000). "La naturaleza y el significado del plegamiento de proteínas". En RH Pain (ed.). Mecanismos de plegamiento de proteínas (2ª ed.). Oxford, Reino Unido: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-963788-1.
- Matagne A, Chung EW, Ball LJ, Radford SE, Robinson CV, Dobson CM (abril de 1998). "El origen del intermedio del dominio alfa en el plegamiento de la lisozima de gallina". Revista de Biología Molecular . 277 (5): 997–1005. doi : 10.1006 / jmbi.1998.1657 . PMID 9571017 .