Las interacciones glucano-proteína representan una clase de interacciones biomoleculares que se producen entre glucanos libres o unidos a proteínas y sus compañeros de unión afines. Las interacciones intramoleculares glucano-proteína (proteína-glucano) se producen entre glucanos y proteínas a las que se unen covalentemente. Junto con las interacciones proteína-proteína , forman una base mecanicista para muchos procesos celulares esenciales , especialmente para las interacciones célula-célula y las interacciones entre la célula huésped. [2] Por ejemplo, el SARS-CoV-2 , el agente causante de COVID-19 , emplea su proteína pico (S) extensamente glicosilada para unirse a la ACE2.receptor, lo que le permite entrar en las células huésped. [3] La proteína de pico es una estructura trimérica , y cada subunidad contiene 22 sitios de N-glicosilación, lo que la convierte en un objetivo atractivo para la búsqueda de vacunas . [3] [4]
Los glicanos, un nombre genérico para los monosacáridos y oligosacáridos , representan una de las principales modificaciones postraduccionales de proteínas que contribuyen a la enorme complejidad biológica de la vida. De hecho, tres hexosas diferentes podrían producir teóricamente de 1056 a 27,648 trisacáridos únicos en contraste con solo 6 péptidos u oligonucleótidos formados a partir de 3 aminoácidos o 3 nucleótidos respectivamente. [2] En contraste con la biosíntesis de proteínas impulsada por plantillas , el "lenguaje" de la glicosilación aún se desconoce, lo que hace que la glicobiología sea un tema candente de la investigación actual dada su prevalencia en organismos vivos. [2]
El estudio de las interacciones glucano-proteína proporciona información sobre los mecanismos de señalización celular y permite crear mejores herramientas de diagnóstico para muchas enfermedades, incluido el cáncer . De hecho, no se conocen tipos de cáncer que no impliquen patrones erráticos de glicosilación de proteínas . [5]
Termodinámica de la unión
La unión de proteínas de unión a glucanos (GBP) a glucanos podría modelarse con equilibrio simple . Denotando glicanos como y proteínas como :
Con una constante de equilibrio asociada de
Que se reordena para dar a la disociación constante siguientes convenciones bioquímicas:
Dado que muchas GBP exhiben multivalencia, este modelo puede expandirse para dar cuenta de múltiples equilibrios:
Que denota equilibrio acumulativo de unión con ligandos como
Con constante de equilibrio correspondiente:
Y escribir balance de material para proteínas (denota la concentración total de proteína):
Expresando los términos a través de una constante de equilibrio, se encuentra un resultado final:
La concentración de proteína libre es, por tanto:
Si , es decir, solo hay un dominio receptor de carbohidratos, la ecuación se reduce a
Con incremento la concentración de proteína libre disminuye; por lo tanto, el aparente también disminuye.
Unión con anillos aromáticos
La intuición química sugiere que los sitios de unión de glucanos pueden estar enriquecidos en residuos de aminoácidos polares que forman interacciones no covalentes , como enlaces de hidrógeno , con carbohidratos polares . De hecho, un análisis estadístico de las bolsas de unión a carbohidratos muestra que los residuos de ácido aspártico y asparagina están presentes con el doble de frecuencia de lo que cabría predecir por casualidad. [6] Sorprendentemente, existe una preferencia aún más fuerte por los aminoácidos aromáticos : el triptófano tiene un aumento de 9 veces en la prevalencia, la tirosina un aumento de 3 veces y la histidina un aumento de 2 veces. Se ha demostrado que la fuerza subyacente es la interacción entre el aromático sistema y el en carbohidratos como se muestra en la Figura 1 . La La interacción se identifica si la °, el distancia (distancia desde a ) es inferior a 4,5 Å. [6]
Efectos de la estereoquímica
Esto la interacción depende en gran medida de la estereoquímica de la molécula de carbohidrato . Por ejemplo, considere la parte superior () y la parte inferior () caras de β {\ Displaystyle \ beta} -D-Glucosa y β {\ Displaystyle \ beta} -D-galactosa . Se ha demostrado que un solo cambio en la estereoquímica en el carbono C4 desplaza la preferencia por los residuos aromáticos de lado (2,7 veces la preferencia por la glucosa) a la lado (14 veces la preferencia por la galactosa). [6]
Efectos de la electrónica
La comparación de los potenciales de superficie electrostáticos (ESP) de anillos aromáticos en triptófano , tirosina , fenilalanina e histidina sugiere que los efectos electrónicos también juegan un papel en la unión a glucanos (ver Figura 2 ). Después de normalizar las densidades de electrones para el área de superficie, el triptófano sigue siendo el aceptor más rico en electrones deinteracciones, lo que sugiere una posible razón de su prevalencia 9 veces mayor en las bolsas de unión a carbohidratos. [6] En general, los mapas de potencial electrostático siguen la tendencia de prevalencia de.
Socios que se unen a los carbohidratos
Existen muchas proteínas capaces de unirse a los glucanos, incluidas lectinas , anticuerpos , adhesinas microbianas , aglutininas virales , etc.
Lectinas
Lectinas es un nombre genérico para proteínas con dominios de reconocimiento de carbohidratos (CRD). Aunque se convirtió casi en sinónimo de proteínas de unión a glucanos, no incluye anticuerpos que también pertenecen a la clase.
Las lectinas que se encuentran en plantas y células de hongos se han utilizado ampliamente en la investigación como una herramienta para detectar, purificar y analizar glucanos. Sin embargo, las lectinas útiles suelen tener especificidades subóptimas . Por ejemplo, la aglutinina-1 de Ulex europaeus (UEA-1), una lectina extraída de plantas capaz de unirse al antígeno O de sangre humana , también puede unirse a glucanos no relacionados como 2'-fucosillactosa, GalNAcα1-4 (Fucα1-2) Galβ1-4GlcNAc y antígeno de Lewis-Y . [7]
Anticuerpos
Aunque los anticuerpos exhiben afinidades nanomolares hacia los antígenos proteicos, la especificidad contra los glicanos es muy limitada. [8] De hecho, los anticuerpos disponibles pueden unirse solo a <4% de los 7000 antígenos de glicanos de mamíferos; además, la mayoría de esos anticuerpos tienen baja afinidad y exhiben reactividad cruzada. [9] [7]
Lambodies
A diferencia de los vertebrados con mandíbula cuya inmunidad se basa en segmentos de genes variables, diversos y que se unen (VDJ) de inmunoglobulinas , los invertebrados sin mandíbula , como la lamprea y el hagfish , crean una diversidad de receptores mediante el reordenamiento del ADN somático de la repetición rica en leucina (LRR) módulos que se incorporan en genes * vlr * (receptores de leucocitos variables). [10] Esos LRR forman estructuras 3D que se asemejan a solenoides curvos que se unen selectivamente a glicanos específicos. [11]
Un estudio de la Universidad de Maryland ha demostrado que los anticuerpos de lamprea (lambodies) podrían unirse selectivamente a antígenos de carbohidratos asociados a tumores (como Tn y TF) en afinidades nanomolares. [9] El antígeno T-nouvelle (Tn) y TFestán presentes en proteínas en hasta el 90% de las diferentes células cancerosas después de la modificación postraduccional , mientras que en las células sanas esos antígenos son mucho más complejos. Una selección de lambodies que podrían unirse a aGPA , una glicoproteína de membrana de eritrocitos humanos que está cubierta con 16 TF fracciones, a través de la clasificación de células activadas magnéticamente (MACS) y la clasificación de células activadas por fluorescencia (FACS) ha producido un lambody VLRB.aGPA.23 rico en leucina . Este lambody tiñó selectivamente (sobre muestras sanas) células de 14 tipos diferentes de adenocarcinomas : vejiga , esófago , ovario , lengua , mejilla, cuello uterino , hígado , nariz, nasofaringe , epiplón mayor, colon , mama , laringe y pulmón . [9] Además, los pacientes cuyos tejidos se tiñeron positivamente con VLRB.aGPA.23 tuvieron una tasa de supervivencia significativamente menor. [9]
Una mirada de cerca a la estructura cristalina de VLRB.aGPA.23 revela un residuo de triptófano en la posición 187 justo sobre el bolsillo de unión de carbohidratos. [12]
Multivalencia en estructura
Muchas proteínas de unión a glucanos (GBP) son oligoméricas y normalmente contienen múltiples sitios para la unión de glucanos (también denominados dominios de reconocimiento de carbohidratos). La capacidad de formar interacciones proteína- ligando multivalentes mejora significativamente la fuerza de unión: mientrasLos valores para las interacciones individuales de CRD-glicanos pueden estar en el rango mM, la afinidad global de GBP hacia los glicanos puede alcanzar rangos nanomolares o incluso picomolares . La fuerza general de las interacciones se describe como avidez. (en contraste con una afinidad que describe el equilibrio simple). A veces, la avidez tambin se llama aparente para enfatizar la naturaleza de no equilibrio de la interacción. [13]
A continuación se muestran las estructuras de oligomerización comunes de las lectinas . Por ejemplo, las galectinas generalmente se observan como dímeros, mientras que las intelectinas forman trímeros y las pentraxinas se ensamblan en pentámeros. Las estructuras más grandes, como las proteínas Reg hexámeras , pueden ensamblarse en los poros que penetran en la membrana. Las colectinas pueden formar complejos aún más extraños: ramos de trímeros o incluso estructuras parecidas a cruciformes (por ejemplo, en SP-D ). [14]
La investigación actual
Dada la importancia de las interacciones glucano-proteína, existe una investigación en curso dedicada a a) la creación de nuevas herramientas para detectar interacciones glucano-proteína yb) utilizar esas herramientas para descifrar el llamado código de azúcar.
Matrices de glicanos
Una de las herramientas más utilizadas para sondear las interacciones glucano-proteína son las matrices de glucanos . Una matriz de glicanos suele ser un portaobjetos de vidrio activado por NHS o epoxi en el que se imprimieron varios glicanos mediante impresión robótica. [15] [16] Estas matrices disponibles comercialmente pueden contener hasta 600 glicanos diferentes, cuya especificidad ha sido ampliamente estudiada. [17]
Las interacciones glicano-proteína pueden detectarse analizando proteínas de interés (o bibliotecas de aquellas) que portan etiquetas fluorescentes . La estructura de la proteína de unión a glucanos puede descifrarse mediante varios métodos analíticos basados en espectrometría de masas , que incluyen MALDI-MS , LC-MS , tándem MS-MS y / o 2D NMR . [18]
Investigación impulsada por la bioinformática
Se han aplicado métodos computacionales para buscar parámetros (por ejemplo, propensión a residuos, hidrofobicidad, planaridad) que podrían distinguir las proteínas de unión a glucanos de otros parches de superficie. Por ejemplo, un modelo entrenado en 19 estructuras de unión de carbohidratos no homólogas pudo predecir dominios de unión de carbohidratos (CRD) con una precisión del 65% para estructuras no enzimáticas y del 87% para las enzimáticas. [19] Otros estudios han empleado cálculos de las energías de Van der Waals de las interacciones proteína-sonda y las propensiones de los aminoácidos para identificar las ERC con una especificidad del 98% y una sensibilidad del 73% . [20] Los métodos más recientes pueden predecir las ERC incluso a partir de secuencias de proteínas , comparando la secuencia con aquellas cuyas estructuras ya se conocen. [21]
Código de azúcar
A diferencia de los estudios de proteínas, donde la estructura de una proteína primaria se define de manera inequívoca por la secuencia de nucleótidos (el código genético ), la glicobiología aún no puede explicar cómo se codifica un determinado "mensaje" usando carbohidratos o cómo se "lee" y "traduce". "por otras entidades biológicas.
Un esfuerzo interdisciplinario, que combina química, biología y bioquímica, estudia las interacciones glucano-proteína para ver cómo diferentes secuencias de carbohidratos inician diferentes respuestas celulares. [22]
Ver también
- Interacciones proteína-proteína
- Glicobiología
Referencias
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