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 las poblaciones de equilibrio de los propios estados. Estas dos perspectivas, cinética y termodinámica , respectivamente, se pueden sintetizar conceptualmente en un paradigma de "paisaje energético": [3] los estados densamente poblados y la cinética de las transiciones entre ellos pueden describirse mediante la profundidad de los pozos de energía y las alturas de las barreras energéticas , respectivamente.
Flexibilidad local: átomos y residuos
Algunas partes de las estructuras de las proteínas a menudo se desvían del estado de equilibrio. Algunas de estas excursiones son armónicas , como las fluctuaciones estocásticas de enlaces químicos y ángulos de enlace. Otros son anarmónicos , como las cadenas laterales que saltan entre mínimos de energía discretos separados o rotámeros . [4]
La evidencia de la flexibilidad local se obtiene a menudo de la 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 de 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 recolectan a temperatura ambiente en lugar de la temperatura criogénica tradicional (típicamente cerca de 100 K). [6] Se puede obtener información sobre la distribución de frecuencia y la dinámica de la flexibilidad de la proteína local utilizando espectroscopía Raman y óptica de efecto Kerr en el dominio de frecuencia de terahercios. [7]
Flexibilidad regional: acoplamiento multirresiduo intradominio
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 de secuencia distal 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 varios 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. [8]
Esto es quizás más obvio para los bucles de superficie expuesta, 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. [9] Por ejemplo, residuos consecutivos y residuos compensados por 4 en la secuencia primaria a menudo interactúan en hélices α . Además, los residuos desplazados por 2 en la secuencia primaria apuntan sus cadenas laterales hacia la misma cara de las hojas β y están lo suficientemente cerca para interactuar estéricamente, al igual que los residuos en las hebras adyacentes de la misma hoja β . Algunos de estos cambios conformacionales son inducidos por modificaciones postraduccionales en la estructura de la proteína, como la fosforilación y metilación. [10] [11]
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, aumentando así su afinidad por el oxígeno. En este caso, la flexibilidad acoplada en la hemoglobina permite la unión cooperativa de oxígeno, que es fisiológicamente útil porque permite una carga rápida 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 la Base de datos de movimientos moleculares ), o se pueden observar directamente usando espectros [12] [13] medidos por espectroscopia de eco de espín de neutrones . También pueden sugerirse muestreando extensas trayectorias de dinámica molecular [14] y análisis de componentes principales. [15] Los movimientos de dominio son importantes para:
- Transportadores ABC [16]
- catálisis [17]
- locomoción celular y proteínas motoras [18]
- formación de complejos de proteínas [19]
- canales iónicos [20]
- mecanorreceptores y mecanotransducción [21]
- actividad reguladora [22]
- transporte de metabolitos a través de las membranas celulares [ cita requerida ]
Uno de los mayores movimientos de dominio observados es el mecanismo de "giro" en la piruvato fosfato dikinasa . El dominio fosfoinosítido gira entre dos estados para llevar un grupo fosfato desde el 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 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, es decir, el enlazador entre dominios y las cadenas laterales, experimentan cambios conformacionales significativos en el reordenamiento del dominio. [24]
Bisagras por estructuras secundarias
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 encontró que muchas bisagras involucran dos elementos de estructura secundaria que actúan como bisagras de una puerta, permitiendo que ocurra un movimiento de apertura y cierre. Esto puede surgir cuando dos hebras vecinas dentro de una hoja 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. 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]
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. [26] [27]
Movimientos de cizallamiento
Los movimientos de cizallamiento implican un pequeño movimiento deslizante de las interfaces de los dominios, controlados por las cadenas laterales de aminoácidos dentro de la interfaz. Las proteínas que muestran movimientos de cizallamiento a menudo tienen una arquitectura en capas: apilamiento de estructuras secundarias. El enlazador entre dominios tiene simplemente la función de mantener los dominios en estrecha proximidad. [ cita requerida ]
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 el posicionamiento del sitio activo y los dos subdominios de proteínas principales. De hecho, para varios miembros de la superfamilia de hidrolasas, el sitio catalítico se encuentra cerca de la interfaz que separa los dos principales dominios cuasi-rígidos. [14] Tal posicionamiento parece instrumental para mantener la geometría precisa del sitio activo, mientras que permite una modulación funcionalmente orientada apreciable de las regiones flanqueantes resultante del movimiento relativo de los dos subdominios.
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 DHFR , pero también se postula para facilitar la adquisición de nuevas funciones por evolución molecular . [28] 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 amplificarse / aprovecharse / desviarse por mutaciones posteriores.
Sin embargo, existe una creciente conciencia de que las proteínas intrínsecamente no estructuradas son bastante frecuentes en los genomas eucariotas, [29] arrojando 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 salvedades: "la secuencia y el entorno celular determinan el conjunto estructural".
Referencias
- ↑ a b Bu Z, Callaway DJ (2011). "¡Las proteínas se mueven! Dinámica de proteínas y alosterio de largo alcance en la señalización celular" . Estructura de proteínas y enfermedades . Avances en química de proteínas y biología estructural . 83 . págs. 163–221. doi : 10.1016 / B978-0-12-381262-9.00005-7 . ISBN 9780123812629. PMID 21570668 .
- ^ 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 Bibliográfico : 2009Natur.462..669F . doi : 10.1038 / nature08615 . PMC 2805857 . PMID 19956261 .
- ^ 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 : 1991Sci ... 254.1598F . doi : 10.1126 / science.1749933 . PMID 1749933 .
- ^ 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 .
- ^ Davis IW, Arendall WB, Richardson DC, Richardson JS (febrero de 2006). "El movimiento de la espalda: cómo la proteína se encoge de hombros cuando una cadena lateral baila". Estructura . 14 (2): 265-274. doi : 10.1016 / j.str.2005.10.007 . PMID 16472746 .
- ^ 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 .
- ^ Turton DA, Senn HM, Harwood T, Lapthorn AJ, Ellis EM, Wynne K (junio de 2014). "El movimiento vibracional subamortiguado de terahercios gobierna la unión proteína-ligando en solución" . Comunicaciones de la naturaleza . 5 : 3999. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3999T . doi : 10.1038 / ncomms4999 . PMID 24893252 .
- ^ Bu Z, Cook J, Callaway DJ (septiembre de 2001). "Regímenes dinámicos y dinámicas estructurales correlacionadas en alfa-lactoalbúmina nativa y desnaturalizada". Revista de Biología Molecular . 312 (4): 865–873. doi : 10.1006 / jmbi.2001.5006 . PMID 11575938 .
- ^ 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 inducida por la unión del sustrato". Revista de Estructura y Dinámica Biomolecular . 37 (16): 4374–4383. doi : 10.1080 / 07391102.2018.1549508 . PMID 30470158 . S2CID 53717806 .
- ^ 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 inducida por la unión del sustrato". Revista de Estructura y Dinámica Biomolecular . 37 (16): 4374–4383. doi : 10.1080 / 07391102.2018.1549508 . PMID 30470158 . S2CID 53717806 .
- ^ Groban ES, Narayanan A, Jacobson MP (abril de 2006). Shakhnovich E (ed.). "Cambios conformacionales en bucles de proteínas y hélices inducidos por fosforilación postraduccional" . PLOS Biología Computacional . 2 (4): e32. Código Bibliográfico : 2006PLSCB ... 2 ... 32G . doi : 10.1371 / journal.pcbi.0020032 . PMC 1440919 . PMID 16628247 .
- ^ Farago B, Li J, Cornilescu G, Callaway DJ, Bu Z (noviembre de 2010). "Activación del movimiento del dominio de la proteína alostérica a nanoescala revelada por espectroscopia de eco de espín de neutrones" . Revista biofísica . 99 (10): 3473–3482. Código Bibliográfico : 2010BpJ .... 99.3473F . doi : 10.1016 / j.bpj.2010.09.058 . PMC 2980739 . PMID 21081097 .
- ^ Bu Z, Biehl R, Monkenbusch M, Richter D, Callaway DJ (diciembre de 2005). "Movimiento de dominio de proteína acoplado en 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 .
- ^ a b Potestio R, Pontiggia F, Micheletti C (junio de 2009). "Descripción de grano grueso de la dinámica interna de proteínas: una estrategia óptima para la descomposición de proteínas en subunidades rígidas" . Revista biofísica . 96 (12): 4993–5002. Código Bibliográfico : 2009BpJ .... 96.4993P . doi : 10.1016 / j.bpj.2009.03.051 . PMC 2712024 . PMID 19527659 .
- ^ Baron R, Vellore NA (julio de 2012). "LSD1 / CoREST es una pinza a nanoescala alostérica regulada por reconocimiento molecular de cola de histona 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 .
- ^ Ponte-Sucre A, ed. (2009). Transportadores ABC en microorganismos . Caister Académico. ISBN 978-1-904455-49-3.
- ^ Kamerlin SC, Warshel A (mayo de 2010). "En los albores del siglo XXI: ¿Es la dinámica el eslabón perdido para comprender la catálisis enzimática?" . Las proteínas . 78 (6): 1339–75. doi : 10.1002 / prot.22654 . PMC 2841229 . PMID 20099310 .
- ^ Howard J (2001). Mecánica de las proteínas motoras y el citoesqueleto (1ª ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. ISBN 9780878933334.
- ^ Callaway DJ, Matsui T, Weiss T, Stingaciu LR, Stanley CB, Heller WT, Bu Z (abril de 2017). "Activación controlable de la dinámica de 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 .
- ^ a b Gerstein M, Lesk AM, Chothia C (junio de 1994). "Mecanismos estructurales para los movimientos de dominio en proteínas". Bioquímica . 33 (22): 6739–49. doi : 10.1021 / bi00188a001 . PMID 8204609 .
- ^ 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 de nanoescala en solución y en complejo con F-actina" . Revista biofísica . 115 (4): 642–654. Código bibliográfico : 2018BpJ ... 115..642N . doi : 10.1016 / j.bpj.2018.07.005 . hdl : 2436/621755 . PMC 6104293 . PMID 30037495 .
- ^ Voet D (2011). Bioquímica . Voet, Judith G. (4ª ed.). Hoboken, Nueva Jersey: John Wiley & Sons. ISBN 9780470570951. OCLC 690489261 .
- ^ 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 .
- ^ Janin J, Wodak SJ (1983). "Dominios estructurales en 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 .
- ^ a b Hayward S (septiembre de 1999). "Principios estructurales que gobiernan los movimientos de dominio en proteínas". Las proteínas . 36 (4): 425–35. doi : 10.1002 / (SICI) 1097-0134 (19990901) 36: 4 <425 :: AID-PROT6> 3.0.CO; 2-S . PMID 10450084 .
- ^ Meador WE, Means AR, Quiocho FA (agosto de 1992). "Reconocimiento de la enzima diana por calmodulina: 2.4 Una estructura de un complejo calmodulina-péptido". Ciencia . 257 (5074): 1251-1255. Código Bibliográfico : 1992Sci ... 257.1251M . doi : 10.1126 / science.1519061 . PMID 1519061 .
- ^ Ikura M, Clore GM, Gronenborn AM, Zhu G, Klee CB, Bax A (mayo de 1992). "Estructura de la solución de un complejo peptídico de calmodulina-diana por RMN multidimensional". Ciencia . 256 (5057): 632–638. Código Bibliográfico : 1992Sci ... 256..632I . doi : 10.1126 / science.1585175 . PMID 1585175 .
- ^ Tokuriki N, Tawfik DS (abril de 2009). "Dinamismo y evolucionabilidad de las proteínas" . Ciencia . 324 (5924): 203–207. Código Bibliográfico : 2009Sci ... 324..203T . doi : 10.1126 / science.1169375 . PMID 19359577 . S2CID 28576496 .
- ^ Dyson HJ , Wright PE (marzo de 2005). "Proteínas intrínsecamente desestructuradas y sus funciones". Nature Reviews Biología celular molecular . 6 (3): 197–208. doi : 10.1038 / nrm1589 . PMID 15738986 . S2CID 18068406 .