Modelado de bucles

El modelado de bucles es un problema en la predicción de la estructura de proteínas que requiere la predicción de las conformaciones de las regiones de bucle en proteínas con o sin el uso de una plantilla estructural. Los programas informáticos que resuelven estos problemas se han utilizado para investigar una amplia gama de temas científicos, desde el ADP hasta el cáncer de mama . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Dado que la función de las proteínas está determinada por su forma y las propiedades fisicoquímicas de su superficie expuesta, es importante crear un modelo preciso para los estudios de interacción proteína/ligando. ^{[ 3 ]} El problema surge a menudo en el modelado por homología , donde la estructura terciaria de una secuencia de aminoácidos se predice basándose en una alineación de secuencias con una plantilla , o una segunda secuencia cuya estructura se conoce. Debido a que los bucles tienen secuencias altamente variables incluso dentro de un motivo estructural o plegamiento de proteína dado , a menudo corresponden a regiones no alineadas en las alineaciones de secuencias; también tienden a estar ubicados en la superficie expuesta al solvente de las proteínas globulares y, por lo tanto, son más flexibles conformacionalmente. En consecuencia, a menudo no se pueden modelar utilizando técnicas estándar de modelado por homología. También se utilizan versiones más restringidas del modelado de bucles en las etapas de ajuste de datos para resolver la estructura de una proteína mediante cristalografía de rayos X , porque los bucles pueden corresponder a regiones de baja densidad electrónica y, por lo tanto, son difíciles de resolver.

Las regiones de un modelo estructural predichas mediante modelado de bucles sin plantilla tienden a ser mucho menos precisas que las predichas mediante técnicas basadas en plantillas. El grado de imprecisión aumenta con el número de aminoácidos en el bucle. Los ángulos diedros de las cadenas laterales de los aminoácidos del bucle suelen aproximarse a partir de una biblioteca de rotámeros , pero esto puede empeorar la imprecisión del empaquetamiento de las cadenas laterales en el modelo general. El paquete de modelado por homología MODELLER de Andrej Sali incluye una herramienta diseñada específicamente para el modelado de bucles mediante un método de satisfacción de restricciones espaciales. Todos los métodos requieren la carga del archivo PDB y algunos requieren la especificación de la ubicación del bucle.

En general, las predicciones más precisas se dan para bucles de menos de 8 aminoácidos. Los bucles extremadamente cortos de tres residuos se pueden determinar solo a partir de la geometría, siempre que se especifiquen las longitudes y los ángulos de enlace. Los bucles ligeramente más largos a menudo se determinan a partir de un enfoque de "partes de repuesto", en el que se toman bucles de longitud similar de estructuras cristalinas conocidas y se adaptan a la geometría de los segmentos flanqueantes. En algunos métodos, se permite que varíen las longitudes y los ángulos de enlace de la región del bucle para obtener un mejor ajuste; en otros casos, se pueden variar las restricciones de los segmentos flanqueantes para encontrar conformaciones de bucle más "similares a las de las proteínas". La precisión de dichos bucles cortos puede ser casi tan precisa como la del modelo de homología en el que se basa. También debe considerarse que los bucles en las proteínas pueden no estar bien estructurados y, por lo tanto, no tener una conformación que se pueda predecir; Los experimentos de RMN indican que los bucles expuestos al disolvente son "flexibles" y adoptan muchas conformaciones, mientras que las conformaciones de los bucles observadas mediante cristalografía de rayos X pueden reflejar simplemente interacciones de empaquetamiento cristalino o la influencia estabilizadora de los codisolventes de cristalización.

Como se mencionó anteriormente, los métodos basados ​​en homología utilizan una base de datos para alinear el hueco de la proteína objetivo con una proteína plantilla conocida. Se busca en una base de datos de estructuras conocidas un bucle que se ajuste al hueco de interés mediante la similitud de secuencia y tallos (los bordes del hueco creados por la estructura del bucle desconocido). El éxito de este método depende en gran medida de la calidad de dicha alineación. Dado que el bucle es la porción menos conservada de la estructura de una proteína, el método basado en homología no siempre puede encontrar una plantilla conocida que se alinee con la secuencia objetivo. Afortunadamente, las bases de datos de plantillas se actualizan constantemente, por lo que el problema de no poder encontrar una alineación es cada vez menos frecuente. Algunos programas que utilizan este método son SuperLooper y FREAD.

También conocido como método ab initio , los enfoques no basados ​​en plantillas utilizan un modelo estadístico para rellenar los huecos creados por la estructura de bucle desconocida. Algunos de estos programas incluyen MODELLER, Loopy y RAPPER; pero cada uno de ellos aborda el problema de una manera diferente. Por ejemplo, Loopy utiliza muestras de pares de ángulos de torsión para generar la estructura inicial del bucle y luego revisa esta estructura para mantener una forma y cierre realistas, mientras que RAPPER construye desde un extremo del hueco hasta el otro extendiendo el tallo con diferentes ángulos muestreados hasta que el hueco se cierra. ^{[ 4 ]} Otro método es el enfoque de "divide y vencerás". Este implica subdividir el bucle en 2 segmentos y luego dividir y transformar repetidamente cada segmento hasta que el bucle sea lo suficientemente pequeño como para ser resuelto. ^{[ 5 ]} Incluso con todos estos métodos, los enfoques no basados ​​en plantillas son más precisos hasta 12 residuos (aminoácidos dentro del bucle).

Existen tres problemas que surgen al utilizar una técnica no basada en plantillas. Primero, hay restricciones que limitan las posibilidades de modelado de regiones locales. Una de estas restricciones es que los extremos de los bucles deben terminar en la posición de anclaje correcta. Además, el espacio de Ramachandran no puede contener una cadena principal de ángulos diedros . Segundo, un programa de modelado debe utilizar un procedimiento establecido. Algunos programas utilizan el enfoque de "piezas de repuesto", como se mencionó anteriormente. Otros programas utilizan un enfoque de novo que muestrea conformaciones de bucle estéricamente factibles y selecciona la mejor. Tercero, determinar el mejor modelo implica la creación de un método de puntuación para comparar las diversas conformaciones. ^{[ 6 ]}

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• MODLOOP , servidor público para acceder a la herramienta de modelado de bucles de MODELLER.
• RAPPER , servidor público para acceder a la plataforma de modelado de proteínas de RAPPER.
• SuperLooper2 , página principal de SuperLooper2
• FALC-Loop , página de inicio de FALC-Loop
• DiSGro , página principal de DiSGro