predicción del desplazamiento químico de proteínas

La predicción del desplazamiento químico de proteínas es una rama de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear biomolecular que busca calcular con precisión los desplazamientos químicos de las proteínas a partir de sus coordenadas. El primer intento de predicción del desplazamiento químico de proteínas se realizó a finales de la década de 1960 utilizando métodos semiempíricos aplicados a estructuras de proteínas resueltas mediante cristalografía de rayos X. ^{[ 1 ]} Desde entonces, la predicción del desplazamiento químico de proteínas ha evolucionado para emplear enfoques mucho más sofisticados, incluyendo mecánica cuántica , aprendizaje automático e hipersuperficies de desplazamiento químico derivadas empíricamente. ^{[ 1 ]} Los métodos desarrollados más recientemente exhiben una precisión y exactitud notables.

Los desplazamientos químicos de RMN se denominan a menudo hitos de la espectroscopia de resonancia magnética nuclear . Los químicos han utilizado los desplazamientos químicos durante más de 50 años como parámetros altamente reproducibles y fáciles de medir para trazar la estructura covalente de pequeñas moléculas orgánicas. De hecho, la sensibilidad de los desplazamientos químicos de RMN al tipo y carácter de los átomos vecinos , combinada con sus tendencias razonablemente predecibles, los ha hecho invaluables tanto para descifrar como para describir la estructura de miles de compuestos recién sintetizados o recién aislados ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} La misma sensibilidad a una variedad de características estructurales importantes de las proteínas ha hecho que los desplazamientos químicos de las proteínas sean igualmente valiosos para los químicos de proteínas y los espectroscopistas de RMN biomoleculares. ^{[ 4 ]} En particular, los desplazamientos químicos de las proteínas son sensibles no solo a los efectos de los sustituyentes o átomos covalentes (como la electronegatividad , los estados redox o las corrientes de anillo ), sino que también son sensibles a los ángulos de torsión del esqueleto (es decir, la estructura secundaria), los enlaces de hidrógeno, los movimientos atómicos locales y la accesibilidad del disolvente.

Los desplazamientos químicos de proteínas predichos o estimados pueden utilizarse para facilitar el proceso de asignación de desplazamientos químicos. Esto es especialmente cierto si se ha resuelto una estructura proteica similar (o idéntica) mediante cristalografía de rayos X. En este caso, la estructura tridimensional puede utilizarse para estimar cuáles deberían ser los desplazamientos químicos de RMN y, por lo tanto, simplificar el proceso de asignación de los desplazamientos químicos observados experimentalmente. Los desplazamientos químicos de proteínas predichos/estimados también pueden utilizarse para identificar asignaciones incorrectas o erróneas, corregir desplazamientos químicos mal referenciados o referenciados incorrectamente, optimizar estructuras proteicas mediante el refinamiento de desplazamientos químicos e identificar las contribuciones relativas de diferentes efectos electrónicos o geométricos a los desplazamientos específicos de los núcleos. ^{[ 1 ]} Los desplazamientos químicos de proteínas también pueden utilizarse para identificar estructuras secundarias, estimar ángulos de torsión del esqueleto , determinar la ubicación de anillos aromáticos , evaluar estados de oxidación de la cisteína , estimar la exposición al disolvente y medir la flexibilidad del esqueleto . ^{[ 4 ]}

Se han logrado avances significativos en la predicción de desplazamientos químicos gracias a las continuas mejoras en nuestra comprensión de los factores fisicoquímicos clave que contribuyen a los cambios en dichos desplazamientos. Estas mejoras también se han visto favorecidas por importantes avances computacionales ^{[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} y la rápida expansión de las bases de datos de desplazamientos químicos biomoleculares ^{[ 9 ]} . ^{[ 10 ]} En las últimas cuatro décadas, han surgido al menos tres métodos diferentes para calcular o predecir los desplazamientos químicos de las proteínas . El primero se basa en el uso de la alineación de secuencias/estructuras contra bases de datos de desplazamientos químicos de proteínas , el segundo se basa en el cálculo directo de los desplazamientos a partir de coordenadas atómicas, y el tercero se basa en el uso de una combinación de ambos enfoques. ^{[ 1 ] [ 4 ]}

• Predicción de cambios mediante homología de secuencia: estos se basan en la simple observación de que secuencias de proteínas similares comparten estructuras similares y cambios químicos similares ^{[ 1 ] [ 3 ]}
• Predicción de cambios a partir de datos/estructura de coordenadas:
  • Métodos semiclasicos: emplean ecuaciones empíricas derivadas de la física clásica y datos experimentales ^{[ 1 ].}
  • Métodos de mecánica cuántica (QM): emplean la teoría del funcional de la densidad (DFT) ^{[ 1 ] [ 2 ]}
  • Métodos empíricos: se basan en el uso de "hipersuperficies" de desplazamiento químico o tablas relacionadas de "estructura/desplazamiento" ^{[ 1 ].}
• Métodos híbridos: combinación de los dos métodos anteriores ^{[ 1 ]}

A principios del año 2000, varios grupos de investigación se percataron de que los desplazamientos químicos de las proteínas podían calcularse de forma más eficiente y precisa combinando diferentes métodos, como se muestra en la Figura 1. Esto impulsó el desarrollo de diversos programas y servidores web que calculan rápidamente los desplazamientos químicos de las proteínas a partir de los datos de coordenadas proteicas. ^{[ 1 ]} Estos programas “híbridos”, junto con algunas de sus características y URL, se enumeran a continuación en la Tabla 1.

Esta tabla (Figura 2) enumera los coeficientes de correlación entre los desplazamientos químicos de la cadena principal observados experimentalmente y los desplazamientos de la cadena principal calculados/predichos para diferentes predictores de desplazamiento químico utilizando un conjunto de prueba idéntico de 61 proteínas de prueba.

Los distintos métodos presentan diferentes niveles de cobertura y velocidades de cálculo. Algunos métodos solo calculan o predicen los desplazamientos químicos de los átomos del esqueleto (6 tipos de átomos). Otros calculan los desplazamientos químicos del esqueleto y de ciertos átomos de las cadenas laterales (solo C y N), y otros más son capaces de calcular los desplazamientos de todos los átomos (40 tipos de átomos). Para el refinamiento de los desplazamientos químicos, se requiere un cálculo rápido, ya que se generan miles de estructuras durante una simulación de dinámica molecular o recocido simulado , y sus desplazamientos químicos deben calcularse con la misma rapidez.

Todas las pruebas de velocidad de cálculo para SPARTA, SPARTA+, SHIFTS, CamShift, SHIFTX y SHIFTX2 se realizaron en el mismo ordenador utilizando el mismo conjunto de proteínas. La velocidad de cálculo reportada para PROSHIFT se basa en la tasa de respuesta de su servidor web . ^{[ 4 ]}

• Base de datos de referencia (química)
• SHIFTCOR