dinámica de proteínas

En biología molecular , se suele pensar que las proteínas adoptan estructuras únicas determinadas por sus secuencias de aminoácidos . Sin embargo, las proteínas no son objetos estrictamente estáticos, sino que forman conjuntos de conformaciones (a veces similares) . Las transiciones entre estos estados ocurren en diversas escalas de longitud (desde décimas de angstrom hasta nm) y de tiempo (desde nanosegundos hasta segundos), y se han relacionado con fenómenos funcionalmente relevantes como la señalización alostérica ^{[ 1 ]} y la catálisis enzimática . ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El estudio de la dinámica de las proteínas se centra principalmente en las transiciones entre estos estados, pero también puede abarcar la naturaleza y las poblaciones de equilibrio de los estados mismos. Estas dos perspectivas —cinética y termodinámica , respectivamente— pueden sintetizarse conceptualmente en un paradigma de " paisaje energético ": ^{[ 4 ]} los estados altamente poblados y la cinética de las transiciones entre ellos pueden describirse mediante las profundidades de los pozos de energía y las alturas de las barreras de energía, respectivamente.

Las porciones de las estructuras proteicas a menudo se desvían del estado de equilibrio. Algunas de estas desviaciones son armónicas , como las fluctuaciones estocásticas de los enlaces químicos y los ángulos de enlace. Otras son anarmónicas , como las cadenas laterales que saltan entre mínimos de energía discretos separados, o rotámeros . ^{[ 5 ]}

La evidencia de flexibilidad local se obtiene a menudo mediante espectroscopia de RMN . Las regiones flexibles y potencialmente desordenadas de una proteína pueden detectarse utilizando el índice de bobina aleatoria . La flexibilidad en proteínas plegadas puede identificarse analizando la relajación de espín de átomos individuales en la proteína. La flexibilidad también puede observarse en mapas de densidad electrónica de muy alta resolución producidos por cristalografía de rayos X , ^{[ 6 ]} particularmente cuando los datos de difracción se recogen a temperatura ambiente en lugar de la temperatura criogénica tradicional (típicamente cerca de 100 K). ^{[ 7 ]} La ​​información sobre la distribución de frecuencia y la dinámica de la flexibilidad local de la proteína puede obtenerse utilizando espectroscopia Raman y de efecto Kerr óptico ^{[ 8 ]} , así como microespectroscopia anisotrópica ^{[ 9 ]} en el dominio de frecuencia de terahercios. El reordenamiento interno de los aminoácidos durante el movimiento de la proteína implica deformaciones elásticas y plásticas inducidas por fuerzas viscoelásticas , que pueden investigarse con técnicas de nanorreología. ^{[ 10 ]}

En las estructuras proteicas, muchos residuos se encuentran muy próximos espacialmente. Esto se cumple para la mayoría de los residuos contiguos en la secuencia primaria, pero también para muchos que, aunque distantes en la secuencia, entran en contacto en la estructura plegada final. Debido a esta proximidad, los paisajes energéticos de estos residuos se acoplan en función de diversos fenómenos biofísicos, como los enlaces de hidrógeno , los enlaces iónicos y las interacciones de van der Waals (véase la figura).

Por lo tanto, las transiciones entre estados para tales conjuntos de residuos se correlacionan. ^{[ 11 ]}

Esto es quizás más obvio para los bucles expuestos en la superficie, que a menudo cambian colectivamente para adoptar diferentes conformaciones en diferentes estructuras cristalinas . Sin embargo, la heterogeneidad conformacional acoplada también es a veces evidente en la estructura secundaria. ^{[ 12 ]} Por ejemplo, los residuos consecutivos y los residuos desplazados 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 láminas β y están lo suficientemente cerca como para interactuar estéricamente, al igual que los residuos en hebras adyacentes de la misma lámina β. Algunos de estos cambios conformacionales son inducidos por modificaciones postraduccionales en la estructura de la proteína, como la fosforilación y la metilación. ^{[ 12 ] [ 13 ]}

Cuando estos residuos acoplados forman vías que conectan 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 del oxígeno, lo cual es fisiológicamente útil porque permite una rápida entrada de oxígeno en el tejido pulmonar y una rápida salida de oxígeno en los tejidos con deficiencia de oxígeno (por ejemplo, el músculo).

La presencia de múltiples dominios en las proteínas genera una gran flexibilidad y movilidad , lo que da lugar a la dinámica de dominios proteicos . ^{[ 1 ]} Los movimientos de dominio pueden observarse directamente mediante espectros ^{[ 14 ] [ 2 ]} medidos por espectroscopia de eco de espín de neutrones . También pueden sugerirse mediante el muestreo en trayectorias de dinámica molecular extensas ^{[ 15 ]} y análisis de componentes principales ^{[ 16 ]} o inferirse comparando diferentes estructuras de una proteína (como en la Base de Datos de Movimientos Moleculares ).

Los movimientos de dominio son importantes para:

• Transportadores ABC ^{[ 17 ]}
• locomoción celular y proteínas motoras ^{[ 18 ]}
• catálisis enzimática ^{[ 2 ] [ 19 ]}
• formación de complejos proteicos ^{[ 20 ]}
• canales iónicos ^{[ 21 ]}
• mecanorreceptores y mecanotransducción ^{[ 22 ]}
• actividad regulatoria ^{[ 23 ]}
• transporte de metabolitos a través de las membranas celulares ^{[ 1 ]}

Uno de los movimientos de dominio más grandes observados es el mecanismo de "giro" en la piruvato fosfato dicinasa . El dominio de fosfoinosítido gira entre dos estados para llevar un grupo fosfato desde el sitio activo del dominio de unión de nucleótidos al del dominio de fosfoenolpiruvato/piruvato. ^{[ 24 ]} El grupo fosfato se mueve a lo largo de una distancia de 45 Å, lo 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 realizado por Gerstein condujo a la clasificación de dos tipos básicos de movimiento de dominio: bisagra y cizallamiento. ^{[ 21 ]} Solo una porción relativamente pequeña de la cadena, concretamente el enlazador interdominio y las cadenas laterales, experimenta cambios conformacionales significativos al reordenarse el dominio. ^{[ 25 ]}

Movimientos de bisagra

Un estudio de Hayward ^{[ 26 ]} 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 las bisagras de una puerta, permitiendo un movimiento de apertura y cierre. Esto puede ocurrir cuando dos hebras vecinas dentro de una lámina β situada en un dominio, divergen al unirse al otro dominio. Los dos extremos resultantes forman entonces las regiones de curvatura entre los dos dominios. Se encontró que las hélices α que conservan su red de enlaces de hidrógeno cuando se curvan se comportan como bisagras mecánicas, almacenando "energía elástica" que impulsa el cierre de dominios para la captura rápida de un sustrato. ^{[ 26 ]} Khade et al. trabajaron en la predicción de las bisagras ^{[ 27 ]} en cualquier conformación y además construyeron un modelo de red elástica llamado hdANM ^{[ 28 ]} que puede modelar esos movimientos.

La evidencia sugiere que la dinámica de las proteínas es importante para la función, por ejemplo, la catálisis enzimática en la dihidrofolato reductasa ( DHFR ), pero también se postula que facilita la adquisición de nuevas funciones mediante la evolución molecular . ^{[ 33 ]} Este argumento sugiere que las proteínas han evolucionado para tener estructuras plegadas estables y mayoritariamente únicas, pero la flexibilidad residual inevitable conduce a cierto grado de promiscuidad funcional, que puede ser amplificada/aprovechada/desviada por mutaciones posteriores. La investigación sobre proteínas promiscuas dentro de la familia BCL-2 reveló que la dinámica de las proteínas a escala de nanosegundos puede desempeñar un papel crucial en el comportamiento de unión de las proteínas y, por lo tanto, en la promiscuidad. ^{[ 34 ]}

Sin embargo, existe una creciente conciencia de que las proteínas intrínsecamente no estructuradas son bastante frecuentes en los genomas eucariotas, ^{[ 35 ]} lo que genera 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".