Estructura de proteínas

Experimento de Anfinsen
(1956-1957)
Teoría “termodinámica”
Christian B. Anfinsen
(1916-1995)
Plegamiento de proteínas
Teoría cinética
Para describir la posición de un átomo en el espacio uno necesita
definir 3 coordenadas
Para una proteína de 100 aminoácidos necesitamos 6000
coordenadas (consideramos que un AA contiene en promedio 20
átomos)
Si cada una de esas coordendas puede tomar al menos 2 valores
distintos tendríamos que el espacio conformacional de la proteína
sería de 26000
Si cada transición entre cada una de éstas conformaciones distintas
requiere de un tiempo de por ejemplo 110-13 segundos….
…plegar una proteína requeriría
25987 segundos!!!
“Paradoja de Levintal”
Protein Folding
Una mirada a los factores contribuyentes.
Estructura nativa
Intra H-Bond (H)
Hydrophobic Effect (S)
Packing (H)
Conjunto desnaturalizado
H-Bond to Water (H)
Configurational Entropy (S)
Energía libre del plegamiento = Gu – GN = H-TS ~ 10 kcal/mol
Número chico resultado de la diferencia de números MUY grandes.
Muy dificil para lograr un efecto particular!
Claramente hay una compensación entre entropía-energía.
A medida que T aumenta, G se vuelve cero y luego positiva
Protein Folding
Dos asunciones
•
El plegamiento de una proteína encuentra el mínimo
global de energía libre en el paisaje de conformaciones
posibles.
•
La estructura 3-D de una proteína es determinada
solamente por su estructura primaria (lista de
aminoácidos).
Anfinsen (Premio Nobel 1972)

Existe una única correlación entre estructura plegada y
Por qué es un problema
computacionalmente difícil?
Si “conocemos” los factores energéticos que controlan el sistema,
por qué no podemos encontrar el mínimo global de energía libre y
solucionar el problema?

Paradoja de Levinthal
El problema del golfista ciego
Intentar encontrar el agujero en un campo de golf plano.
D
D
Energy
Grooved golf
course
Paradoja de Levinthal
El “Campo de golf” chato
Solución del camino de Levinthal
El “Campo de golf acanalado”
Solución del camino.
El fondo del embudo es el mínimo
termodinámico.
Varios diferentes caminos cinéticos
alcanzan el fondo
Más realístico, embudo áspero
El espacio conformacional se reduce
cada vez que se produce un buen
contacto.
Protein Folding: Fast Folders
Time Scale:
80’s
ps
90’s
ns
00’s
00’s
ms
ms
Folding MD Simulations
•
•
•
•
•
•
90’s
ms
80’s
sec
Folding Experiments
Trp-cage, designed mini-protein (20 aa): 4μs
b-hairpin of C-terminus of protein G (16 aa) : 6 μs
Engrailed homeodomain (En-HD) (61 aa): ~27 μs
WW domains (38-44 aa): >24 μs
Fe(II) cytochrome b562 (106 aa): extrapolated ~5 μs
B domain of protein A (58 aa): extrapolated ~8 μs
Trp-cage Folding
•
•
•
Newly designed 20residue mini-protein
called Trp-cage
Residue Trp6 is caged
Folds in about 4 μs
Trp-cage
C
hydrophobic
core
polyproline II
N
i:i+10 H-bond
a helix
i:i-5 H-bond
(75%)
310 helix
MD low energy
1L2Y model 1
Cómo se forma la estructura?
a helix se forma
antes que la caja
Adaptación funcional (I)
Sulfide-binding hemoglobins
Efectos de mutaciones sobre la dinámica
Substituciones en la secuencia de aa
afectan a
función
HbI
dinámica
estructura
SW
HbI es ~5000 veces mas afín por SH2 que SW
HbI
SW
Phe 29
His 64
Leu 29
Gln 64
Phe 68
Phe 43
SH2
Heme
Val 68
Phe 43
SH2
Heme
HbI
SW
FQF
His64(E7) Gln, Leu29(B10)  Phe, Val68(E11) Phe
FQF es ~7 mas afín por SH2 que SW
¿Existe alguna propiedad dinámica que dá cuenta del resto?
Rocking freedom inusual en el grupo heme de HbI que
facilitaria la entrada del ligando
Puentes de H de heme-propionatos
HbI
SW
Arg 45
His 97
Arg 99
Ser 92
Ser92: lifetime = 3.4 ps
Arg 99: lifetime = 1.7 ps
His97: lifetime = 2.2 ps
Arg45: lifetime = 4.1 ps
Adaptación funcional
Adaptación al frío
Efectos de mutaciones sobre la flexibilidad
Enzimas psicrófilas evolucionaron para catalizar reacciones a bajas temperaturas

Compensación térmica (Ley de Arrhenius ( k=Ae-Ea/RT ))

para acomodar mejor a los sustratos y realizar los cambios conformacionales

Aumento de la flexibilidad estructural
Mesophile
Psychrophile
Adenilate Kinase
SeqId %: 68.72
Bacillus Subtilis
(transferasa)
Bacillus Globisporus
(transferasa)
Amylase
Pig pancreatic
(hydrolase)
SeqId %: 46.53
Alteromonas
haloplanctis
Xylanase
SeqId %: 19.61
Clostridium
Thermocellum
(hydrolase)
Pseudoalteromonas
Haloplantis
(hydrolase)
Factores estructurales
en la adaptacion al frio
•
Agregados de residuos de glicina
(proveen mobilidad local)
•
Disminucion el contenido de prolinas en loops y
turns
(proveen flexibilidad entre estructuras secundarias)
•
Disminución del número de argininas
(disminucion Arg/(Arg+Lys))
•
Disminución del número de aminoácidos que
forman puentes de hidrógeno
•
Disminución de interacciones aromáticas
(Triptofano-Tirosina-Fenilalanina)
•
Disminucion de la hidrofobicidad en el interior
(descompactación: Val → Ala, Ala → Ile )
•
Exceso de cargas negativas en la superficie
(cambio significativo del pI)
(aumento de Aspartato)