PLEGAMIENTO DE LAS PROTEINAS

*Xicohtencatl PR,* Fernández JN, *Reygadas CA, *Aquino AE, *Aguilar BM °Arenas VM, Sánchez GF.

*Escuela de Medicina Veterinaria y Zootecnia- BUAP Cuerpo Académico de Adaptación ° Universidad Autónoma Metropolitana- Xochimilco

Resumen Una de las características que definen a un sistema vivo es la habilidad de ensamblar con gran precisión todos y cada uno de los componentes moleculares. Descubrir el mecanismo por el cual se lleva a cabo cada uno de estos procesos es el gran desafió de la ciencia. El plegamiento de las proteínas hasta llegar a su conformación en tercera dimensión es un ejemplo fundamental y universal del auto ensamblé biológico, entendiendo este proceso tan complejo, nos permite vislumbrar el proceso de selección y adaptación de las mismas. Además de generar proteínas con actividades biológicas específicas, ahora se sabe que solo el plegado específico permite acoplarse a otras actividades biológicas e interactuar selectivamente con su contraparte. La falla en el plegado específico correcto puede dar origen a una gran variedad de condiciones patológicas. (Lindorff-Larsen, Rogen et al. 2005) En la cinética del plegamiento intervienen una gran variedad de factores, entre los más destacados encontramos al ph, a la temperatura, fuerzas iónicas.(Maxwell, Wildes et al. 2005) En el plegado de las proteínas unas moléculas denominadas chaperoninas juegan un papel esencial en la asistencia del plegamiento. En el caso de las proteínas citosolicas el sistema de chaperoninas consiste en dos anillos heptamericos los cuales forman una estructura cilíndrica con dos cavidades (Brinker, Pfeifer et al. 2001) Otro de los aspectos a considerar en el plegamiento de las proteínas res el hecho de que siempre adoptara la estructura que consuma menos energía en su formación(Skolnick 2005) Las interacciones de los C y N terminales influyen sobre la estabilidad y la rotación de las proteínas y es otro de los aspectos a considerar(Krishna and Englander 2005) INTRODUCCIÓN

Una de las características que definen a un sistema vivo es la habilidad de ensamblar

con una gran precisión todos y cada uno de sus componentes moleculares. Descubrir el

mecanismo por el cual se lleva a cabo cada uno de estos procesos es el gran desafío de

la ciencia.

El plegamiento de las proteínas hasta llegar a su conformación en tercera dimensión es

un ejemplo fundamental y universal del auto ensamble biológico, entendiendo este

proceso tan complejo, nos daremos una idea sobre el modo en el cual la selección

durante el proceso de evolución ha influenciado las propiedades de un sistema

molecular por sus ventajas funcionales.

La increíble variedad de estructuras altamente especificas que resultan del plegamiento

de las proteínas y sus grupos funcionales son clave en el complejo sistema de la vida,

y desarrollan una variedad asombrosa de procesos químicos conocidos que permiten la

adaptabilidad y la selección. Además de generar actividad especificas, ahora se sabe

que el plegado se acopla a otros procesos biológicos como pueden ser el paso de

moléculas a localizaciones celulares específicas y la regulación del crecimiento y

diferenciación celular. Solo el plegado específico correcto tiene una estabilidad

duradera en el conjunto de actividades biológicas y es capaz de interactuar

selectivamente con su contraparte. La falla en el plegado puede dar origen a una gran

variedad de condiciones patológicas. {Dobson, 2003 }{Lindorff-Larsen, 2005 )

El plegado correcto de las proteínas requiere de asumir una conformación específica de

una constelación de posibles estructuras, siendo todas las demás incorrectas. La falla de

los polipéptidos para adoptar la estructura propia es la mayor amenaza para las

funciones celulares y su viabilidad. Consecuentemente elaborados sistemas protegen a

la célula de los efectos fatales del plegado incorrecto de las proteínas.

La primera línea de defensa contra el plegado incorrecto son las chaperonas

moleculares, las cuales se asocian con la formación de los polipéptidos, ya que ellas

emergen de los ribosomas, promueven el plegado correcto y previenen las interacciones

perjudiciales. Una larga fracción de proteínas nuevas sin embargo falla en el plegado

correcto, generando un conjunto de polipéptidos defectuosos.{Taylor, 2002) Estas

proteínas son degradadas primariamente por el sistema ubiquitina – proteasoma (UPS)

un sistema multicomponente que identifica y degrada proteínas no deseadas.(Tenzer,

2004 ) -Además del papel evidente en las proteínas defectuosas la UPS lleva a cabo la

degradación selectiva de muchas proteínas normales de corta vida, contribuyendo a la

regulación de numerosos procesos celulares. La falla en detectar y eliminar proteínas

mal plegadas contribuye a la patogenia de las enfermedades neurodegenerativas. A la

inversa se ha sugerido que la UPS puede ser el blanco de las proteínas toxicas.

Algunas circunstancias en el plegado incorrecto de las proteínas pueden evadir el

control de calidad designado para promover el correcto plegado y eliminar las proteínas

defectuosas. Cuando se acumulan en suficientes cantidades son propensos a formar a

agregaciones, las cuales pueden ser inclusiones visibles microscópicamente, placas

extracelulares, inclusiones intracelulares, e incluso algunas proteínas mutantes pueden

formar cuerpos de inclusión para liberarse en el transporte retrogrado de los

microtúbulos neuronales. A estos cuerpos de inclusión se les denomina agresoras.

Algunas de los desordenes neurodegenerativos caracterizados por la agregación y

depósito de proteínas anormales son: la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de

parkinson, las enfermedades priónicas, las tauropatias, y la esclerosis lateral

amiotrofica. (Taylor, 2002 )

Plegamiento de las proteinas

El mecanismo por el cual las cadenas polipeptídicas se pliegan en una especifica

estructura tridimensional han sido un misterio hasta hace poco tiempo. La proteína

nativa casi siempre corresponde a una estructura que es termodinámicamente estable

bajo condiciones fisiológicas. Sin embargo el número total de posibles combinaciones

de una cadena polipeptídica es muy grande, una búsqueda sistemática para una

estructura en partícula seria larga y difícil. Es claro que el proceso de plegamiento no

involucra una serie de pasos predeterminados entre partes específicas, pero lleva a

cabo una búsqueda de muchas conformaciones accesibles a la cadena polipeptídica. Si

la energía superficial es la adecuada, únicamente un pequeño número de todas las

posibles combinaciones darán origen a la estructura nativa de una proteína. Porque la

forma final es codificada por la secuencia de aminoácidos y la selección natural que

permite evolucionar y ser capaces de plegarse rápida y eficientemente.(Dobson, 2003)

Una cuestión fundamental acerca de si una proteína se pliega o no correctamente

emerge de la utilización de la energía. El resultado de muchos estudios sugiere que el

mecanismo fundamental del plegamiento proteico involucra la interacción del menor

número de residuos para formar un núcleo de plegado alrededor del cual se condensaran

todas las demás estructuras rápidamente, que implica el menor gasto de

energía.(Scalley-Kim, 2003)Mientras la topología correcta central no se pliegue el resto

de las interacciones no se llevaran a cabo y la proteína no alcanzara su estructura

globular estable. Este mecanismo por lo tanto actúa también como un proceso de

control de calidad por el cual los plegados equívocos pueden eludirse.(Feng, 2003)

La estructura secundaria, las hélices y las bandas se localizan en proteínas nativas, se

estabilizan por puentes de hidrogeno entre los grupos carboxilo y amino de la cadena.

La formación de cada cadena es un elemento importante en el proceso de plegado, pero

no es fundamental. Se sugiere que estas proteínas generalmente se pliegan por módulos,

en otras palabras el plegado puede tener una serie de etapas independientes en diferentes

segmentos o dominios de una proteína. La simulación de la dinámica molecular ha sido

utilizada en una cadena de pocos elementos. Este modelo simplificado permite la

competición entre el plegado y la agregación de dos hélices alfa, aunque no permitió

extraer información sobre el gasto de energía ni sobre la secuencia.(Gsponer, 2003) El

mecanismo modular es atrayente porque sugiere que las estructuras muy complejas

pueden ser ensambladas en piezas manejables. Esto podría sugerir que en otros

mecanismos complejos como la formación de ácidos nucleicos y enormes

macromoléculas también podría darse. (Dobson, 2003 )

En la cinética del plegamiento intervienen una gran variedad de factores, entre los más

destacados encontramos al ph, a la temperatura, fuerzas iónicas.(Maxwell, Wildes et

al. 2005) En el plegado de las proteínas unas moléculas denominadas chaperoninas

juegan un papel esencial en la asistencia del plegamiento. En el caso de las proteínas

citosolicas el sistema de chaperoninas consiste en dos anillos heptamericos los cuales

forman una estructura cilíndrica con dos cavidades (Brinker, Pfeifer et al. 2001)Otro de

los aspectos a considerar en el plegamiento de las proteínas es el hecho de que siempre

adoptara la estructura que consuma menos energía en su formación(Skolnick 2005)

Las interacciones de los C y N terminales influyen sobre la estabilidad y la rotación de

las proteínas y es otro de los aspectos a considerar(Krishna and Englander 2005)

Chaperonas moleculares

De particular importancia son las chaperonas presentes en todos los tipos de células y en

los compartimentos celulares. Algunas chaperonas interactúan con las cadenas recién

formadas que emergen de los ribosomas. En tanto que otras guían en las etapas

posteriores del plegado. Las chaperonas moleculares frecuentemente trabajan en

conjunto asegurando que los diferentes estadios en el plegado de cada sistema sea

completamente eficiente. Muchos de los detalles del funcionamiento de las chaperonas

moleculares han sido determinados en estudios realizados in Vitro. (Dobson, 2003)

Cada día es más evidente que las funciones celulares, altamente complejas y

relacionadas entre sí, son llevadas a cabo por un gran número de proteínas actuando en

forma de complejos proteicos, bien transitorios o estables. Hasta hace poco se pensaba

que el polipéptido naciente adquiría espontáneamente su configuración funcional al ser

sintetizado en el ribosoma. Pero hoy se sabe que tanto el correcto plegamiento de las

proteínas como su adecuado ensamblaje en complejos requieren el concurso de unas

proteínas especializadas, conocidas como chaperonas, debido a que su papel es vigilar y

eventualmente corregir el plegamiento. Estas proteínas están presentes en todos los

seres vivos. (Harris, 1999)Las chaperonas tales como la trimetilamina N oxidasa

(TMAO) tienen un papel activo en el plegamiento de las proteínas, esta enzima de

manera especifica permite el plegamiento correcto de la PrPc ( Proteína prionica

celular), la carencia de dicha chaperona propicia la formación de la PrPsc ( Proteína

prionica scrapie ) al permitir la formación de bandas beta (Bennion, 2004)

BIBLIOGRAFIA Dobson, C.M. Protein folding and misfolding. Nature 2003, 426(6968), 884-890. Taylor, J.P., Hardy, J. & Fischbeck, K.H. Toxic proteins in neurodegenerative disease.

Science 2002, 296(5575), 1991-1995. Tenzer, S., Stoltze, L., Schonfisch, B. et al. Quantitative analysis of prion-protein

degradation by constitutive and immuno-20S proteasomes indicates differences correlated with disease susceptibility. J Immunol 2004, 172(2), 1083-1091.

Scalley-Kim, M., Minard, P. & Baker, D. Low free energy cost of very long loop insertions in proteins. Protein Sci 2003, 12(2), 197-206.

Feng, H., Takei, J., Lipsitz, R., Tjandra, N. & Bai, Y. Specific non-native hydrophobic interactions in a hidden folding intermediate: implications for protein folding. Biochemistry 2003, 42(43), 12461-12465.

Gsponer, J., Haberthur, U. & Caflisch, A. The role of side-chain interactions in the early steps of aggregation: Molecular dynamics simulations of an amyloid-forming peptide from the yeast prion Sup35. Proc Natl Acad Sci U S A 2003, 100(9), 5154-5159.

Harris, D.A. Cellular biology of prion diseases. Clin Microbiol Rev 1999, 12(3), 429-444.

Bennion, B.J., DeMarco, M.L. & Daggett, V. Preventing misfolding of the prion protein by trimethylamine N-oxide. Biochemistry 2004, 43(41), 12955-12963.

Brinker, A., G. Pfeifer, et al. (2001). "Dual function of protein confinement in chaperonin-assisted protein folding." Cell 107(2): 223-33.

Krishna, M. M. and S. W. Englander (2005). "The N-terminal to C-terminalmotif in protein folding and function." Proc Natl Acad Sci U S A 102(4): 1053-8. Lindorff-Larsen, K., P. Rogen, et al. (2005). "Protein folding and the organization of the

protein topology universe." Trends Biochem Sci 30(1): 13-9. Maxwell, K. L., D. Wildes, et al. (2005). "Protein folding: defining a "standard" set of experimental conditions and a preliminary kinetic data set of two-state proteins." Protein Sci 14(3): 602-16. Skolnick, J. (2005). "Putting the pathway back into protein folding." Proc Natl Acad Sci U S A 102(7): 2265-6.