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”

Una mirada a los factores contribuyentes.

Estructura nativa Conjunto desnaturalizado

Intra H-Bond (H) H-Bond to Water (H)

Hydrophobic Effect (S) Configurational Entropy (S)

Packing (H)

Energía libre del plegamiento = Gu – GN = H-TS ~ 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 función

Protein Folding

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.

Paradoja de Levinthal

El “Campo de golf” chato

Solución del camino de Levinthal

El “Campo de golf acanalado”

Energy D

Grooved golf

course

D

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

• 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

Folding MD Simulations Folding Experiments

ps ns ms ms ms sec

80’s 90’s 00’s 00’s 90’s 80’s

Time Scale:

Trp-cage Folding

• Newly designed 20-

residue mini-protein

called Trp-cage

• Residue Trp6 is caged

• Folds in about 4 μs

Trp-cage

a helix

310 helix

polyproline II

i:i+10 H-bond

i:i-5 H-bond

(75%)

hydrophobic

core N

C

MD low energy

1L2Y model 1

Cómo se forma la estructura?

a helix se forma

antes que la caja

Substituciones en la secuencia de aa

afectan a

función dinámica estructura

Adaptación funcional (I)

Sulfide-binding hemoglobins Efectos de mutaciones sobre la dinámica

HbI SW

HbI es ~5000 veces mas afín por SH2 que SW

Phe 43 Phe 43

Gln 64

His 64

Heme Heme

SH2 SH2

Leu 29 Phe 29

Phe 68 Val 68

HbI SW

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?

HbI SW

FQF

HbI

His 97

Arg 45

Arg 99

SW

Ser 92

Rocking freedom inusual en el grupo heme de HbI que

facilitaria la entrada del ligando Puentes de H de heme-propionatos

Arg 99: lifetime = 1.7 ps

Ser92: lifetime = 3.4 ps

His97: lifetime = 2.2 ps

Arg45: lifetime = 4.1 ps

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

Adaptación funcional

Adaptación al frío Efectos de mutaciones sobre la flexibilidad

Mesophile Psychrophile

SeqId %: 68.72

Bacillus Globisporus

(transferasa) Bacillus Subtilis

(transferasa)

Pig pancreatic (hydrolase) Alteromonas

haloplanctis

SeqId %: 46.53

Pseudoalteromonas

Haloplantis

(hydrolase)

Clostridium

Thermocellum

(hydrolase)

Adenilate Kinase

Amylase

Xylanase

SeqId %: 19.61

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)