Experimento de Anfinsen ( ) Teoría termodinámica

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Alejandro Martín Velázquez
hace 8 años
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1 Experimento de Anfinsen ( ) Teoría termodinámica Christian B. Anfinsen ( )

3 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 Si cada transición entre cada una de éstas conformaciones distintas requiere de un tiempo de por ejemplo segundos. plegar una proteína requeriría segundos!!! Paradoja de Levintal

al menos 2 valores distintos tendríamos que el espacio conformacional de la proteína sería de 2 6000 Si cada transición entre cada una de éstas

6 Protein Folding 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-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

Entropy (S) Packing (H) Energía libre del plegamiento = Gu GN = H-T S ~ 10 kcal/mol Número chico resultado de la

7 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

La estructura 3-D de una proteína es determinada solamente por su estructura primaria

8 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

sistema, por qué no podemos encontrar el mínimo global

9 El problema del golfista ciego Intentar encontrar el agujero en un campo de golf plano. D Energy D Grooved golf course Paradoja de Levinthal El Campo de golf chato Solución del camino de Levinthal El Campo de golf acanalado

10 Solución del camino. El fondo del embudo es el mínimo termodinámico. Varios diferentes caminos cinéticos alcanzan el fondo Más realístico, embudo áspero

11 El espacio conformacional se reduce cada vez que se produce un buen contacto.

12 Time Scale: Protein Folding: Fast Folders 80 s 90 s 00 s 00 s 90 s 80 s ps ns ms ms ms sec Folding MD Simulations 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 b 562 (106 aa): extrapolated ~5 μs B domain of protein A (58 aa): extrapolated ~8 μs

of protein G (16 aa) : 6 μs Engrailed homeodomain (En-HD) (61 aa): ~27 μs WW domains (38-44 aa): >24

13 Trp-cage Folding Newly designed 20- residue mini-protein called Trp-cage Residue Trp6 is caged Folds in about 4 μs Trp-cage

14 C N hydrophobic core polyproline II i:i+10 H-bond a helix i:i-5 H-bond (75%) 3 10 helix MD low energy 1L2Y model 1

15 Cómo se forma la estructura? a helix se forma antes que la caja

17 Adaptación funcional (I) Sulfide-binding hemoglobins Efectos de mutaciones sobre la dinámica Substituciones en la secuencia de aa afectan a función dinámica estructura HbI SW HbI es ~5000 veces mas afín por SH 2 que SW

en la secuencia de aa afectan a función dinámica

18 Phe 29 HbI His 64 SW Leu 29 Gln 64 Phe 68 SH2 Phe 43 Val 68 SH2 Phe 43 Heme Heme

19 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?

20 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 Arg 99: lifetime = 1.7 ps Ser 92 Ser92: lifetime = 3.4 ps His97: lifetime = 2.2 ps Arg45: lifetime = 4.1 ps

Arg 45 His 97 Arg 99 Arg 99: lifetime = 1.

21 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

22 Mesophile Adenilate Kinase SeqId %: Psychrophile Bacillus Subtilis (transferasa) Bacillus Globisporus (transferasa) Pig pancreatic (hydrolase) Amylase SeqId %: Alteromonas haloplanctis Xylanase Clostridium Thermocellum (hydrolase) SeqId %: Pseudoalteromonas Haloplantis (hydrolase)

23 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)

24 Disminución del número de argininas (disminucion Arg/(Arg+Lys))

25 Disminución del número de aminoácidos que forman puentes de hidrógeno

26 Disminución de interacciones aromáticas (Triptofano-Tirosina-Fenilalanina) Disminucion de la hidrofobicidad en el interior (descompactación: Val Ala, Ala Ile )

27 Exceso de cargas negativas en la superficie (cambio significativo del pi) (aumento de Aspartato)

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