Embudo plegable

La hipótesis del embudo de plegamiento es una versión específica de la teoría del paisaje energético del plegamiento de proteínas , que supone que el estado nativo de una proteína corresponde a su mínimo de energía libre en las condiciones de solución que suelen encontrarse en las células . Aunque los paisajes energéticos pueden ser "aproximados", con muchos mínimos locales no nativos en los que las proteínas parcialmente plegadas pueden quedar atrapadas, la hipótesis del embudo de plegamiento supone que el estado nativo es un mínimo de energía libre profundo con paredes empinadas, correspondiente a una única estructura terciaria bien definida . El término fue introducido por Ken A. Dill en un artículo de 1987 que analizaba las estabilidades de las proteínas globulares . ^[1]

La hipótesis del embudo de plegamiento está estrechamente relacionada con la hipótesis del colapso hidrofóbico , según la cual la fuerza impulsora del plegamiento de proteínas es la estabilización asociada con el secuestro de cadenas laterales de aminoácidos hidrofóbicos en el interior de la proteína plegada. Esto permite que el disolvente de agua maximice su entropía, lo que reduce la energía libre total. Del lado de la proteína, la energía libre se reduce aún más mediante contactos energéticos favorables: aislamiento de cadenas laterales cargadas electrostáticamente en la superficie de la proteína accesible al disolvente y neutralización de puentes salinos dentro del núcleo de la proteína. El estado de glóbulo fundido predicho por la teoría del embudo de plegamiento como un conjunto de intermediarios de plegamiento corresponde, por tanto, a una proteína en la que se ha producido un colapso hidrofóbico pero aún no se han formado muchos contactos nativos o interacciones estrechas residuo-residuo representadas en el estado nativo. ^{[ cita requerida ]}

En la representación canónica del embudo plegable, la profundidad del pozo representa la estabilización energética del estado nativo frente al estado desnaturalizado , y el ancho del pozo representa la entropía conformacional del sistema. La superficie exterior del pozo se muestra relativamente plana para representar la heterogeneidad del estado de bobina aleatoria . El nombre de la teoría deriva de una analogía entre la forma del pozo y un embudo físico , en el que el líquido disperso se concentra en una única zona estrecha.

El problema del plegamiento de proteínas se relaciona con tres cuestiones, como plantearon Ken A. Dill y Justin L. MacCallum: (i) ¿Cómo puede una secuencia de aminoácidos determinar la estructura nativa 3D de una proteína ? (ii) ¿Cómo puede una proteína plegarse tan rápidamente a pesar de un gran número de conformaciones posibles (la paradoja de Levinthal )? ¿Cómo sabe la proteína qué conformaciones no buscar? Y (iii) ¿es posible crear un algoritmo informático para predecir la estructura nativa de una proteína basándose únicamente en su secuencia de aminoácidos? ^[2] Los factores auxiliares dentro de la célula viva, como los catalizadores de plegamiento y las chaperonas, ayudan en el proceso de plegamiento, pero no determinan la estructura nativa de una proteína. ^[3] Los estudios durante la década de 1980 se centraron en modelos que pudieran explicar la forma del paisaje energético , una función matemática que describe la energía libre de una proteína como una función de los grados de libertad microscópicos. ^[4]

Después de introducir el término en 1987, Ken A. Dill examinó la teoría de polímeros en el plegamiento de proteínas , en la que aborda dos acertijos, el primero es la paradoja del relojero ciego en la que las proteínas biológicas no podrían originarse a partir de secuencias aleatorias, y el segundo es la paradoja de Levinthal que dice que el plegamiento de proteínas no puede ocurrir aleatoriamente. ^[5] Dill tomó la idea del relojero ciego en su metáfora para la cinética del plegamiento de proteínas. El estado nativo de la proteína se puede lograr a través de un proceso de plegamiento que involucra un pequeño sesgo y elecciones aleatorias para acelerar el tiempo de búsqueda. Eso significaría que incluso los residuos en posiciones muy diferentes en la secuencia de aminoácidos podrían entrar en contacto entre sí. Sin embargo, un sesgo durante el proceso de plegamiento puede cambiar el tiempo de plegamiento en decenas a cientos de órdenes de magnitud. ^[5]

Como el proceso de plegamiento de proteínas pasa por una búsqueda estocástica de conformaciones antes de alcanzar su destino final, ^[3] el gran número de conformaciones posibles se considera irrelevante, mientras que las trampas cinéticas comienzan a desempeñar un papel. ^[5] La idea estocástica de las conformaciones intermedias de las proteínas revela el concepto de un " paisaje energético " o "embudo de plegamiento" en el que las propiedades de plegamiento están relacionadas con la energía libre y que las conformaciones accesibles de una proteína se reducen a medida que se aproxima a la estructura nativa. ^[3] El eje y del embudo representa la "energía libre interna" de una proteína: la suma de los enlaces de hidrógeno , pares de iones , energías de ángulo de torsión, energías libres hidrofóbicas y de solvatación. Los numerosos ejes x representan las estructuras conformacionales, y las que son geométricamente similares entre sí están cerca unas de otras en el paisaje energético . ^[6] La teoría del embudo de plegamiento también es apoyada por Peter G Wolynes , Zaida Luthey-Schulten y Jose Onuchic , quienes sostienen que la cinética de plegamiento debe considerarse como una organización progresiva de estructuras parcialmente plegadas en un conjunto (un embudo), en lugar de una vía lineal serial de intermediarios. ^[7]

Se ha demostrado que los estados nativos de las proteínas son estructuras termodinámicamente estables que existen en condiciones fisiológicas ^[3] , y Christian B. Anfinsen lo ha demostrado en experimentos con ribonucleasas (véase el dogma de Anfinsen ). Se sugiere que, debido a que el paisaje está codificado por la secuencia de aminoácidos, la selección natural ha permitido que las proteínas evolucionen de modo que puedan plegarse de forma rápida y eficiente ^[8] . En una estructura nativa de baja energía, no hay competencia entre las contribuciones energéticas en conflicto, lo que conduce a una frustración mínima. Esta noción de frustración se mide además cuantitativamente en vidrios de espín, en los que la temperatura de transición de plegamiento T _f se compara con la temperatura de transición vítrea T _g . T _f representa las interacciones nativas en la estructura plegada y T _g representa la fuerza de las interacciones no nativas en otras configuraciones. Una alta relación T _f /T _g indica una tasa de plegamiento más rápida en una proteína y menos intermediarios en comparación con otras. En un sistema con alta frustración, una leve diferencia en la condición termodinámica puede conducir a diferentes trampas cinéticas y a la rugosidad del paisaje ^{[9] .}

Ken A. Dill y Hue Sun Chan (1997) ^[6] ilustraron un diseño de ruta de plegamiento basado en la paradoja de Levinthal , llamada el paisaje de "campo de golf", donde una búsqueda aleatoria de los estados nativos resultaría imposible, debido al hipotético "campo de juego plano", ya que la "pelota" de la proteína tardaría mucho tiempo en encontrar una caída en el "hoyo" nativo. Sin embargo, una ruta accidentada desviada del campo de golf liso inicial crea un túnel dirigido por donde pasa la proteína desnaturalizada para alcanzar su estructura nativa, y pueden existir valles (estados intermedios) o colinas (estados de transición) a lo largo de la ruta hacia el estado nativo de una proteína. Sin embargo, esta ruta propuesta produce un contraste entre la dependencia de la ruta frente a la independencia de la ruta, o la dicotomía de Levinthal, y enfatiza la ruta unidimensional de conformación.

Otro enfoque para el plegamiento de proteínas elimina el término "vía" y lo reemplaza por "embudos" cuando se trata de procesos paralelos, conjuntos y múltiples dimensiones en lugar de una secuencia de estructuras por las que debe pasar una proteína. Por lo tanto, un embudo ideal consiste en un paisaje de energía multidimensional uniforme donde el aumento de los contactos entre cadenas se correlaciona con un grado de libertad decreciente y, en última instancia, con el logro del estado nativo. ^[6]

A diferencia de un embudo liso idealizado, un embudo rugoso muestra trampas cinéticas, barreras energéticas y algunos caminos estrechos hacia el estado nativo. Esto también explica una acumulación de intermediarios mal plegados donde las trampas cinéticas impiden que los intermediarios proteicos alcancen su conformación final. Para aquellos que están atrapados en esta trampa, tendrían que romper los contactos favorables que no conducen a su estado nativo antes de alcanzar su punto de partida original y encontrar otra búsqueda diferente cuesta abajo. ^[6] Un paisaje de foso, por otro lado, ilustra la idea de una variación de rutas que incluyen una ruta de trampa cinética obligatoria que las cadenas de proteínas toman para alcanzar su estado nativo. Este paisaje energético proviene de un estudio de Christopher Dobson y sus colegas sobre la lisozima de clara de huevo de gallina, en el que la mitad de su población experimenta un plegamiento rápido normal, mientras que la otra mitad primero forma rápidamente el dominio de hélices α y luego el de láminas β lentamente. ^[6] Es diferente del paisaje rugoso ya que no hay trampas cinéticas accidentales sino intencionadas necesarias para que porciones de proteína pasen antes de alcanzar el estado final. Tanto el paisaje accidentado como el paisaje de Moat presentan, no obstante, el mismo concepto en el que las configuraciones de proteínas pueden encontrarse con trampas cinéticas durante su proceso de plegamiento. Por otro lado, el paisaje de Champagne Glass implica barreras de energía libre debido a la entropía conformacional que se asemeja en parte a la ruta aleatoria de un campo de golf en la que se pierde una configuración de cadena de proteínas y hay que dedicar tiempo a buscar el camino cuesta abajo. Esta situación se puede aplicar a una búsqueda conformacional de residuos polares que eventualmente conectarán dos grupos hidrofóbicos. ^[6]

En otro estudio, Rollins y Dill (2014) ^[10] introducen el modelo de embudo de Foldon, una nueva adición a los embudos de plegamiento anteriores, en el que las estructuras secundarias se forman secuencialmente a lo largo de la vía de plegamiento y se estabilizan mediante interacciones terciarias . El modelo predice que el paisaje de energía libre tiene forma de volcán en lugar de un embudo simple que se mencionó anteriormente, en el que el paisaje exterior tiene una pendiente ascendente porque las estructuras secundarias de proteínas son inestables. Estas estructuras secundarias se estabilizan luego mediante interacciones terciarias , que, a pesar de sus estructuras cada vez más parecidas a las nativas, también aumentan en energía libre hasta el penúltimo paso que es cuesta abajo en energía libre. La energía libre más alta en el paisaje del volcán está en el paso con estructura justo antes del estado nativo. Esta predicción del paisaje de energía es consistente con los experimentos que muestran que la mayoría de las estructuras secundarias de proteínas son inestables por sí mismas y con cooperatividades de equilibrio de proteínas medidas . Por lo tanto, todos los pasos anteriores antes de alcanzar el estado nativo están en preequilibrio. A pesar de que su modelo es diferente de otros modelos anteriores, el modelo de embudo de Foldon todavía divide el espacio conformacional en dos estados cinéticos: nativo versus todos los demás. ^[10]

La teoría del embudo de plegamiento tiene aplicaciones tanto cualitativas como cuantitativas. La visualización de los embudos crea una herramienta de comunicación entre las propiedades mecánicas estadísticas de las proteínas y su cinética de plegamiento. ^[4] Sugiere la estabilidad del proceso de plegamiento, que sería difícil de destruir mediante mutación si se mantiene la estabilidad. Para ser más específicos, puede ocurrir una mutación que conduzca al bloqueo de una ruta al estado nativo, pero otra ruta puede tomar el control siempre que alcance la estructura final. ^[9]

La estabilidad de una proteína aumenta a medida que se acerca a su estado nativo a través de la configuración parcialmente plegada. Las estructuras locales como las hélices y los giros ocurren primero, seguidas del ensamblaje global. A pesar de un proceso de ensayo y error, el plegamiento de proteínas puede ser rápido porque las proteínas alcanzan su estructura nativa mediante este proceso de divide y vencerás, de lo local a lo global. ^[2] La idea del embudo de plegamiento ayuda a racionalizar el propósito de las chaperonas , en el que el proceso de replegamiento de una proteína puede ser catalizado por chaperonas que la separan y la llevan a un paisaje de alta energía y la dejan plegarse nuevamente de manera aleatoria de ensayos y errores. ^[6] Los paisajes en embudo sugieren que diferentes moléculas individuales de la misma secuencia de proteína pueden utilizar rutas microscópicamente diferentes para llegar al mismo destino. Algunas rutas estarán más pobladas que otras. ^[2]

Los embudos distinguen los conceptos básicos entre el plegamiento y la analogía de las reacciones químicas clásicas simples. Una reacción química comienza con su reactivo A y pasa por un cambio en la estructura para llegar a su producto B. Por otro lado, el plegamiento es una transición del desorden al orden, no solo de la estructura a la estructura. La vía de reacción unidimensional simple no captura la reducción del plegamiento de proteínas en la degeneración conformacional. ^[4] En otras palabras, los embudos de plegamiento proporcionan un marco microscópico para la cinética de plegamiento. La cinética de plegamiento se describe mediante modelos simples de acción de masas , DIN (intermedio I en la ruta entre D desnaturalizado y N nativo) o XDN (intermedio X fuera de la ruta), y se conoce como el marco macroscópico del plegamiento. ^[4] La vista de microruta secuencial representa el modelo de acción de masas y explica la cinética de plegamiento en términos de vías, estados de transición , intermedios en la ruta y fuera de la ruta y lo que uno ve en los experimentos, y no se ocupa de la actividad de una molécula o el estado de una secuencia de monómeros en un estado de transición macroscópico específico. Su problema está relacionado con la paradoja de Levinthal, o el problema de la búsqueda. ^[5] Por el contrario, los modelos de embudo apuntan a explicar la cinética en términos de fuerzas físicas subyacentes, para predecir la composición de microestados de esos macroestados.

Sin embargo, resulta complicado para las simulaciones por ordenador (paisaje energético) conciliar la visión "macroscópica" de los modelos de acción de masas con la comprensión "microscópica" de los cambios en la conformación de las proteínas durante el proceso de plegamiento. Los conocimientos obtenidos a partir de los embudos no son suficientes para mejorar los métodos de búsqueda por ordenador. Un paisaje liso y con forma de embudo a escala global puede parecer irregular a escala local en las simulaciones por ordenador. ^[2]

• Chaperona : proteínas que ayudan a otras proteínas a plegarse o desplegarse.
• Paradoja de Levinthal
• Predicción de la estructura de las proteínas