Si tienes una estructura cristalina de una proteína, ¿cómo determinas qué residuos están involucrados en la catálisis?

Eso es difícil con solo una estructura de la proteína (enzima), y para algunas enzimas esa pregunta ni siquiera tiene sentido (como las proteínas de transporte).

Sólo una nota de precaución. Una estructura cristalina no es una verdad última. Una estructura cristalina es una posible conformación que una proteína determinada puede habitar bajo las condiciones experimentales utilizadas. Se nota necesariamente uno que puede ocurrir in vivo. E incluso si lo es, las proteínas son dinámicas, se mueven, cambian, cambian. Un cristal muestra solo una estructura congelada en el tiempo (excepto los cristales de tiempo, que suena tan bien). Entonces, si bien pueden ser inmensamente útiles y revolucionar un campo, siempre están respaldados con datos mutacionales y funcionales.

Usualmente, usas muchos estudios mutacionales para ayudar. Es poco probable que tenga una enzima de tipo salvaje (WT) con sustrato o productos unidos. Los sustratos se catalizarían mientras intentabas cristalizar. (Pero muchos cristales muchos no son proteínas WT, ya que a menudo no serán capaces de cristalizar, especialmente para las proteínas de membrana, lo que complica aún más las cosas)

Pero es posible que vea ciertas características que le dan una idea de los residuos que comienzan a mutar para descubrir. Por lo general, las estructuras cristalinas se producen (o intentan) de proteínas cuando existe un cierto nivel de interés. Y, por lo general, habrá muchos datos bioquímicos y mutación antes de que la proteína se cristalice, por lo que generalmente confirma más lo que se ha demostrado. O muestra que una hipótesis es probablemente incorrecta, y otra es más probable que sea cierta, ya que a menudo tiene varias hipótesis antes de la estructura.

Pero por el bien del argumento, digamos que obtienes una estructura cristalina de una enzima. ¿Cómo determinarías los residuos catalíticos? Bueno, harías conjeturas educadas. Mirarías la estructura y es probable que excluyas un montón de residuos. Aquellos que se encuentran en regiones no estructuradas tal vez, tal vez residuos que apuntan hacia el entorno, los residuos enterrados por completo, donde ningún sustrato podría acceder. Haría una lista de posibles residuos. Si sabe algo sobre la función (como sustratos, etc.) será más fácil.

Una vez que tienes residuos candidatos, bien podrías, supongo, intentar modelar un mecanismo. Pero no estoy al tanto de que alguien haya hecho eso con éxito (sin decir que no ha sucedido, solo que si lo ha hecho, no lo sé). Entonces, es más probable que esto sea cuando los mutes. Tal vez mute uno, y pruebe si todavía tiene actividad catalítica. Si lo hace, entonces es poco probable que este residuo juegue un papel crítico en la catálisis. Si no queda actividad, puede ser que sea uno de los residuos implicados en la catálisis. Pero también podría estar inactivo por otras razones no relacionadas. Tal vez este residuo hace que la proteína se doble de manera diferente (se puede tratar de criar a este mutante), tal vez sea necesaria para una modificación postraduccional, para la interacción con otra cosa que es importante, ¿tal vez esto hace que la proteína sea inestable y se degrade? Podría haber muchas explicaciones para que no funcione. Pero si no funciona (funcionalmente), existe al menos una posibilidad de que este residuo sea importante para la catálisis real.

Quizás tengas suerte; encuentra un par de residuos que anulan completamente el efecto enzimático, y ninguna otra mutación lo cambia (escenario de sueño improbable, si la ciencia fuera así de fácil, los investigadores no necesitaríamos entrenar durante años y décadas para desarrollar la mentalidad de hacer eso). Luego puedes volver al cristal y ver dónde están en relación el uno con el otro. ¿Esto tiene sentido? ¿Están lo suficientemente cerca como para que puedan estar involucrados con la misma molécula de sustrato (o entre sí)? Tal vez, si eres extremadamente afortunado, mutando uno de estos aún permita la unión del sustrato, pero no la catálisis. Puede probar esto con, por ejemplo, unión de radioligando / radiosubstrato. Si es así, podrías intentar cristalizar. Porque ahora, hay una remota posibilidad de que puedas cristalizar la proteína con el sustrato. Y luego estás en el buen camino. Luego puede ver si todos los residuos identificados en la pantalla de mutaciones realmente pueden interactuar con las partes correctas de la molécula de sustrato. Si esto se soluciona, estás empezando a tener un caso bastante fuerte.

Entonces, segunda parte. ¿Para qué más puedes usar una estructura de cristal (o cualquier tipo de proteína)? Tal vez las cosas, es la respuesta corta. Muchos están relacionados con algunas de las cosas anteriores, pero no necesariamente específicas para las enzimas.

A menudo lo usará para confirmar datos de estudios bioquímicos. Puede usarlo para hacer predicciones sobre todo tipo de aspectos funcionales, no solo sobre el centro catalítico de las enzimas. Puedes usarlo para hipostizar un montón de cosas sobre la función de la proteína. Socios vinculantes. Incluso para crear compuestos sintéticos que interactúen. Que es más o menos todas las drogas . Ever (bastante). Ambas drogas como MDMA, pero también casi todas las medicinas han sido racionalmente diseñadas).