¿Por qué el plegamiento de proteínas es un problema importante? ¿Cuáles son sus aplicaciones?

¿Por qué el plegamiento de proteínas es un problema importante?

Cuando una molécula de proteína se pliega, oculta algunos de sus componentes dentro del pliegue y expone otros componentes en su superficie externa. Los componentes ocultos no están disponibles para otras interacciones moleculares, mientras que los componentes externos son los que están disponibles para reaccionar con otras moléculas. Los componentes externos expuestos también determinan la carga efectiva de las proteínas, que es crítica para las interacciones proteína-proteína, y para unirse a otras moléculas. Además, la forma del plegado influye en la configuración espacial de los componentes reactivos externos. Esto es increíblemente importante para la función de la proteína, que a menudo sirve como una especie de “cerradura y llave” con la cual la proteína se une y reacciona con otros componentes celulares: es decir, plegado incorrecto, sin reacción.

¿Cuáles son sus aplicaciones?

Digamos que usted es un psicofarmacólogo interesado en desarrollar una mejor medicación psiquiátrica. El problema es diseñar una molécula que se una a la superficie interna del axón de una neurona (el “extremo comercial”) y abrir selectivamente un canal molecular en la membrana a través del cual pasará un neurotransmisor específico. Para lograr esto, necesita conocer la geometría molecular del canal de la membrana, y luego sintetizar una proteína cuya geometría plegada coincide con las características del canal. No es suficiente simplemente sintetizar una proteína con el número correcto de cargas, porque todas las proteínas, que son una larga serie de aminoácidos con varias cadenas laterales reactivas unidas, se verán obligadas (por Van Der Wall y otras fuerzas locales) a replegarse en una estructura tridimensional compleja. Tienes que descubrir cómo se organizan los sitios de unión en la proteína plegada, para que la proteína se una eficazmente al canal.

Esta pregunta realmente se divide en dos partes:

1) ¿Por qué es importante conocer la estructura de las proteínas?
2) ¿Cómo es la comprensión del “plegamiento” relevante para la estructura de la proteína?

Para responder (1):
Las proteínas son sin duda el componente más importante de todos los organismos vivos en la tierra. La función de las proteínas está determinada por su estructura.
Además de la “investigación pura” básica, entender la estructura de las proteínas es clave para entender su función, incluidas muchas enfermedades, y con frecuencia para encontrar curas para ellas.

Para responder (2):
La estructura primaria (o secuencia) de proteínas es bien conocida en casi todos los casos. Se puede determinar experimentalmente y está codificado directamente por ADN. En otras palabras, conocemos la secuencia de todas las proteínas humanas y muchas proteínas de animales / plantas / bacterias / hongos / virus.
Las proteínas consisten en una o múltiples cadenas de aminoácidos. Lo que les da a las proteínas su estructura tridimensional es el “plegamiento” de estas cadenas o aminoácidos.

En contraste con la facilidad de determinar la secuencia, encontrar la estructura tridimensional de las proteínas es un problema muy difícil experimentalmente. Hay muchas proteínas importantes en las que todavía no conocemos la estructura tridimensional.

• La principal técnica para determinar la estructura atómica de una proteína es la cristalografía de rayos X. Como su nombre lo indica, esto depende de cristalizar la proteína que desea estudiar. Muchos estudiantes de doctorado han pasado años probando miles de condiciones experimentales, solo para descubrir que simplemente no podían crear cristales adecuados.
  Incluso una vez que haya creado tal cristal, necesita una fuente de rayos X, generalmente un sincrotrón, luego calcula la densidad a partir de un patrón de difracción, y luego intente ajustar la secuencia conocida en esta estructura para crear un modelo atómico adecuado.
• Una técnica alternativa es RMN multidimensional que funciona en proteínas en solución. Sin embargo, requiere concentraciones significativas de proteínas, generalmente marcadas con isótopos específicos (15N o 13C), e incluso una vez que tienes una buena muestra, es un proceso complicado, que se vuelve imposible para proteínas muy grandes y muy difícil para proteínas transmembrana . En el mejor de los casos, es un proceso que consume mucho tiempo.

Una forma alternativa de determinar la estructura es el modelado basado en la secuencia. En principio, las fuerzas e interacciones de átomos individuales en una molécula son razonablemente bien conocidas. Parece que “deberíamos” poder predecir la estructura, basado puramente en la secuencia. Esto es probablemente lo que usted considera el “problema del plegamiento de proteínas”.

En la práctica, estamos muy lejos de calcular la estructura de los “primeros principios”. Sin embargo, somos bastante buenos para encontrar patrones. Entonces, si un segmento de una proteína es similar a otras proteínas (y muchas lo son), entonces podemos hacer una buena conjetura sobre la estructura. También podemos utilizar el modelado molecular para pasar de una primera conjetura a una estructura “optimizada”.

Puede encontrar muchos buenos libros / sitios web / charlas sobre la determinación de la estructura de proteínas y el plegamiento de proteínas, pero tal vez esto le da una idea de por qué es un problema importante y difícil.

El problema puede establecerse: dada la estructura primaria de una proteína, es decir, la secuencia de aminoácidos, predice sobre principios físico-químicos su estructura 3D plegada. Para resolver “El problema del plegado de proteínas”, no está permitido utilizar Swiss-Prot u otras bases de datos de estructuras proteicas conocidas. Para resolver el problema de manera justa, tienes que descubrir la forma en que la naturaleza resuelve el problema cada vez que sintetiza una proteína en un ribosoma y la dobla.

Es un problema tan bueno y probablemente tan hermoso que las consecuencias de resolverlo y obtener una nueva comprensión de la forma en que funciona la naturaleza son tan difíciles de predecir como la solución misma.

¡La respuesta de David Thaler es excelente! Notaré que aunque hay muchos escándalos en el campo de que un premio Nobel por descubrir la solución al problema del plegamiento de proteínas es inminente, esa “solución” no cumplirá con la definición de David. Si bien ha habido un gran éxito en la predicción de modelos bastante precisos de estructuras de proteínas plegadas a partir de la secuencia de aminoácidos, las predicciones NO incluyen una descripción físico-química del proceso por el cual se forman estas estructuras.

Entre las muchas dificultades que presenta este problema está nuestra falta de comprensión de las propiedades de las proteínas desplegadas. Debido a esta escasez de información, este estado termodinámicamente importante de todas las proteínas a menudo se pasa por alto. Sin embargo, la mayoría de los dominios proteicos muestrean este estado muchas veces durante el curso de su vida celular, por lo que la naturaleza resuelve el “problema de plegamiento de proteínas” para una molécula de proteína dada más de una vez y en diferentes contextos (por ejemplo, dentro y fuera del ribosoma). Realmente no tenemos una comprensión definitiva de cómo lo hace, particularmente al comienzo del proceso cuando las cadenas de proteínas adoptan números verdaderamente astronómicos de estructuras distintas.

Estoy de acuerdo con David en que una VERDADERA solución para el plegamiento de proteínas requerirá una comprensión tan profunda de la hermosa complejidad de la naturaleza, que se revelarán muchos más principios fundamentales que solo los necesarios para predecir cómo se pliegan las proteínas.

Porque la forma en que se pliega determinará su forma tridimensional y la posición de los grupos laterales cargados, los grupos hidrofóbicos e hidrofílicos y otros aspectos, que determinarán cuál será la función de la proteína.

Las moléculas de proteína son responsables de casi todas las funciones biológicas en las células. Para cumplir sus diversos roles biológicos, estas moléculas tipo cadena deben plegarse en formas tridimensionales precisas. El plegamiento incorrecto y el agrupamiento de proteínas se está reconociendo como la causa de un número creciente de enfermedades relacionadas con la edad, que incluyen el Alzheimer y la enfermedad de Parkinson, así como otros trastornos neurodegenerativos.

En pocas palabras, la estructura es igual a la función. Si una proteína no se pliega adecuadamente, no podría realizar su función en el cuerpo ya que todas las máquinas de señalización y las enzimas son todas estructuras altamente específicas y no reconocerían una proteína plegada incorrectamente. Además, se sabe que las proteínas mal plegadas (conocidas como priones) causan algunos trastornos neurológicos letales y muy raros denominados EET (encefalopatías espongiformes transmisibles), para los cuales todavía no tenemos una cura, como la enfermedad de Creutzfeldt-Jacob. Entonces, el plegado correcto de una estructura proteica es muy importante.

Creo que la verdadera pregunta ahora es por qué la mayoría de las proteínas grandes NO se doblan espontáneamente (o al menos no son rápidas y eficientes Y no se agregan).

Esto lleva a la siguiente pregunta de cómo las chaperonas moleculares (y proteasas) ayudan en el plegamiento de proteínas. Grandes incógnitas allí, pero por suerte muchas nuevas técnicas de una sola molécula comienzan a completar la imagen …

(para una primera impresión, por ejemplo: remodelación de la búsqueda conformacional de una proteína por el factor desencadenante chaperona)

Creo que es un problema que podría resolverse utilizando concepciones matemáticas de entupy e información, opciones posibles frente a elecciones fáciles, considerando la capacidad de los sistemas biológicos para asociar los beneficios. La idea crucial para entender el proceso de plegamiento parece ser que una vez que se realiza una determinada elección, ciertos aminoácidos se unen, las próximas elecciones se vuelven más probables, y las elecciones finales ni siquiera son “elecciones” en absoluto. Creo que doblar es más un problema matemático, no biológico o bioquímico. Existe un ‘marco’ físico-químico en cuya base están las matemáticas, principalmente la teoría de la probabilidad, ciertas reglas de interacción entre diferentes grupos químicos, incl. concepción de energía mínima. Las propiedades mecánicas de una cadena polipeptídica parecen desempeñar un cierto papel también. Es por eso que el plegamiento de proteínas parece un desafío biofísico: lo suficientemente justo y fundamental como para pasar el tiempo después de que el diploma esté terminado.