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¿Hay alguna secuencia de estructura primaria que sugiera fuertemente una hoja b o una hélice alfa?

¿Hay alguna secuencia de estructura primaria que sugiera fuertemente una hoja b o una hélice alfa?



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¿Existe una secuencia particular de aminoácidos que sabemos que tomará una hoja beta o una hélice alfa o es esencialmente aleatoria?


Sí, hay ciertas secuencias de aminoácidos que tienden a formar hélices alfa y otras que prefieren formar láminas beta. No existe una correspondencia perfecta entre secuencia y estructura, pero existe una relación estadística en la que la presencia de ciertos aminoácidos en secuencias particulares hace que una conformación u otra sea más probable. Por ejemplo, la alanina, el glutamato, la leucina y la metionina tienden a estar presentes en las hélices alfa.

Este tema se ha estudiado durante aproximadamente 50 años y hay muchos métodos disponibles para predecir características estructurales a partir de una secuencia de aminoácidos. Consulte esta lista de software disponible y este artículo sobre la predicción de la estructura de proteínas en general.

Vea esta tabla de otra respuesta en este sitio que muestra qué aminoácido individual prefiere qué estructura secundaria (un valor más alto muestra una preferencia más alta):


¿Hay alguna secuencia de estructura primaria que sugiera fuertemente una hoja b o una hélice alfa? - biología

El esquema general para los últimos laboratorios es familiarizarse con los programas utilizados para analizar secuencias y estructuras de proteínas utilizando algunos ejemplos de proteínas. A cada uno se le asignará una proteína para explorar individualmente, utilizando las técnicas que analizamos en el laboratorio. Debe haber tiempo durante el laboratorio para que pueda trabajar en sus proyectos individuales, aunque es posible que deba hacer algo de trabajo fuera de la clase. Esta sección se centra en la proteómica, que es el estudio de la estructura y función de las proteínas utilizando computadoras, bases de datos y secuencias / estructuras de proteínas. La primera sección proporciona una revisión gráfica de la estructura de la proteína desde el nivel primario hasta el cuaternario.

Las estructuras de proteínas se pueden representar de varias formas. Muchas veces se utilizan versiones de dibujos animados para enfatizar dónde existen elementos de estructura secundaria. Debajo del mismo, el segmento que abarca los aminoácidos Leu25 a Glu35 se ha representado en una de tres formas (dibujos animados, líneas y palos o esferas). Como dibujo de caricatura, solo se representan los segmentos de la cadena principal y toda la información de la cadena lateral se deja fuera de la representación final. Esta opción de visualización siempre por claridad y elementos secundarios fácilmente reconocibles. Las líneas y las existencias se utilizan a menudo para una sección más pequeña de una proteína. Las líneas y palos en cierto sentido representan los enlaces compartidos entre los átomos. En conjunto, cada átomo se puede representar con un color único. En el dibujo a continuación, los átomos de carbono son verde, azul nitrógeno, rojo oxígeno y amarillo azufre. Finalmente, se pueden representar estructuras de proteínas donde cada átomo se suministra como una esfera (volumen). En este tipo de representación se puede atestiguar la compacidad de la proteína.

Lisozima se utilizará para enfatizar ciertos aspectos de la estructura de las proteínas. A continuación se muestra una versión de dibujos animados de la lisozima en dos orientaciones. El dibujo de la caricatura muestra varias estructuras secundarias coloreadas por tipo, donde el rojo (hélices alfa), el amarillo (hebras beta) y el verde (bobina aleatoria).

Rodopsina se utilizará para enfatizar los dominios transmembrana al final de esta práctica de laboratorio.

Estructura primaria (1 ) está englobado por la secuencia de aminoácidos. Los aminoácidos adyacentes se unen mediante un enlace peptídico. El sitio web del NCBI tiene interfaces útiles de análisis de aminoácidos bajo el Todos los recursos (A-Z) y luego en Amino Acid Explorer.

La secuencia primaria se puede utilizar para predecir posibles elementos estructurales secundarios. Además, se pueden alinear varias secuencias primarias de la misma proteína de diferentes fuentes para identificar identidades y similitudes. Este tipo de comparación de alineación es útil durante la predicción de lo que se denomina dominios conservados. Más sobre esto más adelante.

Búsqueda de secuencia primaria

Hay muchas formas de buscar, importar, ver y analizar secuencias primarias de una variedad de bases de datos diferentes. Un servidor de proteómica muy utilizado es ExPASY. En el sitio ExPASY podríamos ir a la sección de bases de datos y encontrar una secuencia de proteínas por nombre y organismo. También podemos buscar una secuencia de proteínas usando NDJINN dentro de Biology Workbench.

  • Vaya al sitio de ExPASY y en el cuadro abierto en la esquina superior derecha busque lisozima.

  • Bajo la Bases de datos haga clic en UniProtKB

  • En Consulta tipo de ventana lisozima

  • Clickea en el Los campos Enlace

  • Desplácese a Organismo

  • Escribir Pollo

  • Hacer clic Agregar & amp; Búsqueda

  • Haga clic en P00698

  • Bajo la Secuencias haga clic en el área FASTA Enlace

  • Copie y pegue solo la secuencia de proteínas en un archivo (use Programa de Bloc de notas)

  • Esta secuencia se utilizará más tarde

Esta página web proporciona mucha información basada en la secuencia primaria que seleccionó para la lisozima. La página proporciona el nombre de la proteína, la longitud de la secuencia, el organismo derivado, la función de la proteína, los sitios importantes y los aminoácidos dentro de la proteína e incluso un mapa de los elementos estructurales secundarios (más sobre esto más adelante).

Estilo de banco de trabajo de biología

  • Vaya al sitio de Biology Workbench.

  • En el Herramientas de sesión área Iniciar nueva sesión

  • Entra en el Herramientas de proteínas zona

  • Debajo del área del programa, haga clic en NDJINN

  • En el cuadro blanco, escriba lisozima y pollito

  • Seleccione la base de datos SWISSPROT para buscar

  • Hacer clic Buscar

  • Seleccione la primera secuencia SWISSPROT: LYG_CHICK

  • Importar esta secuencia

Una vez que tenga esta secuencia en su Herramientas de proteínas área, puede someterlo a una serie de otros programas dentro Banco de trabajo de biología.

Estructura secundaria (2 ) se forma a través de un patrón repetido de enlaces de hidrógeno compartidos entre los grupos NH y CO de la cadena principal. Hay dos formas comunes de elementos estructurales secundarios, denominados hélice alfa y hoja beta.

Ubicación de alpha-helix

Hélices alfa se forman a través de una serie de enlaces de hidrógeno intracatenarios. El enlace se forma entre el oxígeno del carbonilo (CO) en el número de residuo ny el hidrógeno de amida (NH) en el residuo n + 4. Esta disposición repetida de enlaces de hidrógeno produce 3,6 aminoácidos por turno, lo que lleva a un aumento de 5,4 por turno de alfa- hélice.

Representación superficial de lisozima

Las hélices alfa a menudo tienen una apariencia de lados, donde un lado es predominantemente polar y el otro es claramente hidrofóbico. Este tipo de hélice alfa se denomina anfipático.

Hélice alfa dentro de lisozima

Las láminas antiparalelas se forman a partir de hebras adyacentes orientadas en dirección opuesta.

Hojas Beta también se ensamblan a partir de enlaces de hidrógeno entre átomos de oxígeno carbonilo (CO) y amida de hidrógeno (NH). Sin embargo, los enlaces de hidrógeno no forman una naturaleza periódica repetida. Estos enlaces de hidrógeno se forman a través de cadenas beta adyacentes y, por lo tanto, son difíciles de predecir a partir de la secuencia primaria.

Hoja beta en lisozima

Se forman láminas beta paralelas entre hebras adyacentes dispuestas en la misma dirección.

La estructura de hélice beta es otra forma en que se pueden utilizar hebras beta paralelas para construir estructuras terciarias y cuaternarias. El plegado de esta estructura avanza progresivamente desde arriba hacia abajo envolviendo hebras beta paralelas en bobinas. Esto se asemeja a enrollar alambre alrededor de un lápiz. Las imágenes a continuación informan de la forma de bobina que proporcionan las hebras paralelas.

Hilos b paralelos apilados

La predicción de la estructura secundaria se puede realizar utilizando varios programas diferentes. Estos programas se han escrito sobre la base de muchas estructuras proteicas 3D conocidas. Las estructuras de proteínas se han resuelto y depositado en una base de datos conocida como RCSB Protein DataBank (PDB) durante más de 33 años. Las primeras 13 estructuras de proteínas se resolvieron y depositaron en 1976 y, al 1 de enero de 2010, se han determinado y enviado al PDB más de 62.000 estructuras de proteínas. Uno de los algoritmos originales escritos para predecir la estructura secundaria fue diseñado por dos científicos, Chou y Fasman. Su Método Chou-Fasman se ha utilizado con éxito para predecir muchos elementos secundarios solo a partir de las secuencias primarias.

(1) Se utilizó un conjunto de estructuras proteicas conocidas de RCSB PDB (estructuras conocidas con ubicaciones de hélices alfa, láminas beta y bobinas aleatorias). De hecho, también sabían qué aminoácidos había en cada tipo de elemento secundario.

(2) Probabilidad asignada de encontrar un aminoácido en hélice, hoja o espiral (no es un elemento secundario)

(3) Diseñó un algoritmo de escaneo para la predicción de la estructura secundaria a partir de secuencias lineales de aminoácidos.

(1) Seleccione 15 estructuras proteicas conocidas con 2473 aminoácidos totales (AA)

(2) Desglose dónde se ubicaron estos 2473 AA (hélice, hoja, bobina)

(3) Derive un procedimiento de normalización para predecir

alfa y # 8211 AA comunes son glu, ala, leu y su

beta y # 8211 AA comunes se cumplen, val, ile, cys

bobina y # 8211 AA comunes son gly, ser, pro, asn

(1) Definir F = frecuencia de ciertos AA en hélice, hoja o giro (# AA en elemento secundario / AA total)

(2) Defina la frecuencia media & ltF& gt = suma del total F para todos los AA en una categoría / 20 AA (proporciona la frecuencia de cada AA en hélice, hoja o bobina)

(3) Defina el parámetro conformacional de la proteína para cada AA como P = f / & ltf & gt (proporciona el factor de normalización para predecir si un AA se encuentra en la hélice, hoja de espiral)

(4) P & gt1 .0 fuerte indicación de AA que se encuentra dentro de ese elemento secundario

(1) Punto de nucleación - grupo de 4 formadores de hélice (Pa & gt 1.0) o 3 de cada 5 formadores beta (PB& gt1.0

(2) Terminación Helix / Beta: extiéndalo en ambas direcciones hasta que el tetrapéptido golpee con P & lt 1.0

(3) Pro no en hélices ni Glu / Pro en hojas

(4) Límites: Pro, Asp, Glu prefieren el extremo N-terminal, His, Lys, Arg prefieren el extremo C-terminal (debido al dipolo de la hélice)

(4) La hoja beta necesita 5 aminoácidos o más con P B & gt 1.05 y P B & gt P a para esa región

(1) 2473 aminoácidos totales (AA)

(2) 890 AA en hélices alfa, 424 AA en hoja beta 1159 AA en bobinas


(3) Factor de normalización (Valor p) por Alanina

Frecuencia de Alanina en hélice, hoja o bobina

& # 8211228 alaninas totales (119 en hélice, 38 en hoja, 71 en bobina)

F a = 0.522 hélice, F B = 0,167 hoja, FC = 0.311 bobina

F a/ & ltF a& gt = 0.522 / 0.359 = 1.45 para alanina (alta probabilidad de hélice)

F B / & ltF B & gt = 0.167 / 0.171 = 0.97 (menor probabilidad de hoja)

-FC / & ltFC & gt = 0.311 / 0.469 = 0.63 (bobina de baja probabilidad)

(1) Formadores de hélice alfa fuertes Glu, Ala, Leu

(2) Formadoras de hojas beta fuertes Val, Ile, Tyr, Cys

(3) Formadores de bobinas / disyuntores de hélice resistentes Gly, Pro

Predicción manual de estructuras secundarias

Asigne un conjunto de valores P a la (s) siguiente (s) secuencia (s)

Arg Asn Ala Glu His Lys His Ala Glu Leu Gly Pro

Predecir si es más probable que este tramo de aminoácidos sea una hélice alfa, una hoja beta de una espiral

Predicción de estructura secundaria basada en computadora

También podemos usar EXPASY Proteomics Server y Biology Workbench para hacer predicciones de elementos de estructura secundaria para una secuencia primaria de entrada.

  • Ir a FÁCIL

  • En el área de Herramientas, resalte Predicción de estructura secundaria

  • En esta sección hay muchos métodos para predecir la estructura secundaria a partir de la secuencia primaria.

  • También puedes volver a P00698

  • Esta página tiene opciones para analizar la secuencia de lisozimas directamente

  • En las secciones de Secuencias, use el menú desplegable debajo de Instrumentos

  • Seleccione ProtScale y presiona ir

  • A partir de aquí hay una serie de herramientas de análisis diferentes.

  • Uno es la hélice alfa Chou-Fasman

  • Seleccionar y ejecutar este programa

Estilo de banco de trabajo de biología

  • Vaya al sitio de Biology Workbench.

  • Seleccione la secuencia de lisozima

  • Correr PELE

  • Ver el JOI (mejor predicción compuesta)

Estructura terciaria (3 ) Consiste en el colapso de los elementos secundarios impulsado por efecto hidrofóbico. El efecto hidrofóbico se explica por la colocación de los aminoácidos no polares en el interior de la proteína finalmente plegada. Esto aumenta la entropía del agua y se cree que es la fuerza impulsora durante el plegamiento de proteínas. Vinculando a esto

Interacciones hidrofóbicas


Estructura cuaternaria (4 )
utiliza todo el deshuesado descrito para la estructura terciaria. Una vez más, está impulsado por interacciones entre grupos R. Sin embargo, esta estructura de alto orden ensambla la estructura terciaria monomérica en oligómeros. Los dímeros, trímeros, tetrámeros, pentámeros y hexámeros son todos tipos comunes de estructura oligomérica o cuaternaria. Cada una de estas formas de estructuras cuaternarias están dispuestas simétricamente.

Lactato deshidrogenasa (LDH) se muestra en sus formas monomérica y tetramérica coloreada por la estructura secundaria.

Además, el tetrámero de LDH está coloreado por cadena y se muestra tanto en dibujos animados como en fasion de superficie. Las líneas de simetría son evidentes a partir de estas dos últimas vistas.

Esta vista de cerca muestra una interacción hidrófoba y un par de iones compartido entre las cadenas laterales de subunidades opuestas. Estas interacciones solo ocurren en forma oligomérica como dímero.

Malato deshidrogenasa El dímero (MDH) se ha mostrado y coloreado por cadena. Cada cadena polipeptídica individual tiene su propio color. La apariencia simétrica es evidente en esta vista. Las interacciones entre las subunidades se han representado en las siguientes dos vistas.

Patrones, motivos y dominios

Patrones o los sitios son pequeñas secciones de aminoácidos consecutivos que albergan una función o son una ubicación sujeta a modificación. Algunos ejemplos son los sitios de fosforilación (fosfato), glicosilación (azúcar) y miristilación (grasa). Estos sitios son redundantes en las proteínas porque están definidos por solo unos pocos aminoácidos. Por lo tanto, dentro de una proteína típica que tiene

200 aminoácidos, la probabilidad de encontrar una secuencia de tres aminoácidos es común.

Motivos (o estructura supersecundaria) se construyen a partir de disposiciones simples de elementos secundarios y, por lo general, solo estructurales. Algunos motivos comúnmente reclutados son estructurales e incluyen la horquilla beta, la llave griega, el dedo de zinc, el motivo beta-alfa-beta y el motivo de hélice alfa-vuelta-hélice alfa. Estos elementos estructurales son estables y se utilizan para conectar elementos de cadena beta. La horquilla beta se utiliza para conectar hebras antiparalelas adyacentes, mientras que el motivo beta-alfa-beta conecta hebras paralelas.

Motivo estructural de horquilla beta

Algunos motivos se construyen a partir de arreglos mucho más pequeños de aminoácidos que están bastante separados en la secuencia primaria. Por ejemplo, la tríada catalítica de la familia de la tripsina contiene un ácido aspártico-102, una histidina-57 y una serina-195 ubicados dentro del activo en estrecha proximidad. Sin embargo, a partir de la estructura priaria, no se podría predecir que estos tres residuos se encuentran muy próximos para formar un motivo funcional dentro del sitio activo de la tripsina. Fue solo después de que se llevaron a cabo otros estudios bioquímicos y estructurales que permitieron que estos tres residuos se agruparan en el motivo de la tríada catalítica de la familia de las tripsina. Varios programas como PROSEARCH y PPSEARCH buscará el PROSITE base de datos de motivos y patrones.

Motivo funcional de tripsina

Dominios son conocidos como funcional unidades dentro de las proteínas. Los rangos de tamaño de los dominios van desde un mínimo de 36 aminoácidos hasta 692 aminoácidos. La mayoría de los dominios tienen menos de 200 aminoácidos y el dominio promedio alberga 100 aminoácidos.

Dominios conservados están funcional regiones dentro de las proteínas que se unieron durante la evolución molecular. En este sentido, se pueden generar nuevas proteínas con diferentes conjuntos de funciones a lo largo del tiempo que conducen a cambios evolutivos. Estos tipos de dominios aparecen como grupos de secuencias de aminoácidos. De hecho, estos arreglos únicos de grupos de aminoácidos se utilizan para identificar el llamado dominio conservado. Los alineamientos de secuencias múltiples proporcionan información sobre dónde se encuentran los dominios conservados plausibles en una secuencia de proteína.

Un segundo tipo de clasificación de dominio es Dominios 3D. Estos dominios se basan en formas tridimensionales conocidas y conservadas de proteínas. Los dominios 3D se reclutan durante la evolución como unidades funcionales y plegadas de forma estable. A dominio conservado Es posible que aún no tenga un dominio 3D representativo. Una predicción de dominio 3D requiere que se demuestre una estructura 3D conocida durante la comparación. El programa INTELIGENTE-Herramienta de investigación de arquitectura modular simple se puede utilizar para encontrar dominios funcionales en secuencias primarias.

En la esquina superior de la página de inicio de RCSB, el enlace PDB Stastistics proporciona información interesante sobre las diversas estructuras de proteínas depositadas en el RCSB PDB. Uno de los datos más interesantes es el número de pliegues determinado por año. Como puede ver, a mediados de la década de 1980 hubo un aumento constante en el número de pliegues de proteínas totales. Este aumento alcanzó su punto máximo en 2007.

Predicción de patrones, motivos y dominios

Hay varios programas disponibles para buscar en la secuencia primaria sitios, motivos y dominios. Estos programas examinan bases de datos que han compilado conjuntos de sitios, motivos y dominios únicos. Estas bases de datos crecieron rápidamente en las décadas de 1980 y 1990 basándose en estudios funcionales y estructurales de muchas proteínas nuevas.

  • Ir a EXPASY

  • Bajo la Herramientas y software de amplificación área haga clic en el Herramientas de proteómica

  • Ve a la Patrón y perfil búsquedas

  • Haga clic en PPSearch

  • Seleccionar y ejecutar este programa

  • Copie y pegue el lisozima secuencia en la caja

  • Hacer clic debajo IncluirPatrones abundantes

  • El cuatro PD los enlaces proporcionan información sobre los patrones

  • Se encuentran enlaces adicionales en la página del patrón.

  • los PRU el enlace proporciona la regla básica

  • los PDOC enlace proporciona un párrafo de información

Estilo de banco de trabajo de biología

  • Seleccione la secuencia de lisozima

  • Envíe esta secuencia a PPSEARCH

  • Haga clic en Incluir patrones redundantes

  • Coincidencias de salida PPSEARCH de EXPasy

  • Entrez se puede utilizar para buscar motivos y dominios

  • Haga clic en CDD & # 8211 conserved protein domain database

  • Haga clic en los métodos de búsqueda

  • Copie y pegue la secuencia de lisozima en el Secuencia de consulta de proteínas ventana

  • Usar CDDv2.18 como el Buscar Base de datos

  • Presiona enviar

  • Pase el mouse sobre los distintos dominios que se encuentran en los triángulos / líneas rojos

Patrones y motivos Estilo EXPASY

  • Ir a EXPASY

  • Bajo la Herramientas y software de amplificación área haga clic en el Herramientas de proteómica

  • Ve a la Patrón y perfil búsquedas

  • Haga clic en PPSearch

  • Seleccionar y ejecutar este programa

  • Copie y pegue el piruvato quinasa secuencia en la caja

  • Hacer clic debajo IncluirPatrones abundantes

  • El cinco PD los enlaces proporcionan información sobre los patrones

  • Los enlaces adicionales se encuentran en la página del patrón.

  • los PRU el enlace proporciona la regla básica

  • los PDOC enlace proporciona un párrafo de información

Dominios SMART Style

Envíe la secuencia de piruvato quinasa para su análisis bajo el Dominios PFAM


Regiones transmembrana

Algunas proteínas tienen una porción de su secuencia de aminoácidos incrustada dentro de la bicapa lipídica. Estas áreas de la secuencia de proteínas que están incrustadas dentro de una bicapa deben ser hidrófobas. Existen programas bioinformáticos que son capaces de predecir la hidrofobicidad de una secuencia de aminoácidos. De nuevo ambos EXPASY y Banco de trabajo de biología tener algunos de estos programas accesibles.

BANCO DE TRABAJO DE BIOLOGÍA contiene tres programas para determinar regiones de hidrofobicidad en una proteína y dominios potenciales que atraviesan la membrana. Ingrese a Biology Workbench y seleccione su secuencia en Protein Tools. A continuación, seleccione uno de los programas que se enumeran a continuación.

GRASA le permite generar perfil de hidropatía Kyte-Doolittle. Esto no predice la estructura secundaria, por lo que detectará dominios transmembrana de hélice alfa y hoja beta. Los números superiores a 0 indican un aumento de la hidrofobicidad, los números inferiores a 0 indican un aumento de los aminoácidos hidrofílicos.

TMHMM le permite predecir la ubicación de las hélices alfa transmembrana y la ubicación de las regiones de bucle intermedias. Este programa también predecirá qué bucles entre las hélices estarán dentro o fuera de la célula u orgánulo. Este programa no detectará dominios transmembrana de hoja beta. Se necesitan aproximadamente 20 aminoácidos para abarcar una bicapa lipídica en una hélice alfa. Los programas pueden detectar estos dominios transmembrana buscando la presencia de una hélice alfa de 20 aminoácidos de longitud, que contienen aminoácidos hidrófobos.

TMAP utiliza un perfil de hidropatía Kyte-Doolittle para detectar dominios transmembrana. Esto no requiere que el dominio sea una hélice alfa, como en TMHMM. También proporciona los números de aminoácidos para el dominio transmembrana. Esto es especialmente útil para detectar péptidos señal. Un péptido señal es una secuencia hidrófoba corta en el extremo amino de las proteínas eucariotas dirigidas al retículo endoplásmico y, a menudo, a la secreción.

Predicción transmembrana

Una predicción de las regiones hidrófobas de las proteínas se basa en el índice de hidropatía. Los números superiores a cero indican naturaleza hidrófoba, mientras que los valores inferiores a cero indican hidrofilia.

En BANCO DE TRABAJO DE BIOLOGÍA, vaya a herramientas de proteínas

Ejecute GREASE, TMHMM y TMAP


SEGMENTOS TRANSMEMBRANOS PREDECIDOS


0_LYG_CHIC Número de TMH pronosticados: 1

0_LYG_CHIC Exp número de AA en TMH: 20,46703

0_LYG_CHIC Número de exp, primeros 60 AA: 20.18892

0_LYG_CHIC Problema total de N-in: 0.45484

0_LYG_CHIC POSIBLE Secuencia de señales de N términos

0_LYG_CHIC TMHMM2.0 fuera de 1 9

0_LYG_CHIC TMHMM2.0 TMhelix 10 32

0_LYG_CHIC TMHMM2.0 interior 33 211


En BANCO DE TRABAJO DE BIOLOGÍA, vaya a herramientas de proteínas

Utilice NDJINN para localizar archivos que contienen las secuencias de proteínas de rodopsina (HSU49742)

Utilice el GBPRI para buscar solo secuencias de primates

Importe esta secuencia y ejecute GREASE, TMHMM y TMAP.

Salida de grasa

SEGMENTOS TRANSMEMBRANOS PREDECIDOS

TM 7: 284 - 304 (21)

Informe de la Unidad 4 (50 puntos en total)

Nos gustaría un informe escrito formal con la siguiente información. No pegue las preguntas, estas son solo para ayudarlo a organizarse. Puede crear cifras en su informe haciendo clic con el botón derecho en una imagen y luego copiarla y pegarla en su informe. No agregue muchos resultados adicionales, es decir, nombres y números de acceso de Biology Workbench, solo la figura y la leyenda de una figura, y luego explique lo que significa en su informe racional y bien escrito.

1. Realice una BLASTP en su secuencia asignada contra el PDBFINDER (secuencia de la proteína de una estructura cristalina) y SWISSPROT-HUMAN (secuencia del ADN) bases de datos en Banco de trabajo de biología (puede seleccionar ambos simultáneamente usando la tecla Ctrl) o usar BLASTP en el sitio de ExPASY directamente.

Incluya una breve descripción de un párrafo de la proteína que se le asignó, es decir, qué es, qué hace, se encuentra en alguna vía bioquímica, en qué órganos se encuentra, es intra o extracelular, péptido señal, dominios transmembrana, etc. Puede utilizar varios sitios para identificar la función de su proteína asignada (PROSEARCH, PPSEARCH, INTELIGENTE, GRASA, TMHMM, TMAP ExPASY UniPathway, ExPasy Enzyme etc). Para ayudarlo a guiarse, utilice la información sobre patrones, motivos, etc. a continuación.

Patrones y motivos

Utilizar cualquiera PPSEARCH o PROSEARCH para encontrar patrones y pequeños motivos. Puede utilizarlos en estilo ExPasy o Biology Workbench.

Dominios

Utilizar el INTELIGENTE site para buscar dominios funcionales en su secuencia.

Dominios transmembrana

Utilizar para GRASA, TMHMM, y TMAP para predecir cualquier dominio transmembrana. Utilice el sitio de Biology Workbench para esto.

Incluya resultados de estos programas para respaldar su discusión.

ExPASY UniPathway, ExPasy Enzyme

Utilice estos sitios bajo el EXPASIA página de inicio para ayudar a identificar su proteína (vía si es una enzima metabólica). ExPASY UniPathway puede proporcionar información sobre una ruta para su proteína, mientras que ExPASY Enzyme proporciona información sobre su enzima y también si usa el Vías bioquímicas enlace puede obtener una imagen de dónde funciona la enzima. los Herramientas y bases de datos relacionadas bajo el enlace Enzima también hay otras fuentes de información.

2. A PyMol imagen que contiene el 3D estructura de su proteína en dibujos animados en tres formas.

UNA. Una forma con las estructuras secundarias coloreadas por tipo.

Incluya una descripción comparativa de lo que predijo la salida de predicción de la estructura secundaria y lo que representa la estructura 3D real en su imagen A.

B. Una segunda imagen dibujada como caricatura con al menos un representante de cada patrón y motivo encontrado usando PPSEARCH O PROSEARCH. Cada motivo / patrón debe tener su propio color y representar las cadenas laterales como palos de colores coordinados.

Incluya una descripción de los motivos encontrados y resaltados en su imagen B.

C. Una tercera imagen (si es posible) que utiliza la salida SMART para codificar con colores varios dominios de forma independiente. Esto puede no ser posible para todas las secuencias de aminoácidos proporcionadas. Si tiene un dominio previsto, coloree estos por separado en un dibujo de caricatura.

Incluya una descripción de los dominios encontrados y su importancia funcional o estructural para su proteína como se muestra en la imagen C.

3. Una descripción de la familia de proteínas a la que pertenece su proteína (parálogos, Lab 4.2). Para esta parte de la unidad, nos gustaría que identificara e importe 6-7 secuencias de proteínas humanas relacionadas (no 6-7 secuencias diferentes de la misma proteína) y alinee estas secuencias. Intente elegir varios parálogos, no solo los más estrechamente relacionados, pero no baje mucho la puntuación de 100 o las alineaciones no serán muy buenas. Si hay un motivo conocido para la clase de proteína a la que pertenece su proteína, busque este motivo en sus secuencias alineadas.

Incluya una imagen de la alineación de la secuencia de aminoácidos y la alineación 3D de Consurf (Lab 4.3). ¿Qué regiones parecían estar conservadas? ¿Es esto coherente con lo que sabe sobre el sitio activo o el sitio de unión de la proteína?

4. Una descripción de la evolución de su proteína en diferentes especies (ortólogos, laboratorio 4.2). Para esta parte de la unidad, nos gustaría que identificara e importara 6-7 secuencias de proteínas de esta misma proteína de diferentes especies y alinee estas secuencias. Trate de elegir algunas especies lejanas para comparar, es decir, ¿puede encontrar esta proteína en levaduras o bacterias? Si hay un motivo conocido para la clase de proteína a la que pertenece su proteína, busque este motivo en sus secuencias alineadas.

Incluya una imagen de la alineación de la secuencia de aminoácidos y la alineación 3D de Consurf (Lab 4.3). ¿Qué regiones parecían conservadas? ¿Es esto coherente con lo que sabe sobre el sitio activo o el sitio de unión de la proteína? Si las alineaciones de parálogas y ortólogos funcionaron, incluya ambas en su informe final. Si no es así, solo incluya el que parece haber funcionado bien.

5. Una conclusión que resume sus hallazgos. Comente específicamente sobre lo siguiente

¿Dónde se ve la mayor similitud de secuencia en las alineaciones estructurales 3D? ¿Se conservaron más los ortólogos o los parálogos? ¿Es esto consistente con las funciones relativas de ortólogos y parálogos?

Incluya cómo estas herramientas bioinformáticas le han ayudado a comprender mejor la evolución y función de su proteína asignada. Si hubo limitaciones en los programas, menciónalas también, es decir, cuán precisos fueron los programas de bioinformática que usaste para predecir motivos, estructura secundaria, etc.

Nota: Al escribir este informe, no se limite a adjuntar el resultado de varios programas al final. usted DEBE incruste todos los resultados dentro del informe y cerca de donde está discutiendo su relevancia. Esto requerirá un poco de trabajo organizativo de su parte. No tiene sentido hablar sobre los patrones, motivos y dominios en la página 1 del informe y tener el resultado de apoyo en la página 5. Lo haré NO aceptar informes escritos donde las imágenes de varios programas simplemente se agregan al final.


Aplicaciones de péptidos diseñados de novo

3.2.2.2 Láminas β

Las láminas β se forman cuando varias hebras β se autoensamblan y se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno entre hebras, lo que lleva a la formación de láminas anfipáticas extendidas en las que las cadenas laterales hidrófobas apuntan en una dirección y las cadenas laterales polares en la otra (Fig. 3.1D, E). Al igual que las bobinas enrolladas, las láminas β pueden tener disposiciones paralelas, antiparalelas o mixtas de las hebras individuales, aunque la mayoría de las láminas naturales de las proteínas tienden a ser antiparalelas. Aparte del patrón de secuencia repetitiva, existen pocas reglas que gobiernen la formación de cadenas y láminas β, aunque se sabe que los aminoácidos con cadenas laterales ramificadas en β, por ejemplo, Val (V), Thr (T) e Ile (I), se prefieren [18,19]. Las hebras β también pueden ensamblarse en pequeñas estructuras conocidas como horquillas β, donde dos hebras antiparalelas se unen mediante un bucle corto desordenado.


II. Elementos básicos de la estructura de las proteínas

El otro elemento estructural principal que se encuentra en las proteínas globulares es la lámina & beta. Históricamente, se observó por primera vez como la forma & beta, o extendida, de las fibras de queratina. Se logró una comprensión aproximada de la estructura molecular involucrada mucho antes para la estructura & beta que para la & alfa, porque las distancias repetidas a lo largo de la fibra mostraban que la columna vertebral debe estar casi completamente extendida, lo que no dejaba muchas opciones de conformación incluso cuando los detalles de la geometría de la columna vertebral no se conocían bien. Astbury describió la estructura & beta en 1933 como cadenas rectas y extendidas con dirección de cadena lateral alterna y enlaces de hidrógeno entre cadenas antiparalelas adyacentes. Pauling y Corey (1951) describieron los patrones correctos de enlace de hidrógeno para las hojas & beta, tanto antiparalelas como paralelas, y también se dieron cuenta de que las hojas estaban "plisadas", con carbonos & alfa sucesivamente un poco por encima y por debajo del plano de la hoja. Algunas características de la estructura de & beta, como su torsión característica, no se reconocieron hasta después de que se hubieran visto varias hojas de & beta en estructuras de proteínas tridimensionales.

HIGO. 20. Un ejemplo de hoja beta y antiparalela, de Cu, Zn superóxido dismutasa (residuos 93-98, 28-33 y 16-21). Las flechas muestran la dirección de la cadena en cada hebra. Los enlaces de la cadena principal se muestran sólidos y los enlaces de hidrógeno están punteados. En el patrón característico de la hoja beta y antiparalela, los pares de enlaces de hidrógeno estrechamente espaciados se alternan con otros muy espaciados. La dirección de la vista es desde el disolvente, de modo que las cadenas laterales que apuntan hacia arriba son predominantemente hidrófilas y las que apuntan hacia abajo son predominantemente hidrófobas.

La lámina & beta está formada por hebras casi completamente extendidas, con ángulos & phi y & psi que caen dentro del mínimo de energía ancho y poco profundo en el cuadrante superior izquierdo de la gráfica de Ramachandran (ver Figuras 7 y 9). Las cadenas beta pueden interactuar en orientación paralela o antiparalela, y cada una de las dos formas tiene un patrón distintivo de enlaces de hidrógeno. Las Figuras 20 y 21 ilustran ejemplos de hojas beta y antiparalelas y paralelas de estructuras de proteínas reales. La hoja antiparalela tiene enlaces de hidrógeno perpendiculares a las hebras, y los pares de enlaces estrechamente espaciados se alternan con pares muy espaciados. Mirando desde la dirección N- a C-terminal a lo largo de la hebra, cuando la cadena lateral apunta hacia arriba, el par estrecho de enlaces H apuntará hacia la derecha. La lámina paralela tiene enlaces de hidrógeno espaciados uniformemente que forman un ángulo entre las hebras.

HIGO. 21. Un ejemplo de hoja paralela y beta, de flavodoxina (residuos 82-86, 49-53 y 2-6). En el patrón característico de la lámina paralela y beta, los enlaces de hidrógeno están espaciados uniformemente pero inclinados en direcciones alternas. Dado que ambos lados de la hoja están cubiertos por otra cadena principal (como es casi siempre cierto para las hojas paralelas), los grupos laterales que apuntan en ambas direcciones son predominantemente hidrófobos excepto en los extremos de las hebras.

Dentro de una hoja & beta, como dentro de una hélice & alfa, se forman todos los posibles enlaces de hidrógeno de la cadena principal. Tanto en la hoja paralela como en la antiparalela & beta, los grupos laterales a lo largo de cada hebra se alternan por encima y por debajo de la hoja, mientras que los grupos laterales opuestos entre sí en las hebras vecinas se extienden hasta el mismo lado de la hoja y están bastante juntos. Estos pares de cadenas laterales cercanas en las hebras vecinas muestran preferencias por tener grupos hidrofóbicos juntos, a diferencia de las cargas juntas, y carbonos beta ramificados junto a carbonos beta no ramificados (en una hoja antiparalela), pero ninguna de estas preferencias es más fuerte que 2 a 1. Lifson y Sander (1980a, b) han demostrado que los pares de residuos específicos en las cadenas vecinas se reconocen entre sí, más allá de la agrupación simple por polaridad, pero nuevamente comentan el hecho de que las correlaciones no son tan fuertes como cabría esperar. Como ejemplo del tipo de factores involucrados, examinemos las interacciones de un par de cadenas laterales con carbonos & beta ramificados en las hebras vecinas de la hoja & beta. La valina y la isoleucina tienen una preferencia conformacional bastante fuerte (mejor que dos tercios de los casos) por la orientación & chi 1 escalonada con respecto a la cadena principal (Janin et al., 1978). Dado que la relación entre hebras paralelas adyacentes es una traslación, los residuos Val o Ile vecinos en la conformación preferida "copa" uno contra el otro de atrás hacia adelante en un empaquetamiento muy favorable. Dado que la relación entre hebras antiparalelas adyacentes es doble, en ese caso, un par de cadenas laterales con el ángulo & chi 1 preferido se empaquetarán una detrás de la otra dejando un espacio vacío o de adelante hacia adelante, lo que produce una colisión a menos que la principal se ajusta la conformación de la cadena. De hecho, los efectos de estas restricciones se pueden ver en los patrones de aparición de pares de residuos, pero solo de manera débil. Al observar los pares reales de, por ejemplo, Val-Val o Val-Ile en una hoja antiparalela, uno encuentra que una de las cadenas laterales ha adoptado un ángulo & chi 1 desfavorable para que las dos puedan empacar bien (como en la parte superior izquierda esquina de la Fig.20) o la cadena principal se ha torcido para poner los carbonos & beta a una distancia óptima (p. ej., cuando un par Leu-Val en quimotripsina se convierte en un par Val-Val en elastasa, los carbonos & beta se mueven 0,65 & Aring más lejos). Esto a su vez, por supuesto, muestra una razón por la cual la preferencia & chi 1 no es más fuerte o los ángulos & phi, & psi más regulares. En general, la impresión que uno se quita de este tipo de examen es que la proteína está equilibrando tantos factores al mismo tiempo que siempre hay formas de compensar cualquier problema individual. Por lo tanto, los estudios de parámetros individuales descubren solo regularidades débiles a pesar de la fuerza de las restricciones generales de empaquetamiento. Al observar las cadenas largas de cadenas laterales adyacentes a lo largo de los centros de láminas grandes, como se muestra en las figuras estéreo de Lifson y Sander (1980b), se ve una expresión más fuerte de la diferencia de empaquetamiento entre láminas paralelas y antiparalelas: Ile-Leu-Val -Leu y Val-Ala-Thr-Gly-Ile en elastasa y Ala-Ile-Ala-Val, Ala-Ile-Leu-Ile-Ala y Ser-Thr-His-Val-Ser en concanavalina A, versus Val- Val-Ile-Val-Val-Val e Ile-Val-Ile en gliceraldehído-fosfato deshidrogenasa dominio 1 y Val-Val-Ile, Val-Val-Val e Ile-Ile-Val en triosafosfato isomerasa. [Wouters y Curmi (1995) proporcionan un estudio estadístico actualizado de las frecuencias de pares en la hoja & beta, mientras que la energética de reemplazos específicos se ha estudiado experimentalmente, especialmente en el dominio B de la proteína G de buen comportamiento (p. Ej., Smith et al. 1994). ]

Las hebras & beta pueden combinarse en una hoja pura paralela, una hoja pura antiparalela o una hoja mixta con algunos pares de cadenas paralelas y otras antiparalelas. Si el surtido fuera aleatorio, habría muy pocas hojas puras, pero de hecho hay un fuerte sesgo en contra de las hojas mixtas (Richardson, 1977), quizás porque los dos tipos de enlaces de hidrógeno necesitan orientaciones de péptidos ligeramente diferentes. Solo alrededor de 20 & # 037 de las hebras en el interior de las láminas beta tienen uniones paralelas en un lado y antiparalelas en el otro.

HIGO. 22. Un ejemplo de una cinta larga de dos hebras de estructura antiparalela y beta, de lactato deshidrogenasa (residuos 263-294). Las cadenas laterales no se muestran. Los enlaces de hidrógeno están punteados. Como es típico de las cintas de dos hebras aisladas, las cadenas muestran una torsión muy fuerte (180 ° en aproximadamente cinco residuos).

La hoja paralela y beta es, en general, mucho más regular que la antiparalela. Si se grafican los ángulos & phi, & psi para ambos tipos de hoja, como por ejemplo en Nagano (1977a), los residuos paralelos se agrupan de forma bastante estrecha mientras que los antiparalelos se extienden por todo el cuadrante. La estructura paralela y beta casi nunca ocurre en hojas de menos de cinco hebras en total, mientras que la estructura antiparalela y beta a menudo ocurre como una cinta retorcida de solo dos hebras. La Figura 22 muestra una cinta beta y antiparalela de dos hebras de este tipo. Las láminas paralelas y beta y las porciones paralelas de las láminas mixtas siempre están completamente enterradas, con otra cadena principal (a menudo y hélices alfa) protegiéndolas en ambos lados. Las láminas antiparalelas, por otro lado, típicamente tienen un lado expuesto al disolvente y el otro lado enterrado, de modo que a menudo muestran una alternancia de hidrofobicidad de la cadena lateral en la secuencia de aminoácidos. [El contraste sigue siendo muy real, pero ahora hay ejemplos de hojas paralelas y beta expuestas a disolventes: en algunas partes de estructuras paralelas y de hélice beta como LpxA (1LXA), o en la superficie interior de herraduras & alfa / y beta como la ribonucleasa inhibidor (1DFJ). Sin embargo, esto parece suceder solo para hojas & beta paralelas muy repetitivas y muy regulares, y probablemente se beneficien de la estabilización por su cooperatividad.] Las hojas & beta en general muestran una tendencia hacia una mayor hidrofobicidad para las hebras centrales que para las de borde de la hoja. (Sternberg y Thornthon, 1977c).Estos tres requisitos de las hojas paralelas y beta (regularidad, tamaño y protección) sugieren que la estructura paralela y beta es menos estable que la antiparalela (Richardson, 1977), ya que aparentemente necesita la cooperatividad de una extensa red de enlaces de hidrógeno (ver Sheridan et al., 1979) y también parece necesitar esos enlaces de hidrógeno protegidos del agua. (De hecho, es posible proteger la columna vertebral con grandes cadenas laterales hidrófobas, pero esos no son los residuos que se producirían en una superficie expuesta). Las láminas mixtas y beta tienden a tener la apariencia general característica de su tipo de unión H predominante. Las hojas que son aproximadamente la mitad y la mitad, como la carboxipeptidasa o la anhidrasa carbónica, tienden a verse como hojas paralelas porque requieren una protección sustancial en ambos lados. La Figura 23 es un dibujo esquemático de una estructura típica de lámina beta y de tipo paralelo en una proteína.

HIGO. 23. Dibujo esquemático de la columna vertebral de la flavodoxina, una proteína en la que una hoja paralela y beta es la característica estructural dominante. La hoja (representada por flechas) se muestra desde un borde, de modo que el giro característico se puede ver claramente.

Una de las características más notables de la lámina β tal como ocurre en las estructuras proteicas conocidas es su torsión (Chothia, 1973). Este giro siempre tiene la misma lateralidad, aunque desafortunadamente ha sido descrito por dos convenciones contradictorias en la literatura. Si se define en términos del ángulo en el que las hebras beta vecinas se cruzan, entonces la torsión es a la izquierda (p. Ej., Quiocho et al., 1977 Shaw y Muirhead, 1977) si se define en términos de la torsión de la dirección del enlace de hidrógeno o de los planos peptídicos como se ve a lo largo de una hebra, entonces la torsión es a la derecha (p. Ej., Schulz et al., 1974a Chothia et al., 1977). Usaremos la definición de diestro en este artículo, porque es significativa incluso para una hebra aislada. [La definición para diestros ganó y ahora es estándar.] La Figura 23 muestra la vista lateral de una hoja & beta en la que el giro es obvio.

Por supuesto, no hay una razón a priori para esperar que la conformación plana n = 2 sea especialmente favorecida para los aminoácidos con la mano; sin embargo, el mecanismo exacto por el cual los L-aminoácidos favorecen la torsión de la hebra con la mano derecha no es del todo obvio y se ha explicado en de varias formas diferentes. Los cálculos detallados de la energía conformacional local (p. Ej., Zimmerman y Scheraga 1977a) siempre colocan el mínimo a la derecha de la línea n = 2 de una hebra plana (ver Dickerson y Geis, 1969) aunque el mínimo es muy amplio y poco profundo. uno. Chothia (1973) señala que los efectos probabilísticos producirán un giro promedio hacia la derecha, ya que muchas más de las conformaciones accesibles dentro del área general & beta en el gráfico & phi, & psi se encuentran a la derecha de la línea n = 2. Raghavendra y Sasisekharan (1979) han encontrado que la inclusión del enlace H y las interacciones no unidas entre un par de hebras beta y antiparalelas produce un mínimo de energía calculado considerablemente más profundo en la región de la mano derecha. Existe alguna evidencia de estructuras cristalinas de péptidos de moléculas pequeñas (Ramachandran, 1974) de una distorsión tetraédrica sistemática en el nitrógeno del péptido, y Weatherford y Salemme (1979) han demostrado que la combinación de esa distorsión con una geometría de enlace de hidrógeno de lámina beta y óptima favorecería un giro de hebra a la derecha. En las estructuras conocidas, la torsión de la hebra & beta varía desde cerca de 0 ° por residuo hasta aproximadamente 30 ° por residuo, con los valores más altos para las cintas de dos hebras (ver Fig.22) y valores generalmente más bajos cuanto más hebras están presentes y más largas son. . Esto indica cierto grado de conflicto entre los requisitos para un enlace de hidrógeno óptimo y la energía conformacional local más baja. [De hecho, si una hoja grande estuviera fuertemente torcida, los enlaces H tendrían que ser más largos en los bordes, un mayor grado de "pliegue" en el centro de la hoja ayuda un poco, pero la planitud ayuda aún más. Estas relaciones fueron exploradas en Salemme (1983).]

HIGO. 24. Los dos tipos principales de conexión entre las hebras & beta: (a) una conexión en "horquilla" o del mismo extremo (este ejemplo es de tipo +1, a una hebra vecina más cercana) (b) un "cruce", o extremo opuesto, conexión (esta es de tipo + lx).

Una vez que se ha decidido qué hebras & beta pertenecen a una hoja dada (un proceso que involucra decisiones subjetivas ocasionales para casos marginales), entonces es posible dar una descripción simple e inequívoca de la conectividad topológica de esas hebras en la hoja (Richardson, 1976 , 1977). Cada conexión entre dos hebras & beta debe pertenecer a una de dos categorías básicas: conexiones en horquilla en las que la cadena principal vuelve a entrar en el mismo extremo de la hoja & beta que dejó, y conexiones "cruzadas" en las que la cadena gira para volver a introducir la hoja en el extremo opuesto (ver Fig. 24). Cada conexión se nombra de acuerdo con la cantidad de hilos sobre los que se mueve en la hoja y en qué dirección, con una "x" agregada para las conexiones cruzadas. Por lo tanto, un "+1" es una horquilla y un "+ 1x" una conexión cruzada entre las hebras vecinas más cercanas, un "+2" es una horquilla y un "+ 2x" es una conexión cruzada que salta una hebra intermedia en el hoja, etc. La conformación del bucle de conexión es irrelevante para esta designación topológica. Las conexiones de vecino más cercano de +1 y + 1x son, con mucho, las más comunes, y ocurren aproximadamente tres veces más frecuentemente que todos los demás tipos de conexión juntos (Richardson, (1977) Sternberg y Thornton, 1976).

HIGO. 25. Un diagrama esquemático topológico de la conectividad en la hoja paralela y beta de flavodoxina. Las flechas representan las conexiones de línea delgada de las hebras & beta que se encuentran debajo del plano de la hoja y las conexiones de grasa por encima de él. No se intenta indicar la longitud o conformación de las cadenas de conexión (la mayoría de ellas son helicoidales) o la torsión de la hoja & beta. La topología también se puede especificar mediante una lista secuencial de los tipos de conexión: en este caso, -lx, + 2x, + 1x, + 1x.

La topología de una hoja & beta de n-cadenas se puede especificar mediante una lista de sus n-1 conexiones, comenzando desde el extremo N-terminal. Por ejemplo, la flavodoxina (Fig.23) puede describirse como + 1x, -2x, -1x, -1x o -1x, + 2x, + 1x, + 1x (el valor absoluto de los signos no es significativo, ya que el la hoja se puede dar la vuelta). Usaremos tipos de conexión para describir y clasificar hojas & beta, y también usaremos un tipo simplificado de diagrama de topología (ver Fig. 25) que visualiza la hoja desde arriba. Hay otro tipo de diagrama de topología también común en la literatura que ve la hoja de extremo a extremo (ver Levitt y Chothia, 1976). La topología es menos explícita pero se conservan más características de la estructura tridimensional. Esa es una ventaja significativa en los casos en los que funciona mejor, pero dado que la adherencia a la convención fuerza distorsiones sustanciales en algunas proteínas, usaremos diagramas separados para la estructura tridimensional y para la topología en el estudio general (ver Secciones III , AE).

HIGO. 26. (a) Una conexión cruzada para diestros + 1x (b) una conexión cruzada + 1x para zurdos.

Las conexiones cruzadas tienen sentido lateral (ver Fig. 26), ya que forman un giro helicoidal suelto desde una hebra, hacia arriba (o hacia abajo) y alrededor, y de regreso a la siguiente hebra. Esencialmente, todas las conexiones cruzadas en las estructuras proteicas conocidas, independientemente de la longitud o conformación del bucle de conexión, son diestras (Richardson, 1976 Sternberg y Thornton, 1977a). Hay un cruce para zurdos realmente bien autenticado en subtilisina y otro en glucosa-fosfato isomerasa en una región donde la conectividad de la cadena no es completamente segura (Shaw y Muirhead, 1977), mientras que hay muchos más de cien cruces para diestros. . [La enorme preferencia por las conexiones cruzadas para diestros sobre zurdos se ha mantenido].

HIGO. 27. Ejemplos de conexiones cruzadas particulares: (a) a diestro + 1x, residuos 200-242 de carboxipeptidasa A (b) a diestro + 2x, residuos 109-133 de papaína (c) a diestro + 2x , residuos 169-214 de concanavalina A.

Más de la mitad de las conexiones cruzadas tienen al menos una hélice en la hebra de conexión y, en muchos de esos casos, la hélice se empaqueta contra una o ambas hebras & beta que conecta (ver Fig. 27a). Sternberg y Thornton (1976) han explicado el uso de las manos por el hecho de que & beta sheet twist hace que la conexión con la mano derecha sea más corta y más compacta (como se puede ver en la Fig. 26). Nagano (1977a) ha explicado la lateralidad mediante los ángulos de empaquetamiento preferidos de una hélice contra una hebra & beta, lo que de nuevo permitiría esquinas más compactas y más cortas (entre los elementos & alpha y & beta) en la forma derecha. Ambas explicaciones seguramente serán causas importantes que contribuyan a la manipulación cruzada, pero se limitan a los ejemplos relativamente cortos y sencillos con esquinas cerradas. La gran cantidad de conexiones cruzadas que son demasiado largas, comienzan en la dirección incorrecta o no se compactan con la hoja & beta (consulte las Fig.27a yc para ver ejemplos) muestra una restricción de mano casi tan fuerte como los casos más clásicos. En un intento de dar cuenta de estos largos ejemplos, Richardson (1976) propuso un esquema de plegado hipotético para conexiones cruzadas mediante el cual la torsión de una hebra larga extendida o de una hélice flanqueada por cadenas extendidas se transfiere al bucle cruzado a medida que la columna vertebral se enrosca. (ver Fig.28). Independientemente de cómo se logre, el carácter diestro de las conexiones cruzadas es el factor dominante que controla la aparición de estructuras paralelas y alfa / y beta tanto de una sola herida como de dos bobinas (consulte la Sección III, C). Las conexiones cruzadas también son bastante comunes en hojas antiparalelas y beta.

HIGO. 28. Ilustración de posibles esquemas de plegado que producirían la lateralidad de las conexiones cruzadas como consecuencia de (a) la lateralidad de la torsión de una cinta inicial & beta, o (b) la lateralidad de una hélice & alfa inicial.

La estructura paralela y beta generalmente forma láminas grandes, moderadamente torcidas, como en la Fig.23, aunque ocasionalmente se enrolla en un cilindro con hélices alrededor del exterior (por ejemplo, triosafosfato isomerasa). Las láminas antiparalelas grandes, por otro lado, generalmente se enrollan parcialmente (como en el primer dominio de la termolisina o en la ribonucleasa) o completamente alrededor para unir los bordes en un cilindro o "barril". La ocurrencia, topología y clasificación de barriles & beta se discutirán en la Sección III, D, pero aquí consideraremos la interacción entre las láminas & beta en lados opuestos del barril, especialmente en términos del ángulo en el que se cruzan hebras opuestas.

Los barriles & beta pueden estar formados por tan solo 5 o hasta 13 hebras. [Barriles de & beta incluso más grandes, y a menudo bastante redondos, se encuentran en proteínas que atraviesan la membrana, como las porinas, pero su interior no está lleno por las cadenas laterales de la hoja & beta: están abiertos o contienen bucles.] Sus interiores están empaquetados. con cadenas laterales hidrófobas, que se encuentra que tienen el mismo volumen medio de cadena lateral que para una composición de aminoácidos normal. No hay barriles grandes llenos de triptófanos o pequeños llenos de alaninas, presumiblemente porque la mutación para cambiar el tamaño de hasta dos o tres residuos a la vez todavía produciría un mal ajuste. Las secciones transversales de todos los barriles se parecen notablemente, independientemente del número de hebra, con un ligero aplanamiento en una dirección. La Figura 29 muestra ejemplos de secciones transversales de barriles reales y beta con diferentes números de hebras. La apariencia casi constante se obtiene variando el grado de torsión del hilo alrededor del cañón.

HIGO. 29. Un surtido de barriles & beta, visto desde el eje del barril: (a) nucleasa estafilocócica, 5 hebras (b) inhibidor de tripsina de soja, 6 hebras (c) quimotripsina, 6 hebras (d) inmunoglobulina (McPC603 CH1) dominio constante, 7 hebras (e) Cu, Zn superóxido dismutasa, 8 hebras (f) triosafosfato isomerasa, 8 hebras (g) inmunoglobulina (McPC603 VH) dominio variable, de 9 hebras (h) dominio 3 de la proteína del virus del enanismo tupido del tomate, de 10 hebras. La torsión disminuye significativamente a medida que aumenta el número de hebras, pero la sección transversal permanece casi constante.

Al igual que los vendajes de dedos tejidos al bies que se aprietan alrededor de un dedo cuando se estiran, un barril con un número determinado de hebras tiene un diámetro más pequeño cuanto menos torsión tiene. La torsión se puede medir por el ángulo en el que las hebras en lados opuestos del cañón se cruzan entre sí, con un ángulo promedio de 95 ° para barriles antiparalelos de 5 y 6 hebras, 40 ° para las de 7 y 8 hebras, y 30 ° para las de 9 a 13 - varados. El diámetro del barril también se puede mantener con menos hebras separando uno o más pares de hebras más allá de la distancia normal de enlace de hidrógeno.Este es un efecto muy pronunciado en la plastocianina, por ejemplo, que tiene un ángulo de torsión muy bajo para un barril de 8 hebras. Los barriles paralelos de ocho hebras están más retorcidos (con un promedio de 75 ° C) que los antiparalelos de ocho hebras porque todas sus hebras están unidas por hidrógeno y son más regulares. Más allá de ocho o nueve hebras, la torsión no puede disminuir más y la sección transversal del cañón simplemente se aplana más, manteniendo el mismo eje corto (11-12 y Aring).


Bacteriófagos, Parte A

Graham F. Hatfull, en Avances en la investigación de virus, 2012

E Lisis

Todos los genomas de micobacteriófagos secuenciados hasta la fecha contienen un gen de lisina A (endolisina) identificable que codifica una enzima hidrolizante de peptidoglicano. Sin embargo, las comparaciones de secuencias muestran que son de naturaleza altamente modular y abarcan una amplia gama de especificidades enzimáticas predichas; no hay un motivo de secuencia de aminoácidos único en común para todos. A pesar de sus secuencias muy diferentes, se ha demostrado que las proteínas de lisina A de D29, Ms6 y TM4 tienen actividad hidrolizante de peptidoglicano (García et al., 2002 Henry et al., 2010a Payne et al., 2009). Inactivación del gen de la lisina A en Giles (31) da como resultado la pérdida de liberación de fagos sin interrupción del ensamblaje de partículas (Marinelli et al., 2008 Payne et al., 2009). El suministro de peptidoglicano hidrolasa a su diana probablemente se ve facilitado por una proteína holina en la mayoría de los micobacteriófagos; un gen de holina putativo puede identificarse estrechamente ligado a lisina A y que codifica una proteína pequeña con uno o más dominios que atraviesan la membrana fuertemente pronosticados. Sin embargo, estos son muy diversos a nivel de secuencia y ninguno ha sido examinado experimentalmente. Curiosamente, en el fago Ms6, el gen 1 El producto (un pariente cercano de Fruitloop gp28, 97% de identidad de aminoácidos Fig.9) tiene características de chaperona e interactúa directamente con la endolisina para facilitar la entrega a su objetivo de peptidoglicano de una manera independiente de holina (Catalao et al., 2010). Los parientes de esta proteína también están codificados en los genomas del subcluster A1, donde también está estrechamente ligado a los genes de lisis, y en el fago TM4 del subcluster K1 (gp90), donde no lo está. Los micobacteriófagos son inusuales en la codificación de una segunda proteína de lisis, la lisina B, que promueve la lisis eficaz del huésped (Gil et al., 2008 Payne et al., 2009). Deleción del gen de lisina B de Giles (32) no conduce a la pérdida de viabilidad, pero reduce el tamaño de la placa y el número de partículas que contiene (Payne et al., 2009). Algunos fagos no codifican lisina B, incluidos los fagos Che12, subcluster B2 y el fago C2 Myrna, aunque no todos forman placas notablemente pequeñas. En Myrna, hay un gen adicional no relacionado (244) implicada en la lisis, aunque no se sabe si sustituye la actividad de la lisina B (Payne et al., 2009). Se ha demostrado que la lisina B es una enzima lipolítica (Gil et al., 2008 Payne et al., 2009), y la estructura cristalina de la lisina B D29 revela similitud estructural con las enzimas de la familia cutinasa (Payne et al., 2009). D29 Lisina B tiene actividad como esterasa de micolilarabinogalactano y se propone separar la membrana externa de micobacterias rica en ácido micólico de su anclaje de arabinogalactano (Payne et al., 2009). Ms6 Lysin B actúa de manera similar (Gil et al., 2010). Por lo tanto, se puede pensar que la lisina B proporciona una función análoga a la Rz / Rz1 o que abarca proteínas codificadas por fagos de bacterias gramnegativas, que juegan un papel en comprometer la integridad de la membrana externa a través de la fusión con la membrana citoplasmática y facilitar la completa lisis (baya et al., 2008 ).


¿Hay alguna secuencia de estructura primaria que sugiera fuertemente una hoja b o una hélice alfa? - biología

Desde que James Watson y Francis Crick resolvieron la estructura de doble hélice del ADN en 1953, el desafío estructural más formidable de la biología ha sido el "problema del plegamiento de proteínas": aprender cómo la naturaleza obtiene de un gen, una longitud de ADN que codifica el orden de los aminoácidos. residuos de ácido en una cuerda, a una proteína en funcionamiento, esa misma cuerda intrincadamente doblada en todos los bolsillos, pliegues y protuberancias esenciales para la física y la química de la vida.

Si bien las estructuras de proteínas se recolectan a un ritmo cada vez mayor, el conocimiento de las secuencias de genes está aumentando enormemente. El Proyecto del Genoma Humano, iniciado por el Departamento de Energía y los Institutos Nacionales de Salud hace menos de diez años, ha terminado un borrador de los 50.000 a 100.000 genes humanos, los tres mil millones de pares de bases. La mayoría de las proteínas que codifican estos innumerables genes no se parecen a ninguna ya conocida.

"Cuanta más información tenga, más tipos de información necesitará para darle sentido", dice Daniel Rokhsar, director del Departamento de Biología Computacional y Teórica de la División de Biociencias Físicas del laboratorio y profesor de física en la Universidad de California en Berkeley. "Sin una explosión simultánea de computación (computadoras potentes y programas flexibles) estaremos abrumados".

LBL

Una ilustración impresionista que muestra rayos X o neutrones brillando a través de leucina (las estructuras gris y blanca) disuelta en agua (las estructuras roja y blanca).

El jardín de los senderos convergentes

Una forma de probar ideas sobre cómo se pliegan las proteínas es comenzar con una forma más pequeña y menos intrincada que la mayoría de las proteínas, hecha de unidades menos complicadas que los aminoácidos. Las supercomputadoras simulan el comportamiento de los polímeros modelo, que en su estructura nativa, análoga a la conformación termodinámicamente estable de una proteína completamente plegada, se asemejan a los gimnasios de la jungla hechos de palos y pelotas tipo Tinker-Toy.

En lugar de los ángulos variables entre los residuos de aminoácidos en una proteína real, las unidades de palo y bola, o meros, en un modelo de celosía se unen a sus vecinos solo en ángulos rectos o en línea recta en lugar del complejo de propiedades de un aminoácido real, a un mer se le pueden asignar solo unos pocos.

"Los modelos de celosía no están destinados a modelar proteínas específicas", dice Rokhsar, "pero dan una buena representación de ciertos aspectos de los procesos reales en un tiempo manejable". Usando el Cray T3E en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética (nersc), Rokhsar y Vijay Pande, profesor asistente de química en la Universidad de Stanford, descubrieron regularidades insospechadas en las vías de plegamiento de los polímeros modelo.

Cuando la temperatura simulada se elevó lo suficiente, su modelo de celosía se desplegó por completo cuando se redujo la temperatura, el modelo se replegó, retorciéndose a través de casi un millón de posiciones diferentes antes de asentarse en su estructura nativa de baja energía. Incluso con un modelo de 48 meros, aproximadamente equivalente a una proteína pequeña, las posibles conformaciones iniciales son astronómicas y cada camino hacia la estabilidad es potencialmente único.

Para ver cómo las diferentes propiedades de los componentes pueden afectar los estados y vías de transición, Rokhsar, Pande y el estudiante de posgrado Nicholas Putnam diseñaron otros tres polímeros pequeños de 27 unidades con la misma conformación de estado nativo, basados ​​en tres tipos de modelos de celosía ampliamente utilizados. .

En la versión más simple, solo los mers que se tocaban en el estado nativo se atraían entre sí; todos los demás eran energéticamente neutrales. Un modelo más complejo tenía tres tipos de meros en competencia, y los tipos iguales se atraían entre sí con más fuerza que los tipos distintos. El modelo de celosía más complicado utilizó meros con 20 valores discretos derivados de los de los residuos de aminoácidos reales.

"En los dos casos más simples, encontramos que las vías de plegado podían pasar a través de solo dos estados de transición centrales distintos", dice Rokhsar. "El modelo más complejo tenía un solo estado de transición. Ambos comportamientos se observan en el plegamiento de algunas pequeñas estructuras proteicas naturales".

Saber más sobre las estructuras de transición por las que debe pasar una proteína de plegamiento arroja luz sobre qué posiciones en la cadena de residuos de aminoácidos son más críticas para un pliegue impecable, aquellas posiciones en las que es probable que las mutaciones que sustituyen un aminoácido por otro tengan la mayor efecto en la forma de una proteína, para bien o para mal.

Los modelos de celosía han revelado regularidades inesperadas en las vías de plegado de estructuras similares a proteínas.


LBL

Agua, agua, en todas partes

Las proteínas no existen como formas platónicas ideales, su entorno real consiste principalmente en un solvente tibio, a saber, agua. Al combinar enfoques teóricos y computacionales, como los modelos de celosía, con datos de experimentos, la química física Teresa Head-Gordon de la División de Biociencias Físicas y sus colegas han detallado el papel esencial del agua en la conducción del plegamiento y estabilización de proteínas.

Una medida importante de los aminoácidos es su grado variable de hidrofobicidad o "miedo al agua". El aceite es hidrófobo, por eso las gotas de aceite permanecen separadas en el agua, mientras que las sustancias hidrófilas ("amantes del agua") se disuelven fácilmente en él. Muchas proteínas tienen un núcleo hidrófobo y una superficie hidrófila.

Al medir las intensidades de los rayos X o los neutrones dispersados ​​por las moléculas de agua solamente, y luego por las moléculas de leucina disueltas en agua, Head-Gordon y sus colegas pudieron analizar la estructura del agua cerca de la leucina. Conjeturaron que estas estructuras de agua, mucho más ordenadas que el agua a granel, dan lugar a fuerzas que difieren entre los diferentes tipos de aminoácidos y, por lo tanto, influyen en las vías de plegamiento.

Cuando Head-Gordon y sus colegas aplicaron lo que habían aprendido de los experimentos de dispersión a modelos de celosía de polímeros, descubrieron que al incluir fuerzas de solvatación precisas podrían contribuir en gran medida a hacer que los modelos imiten las proteínas reales de forma más realista. Algunos modelos se eliminaron rápidamente y el rendimiento de otros se mejoró para exhibir un plegado más rápido y transiciones de plegado más cooperativas. Además de una comprensión básica del plegamiento de todas las proteínas, estos estudios pueden conducir a una comprensión específica de las secuencias clásicas, como la "cremallera de leucina" que une las estructuras proteicas secundarias en dímeros a través de la atracción hidrofóbica, una secuencia que, cuando muta, puede jugar un papel destacado en la activación de genes causantes de cáncer.

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Una ilustración del estado avanzado del modelado computacional

Los modelos teóricos simples reforzados por datos experimentales son un enfoque para una predicción más rápida de la estructura de las proteínas. Otra forma de utilizar las computadoras para traducir secuencias de ADN en estructuras de proteínas es trabajar directamente desde una biblioteca creciente de pliegues conocidos.

Al describir su método para predecir los pliegues de proteínas desconocidas, Dubchak explica que "los métodos tradicionales comparan secuencias de genes desconocidos con secuencias de proteínas conocidas o estructuras residuo por residuo, buscando correspondencias. Pero, ¿qué sucede cuando no existe una secuencia similar? Decidí abordar el problema de manera diferente, desde una perspectiva taxonométrica ".

Dubchak evaluó las propiedades físicas de cada uno de los 20 aminoácidos que se encuentran en las proteínas, características tales como hidrofobicidad, polaridad, radio de van der Waals (tamaño) y similares, y las redujo a varios vectores que representan la influencia cooperativa del residuo en un pliegue.

Tomados en conjunto, los vectores de una secuencia desconocida no especifican una forma exacta tanto como sugieren una que puede o no parecerse a un pliegue ya incluido en la Clasificación Estructural de Proteínas (scop), una biblioteca de pliegues observados experimentalmente desarrollada por el Laboratorio de Biología Molecular del Consejo de Investigación Médica en Cambridge, Inglaterra.

Dubchak "entrena" redes neuronales, construidas con procesadores de computadora, para reconocer secuencias que producen pliegues en forma de scop. En la actualidad, aproximadamente una cuarta parte de las nuevas secuencias se pueden emparejar con confianza con pliegues que ya están en la biblioteca. Aquellos que no coinciden con las formas conocidas representan pliegues que aún no se han descubierto (o indican que la red neuronal no tiene suficiente información o aún no ha aprendido a reconocer la relación).

Armados con el conocimiento de que el pliegue de una nueva proteína se asemeja a los pliegues familiares, los biólogos pueden formular hipótesis sobre las relaciones evolutivas y las funciones biológicas de la nueva proteína, así como sobre cómo puede unirse a otras proteínas y a sustancias químicas específicas, incluidos los medicamentos.

Sin embargo, debido a que secuencias de ADN completamente diferentes pueden producir estructuras de topología similar, quedan grandes incertidumbres. Por ejemplo, la resolución de una predicción de pliegue de red neuronal puede limitarse a varias veces la distancia típica entre átomos, y dos estructuras que poseen el mismo pliegue pueden tener un tamaño significativamente diferente.


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Utilizando programas de optimización global como GOSPEL, se pueden predecir pequeñas estructuras de proteínas.

Teresa Head-Gordon busca reducir estas incertidumbres invocando el evangelio, es decir, "estrategias de optimización global para sondear los paisajes energéticos". El objetivo de Head-Gordon es encontrar, dentro del rango de posibilidades, la estructura de la proteína correspondiente a una secuencia específica que tiene la energía más baja.

Las predicciones de redes neuronales, como las de Dubchak, ofrecen "restricciones suaves" sobre la forma y especifican estructuras secundarias conocidas, como hélices alfa y láminas beta. Aplicando evangelio - usando modelos de campo de fuerza como ámbar y charmm, y descripciones de la solvatación acuosa aprendidas de la teoría y el experimento - también se pueden resolver las estructuras de "espiral" vagamente definidas, que son más desafiantes.

En el curso de la comparación de candidatos, el algoritmo aplica estas funciones derivadas empíricamente a áreas del pliegue accesibles al agua e impone una penalización de energía adicional en estructuras con superficies hidrófobas expuestas. Las repetidas perturbaciones de las posiciones de los aminoácidos utilizan el evangelio para reducir aún más la energía, concentrándose en la energía total más baja posible.

La optimización global es un consumidor voraz de energía y tiempo de las computadoras. Usando el Cray T3E-900 en nersc, Head-Gordon y sus colegas han probado su algoritmo contra proteínas "diana" simples. En el caso de 1pou, por ejemplo, una proteína de unión al ADN con 72 aminoácidos dispuestos como varias hélices alfa, la estructura predicha por el evangelio a partir de la secuencia dio una estimación razonable del pliegue, pero tenía un seis por ciento más de energía de unión que la estructura conocida derivada. a partir de imágenes de resonancia magnética nuclear.

"¡Todavía no hemos alcanzado la energía de la estructura cristalina, por lo que aún son posibles más mejoras en la estructura!" Head-Gordon exclama.

Sin embargo, si bien se necesitan mejoras en el modelo subyacente, los resultados de optimización global han sido lo suficientemente alentadores para intentar proteínas más grandes con estructuras más complejas, incluidas las hojas beta puras y las proteínas mixtas de hoja beta y hélice alfa.

Paquetes y cuentas y barriles y monturas


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Las formas de las proteínas revelan motivos estructurales recurrentes llamados "pliegues" que ayudan a definir las propiedades físicas y químicas.

Las proteínas son como hileras de cuentas enrolladas en manojos. Su estructura se describe en niveles cada vez más intrincados. La estructura primaria es una cadena de residuos de aminoácidos, unidades químicas unidas a sus vecinos por enlaces peptídicos, como perlas de plástico que se encajan a presión. Los 20 aminoácidos que pueden formar proteínas difieren en tamaño, forma, carga eléctrica y polaridad (que afecta la interacción con el agua), hidrofobicidad ("oleosidad") y otras propiedades. Los investigadores han asignado designaciones de una sola letra a cada uno, desde A para alanina hasta Y para tirosina, por lo que la estructura primaria, la cadena polipeptídica, viene dada por una cadena de letras, por ejemplo, MEIMKKQNSQINEINKDEIFV. . . .

La estructura secundaria resulta de los ángulos entre los aminoácidos, más los enlaces de hidrógeno que pueden formarse de un residuo a otro. Los enlaces y ángulos repetidos comúnmente forman hélices alfa y láminas beta (o, a veces, variaciones de estas) y sus conexiones en horquilla o cruzadas, además de una variedad de giros, que a menudo exponen grupos químicos activos en la superficie de la proteína, y algunas otras estructuras como los bucles. y "clips".

Las estructuras terciarias están hechas de hélices, láminas y otros elementos secundarios. Una configuración particular de estos se llama pliegue. Hay aproximadamente 500 pliegues conocidos, una docena de los cuales ocurren con mucha frecuencia, algunos con nombres como "barril" o "sándwich" o "silla de montar", de entre unos 6.000 a 10.000 que se prevé que existan. Sorprendentemente, muchas proteínas que tienen secuencias de aminoácidos completamente diferentes son estructuralmente idénticas, un fuerte indicio de que esta estructura tiene una ventaja evolutiva inherente.

Mientras que una proteína puede consistir en una sola hebra polipeptídica que incorpora un pliegue particular, otras se construyen a partir de hebras separadas. Un ejemplo famoso de estructura cuaternaria es la hemoglobina, que combina dos pares de cadenas idénticamente plegadas en una sola molécula capaz de capturar, transportar y liberar oxígeno en el torrente sanguíneo y los tejidos del cuerpo humano.

In vivo, in vitro, in silico

Los modelos que derivan valores de residuos de aminoácidos reales y entornos acuosos realistas pueden ayudarnos a comprender el plegamiento de proteínas reales, y las formas y funciones de muchas proteínas desconocidas pueden deducirse de bibliotecas de pliegues conocidos. Estas y otras técnicas informáticas aún más sofisticadas y poderosas son esenciales, ya que una proteína funcional es dinámica, mientras que las estructuras proteicas determinadas por cristalografía son estáticas, e incluso con el rápido clip experimental actual, podría llevar otro siglo descifrar las estructuras atómicas completas de todos. las proteínas en las células solo mediante experimentos.

Daniel Rokhsar y sus colegas también han estudiado la dinámica molecular de una estructura de proteína real, no en condiciones naturales o en una configuración experimental, sino in silico, utilizando un modelo informático totalmente realista de "todos los átomos" en el que las propiedades de cada Los átomos de cada aminoácido están representados y miles de moléculas de agua se tratan explícitamente.

"Incluso en ejecuciones largas en computadoras potentes, con cálculos de todos los átomos solo es práctico modelar unos pocos nanosegundos de tiempo real", dice Rokhsar, "sin embargo, las proteínas reales generalmente se pliegan en unos pocos milisegundos", un millón de veces más. "Así que modelamos una parte muy pequeña de una proteína real, una estructura común llamada horquilla beta. En lugar de tratar de verla plegarse, observamos cómo se desarrolla, lo que a las altas temperaturas de la simulación es un proceso mucho más rápido".

El desdoblamiento ocurre en una serie de pasos discretos que siempre ocurren en el mismo orden. Cada uno representa la disolución de una parte específica de la estructura de la horquilla, recordando los estados de transición de los modelos de celosía.

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A 400 grados Kelvin, la horquilla beta de una proteína, de 16 residuos de aminoácidos de largo, comienza a desplegarse. El tiempo para cada paso de esta simulación de todos los átomos se muestra en billonésimas de segundo.

Se necesitarán supercomputadoras mucho más rápidas y manejables para estudiar estructuras de proteínas más grandes a nivel atómico. El más grande hasta ahora estudiado in silico, con 36 residuos y 12,000 átomos, fue rastreado en el transcurso de un solo microsegundo por investigadores de la Universidad de California en San Francisco, la simulación tomó un Cray T3D y un Cray T3E-600 funcionando durante dos meses cada uno. , y el modelo no alcanzó la conformación nativa de la proteína real.

Diseñar racionalmente medicamentos que puedan atacar mecanismos específicos de enfermedades, crear nuevas enzimas industriales, diseñar nuevos organismos que puedan aumentar la producción de alimentos, limpiar los desechos y restaurar el medio ambiente: todos estos beneficios potenciales dependen de un conocimiento preciso e íntimo de una amplia gama. de estructuras proteicas y sus posibles mutaciones. Cada fragmento de conocimiento experimental, cada avance en el cálculo de la dinámica molecular de las proteínas modelo, todo es esencial para la solución del problema del plegamiento de proteínas, un objetivo que aún brilla en el futuro.


La hélice del puente de la ARN polimerasa actúa como un tablero de distribución nanomecánico central para coordinar la catálisis y el movimiento del sustrato

La disponibilidad de in vitro Los sistemas de ensamblaje para producir ARN polimerasas de arqueas recombinantes (RNAP) ofrecen una de las herramientas experimentales más poderosas para investigar los mecanismos moleculares todavía relativamente poco conocidos que subyacen a la función RNAP. En los últimos años, fuimos pioneros en nuevos enfoques de mutagénesis de alto rendimiento basados ​​en robots para estudiar las relaciones estructura / función dentro de varios dominios que rodean el centro catalítico. El dominio Bridge Helix, que aparece en numerosas estructuras de rayos X como una hélice alfa de 35 aminoácidos de longitud, coordina el movimiento concertado de varios otros dominios durante la catálisis mediante el retorcimiento de dos bisagras moleculares discretas. Las mutaciones que afectan estos mecanismos de torsión tienen un efecto directo sobre la actividad catalítica específica de RNAP y, en algunos casos, pueden más del doble. Las simulaciones de dinámica molecular se han establecido como excepcionalmente útiles para proporcionar información adicional y modelos detallados para explicar los movimientos estructurales subyacentes.

1. Introducción

Las ARN polimerasas (RNAP) son enzimas clave de las maquinarias de expresión génica celular de todos los organismos. A pesar del progreso sustancial durante la última década en elucidar las estructuras de alta resolución de los RNAP y la reciente concesión de un Premio Nobel (Roger Kornberg, Chemistry 2006), todavía hay muchas preguntas sin respuesta con respecto a la base mecanicista de la transcripción. Esto es principalmente una consecuencia de la complejidad intrínseca de los procesos, pero también debido a la escasez de datos experimentales apropiados. Los modelos actuales están predominantemente moldeados por la interpretación de las estructuras cristalinas de rayos X [1], pero estos enfoques proporcionan sólo una perspectiva limitada. Los ensayos de cristalización requieren complejos estables, catalíticamente inactivos como material de partida, y es poco probable que se conserven muchas conformaciones transitorias de corta duración en estructuras cristalinas [2].

Durante la última década, hemos sido pioneros en estrategias experimentales alternativas basadas en un sistema de arqueas hipertermófilas: la euryarchaeon Methanocaldococcus jannaschii—para diseñar un sistema experimental capaz de generar conocimientos funcionales de una manera sistemática y de alto rendimiento. Logramos crear un in vitro Sistema de transcripción capaz de realizar una transcripción específica del promotor que consiste íntegramente, incluido el RNAP, en proteínas recombinantes [3, 4]. Gran parte de este trabajo fue guiado por el concepto clave de que la maquinaria de transcripción basal arqueal [5] refleja fielmente los componentes centrales del sistema eucariota RNA polimerasa II (RNAPII) [6, 7], que es responsable de la expresión altamente regulada de todos genes que codifican proteínas en eucariotas. Las subunidades de Archaeal RNAP muestran una amplia homología de secuencia con las subunidades eucariotas, y las estructuras de alta resolución de las RNAP de archaeal son directamente comparables a las RNAPII eucariotas [8, 9]. Además, los RNAP de archaeal utilizan un conjunto idéntico de factores basales que los RNAP eucarióticos para ayudarlos con la iniciación específica de secuencia de los promotores (proteína de unión a TATA y TFIIB [10-16]). La maquinaria de transcripción basal de la arquea encapsula, por tanto, tanto estructural como funcionalmente el núcleo esencial del aparato transcripcional eucariota RNAPII.

Aquí, discutiré en particular la importancia de los enfoques de alto rendimiento centrados en la maquinaria de transcripción basal de las arqueas. La naturaleza de la investigación en biología molecular ha experimentado una transición notable durante la última década. La rápida evolución de poderosas metodologías experimentales ha desplazado el énfasis tradicional en genes y proteínas individuales hacia objetivos más amplios, como la recopilación a gran escala de conjuntos de datos completos [19]. Reconociendo la oportunidad de aplicar esta filosofía basada en sistemas para llevar a cabo una pantalla exhaustiva de mutagénesis de RNAP de arqueas, recientemente automatizamos todo el proceso de ensamblaje de RNAP de arqueas recombinantes en grandes cantidades en una plataforma robótica [20]. Hemos demostrado la viabilidad de los estudios de estructura / función de alto rendimiento en un programa de investigación centrado en el "Bridge Helix", un α-hélice que es la estructura más prominente y altamente conservada en el sitio activo de todos los RNAP celulares (Figura 1). Los resultados muestran que el dominio Bridge Helix es un elemento estructural conformacionalmente versátil que influye en las propiedades funcionales del centro catalítico a través de una serie dinámica de interacciones proteína-proteína y proteína-ácido nucleico [2, 21-27]. Las hélices del puente que se encuentran en los RNAP de archaeal son muy similares en secuencia y estructura a los RNAP de los otros dos dominios evolutivos (Figura 1 (c) [28, 29]), lo que sugiere que muchos de los conocimientos derivados de los sistemas de modelos de archaeal serán de aplicación universal a través de los RNAP de todo el rango evolutivo.


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(C) Aspectos estructurales del Bridge Helix. (a) Posición general del Bridge Helix dentro del RNAP. El Bridge Helix se muestra como una estructura de dibujos animados verde. También se muestran la hebra de la plantilla de ADN (azul claro) y la transcripción naciente (rosa). El resto de la enzima se muestra como un contorno transparente. Basado en PDB # 2E2H [17] y visualizado con PyMol [18]. (b) Vista detallada del puente Helix. El Bridge Helix se muestra como una estructura verde de dibujos animados, y las posiciones de las dos bisagras moleculares están resaltadas en rojo (BH-Hnorte) y azul (BH-HC). Los dominios adyacentes se muestran en violeta (Dominio de enlace) o gris (F-Loop). Los sustratos de ácido nucleico se muestran como modelos en barra (hebra de plantilla de ADN, transcripción naciente azul claro, rNTP rosa en el sitio de inserción, rosa oscuro). Las dos esferas grises representan los iones de magnesio (Metal-A y Metal-B) que representan el sitio catalítico. Basado en PDB # 2E2H [17] y visualizado con PyMol [18]. (c) Alineación de secuencias de Bridge Helix de eucariotas (Homo sapiensSaccharomyces cerevisiae), arqueas (Methanocaldococcus jannaschii (euryarchaeota) Sulfolobus solfataricus (crenarchaeota)) y bacterias (Escherichia coli, Thermus aquaticus, y Thermus thermophilus). Residuos idénticos al organismo de referencia utilizado en el laboratorio del autor (M. jannaschii) se muestran en rojo. Los números que flanquean las secuencias muestran la posición del Bridge Helix dentro del marco de lectura abierto intacto de las subunidades. Las ubicaciones aproximadas de las dos regiones de bisagra molecular, BH-Hnorte y BH-HC, se indican con flechas.

2. Papel funcional de la hélice del puente

El Bridge Helix es un componente central del sitio catalítico de todos los RNAP celulares e íntimamente involucrado en todas las funciones conocidas de estas enzimas (Figura 1 (a)). La función más básica de RNAP es la síntesis de transcripciones dirigida por plantilla de ADN que implica la extensión sucesiva de una transcripción naciente mediante la adición de sustratos de nucleótidos. Por tanto, este proceso se denomina con frecuencia "ciclo de adición de nucleótidos" (NAC). En la forma más simple, el NAC depende de la coordinación precisa de un evento catalítico (formación de enlaces fosfodiéster entre los α-fosfato de un rNTP entrante y el extremo 3'OH del transcrito naciente) con la posterior translocación en un solo paso del híbrido ADN-ARN fuera del sitio de inserción de nucleótidos para crear espacio para el siguiente evento de adición de nucleótidos. Este proceso (catálisis-translocación) ocurre cíclicamente para cada nucleótido agregado a la transcripción [1, 30-34]. Otros eventos que ocurren más lejos del sitio catalítico (p. Ej., Separación del ADN de doble hebra en hebras plantilla y no plantilla, separación de la transcripción del ADN y reescritura de las hebras de ADN [35]) se basan de manera similar en una serie de , pero interacciones precisas y energéticamente delicadamente equilibradas entre superficies macromoleculares específicas. Por tanto, el NAC depende fundamentalmente del acoplamiento de la finalización de una reacción catalítica (formación de enlaces fosfodiéster) con movimientos nanomecánicos precisos de sustratos voluminosos de ácidos nucleicos a través del sitio activo. Las máquinas moleculares, como las RNAP, requieren un conjunto de bisagras y lazos flexibles que mueven los dominios a diferentes posiciones en diferentes etapas del ciclo de reacción, así como unidades de sensores que comunican la finalización de los pasos individuales para que la enzima pueda progresar secuencialmente al siguiente. paso. Como se describe a continuación, Bridge Helix parece mostrar una combinación de muchas de las propiedades funcionales requeridas para actuar como “tablero de distribución nanomecánico” al combinar procesos de translocación física con funciones de detección de sustrato.

3. Evidencia de torsión de la hélice del puente

La opinión de que Bridge Helix contiene bisagras nanomecánicas se basa en múltiples líneas de evidencia, incluidos resultados obtenidos de cristalografía de rayos X, mutagénesis exhaustiva dirigida al sitio, patrones de conservación evolutiva y análisis de dinámica molecular [21-27, 36-40]. Dos sitios en particular, que se denominan Bridge Helix N-terminal Hinge (BH-Hnorte) y bisagra C-terminal (BH-HC) [23], se destacan como los sitios más importantes que probablemente sufrirán cambios conformacionales sustanciales durante la NAC. En el RNAP de la euryarchaeon Methanocaldococcus jannaschii, la prolina de iminoácido desestabilizador de la hélice puede reemplazar posiciones mjA ’M808 y S824 sin pérdida de actividad catalítica y, por lo tanto, identificar las ubicaciones precisas de BH-Hnorte y BH-HC [21-24]. Las secuencias de aminoácidos primarios naturales de ambas bisagras están altamente conservadas (BH-HC) o incluso esencialmente invariante (BH-Hnorte) en todas las polimerasas eucariotas y arqueales secuenciadas. Esto confirma la importancia funcional de estas bisagras y sugiere que las secuencias de aminoácidos primarios subyacentes determinan sus propiedades funcionales clave. De hecho, las simulaciones de dinámica molecular [41] han revelado conocimientos detallados que permiten la formulación de modelos atomísticos plausibles para los mecanismos de bisagra: tanto BH-Hnorte y BH-HC dependen críticamente de uno o más residuos de glicina que sirven para desestabilizar la α-conformación helicoidal de una forma geométricamente muy localizada [23, 27]. En BH-HC, la torcedura iniciada en un único residuo de glicina invariante evolutivo (mjA ’G825) es posteriormente estabilizado por cationesπ interacciones que involucran otros residuos invariantes cercanos (mjA’Y826 y R829 / R830 [27]). En algunas especies, existe evidencia de una interacción electrostática adicional que proporciona una estabilización adicional de la conformación de bisagra doblada [39], pero esta no es una característica conservada universalmente [27]. Curiosamente, las enzimas RNAP IV y V recientemente descubiertas [42] contienen un residuo de prolina de origen natural en BH-HC que se predice que aumentará BH-HC retorcimiento (aún no se comprende el papel fisiológico de esta inusual sustitución).

La arquitectura molecular de BH-Hnorte parece hacer que esta bisagra sea aún más propensa a torcerse que BH-HC. Esta conclusión se basa en la alta sensibilidad de un residuo clave (mjA ’M808) a mutagénesis bajo in vitro condiciones [23], pero también se puede deducir de la presencia de tres residuos de glicina invariantes muy próximos entre sí (mjA ’G818, G819 y G822 Figura 1 (c)), lo que provoca un debilitamiento regional sustancial de la α-estructura helicoidal. Las simulaciones de dinámica molecular sugieren que, similar a BH-HC, retorcimiento de BH-Hnorte se inicia al desenrollar el α-hélice en el segmento que contiene glicina. A continuación, se forma una torcedura energéticamente estabilizada a través de interacciones de van der Waal e hidrofóbicas entre las cadenas laterales flanqueantes, que muy probablemente involucran residuos como mjA ’M808 y R820 / E821 [23]. Curiosamente, mientras que los residuos de aminoácidos necesarios para BH-HC Los retorcimientos se conservan universalmente en todos los organismos (bacterias, arqueas y eucariotas), parece haber una divergencia claramente discernible en las características estructurales de BH-Hnorte entre bacterias por un lado y arqueas / eucariotas por el otro. Teniendo en cuenta lo que sabemos sobre la estructura y función de la BH-H arqueal / eucariotanorte, parece que la BH-H bacteriananorte las regiones son menos propensas a retorcerse o no se retuercen de una manera tan distinta. Las simulaciones de dinámica molecular de un RNAP bacteriano sugieren que las Helices del Puente bacteriano pueden doblarse más centralmente [25] y posiblemente en un grado menos significativo. Sin embargo, también hay pruebas contrastantes compatibles con la opinión de que la posición de la BH-H bacteriananorte pueden ser directamente comparables a las especies de arqueas / eucariotas: algunas especies / aislamientos bacterianos contienen residuos de prolina de origen natural en la posición ortóloga a mjA ’M808, es decir, precisamente el mismo lugar que tolera una sustitución de prolina en arqueas [23]. Por lo tanto, actualmente no está del todo claro si las diferencias estructurales en la BH-H bacteriananorte los motivos reflejan una sutil diferencia en su modo de acción. Como se describe a continuación, parece muy plausible que BH-Hnorte el retorcimiento es un paso clave en el NAC, por lo que la ubicación precisa y la función de la BH-H bacteriananorte secuencias es una cuestión importante que debe abordarse experimentalmente.

4. Implicaciones funcionales de la torsión de la hélice del puente durante el ciclo de adición de nucleótidos

La presencia de dos bisagras bien definidas en el Bridge Helix plantea la pregunta de si es probable que ocurran cambios conformacionales en estas bisagras en el curso de la NAC y, en caso afirmativo, en qué etapa pueden producirse torceduras y cuáles son las consecuencias funcionales de tales eventos. puede ser. Las únicas estructuras de cristal disponibles actualmente que contienen una hélice de puente retorcida (en BH-HC) se han cristalizado en ausencia total de sustratos [36, 39] o se han acomplejado con un inhibidor capaz de inducir un estado estructural alternativo [40]. Por el contrario, la inspección de las estructuras de rayos X de los RNAP que contienen sustrato da la impresión clara de que los sustratos de ácido nucleico y los dominios de proteínas cercanos mantienen firmemente el puente Helix en su lugar, lo que reduce significativamente cualquier espacio disponible para cambios conformacionales sustanciales (Figura 1). (B)). Especialmente el BH-Hnorte La región está rodeada por una variedad de dominios, como el F-Loop, β-D y dominios Link [23] que parecen evitar cualquier movimiento de bisagra. Esta impresión de "no hay suficiente espacio para moverse" fue sin duda una de las principales razones que explican el tardío descubrimiento de BH-Hnorte porque el terminal N de Bridge Helix aparece consistentemente en estrictamente α-conformación helicoidal en todos los cristales de RNAP bacterianos, arqueales y eucariotas caracterizados hasta ahora (p. ej., [28, 29, 33, 35-40]).

Sin embargo, los estudios exhaustivos de mutagénesis llevados a cabo en una hélice de puente arqueada sugieren con mucha fuerza que las bisagras de la hélice del puente no solo existen, sino que tienen un efecto importante en la velocidad catalítica del RNAP. El aumento de la actividad específica (hiperactividad) que se puede medir cuando determinados residuos son reemplazados por prolina (mjA ’M808 y S824 [21, 23]) sugiere que en los RNAP de tipo salvaje el movimiento de la bisagra puede ser un paso limitante de la velocidad que puede superarse aumentando las flexibilidades de BH-Hnorte y BH-HC [22]. Estos estudios también sugieren que aumentar la flexibilidad de BH-Hnorte tiene un efecto aún más sustancial que con BH-HC: una sustitución de prolina de mjA ’M808 (BH-Hnorte) más del doble de la actividad específica (

240% de tipo salvaje) en comparación con una sustitución de prolina de mjA ’S824 (BH-HC) lo que aumenta la actividad en menor medida (

170% de la actividad de tipo salvaje). Además, otras mutaciones que estabilizan la bisagra en una conformación retorcida aumentan la actividad específica. El mejor ejemplo de este fenómeno se encuentra en mjA ’Q823 [21]. los M. jannaschii BH-HC La región no es naturalmente capaz de formar el enlace electrostático que se ha observado en BH-H retorcido.C estructuras de otras especies (por ejemplo, T. aquaticus [39]) debido a la naturaleza no imputada de mjA ’Q823 [27]. Una sustitución de Q823 por ácido aspártico o, preferiblemente, ácido glutámico (mjA ’Q823-D y Q823-E, respectivamente) resulta en los distintos niveles de hiperactividad que son característicos de una conformación retorcida de BH-HC. Se ha obtenido más evidencia de la existencia de estas interacciones electrostáticas cambiando las posiciones de los residuos cargados [21].

En conjunto, los aumentos en la tasa de torsión de las bisagras (sustituciones de prolina en BH-Hnorte y BH-HC) o aumentos en la vida media del estado retorcido (estabilización de interacciones electrostáticas en BH-HC) se correlacionan fuertemente con un aumento sustancial en la tasa de NAC. Por lo tanto, es razonable suponer que el retorcimiento de Bridge Helix es un proceso que ocurre naturalmente y que juega un papel esencial durante cada ciclo del NAC. Necesitamos abordar la naturaleza de los cambios conformacionales que ocurren dentro del sitio catalítico en varias etapas del NAC y ver cómo podrían verse afectados por el retorcimiento de Bridge Helix.

En ausencia de estructuras cristalinas adicionales que muestren Bridge Helices retorcidas, tenemos que confiar principalmente en más estudios de mutagénesis dirigida al sitio de los dominios circundantes para revelar más pistas de los cambios conformacionales que pueden ocurrir en etapas catalíticas particulares. Un pequeño dominio particularmente intrigante, el dominio Link (ver Figura 1 (b) para la ubicación de esta estructura), podría jugar un papel importante en el establecimiento de una conexión funcional entre el sitio catalítico y la parte N-terminal de Bridge Helix [23 ]. El dominio de enlace tiene forma de L y aparentemente proporciona un enlace conformacional indirecto entre el rNTP en el sitio de inserción y el terminal N de Bridge Helix (Figura 2 (a)). Contactos electrostáticos entre el γ-fosfato del rNTP y un residuo de arginina evolutivamente invariante (Figura 2 (b) Carolina del SurRPB2 R766 en levadura RNAPII correspondiente a mjB ’R154 en M. jannaschii RNAP) es probable que estabilicen la unión del rNTP en el sitio de inserción. Sin embargo, esta interacción podría tener una función igualmente importante como sensor molecular para comunicar la ocupación del sitio de inserción por un rNTP al Bridge Helix. En un trabajo aún inédito, hemos estudiado la conectividad estructural del dominio Link al Bridge Helix utilizando simulaciones de dinámica molecular. Los resultados muestran que los contactos entre el Bridge Helix y el dominio Link dependen críticamente de la presencia del F-Loop [43], que es una extensión en forma de tapa del extremo N del Bridge Helix (Figura 1 (b)). La presencia del dominio F-Loop y Link no interfiere con BH-Hnorte propiedades de torsión y demuestra que todo el complejo del dominio Bridge Helix N-terminal / F-Loop / Link parece moverse como un solo cuerpo rígido (Figuras 3 (a) y 3 (b) ROJW, manuscrito en preparación). Aunque este concepto requiere una mayor verificación experimental, se puede imaginar que tal mecanismo podría servir como un sensor conformacional que induce BH-Hnorte retorcimiento después de la formación exitosa del enlace fosfodiéster y la liberación de pirofosfato (Figura 3 (c)).


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& alpha-sheet es una estructura secundaria de proteína compuesta de residuos en un patrón & alphaR & alphaL alterno.

& alpha-sheet en Enfermedades amiloides

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Publicaciones relevantes

  • Bi, T.M., Daggett, V. El papel de & alpha-sheet en la agregación y toxicidad de oligómeros amiloides, Revista de biología y medicina de Yale, en prensa, 2018.
  • Hopping, G., Kellock, J., Barnwal, R.P., Law, P., Bryers, J.D., Varani, G., Caughey, B., Daggett, V. Los péptidos de lámina α diseñados inhiben la formación de amiloide mediante la selección de oligómeros tóxicos. eLIFE 3: e01681, 2014. [DOI]
  • Daggett V. & alpha-Sheet: ¿El conformador tóxico en las enfermedades amiloides? Cuentas de investigación química39: 594-602, 2006. [DOI]
  • Armen R.S., Alonso D.O.V. y Daggett V. Estructura12: 1847-1863, 2004. [DOI]
  • Armen R.S., DeMarco M.L., Alonso D.O.V. y Daggett V. Pauling y la estructura de hoja plegada alfa de Corey puede definir el intermedio amiloidogénico prefibrilar en la enfermedad amiloide. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.101: 11622-11627, 2004. [DOI]
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    • Editorial sobre este artículo en Ciencias. [PDF] [HTML]

    Amiloide bacteriano en biopelículas

    Muchas bacterias producen fibrillas de amiloide extracelulares que son bioquímicamente similares a las formadas en la enfermedad de los mamíferos, pero a diferencia de los amiloides patológicos, los amiloides bacterianos se producen intencionalmente para desempeñar un papel funcional en la estabilización de la biopelícula. Haga clic en este cuadro para obtener más información.

    Amiloide bacteriano en biopelículas

    Las infecciones asociadas a la atención médica (HAI) son el evento adverso más común en la prestación de atención médica en todo el mundo y un contribuyente significativo a la mortalidad y las pérdidas financieras. Debido a que las infecciones microbianas generalmente ocurren en superficies, por ejemplo, válvulas cardíacas protésicas, catéteres urinarios e intravasculares, implantes ortopédicos, más de la mitad de las HAI están asociadas con la formación de biopelículas. Las biopelículas son comunidades bacterianas estructuradas espacialmente asociadas a la superficie, y la alta densidad de estos entornos permite una comunicación intercelular especializada a través de la detección de quórum. Los microbios en las biopelículas también producen una matriz extracelular (EM) para mediar la unión, inmovilizar las células y promover el transporte de metabolitos. La capa protectora del EM protege a las bacterias de compuestos exógenos, reduciendo su susceptibilidad a los antibióticos en varios órdenes de magnitud en comparación con los microbios que nadan libremente. Las bacterias resistentes a los antibióticos ahora están implicadas en al menos el 14% de todas las HAI [CDC, 2016].

    El EM está compuesto por polisacáridos hidratados, ADN extracelular y proteínas. Las proteínas en la EM asumen una variedad de roles, pero un creciente cuerpo de investigación busca comprender el papel de las fibrillas amiloides en este complejo material biológico.La deposición extracelular de amiloide se ha asociado durante mucho tiempo con el plegamiento incorrecto de proteínas y con afecciones neurodegenerativas como la enfermedad de Alzheimer, pero investigaciones recientes sugieren que muchas bacterias producen fibrillas de amiloide extracelulares para reforzar la biopelícula y resistir la dispersión por agentes químicos o mecánicos. Estas fibrillas son bioquímicamente similares a las que se forman en las enfermedades de los mamíferos, pero a diferencia de los amiloides patológicos, los amiloides bacterianos se producen intencionalmente para desempeñar un papel funcional. La conservación del pliegue amiloide a lo largo de millones de años de evolución probablemente se basa en las características universales de los amiloides, como los enlaces de hidrógeno de la columna vertebral, en lugar de las químicas específicas de la cadena lateral. Además, las fibrillas de amiloide se polimerizan en ausencia de una fuente de energía, por lo que sirven como un andamio molecular metabólicamente ventajoso a pesar de los recursos limitados del entorno EM.

    La capacidad de las fibrillas de amiloide funcional para influir en el desarrollo de biopelículas las ha convertido en un objetivo atractivo para la intervención terapéutica, pero los esfuerzos para suprimir la formación de amiloide en las biopelículas siguen siendo bastante limitados. Por lo tanto, desarrollamos y probamos varios diseños de péptidos por su capacidad para inhibir la formación de amiloide bacteriano en tres biopelículas patológicas: S. aureus, P. aeruginosa y E. coli. Nuestro enfoque de diseño, basado en motivos estructurales únicos de "hoja α" observados en simulaciones de dinámica molecular (MD), se dirige a los oligómeros pre-amiloides formados en el camino hacia la formación de fibrillas. Estos resultados apoyan nuestra hipótesis de que la hoja α es una estructura genérica formada durante la amiloidogénesis independiente de la fuente, secuencia y estructura. Se muestra que el efecto inhibidor de los péptidos de hoja α diseñados persiste incluso en la matriz compleja de biopelículas maduras.

    Publicaciones relevantes

    • Paranjapye, N., Daggett, V. Los péptidos de hoja alfa y diseñados de novo inhiben la formación funcional de amiloide de Streptococcus mutans biopelículas, Revista de biología molecular, en prensa, 2018.
    • Bleem, A., Christiansen, G., Madsen, D.J., Maric, H., Strømgaard K., Bryers, J.D., Daggett, V., Meyer, R.L., Otzen, D.E. La ingeniería de proteínas revela los mecanismos de formación funcional de amiloide en Pseudomonas aeruginosa biopelículas, Revista de biología molecular, en prensa, 2018.
    • Bleem, A., Francisco, R., Bryers, J.D., Daggett, V.Los péptidos diseñados y de hoja alfa suprimen la formación de amiloide en Staphylococcus aureus biopelícula. Biofilms y microbiomas de la naturaleza, 3: 16, 2017.
    • Bleem, A., Daggett, V. Diversidad estructural y funcional entre proteínas amiloides: agentes de enfermedad, componentes básicos de la biología e implicaciones para la ingeniería molecular. Biotecnología y Bioingeniería114: 7-20, 2017.

    Caracterización de la estructura de & alpha-sheet

    La hipótesis de la hoja alfa fue propuesta por primera vez por Valerie Daggett después de que las simulaciones de dinámica molecular de varios péptidos / proteínas amiloides convergieran en esta estructura secundaria única. Hemos estado caracterizando la estructura de & alpha-sheet utilizando una variedad de métodos experimentales tanto estándar como novedosos, utilizando nuestros péptidos con plantilla & alpha-sheet, y desarrollando asignaciones estándar para la estructura de & alpha-sheet.

    Caracterización de la estructura de & alpha-sheet

    La hipótesis de la hoja alfa fue propuesta por primera vez por Valerie Daggett después de que las simulaciones de dinámica molecular de varios péptidos / proteínas amiloides convergieran en esta estructura secundaria única. Hemos estado caracterizando la estructura de & alpha-sheet utilizando una variedad de métodos experimentales tanto estándar como novedosos, utilizando nuestros péptidos de plantilla & alpha-sheet, y desarrollando asignaciones estándar para la estructura de & alpha-sheet. Las firmas espectroscópicas, que utilizan dicroísmo circular, FTIR y RMN, para & alpha-sheet son distintas de las de hoja b, hélice a y estructura de bobina aleatoria. Los colaboradores de Redshift Bioanalytics han sido pioneros en la espectroscopia de modulación de microfluidos (MMS), que proporciona información de estructura secundaria basada en soluciones basada en la absorción de luz IR y ha demostrado que la estructura de la hoja & alpha es única. Al ajustar nuestro proceso de diseño, estamos desarrollando mejores estándares para la caracterización de & alpha-sheet y esperamos investigar las firmas espectroscópicas de péptidos / proteínas amiloides a lo largo del proceso de agregación para determinar el papel de & alpha-sheet en la agregación y la toxicidad.

    Publicaciones relevantes

    • Paranjapye, N., Daggett, V. Los péptidos de hoja alfa diseñados de novo inhiben la formación funcional de amiloide de las biopelículas de Streptococcus mutans, Revista de biología molecular, en prensa, 2018. [DOI]
    • Maris, N.L, Shea, D., Bleem, A., Bryers, J.D., Daggett, V. Variabilidad química y física en los isómeros estructurales de un péptido de hoja alfa L / D diseñado para inhibir la amiloidogénesis. Bioquímica, 57: 507-510, 2018. [DOI]
    • Bleem, A., Francisco, R., Bryers, J.D., Daggett, V. Los péptidos diseñados y de hoja alfa suprimen la formación de amiloide en la biopelícula de Staphylococcus aureus. Biofilms y microbiomas de la naturaleza, 3: 16, 2017. [DOI]
    • Childers, M.C., Daggett, V. Perspectivas de las simulaciones de dinámica molecular para el diseño computacional de proteínas. Diseño e ingeniería de sistemas moleculares2: 9-33, 2017. [DOI]

    Diseño de inhibidor de amiloide

    Algunas proteínas son amiloidogénicas y se agregan en especies tóxicas. Diseñamos proteínas con el objetivo de limitar esa agregación, ralentizando la progresión de la enfermedad.

    Diseño de inhibidor de amiloide

    Algunas proteínas son amiloidogénicas y se agregan en especies tóxicas. Diseñamos proteínas con el objetivo de limitar esa agregación, ralentizando la progresión de la enfermedad. Con este objetivo en mente, aprovechamos la estructura secundaria de la hoja alfa que observamos en muchas proteínas amiloidogénicas. Al diseñar péptidos (secuencias cortas de aminoácidos) con estructura de lámina alfa, encontramos que estos péptidos interactuaban preferentemente con los intermedios tóxicos en la amiloidogénesis, inhibiendo la agregación.

    Más.

    Publicaciones relevantes

    • Paranjapye, N., Daggett, V. Los péptidos de hoja alfa diseñados de novo inhiben la formación funcional de amiloide de las biopelículas de Streptococcus mutans, Revista de biología molecular, en prensa, 2018. [DOI]
    • Maris, N.L, Shea, D., Bleem, A., Bryers, J.D., Daggett, V. Variabilidad química y física en los isómeros estructurales de un péptido de hoja alfa L / D diseñado para inhibir la amiloidogénesis. Bioquímica, 57: 507-510, 2018. [DOI]
    • Bleem, A., Francisco, R., Bryers, J.D., Daggett, V. Los péptidos diseñados y de hoja alfa suprimen la formación de amiloide en la biopelícula de Staphylococcus aureus. Biofilms y microbiomas de la naturaleza, 3: 16, 2017. [DOI]
    • Kellock, J., Hopping, G., Caughey, B., Daggett, V. Los péptidos compuestos de aminoácidos L y D alternados inhiben la amiloidogénesis en tres sistemas amiloides distintos independientes de la secuencia. Revista de biología molecular428 : 2317-2328, 2016. [DOI]
    • Hopping, G., Kellock, J., Barnwal, R.P., Law, P., Bryers, J.D., Varani, G., Caughey, B., Daggett, V. Los péptidos de lámina α diseñados inhiben la formación de amiloide mediante la selección de oligómeros tóxicos. eLIFE3: e01681, 2014. [DOI]

    Cambios conformacionales en la amiloidogénesis

    Realizamos simulaciones MD de proteínas en condiciones amiloidogénicas para obtener información sobre los primeros cambios conformacionales asociados con la formación de amiloide.

    Cambios conformacionales en la amiloidogénesis

    En la actualidad existen más de X péptidos y proteínas humanos asociados con la enfermedad amiloide y la formación de depósitos fibrilares insolubles. Curiosamente, estas proteínas tienen poco en común: tienen topologías nativas variables y contenido de estructura secundaria (algunas incluso están desordenadas de forma nativa), composición de aminoácidos y funciones nativas. A pesar de estas diferencias, las fibrillas maduras resultantes y las especies intermedias comparten muchas características. Tradicionalmente, la formulación de estrategias diagnósticas y / o terapéuticas requiere una comprensión estructural de la proteína diana. Sin embargo, el conjunto heterogéneo - y potencialmente desordenado - de especies de amiloide intermedias excluye en gran medida la comprensión estructural a través de métodos tradicionales como la cristalografía de rayos X o la espectroscopia de RMN. Para llenar este vacío, realizamos simulaciones atomísticas de proteínas amioides en condiciones amiloidogénicas para modelar los primeros cambios conformacionales que ocurren durante la amiloidogénesis. En simulaciones de múltiples proteínas, incluidas la transtiretina, la superóxido dismutasa, el prión y la lisozima, hemos observado la formación de un tipo inusual de estructura secundaria que hemos denominado lámina alfa. Las propiedades únicas de esta estructura secundaria han guiado la hipótesis central de nuestro laboratorio con respecto a la amiloidogénesis y han llevado al desarrollo de péptidos capaces de inhibir la formación de amiloide en múltiples sistemas.

    Publicaciones relevantes

    • Cheng, C.C., Koldsø, H., Van der Kamp, M.W., Schiøtt, B., Daggett, V., Simulaciones de proteína priónica humana diglucosilada unida a membrana revelan posibles mecanismos de protección contra el plegamiento incorrecto. Revista de neuroquímica, 142: 171-182, 2017.
    • Cheng, C.J., Daggett, V.Diferentes mecanismos de plegamiento incorrecto convergen en cambios conformacionales comunes: mutantes patógenos de proteínas priónicas humanas Y218N y E196K. Prion8: 1-11, 2014.
    • Cheng, C.J., Daggett, V. Las simulaciones de dinámica molecular capturan el plegamiento incorrecto de la proteína priónica bovina a pH ácido. Biomoléculas4: 181-201, 2014.
    • Schmidlin, T., Ploeger, K., Jonsson, A.L. Daggett, V. Los primeros pasos en el despliegue térmico de la superóxido dismutasa 1 son similares a los cambios conformacionales asociados con la mutación de A4V asociada a ALS. Ingeniería, diseño y selección de proteínas, 26: 503-513, 2013.
    • Van der Kamp M.W. y Daggett V. Las consecuencias de las mutaciones patógenas en la proteína priónica humana. Diseño y selección de ingeniería de proteínas22: 461-468, 2009.
    • Steward R.E., Armen R.S. y Daggett V. Diferentes mutaciones causantes de enfermedades en la transtiretina desencadenan la misma conversión conformacional. Ingeniería, diseño y selección de proteínas21: 187-195, 2008.
    • DeMarco M.L. y Daggett V. Mecanismo molecular para el plegamiento incorrecto de la proteína prión humana provocado por un pH bajo. Bioquímica46: 3045-3054, 2007.
    • Daggett V. α-Sheet: ¿El conformador tóxico en las enfermedades amiloides? Cuentas de investigación química39: 594-602, 2006.
    • Armen R.S. y Daggett V. Caracterización de dos intermedios de despliegue de β2-microglobulina distintos que pueden conducir a fibrillas amiloides de morfología diferente. Bioquímica44: 16098-16107, 2005.
    • Armen R.S., Bernard B.M., Day R, Alonso D.O.V. y Daggett V. Caracterización de un posible precursor amiloidogénico en enfermedades por repetición de glutamina. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.102: 13433-13438, 2005.
    • Armen R.S., DeMarco M.L., Alonso D.O.V. y Daggett V. Pauling y la estructura de hoja plegada alfa de Corey puede definir el intermedio amiloidogénico prefibrilar en la enfermedad amiloide. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias101:11622-11627, 2004.
    • Armen R.S., Alonso D.O.V. y Daggett V. Estructura12: 1847-1863, 2004.

    Vías de plegado y despliegue de proteínas

    El proceso por el cual una cadena desplegada de aminoácidos se pliega en una compleja estructura secundaria y terciaria todavía está envuelto en un misterio.

    Vías de plegado y despliegue de proteínas

    A lo largo del camino del ADN a la proteína funcional, ya se comprende mucho. El ADN se transcribe en ARN que luego se traduce en la estructura primaria de una proteína. De manera similar, para muchas proteínas, los mecanismos por los que funcionan está bien documentado. Sin embargo, el proceso por el cual una cadena de aminoácidos desplegada se pliega en una compleja estructura secundaria y terciaria sigue envuelto en un misterio.

    Desafortunadamente, la naturaleza variable, dinámica y de corta duración de incluso los estados más importantes y estables a lo largo de la vía de plegamiento dificulta el análisis experimental. Incluso en las simulaciones, la vía de plegado no se puede examinar fácilmente debido a la increíble demanda computacional de comprobar todos los pasos posibles que podría dar la proteína de plegado. Estos problemas se abordan utilizando la reversibilidad microscópica del plegamiento de proteínas. Al estudiar las vías de desarrollo en simulaciones de dinámica molecular, una tarea mucho menos intensiva desde el punto de vista computacional, se puede obtener una gran cantidad de información sobre la vía de plegado.

    A partir de las simulaciones desplegadas, es posible caracterizar todos los puntos importantes a lo largo de la ruta de plegado / desplegado desde los estados nativo y casi nativo hasta el estado de transición a los intermedios compartidos importantes y el estado desnaturalizado. Al caracterizar todos estos estados, los principales eventos en el desarrollo se vuelven claros: pérdida del empaquetamiento del núcleo hidrofóbico o enlaces de hidrógeno, cambio en los ángulos diedros, formación de contactos no nativos, etc. Cuando estos eventos se entienden en la dirección del desarrollo, entonces puede Se mostrará cómo afectan la dirección de plegado. Por ejemplo, la pérdida de empaquetamiento del núcleo hidrófobo en el estado de transición de despliegue indicaría la formación del núcleo hidrófobo en el estado de transición de plegado o los contactos no nativos altamente conservados en un intermedio de despliegue compartido pueden indicar que este contacto no nativo es importante para la formación. de otras partes de la estructura nativa en la dirección de plegado. Este tipo de conocimientos pueden conducir a una vía de plegado / desplegado bien caracterizada y comprendida para cualquier proteína o familia de proteínas.

    Con este fin, hemos simulado más de 800 proteínas distintas en condiciones nativas y de despliegue para un total de más de 6000 simulaciones. Para más de 1300 de estas simulaciones que representan más de 180 proteínas distintas, se ha identificado y caracterizado el estado de transición, y para cinco de ellas, el estado de transición se verificó con los datos experimentales disponibles. Cuando se calcularon propiedades generales como el área de superficie expuesta al solvente y el número de contactos nativos para todos estos conjuntos de estados de transición, se encontró que las desviaciones estándar eran pequeñas, lo que indica que existen reglas comunes que influyen en la estructura y propiedades de todos los estados de transición y plegamiento. caminos. El objetivo primordial se convierte entonces en dilucidar estas reglas mediante el estudio adicional de simulaciones de dinámica molecular.

    Publicaciones relevantes

    • Mayor M., Guydosh N.R., Johnson C.M., Grossmann J.G., Sato S., Jas G.S., Freund S.M.V., Alonso D.O.V., Daggett V. y Fersht A.R. La vía de plegamiento completa de una proteína desde nanosegundos hasta microsegundos. Naturaleza421 : 863-867, 2003. [DOI]
    • Day R. y Daggett V. Ensemble versus despliegue de proteína de molécula única. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.102: 13445-13450, 2005. [DOI]
    • McCully M.E., Beck D.A.C., Fersht A.R. y Daggett V.Refolding the Engrailed Homeodomain: Structural Basis for the Accumulation of a Plegable Intermediate. Revista biofísica99: 1628-1636, 2010. [DOI]

    Diseño de péptidos y proteínas

    Diseñamos péptidos y proteínas homoquirales y heteroquirales mediante técnicas de diseño computacional de proteínas. Nuestros diseños se basan en los resultados de simulaciones de dinámica molecular, propensiones conformacionales intrínsecas y muchos más.

    Diseño de péptidos y proteínas

    El diseño computacional de proteínas y péptidos abarca la creación de nuevas proteínas desde cero o la modificación de proteínas naturales, y busca identificar la secuencia de aminoácidos óptima para adoptar un pliegue o función específicos. Las variantes de proteínas manipuladas resultantes pueden proporcionar conocimientos sobre las propiedades biofísicas de las proteínas o pueden formularse como herramientas de diagnóstico, agentes terapéuticos o biomateriales funcionales. En contraste con las estrategias de diseño de proteínas convencionales, como la evolución dirigida que construye secuencias novedosas a través de mutagénesis casi aleatoria, el diseño de proteínas computacional construye secuencias novedosas a través de una combinación de intuición bioquímica, así como datos que reflejan nuestra comprensión actual de las proteínas en general y para pliegues específicos. . Por ejemplo, en nuestro laboratorio, hemos utilizado simulaciones de MD para construir bibliotecas dinámicas de propensiones de aminoácidos que reflejan las preferencias conformacionales intrínsecas para la columna vertebral y las cadenas laterales de los aminoácidos L y D. Las simulaciones MD de referencia de diseños de proteínas, tendencias de secuencias específicas de familias de pliegues y conocimientos más amplios de la base de datos Dynameomics también informan los esfuerzos de diseño de proteínas.

    Publicaciones relevantes

    Diseño de proteínas
    • Gianni, S., McCully, M.E., Malagrino, F., Bonetti, D., De Simone, A., Brunori, M., Daggett, V.Una sustitución de carboxilato a amida sintoniza el cambio de pliegues en un dominio de proteína. Angewadte Chemie, revisión enviada, 2018.
    • Childers, M.C., Daggett, V. Perspectivas de las simulaciones de dinámica molecular para el diseño computacional de proteínas. Diseño e ingeniería de sistemas moleculares, 2: 9-33, 2017.
    • McCully M.E., Beck D.A.C., Daggett V.Los contactos promiscuos y la dinámica elevada aumentan la termoestabilidad en una variante diseñada del homeodominio grabado. Ingeniería, diseño y selección de proteínas, 26:35-45, 2013.
    • Ladurner A.G., Itzhaki L.S., Daggett V. y Fersht A.R. Sinergia entre simulación y experimento para describir el panorama energético del plegamiento de proteínas. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU., 95: 8473-8478, 1998.
    • Storch E.M. y Daggett V., Simulaciones de dinámica molecular del citocromo b5: implicaciones para el reconocimiento proteína-proteína. Bioquímica, 34: 9682-9693, 1995.
    Propensiones conformacionales intrínsecas
    • Childers, M.C., Towse, C.-L., Daggett, V. Bibliotecas derivadas de la dinámica molecular para D-aminoácidos dentro de polipéptidos homoquirales y heteroquirales, Ingeniería, diseño y selección de proteínas, en prensa, 2018.
    • Childers, M.C., Towse, C.-L., Daggett, V. El efecto de la quiralidad y el impedimento estérico en las propensiones conformacionales de la columna vertebral intrínseca: herramientas para el diseño de proteínas. Diseño y selección de ingeniería de proteínas29 : 271-280, 2016.
    • Towse, C.-L., Rysavy, S.J., Vulovic, I.M., Daggett, V.Nuevas bibliotecas de rotámeros dinámicos: análisis basado en datos de las propensiones conformacionales de la cadena lateral. Estructura24 : 187-199, 2016.
    • Towse, C.-L., Vymetal, J., Vondrasek, J., Daggett, V. Información sobre las proteínas desplegadas de las propensiones intrínsecas φ / ψ de la serie huésped-huésped AAXAA. Revista biofísica110 : 348-361, 2016.
    • Towse, C.-L., Hopping, G., Vulovic, I., Daggett, V. Naturaleza versus diseño: las propensiones conformacionales de los D-aminoácidos y la importancia de la quiralidad de la cadena lateral. Ingeniería, diseño y selección de proteínas27 : 447-455, 2014.
    • Beck D.A.C., Alonso D.O.V., Inoyama D. y Daggett V. Las propensiones conformacionales intrínsecas de los 20 aminoácidos naturales y el reflejo de estas propensiones en las proteínas. Actas de la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU.105: 12259-12264, 2008.
    Diseño de péptidos
    • Maris, N.L, Shea, D., Bleem, A., Bryers, J.D., Daggett, V. Variabilidad química y física en los isómeros estructurales de un péptido de hoja alfa L / D & diseñado para inhibir la amiloidogénesis. Bioquímica, 57:507-510, 2018.
    • Hopping, G., Kellock, J., Barnwal, R.P., Law, P., Bryers, J.D., Varani, G., Caughey, B., Daggett, V. Los péptidos de lámina α diseñados inhiben la formación de amiloide mediante la selección de oligómeros tóxicos. eLIFE3: e01681, 2014.
    • Daggett V. Arrojando luz sobre la amiloidosis con ingeniería de proteínas. Diseño y selección de ingeniería de proteínas22: 445, 2009.

    Desarrollo de software

    Desarrollamos software para mejorar la visualización de estructuras y trayectorias de proteínas y péptidos. Nuestro desarrollo de software actual se centra en WRANGLER, una herramienta de visualización y diseño de proteínas y péptidos. Para obtener más información, haga clic en este cuadro.

    Desarrollo de software

    Nuestro motor de visualización intensivo de datos (DIVE) es una herramienta de análisis independiente del dominio muy potente para datos complejos. A través de un canal de datos versátil, DIVE proporciona acceso a la base de datos de Dynameomics mediante gráficos, análisis de datos y SQL directo.

    En la imagen de abajo, DIVE se está utilizando para visualizar dos simulaciones de la proteína homeodominio engranada (ENH) simultáneamente. Ambas simulaciones se han cargado a través de la canalización de Dynameomics. A través de secuencias de comandos basadas en C #, las proteínas se han coloreado de acuerdo con el área de superficie accesible al solvente. De la variedad de gráficos disponibles en tiempo real, se ha elegido un mapa de contacto de residuos a lo largo de la trayectoria para su visualización, destacando varias diferencias en los contactos entre las dos trayectorias. DIVE puede mostrar muchas otras cantidades específicas, como la cantidad de enlaces de hidrógeno entre residuos a lo largo de la simulación en tiempo real, que se muestra en la parte inferior izquierda, o un diagrama de Ramachandran de la trayectoria, que se muestra en la parte inferior derecha.

    VAQUERO

    WRANGLER es un software de diseño y visualización actualmente en desarrollo que permite al usuario construir y mutar rápidamente péptidos y proteínas. Aunque existen varias herramientas de visualización, WRANGLER es único en su capacidad para diseñar estructuras muy rápidamente: el usuario puede simplemente escribir códigos de residuo de una letra en el cuadro Secuencia o incluso copiar y pegar para construir una estructura. Luego, los ángulos diedros  y  de la estructura se pueden ajustar por residuo utilizando una gráfica de Ramachandran única para cada residuo. Uno puede hacer clic y arrastrar el botón de seguimiento a través del espacio de Ramachandran para encontrar conformaciones estructurales deseables.

    Además, WRANGLER incorpora las bibliotecas de rotámeros Dynameomics independientes y dependientes de la columna vertebral más actualizadas de 2016, así como bibliotecas específicas para las conformaciones intrínsecas de péptidos rodeados por 1 o d-aminoácidos.

    WRANGLER también proporciona cálculos y gráficos para la propensión a las hojas , la propensión a los residuos y la hidrofobicidad en comparación con las secuencias de péptidos de las hojas generadas aleatoriamente. Se puede utilizar un generador de secuencia aleatoria en esta herramienta para ayudar al diseño. Más propensiones conformacionales derivadas computacionalmente están en camino, incluidas las de la hoja  y la hélice, para ayudar en la predicción de la estructura secundaria basada en interacciones y residuos locales.


    Fondo

    En 1974, Chou y Fasman publicaron la frecuencia calculada de aparición y la propensión conformacional de cada aminoácido en las estructuras secundarias de 15 proteínas, que constan de 2473 residuos de aminoácidos [1]. Desde entonces, se ha determinado y clasificado un gran número de estructuras de proteínas para reflejar la relación tanto estructural como evolutiva [2, 3]. La clasificación SCOP (clasificación estructural de proteínas) es una de las principales bases de datos que proporciona una descripción detallada y completa de las relaciones de todas las estructuras de proteínas conocidas. La clasificación está en niveles jerárquicos: los dos primeros niveles, familia y superfamilia, describen relaciones evolutivas cercanas y lejanas, el tercero, pliegue, describe relaciones geométricas. La mayoría de los pliegues (899/1086) se asignan a una de las cuatro clases estructurales "todo-α", "todo-β", "α / β" (para proteínas con hélices α y hebras β que están en gran parte intercaladas ) y "α + β" (para aquellos en los que las hélices α y las cadenas β están segregadas en gran medida). Los pliegues restantes se asignan a las clases de proteínas "Multidominio", "Membrana y superficie celular" o "Pequeñas". En 2009, desarrollamos una base de datos estructural cuaternaria para proteínas, OLIGAMI [4] en la que la información de oligómeros se agregó a la clasificación SCOP [2], para permitir un estudio exhaustivo de las estructuras terciarias o cuaternarias de proteínas.

    Se ha llevado a cabo un gran número de estudios para obtener las propensiones de aminoácidos para α-helix y β-sheet [1, 5-28]. Las propensiones se han estimado a partir del análisis estadístico de estructuras tridimensionales [1, 6-15], la determinación experimental del contenido de hélice α o lámina β en péptidos [16-23] y la determinación experimental de la estabilidad termodinámica de proteínas mutantes [23-28]. Las propensiones obtenidas para la hélice α son consistentes entre los estudios, siendo el coeficiente de correlación por pares (R) con frecuencia & gt0,8, aunque Richardson et al. [7] y Engel et al. [12] mostró que las propensiones de aminoácidos son diferentes para ubicaciones específicas de α-hélice dependiendo de los aminoácidos. Engel y col. también muestran que la mayoría de las hélices son anfifílicas y tienen una fuerte tendencia a comenzar y terminar en la cara inaccesible al solvente de la hélice α, lo que sugiere que las propensiones para la hélice α difieren entre las caras accesibles al solvente y las inaccesibles al solvente. Por otro lado, las propensiones de hoja β obtenidas por varios estudios difieren significativamente, lo que indica que el contexto afecta significativamente la propensión de hoja β. Las láminas β consisten en varias combinaciones de hebras β, el número de hebras, paralelas, antiparalelas, láminas β mixtas, etc. Para el dominio de unión a IgG de la proteína G, que tiene cuatro hebras β antiparalelas, Minor y Kim demostraron que la propensión a la hoja β medida en la hebra central [27] difiere significativamente de la medida en una hebra de borde [28]. Esta naturaleza dependiente del contexto de la propensión a la hoja β puede reflejarse en su dependencia del pliegue total de proteínas. Previamente, Jiang et al. [10] y Costantini et al. [13] calculó las propensiones de estructura secundaria para cuatro clases estructurales de proteínas “todo-α”, “todo-β”, “α / β” y “α + β” y mostró que la propensión a la hoja β depende de estas clases estructurales. Sin embargo, no se ha aclarado que sus dependencias resultan de la diferencia en qué tipo de contexto, ya que cada clase plegable contiene varios pliegues que tienen un contexto diferente. Por tanto, es interesante analizar si la propensión a los aminoácidos de cada aminoácido varía según el tipo de pliegue.

    En este estudio, para aclarar la relación entre la propensión a los aminoácidos y el contexto con más detalle, calculamos la ocurrencia de cada residuo de aminoácido en las conformaciones de hélice α y cadena β como una función del pliegue SCOP de la proteína (es decir. nivel estructural más bajo que el abordado anteriormente), y categorizó los residuos como expuestos al solvente o interior enterrado. Los resultados indican que las propensiones de hélice α no difieren significativamente por pliegue, pero que las propensiones de hoja β son diversas y de hecho dependen del pliegue. Además, encontramos algunas relaciones entre una característica estructural y una composición de aminoácidos analizando las correlaciones entre un pliegue de proteína y una propensión a aminoácidos.


    Agradecimientos

    Agradecemos a JM Berger, K. Brejc, D. Fass, D. Julius, EA Lumpkin y BA Schulman por sus comentarios sobre el manuscrito J. Holton en la línea de luz 8.3.1 en Advanced Light Source por su ayuda con la recopilación de datos RW Tsien y DT Yue para los clones de los canales de calcio y miembros del laboratorio Minor por el apoyo en todas las etapas de este trabajo. Este trabajo fue apoyado por premios a D.L.M. de la Fundación McKnight para la Neurociencia, el programa académico March of Dimes Basil O'Connor Scholar, la Fundación Alfred P. Sloan y la Fundación Rita Allen. D.L.M. es un becario de la Fundación McKnight, un becario de investigación Alfred P. Sloan y un becario de la Fundación Rita Allen.


    Predicción de estructura secundaria

    Hebras y láminas (hebras β, láminas β paralelas y antiparalelas)

    Las láminas β son un tipo de estructura secundaria más espaciosa formada a partir de hebras β. Las hebras consisten en el esqueleto de la proteína en "zigzag", típicamente de cuatro a diez residuos. Las cadenas β simples no son energéticamente favorables. Sin embargo, pueden formar láminas β que se caracterizan por un patrón de enlaces de hidrógeno entre los residuos de dos hebras β diferentes. El residuo i en la hebra 1 forma un enlace de hidrógeno con el residuo j en la hebra 2. El siguiente enlace se puede formar de dos formas diferentes: o bien el residuo i + 2 en la hebra 1 se une a j + 2 en la hebra 2 (denominado β paralelo -sheet), o el residuo i + 2 en la hebra 1 se une a j − 2 en la hebra 2 (denominada hoja β antiparalela). En contraste con la situación de las hélices, los residuos de enlaces de hidrógeno en las hojas β podrían estar muy lejos en secuencia. La mayoría de las láminas β se forman a partir de más de dos hebras. Por lo general, las cadenas y las hojas β se abrevian con la letra E.


    Ver el vídeo: Hay que aplicar la estructura de actos y secuencias en cortos? (Agosto 2022).