Pregamento de proteínas

O pregamento de proteínas é o proceso polo cal as proteínas adquiren a súa forma ou conformación. É o proceso físico polo cal un polipéptido se prega adoptando a súa estrutura tridimensional funcional característica a partir dun enrolamento aleatorio inicial. Todas as proteínas aparecen como un polipéptido non pregado ou de enrolamento ao chou cando son traducidas a partir dunha secuencia de ARNm a unha cadea lineal de aminoácidos. Este polipéptido carece dunha estrutura tridimensional desenvolvida (a imaxe da esquerda na primeira figura). Os aminoácidos interaccionan uns con outros para producir unha estrutura tridimensional ben definida, a proteína pregada (a imaxe da dereita da primeira figura), coñecida como estado nativo. A estrutura tridimensional resultante está determinada principalmente pola secuencia de aminoácidos, segundo o dogma de Anfinsen, aínda que tamén poden influír outros factores. O ambiente en que está a proteína e factores externos poden afectar ao seu estado de pregamento (temperatura, pH, presenza de substancias, campos eléctricos...), e existen unhas proteínas chamadas chaperonas especializadas en axudar ao pregamento e agregación de proteínas, e tamén os prións poden afectar ao seu pregamento.

A estrutura tridimensional correcta é esencial para que a proteína funcione, aínda que algunhas partes de proteínas funcionais poden permanecer sen pregar. Cando hai fallos no pregamento dunha proteína para que adopte a súa estrutura nativa, orixínanse xeralmente proteínas inactivas, pero nalgúns casos as proteínas mal pregadas teñen unha funcionalidade modificada ou tóxica. Crese que varias enfermidades neurodexenerativas e doutros tipos se orixinan pola acumulación de fibrilas amiloides formadas por proteínas mal pregadas. Moitas alerxias son causadas polo pregamento das proteínas, xa que o sistema inmunitario non pode producir anticorpos para certas estruturas proteicas.Alberts, Bruce, Dennis Bray, Karen Hopkin, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, and Peter Walter. "Protein Structure and Function." Essential Cell Biology. Edition 3. New York: Garland Science, Taylor and Francis Group, LLC, 2010. Pg 120-170.

O proceso contrario ao pregamento das proteínas é a desnaturalización das proteínas, na cal se desfai o pregamento e se alteran algunhas das estruturas da proteína.

 Feitos coñecidos 

 Relación entre a secuencia de aminoácidos e o pregamento 
miniatura|dereita|300px|Ilustración da principal forza que impulsa a formación da estrutura das proteínas. No pregamento compacto da dereita os aminoácidos hidrofóbicos (esferas negras) están en xeral protexidos do contacto co solvente.

A secuencia de aminoácidos dunha proteína determina a súa conformación nativa. Unha molécula proteica prégase espontaneamente durante ou despois da súa biosíntese. Aínda que estas macromoléculas pode considerarse que se autoensamblan, o proceso tamén depende do solvente (auga ou bicapa lipídica), da concentración de sales, da temperatura, e da presenza de proteínas chaperonas moleculares.

As proteínas pregadas xeralmente teñen as cadeas laterais hidrófobas dos aminoácidos agochadas na parte interna. O empaquetamento estabiliza o estado pregado, xa que as cadeas laterais hidrófilas ou cargadas ocupan a superficie exposta ao solvente por onde interaccionan coa auga que as rodea. A minimización do número de cadeas laterais hidrófobas que quedan expostas á auga é unha importante forza impulsora do proceso de pregamento. A formación de enlaces de hidróxeno intramoleculares proporciona outra importante contribución á estabilidade das proteínas. A forza dos enlaces de hidróxeno depende da contorna que os rodea, así os enlaces de hidróxeno que están envoltos nunha zona hidrofóbica contribúen máis á estabilidade do estado nativo ca aqueles outros que están expostos a un ambiente acuoso.

O proceso de pregado con frecuencia empeza cotraducionalmente (á vez que se traducen as proteínas), de modo que o extremo N-terminal da proteína empeza a pregarse cando a porción C-terminal da proteína aínda está sendo sintetizada polo ribosoma. Proteínas especializadas chamadas chaperonas axudan no pregamento doutras proteínas. Un exemplo ben estudado é o do sistema bacteriano GroEL, que axuda ao pregamento de proteínas globulares. En eucariotas as chaperonas coñécense como proteínas de choque térmico. Aínda que a maioría das proteínas globulares poden adoptar sen axuda o seu estado nativo, o pregamento asistido por chaperonas é necesario algunhas veces no ateigado ambiente celular para impedir agregacións entre as proteínas; as chaperonas tamén se usan para impedir pregamentos e agregacións incorrectas que poden acontecer como consecuencia da exposición á calor ou a outros cambios no ambiente celular.

Hai dous modelos de pregamento de proteínas que foron actualmente confirmados: Modelo de difusión-colisión: Neste modelo fórmase un núcleo da estrutura, despois fórmase a estrutura secundaria, e finalmente estas estruturas secundarias chocan e empaquétanse apertadamente, orixinando estruturas superiores. Modelo de nucleación-condensación: Neste modelo as estrururas secundaria e terciaria da proteína orixínanse ao mesmo tempo. Recentes estudos mostraron que algunhas proteínas mostran características de ambos os modelos de pregamento.

Os científicos estudaron como moitas moléculas idénticas se pregaban en masa. En xeral, parece que ao facer a transición desde o estado nativo, unha determinada secuencia de aminoácidos toma aproximadamente a mesma ruta e procede por medio de aproximadamente os mesmos intermediatos e estados de transición. A miúdo o pregamento implica primeiro o establecemento de estruturas secundarias e supersecundarias regulares, en especial hélices alfa e follas beta, e despois o da estrutura terciaria. A formación de estrutura cuaternaria xeralmente implica a ensamblaxe ou coensamblaxe de subunidades que están xa pregadas. As estruturas en hélice alfa regular e folla beta préganse rapidamente porque están estabilizadas por enlaces de hidróxeno intramoleculares, como foi descuberto por Linus Pauling. O pregamento das proteínas pode implicar a formación de enlaces covalentes como as pontes disulfuro, que se forman entre dous residuos de cisteína, ou a formación de clústeres metálicos. Pouco despois de estabilizárense nas súas conformacións nativas máis enerxeticamente favorables, as moléculas poden pasar a través dun estado intermedio chamado "glóbulo fundido" (molten globule).

Porén, o feito esencial do pregamento, segue sendo que a secuencia de aminoácidos de cada proteína contén a información que especifica tanto a estrutura nativa coma a vía para atinxir ese estado. Isto non quere dicir que todas ou case todas as secuencias idénticas de aminoácidos se preguen sempre de xeito similar. As conformacións difiren debido a factores ambientais tamén; de modo que proteínas similares se pregan de modo diferente dependendo en onde se atopen. O pregamento é un proceso espontáneo independente da enerxía cedida por nucleósidos trifosfato, como o ATP. O paso ao estado pregado está impulsado principalmente por interaccións hidrofóbicas, formación de enlaces de hidróxeno intramoleculares, e de forzas de van der Waals, e oponse a el a entropía conformacional.

 Alteración do estado nativo 

En certas condicións as proteínas non poden pregarse na súa forma bioquimicamente funcional. As temperaturas que están por riba ou por debaixo de determinado rango no que as células normalmente viven fan que as proteínas sexan termicamente inestables e se despreguen ou desnaturalicen (como cando se coce un ovo e a clara se volve opaca). O mesmo fan as altas concentracións de solutos, o pH extremo, forzas mecánicas, e a presenza de desnaturalizantes químicos. Porén, a estabilidade térmica das proteínas non é constante para todas. Por exemplo, as bacterias hipertermófilas crecen a temperaturas de 122 °C, o cal require que as súas proteínas e complexos proteicos sexan estables a esas altas temperaturas.

Unha proteína completamente desnaturalizada carece de estrutura terciaria e secundaria, e ten o que se chama un enrolamento aleatorio (random coil). En certas condicións algunhas proteínas poden volverse a pregar; pero, en moitos outros casos, a desnaturalización é irreversible. As células ás veces protexen as súas proteínas contra a influencia desnaturalizante da calor con proteínas chamadas chaperonas ou proteínas de choque térmico, que axudan a outras proteínas a pregarse ou a permanecer correctamente pregadas. Algunhas proteínas nunca se pregan nas células a non ser coa asistencia destas chaperonas, as cales illan unha proteína para que o seu pregamento non se vexa interrompido polas interaccións con outras proteínas ou axudan a despregar as proteínas mal pregadas, dándolles unha segunda oportunidade para que se preguen correctamente. Esta función é crucial para impedir a precipitación en agregados amorfos insolubles.

 Pregamento incorrecto e doenzas neurodexenerativas 
As proteínas agregadas están asociadas con enfermidades relacionadas con prións como a enfermidade de Creutzfeldt-Jakob, a encefalopatía esponxiforme bovina (enfermidade das vacas tolas), enfermidades relacionadas con depósitos amiloides como o Alzheimer e a cardiomiopatía amiloide familiar ou a polineuropatía,Hammarstrom, P., et al., Prevention of Transthyretin Amyloid Disease by Changing Protein Misfolding Energetics. Science, 2003. 299(5607): p. 713-716. así como as enfermidades de agregación intracitoplasmática como as enfermidades de Huntington e Parkinson.Chiti, F.; Dobson, C. (2006). "Protein misfolding, functional amyloid, and human disease.". Annual review of biochemistry 75: 333–366. doi:10.1146/annurev.biochem.75.101304.123901. PMID 16756495. Estas enfermidades dexenerativas que aparecen a idades avanzadas están asociadas coa agregación ou incorrecto pregamento de proteínas en agregados insolubles extracelulares e/ou inclusións intracelulares nos que hai fibrilas amiloides de folla beta cruzada. Non está completamente claro se os agregados son a causa ou simplemente a consecuencia da perda da homeostase das proteínas, é dicir, do equilibrio entre a síntese, pregamento, agregación e renovación das proteínas, pero a aprobación recente pola Axencia Europea de Medicinas do uso de Tafamidis ou Vyndaqel (un estabilizador cinético da transtiretina tetramérica) para o tratamento de enfermidades amiloides da transtiretina suxire que é o proceso de formación das fibrilas amiloides e non as fibrilas amiloides por si mesmas o que causa a dexeneración do tecido posmitótico nas doenzas amiloides humanas.Johnson, S.M., et al., Native State Kinetic Stabilization as a Strategy To Ameliorate Protein Misfolding Diseases: A Focus on the Transthyretin Amyloidoses. Acc. Chem. Res., 2005. 38(12): p. 911-921. Cando se produce o incorrecto pregamento e a degradación excesiva en vez do pregamento e función normais orixínanse varias proteopatías como o enfisema asociado a antitripsina, fibrose quística e enfermidades de almacenamento lisosómico, nas que a perda de función é a orixe do trastorno. Aínda que a terapia de substitución de proteínas foi usada historicamente para corrixir estes últimos trastornos, unha aproximación emerxente é o uso de chaperonas farmacéuticas para pregar as proteínas mutadas e facelas funcionais.

 Efecto de factores externos sobre o pregamento 

Varios factores externos como a temperatura, campos externos (eléctrico, magnético), o ateigamento molecular (molecular crowding), ou a limitación do espazo poden ter unha grande influencia no pregamento das proteínas.

 O paradoxo de Levinthal e a cinética 

O paradoxo de Levinthal é un concepto importante na teoría do pregamento de proteínas. En 1969, Cyrus Levinthal decatouse de que, debido ao gran número de graos de liberdade dunha cadea polipeptídica non pregada, a molécula ten un número astronómico de posibles conformacións. Unha estimación que publicou falaba de 3300 ou 10143 conformacións posibles.

O paradoxo de Levinthal ten como consecuencia que se unha proteína se pregase probando secuencialmente todas as súas posibles conformacións, facelo levaría unha cantidade astronómica de tempo, mesmo se as conformacións fosen mostradas a velocidades de nanosegundos ou picosegundos. Baseándose na observación de que as proteínas se pregan cunha rapidez moito maior, Levinthal propuxo que non ten lugar unha busca de conformación aleatoria, e que a proteína debe pregarse a través dunha serie de estados intermedios metaestables.

A duración do proceso de pregamento varía drasticamente dependendo da proteína de que se trate. Cando se estudan in vitro, as proteínas que se pregan máis lentamente requiren moitos minutos ou horas para pregarse debido á isomerización da prolina, e deben pasar a través de varios estados intermedios, que funcionan como puntos de comprobación, antes de que o proceso se complete. Por outra parte, proteínas con dominios únicos moi pequenos con lonxitudes de ata cen aminoácidos préganse tipicamente nun só paso.  A norma son escalas de tempo de milisegundos e o pregamento de proteína máis rápido coñecido complétase nuns poucos microsegundos.

 Técnicas experimentais para o estudo do pregamento 

Aínda que poden facerse inferencias sobre o pregamento das proteínas por medio de estudos de mutación, as técnicas experimentais fundamentais para o estudo do pregamento de proteínas baséanse no despregamento gradual ou o pregamento de proteínas e a observación dos cambios conformacionais que se producen utilizando técnicas non cristalográficas estándar.

 Espectroscopia de resonancia magnética nuclear de proteínas 

O pregamento, conformación e dinámica de proteínas estúdase comunmente utilizando espectroscopia de resonancia magnética nuclear (espectroscopia NMR), por exemplo monitorizando o intercambio hidróxeno-deuterio dos intermediatos parcialmente pregados.Wüthrich K (December 1990). "Protein structure determination in solution by NMR spectroscopy". J. Biol. Chem. 265 (36): 22059–62. PMID 2266107.

 Dicroísmo circular 
O dicroísmo circular é unha das ferramentas máis xerais e básicas para estudar o pregamento de proteínas. A espectroscopia de dicroísmo circular mide a absorción de luz polarizada circularmente. Nas proteínas, estruturas como as hélices alfa e as follas beta son quirais, e dese modo absorben ese tipo de luz. A absorción desta luz actúa como un marcador do grao de pregamento do conxunto da proteína. Esta técnica utilizouse para medir o despregamento en equilibrio (equilibrium unfolding) da proteína medindo o cambio na súa absorción como unha función da concentración de desnaturalizantes ou da temperatura.Myers JK, Pace CN, Scholtz JM, Denaturant m values and heat capacity changes: relation to changes in accessible surface areas of protein unfolding, Protein Sci. 4(10), 2138-2148 (1995) Whitmore L, Wallace BA (2008). "Protein secondary structure analyses from circular dichroism spectroscopy: methods and reference databases". Biopolymers 89 (5): 392–400. doi:10.1002/bip.20853. PMID 17896349.

Unha variante do dicroísmo circular utilizada para determinar a conformación de grandes proteínas en solución é o dicroísmo circular vibracional de proteínas (VCD), que actualmente aplica a transformada de Fourier, e que se combina con difracción de raios X.Keiderling, Timothy A (2002). "Protein and Peptide Secondary Structure and Conformational Determination with Vibrational Circular Dichroism". Current Opinion in Chemical Biology 6 (5): 682–8. doi:10.1016/S1367-5931(02)00369-1. PMID 12413554.

 Interferometría de polarización dual 

Esta técnica baséase en medir as propiedades ópticas de capas moleculares e que nalgunhas ocasións foi tamén utilizada para o estudo de cambios conformacionais en proteínas.Cross, G; Reeves, AA; Brand, S; Popplewell, JF; Peel, LL; Swann, MJ; Freeman, NJ (2003). "A new quantitative optical biosensor for protein characterisation". Biosensors and Bioelectronics 19 (4): 383. doi:10.1016/S0956-5663(03)00203-3. PMID 14615097.

 Estudos de pregamento con tempos de resolución rápidos 
O estudo do pregamento de proteínas avanzou moito nos últimos anos grazas ao desenvolvemento de técnicas de resolución no tempo rápidas. Trátase de métodos experimentais para desencadear rapidamente o pregamento dunha mostra de proteína despregada, e despois observar a dinámica resultante. As técnicas rápidas de uso máis estendido son a dispersión de neutróns, a mestura ultrarrápida de solucións, métodos fotoquímicos, e espectroscopia de salto de temperatura láser.

 Proteólise 

A proteólise úsase rutineiramente para probar a fracción non pregada nun amplo rango de condicións de solución; por exemplo, a proteólise paralela rápida (FASTpp).

 Pinzas ópticas 

As pinzas ópticas foron utilizadas para estender moléculas proteicas desde ao seus extremos N- e C-terminal e despregalas e estudar o seu subseguinte repregamento. A técnica permite medir os graos de pregamento dunha soa molécula. Por exemplo, as pinzas ópticas foron aplicadas recentemente para o estudo de proteínas pregadas e despregadas implicadas na coagulación do sangue. O factor de von Willebrand (vWF) é unha proteína que exerce un papel esencial na coagulación do sangue á que se lle aplicaron estas técnicas.Jakobi AJ, Mashaghi A, Tans SJ, Huizinga EG. Calcium modulates force sensing by the von Willebrand factor A2 domain. Nature Commun. 2011 Jul 12;2:385. 

 Métodos computacionais para o estudo do pregamento 

 Paisaxe de enerxía do pregamento de proteínas 

O fenómeno do pregamento de proteínas foi principalmente un esforzo experimental ata que Joseph Bryngelson e Peter Wolynes ao final da década de 1980 e principio da de 1990 formularon a teoría da paisaxe de enerxía (energy landscape) das proteínas. Unha paisaxe de enerxía é un mapeado de todas as posibles conformacións dunha molécula, ou as posicións espaciais de moléculas que interaccionan nun sistema, e os seus niveis enerxéticos correspondentes, normalmente enerxía libre de Gibbs, nun sistema de coordenadas cartesianas de dúas ou tres dimensións. 
Esta aproximación introduciu o principio de mínima frustración. Este principio di que a natureza elixiu as secuencias de aminoácidos de modo que o estado pregado da proteína sexa moi estable. Ademais, as interaccións non desexadas entre aminoácidos durante a ruta do pregamento son reducidas facendo que a adquisición do estado pregado sexa un proceso moi rápido. Aínda que a natureza reduciu o nivel de frustración nas proteínas, este permaneceu en certo grao, como se pode observar en presenza da chamada mínima local na paisaxe de enerxía das proteínas. Unha consecuencia destas secuencias evolutivamente seleccionadas é que se cre que as proteínas xeralmente teñen globalmente "paisaxes de enerxía canalizadas" (con forma de funil, termo acuñado por José Onuchic) que son en gran medida dirixidas cara ao estado nativo. Esta paisaxe de tipo "funil de pregamento" (folding funnel) permite ás proteínas pregarse no seu estado nativo a través de calquera das múltiples rutas e intermediatos, en vez de teren que estar restrinxidas a usar un só mecanismo. A teoría está apoiada tanto polas simulacións computacionais de proteínas modelo coma por estudos experimentais, e foi utilizada para mellorar os métodos para a predición da estrutura das proteínas e o deseño de proteínas. A descrición do pregamento de proteínas pola nivelación da paisaxe de enerxía libre é tamén consistente coa 2ª lei da termodinámica.
Robson, B, Vaithilingham A. (2008). Protein Folding Revisited. Progress in Molecular Biology and Translational Science, Molecular Biology of Protein Folding. 84:161-202, Elsevier Press/Academic Press

 Modelaxe do pregamento de proteínas 
 dereita|miniatura|350px|Folding@home utiliza modelos de estado de Markov, como o deste diagrama, para modelar as posibles formas e rutas de pregamento que unha proteína pode adoptar a medida que condensa a partir do seu estado inicial de enrolamento aleatorio (esquerda) ata a súa estrutura nativa tridimensional (dereita).

As técnicas de novo ou ab initio para a predición da estrutura das proteínas computacional están relacionadas cos estudos experimentais do pregamento de proteínas, pero son estritamente diferentes. A dinámica molecular é unha importante ferramenta para o estudo do pregamento e dinámica das proteínas en simulacións informáticas. Debido ao custo computacional, as simulacións de pregamento de dinámica molecular ab initio con auga explícita están limitados a péptidos e proteínas moi pequenas. As simulacións de dinámica molecular de proteínas grandes seguen restrinxidas á dinámica da estrutura experimental ou o seu despregamento a alta temperatura. Para simular o proceso de pregamento de longa duración (de máis de 1 microsegundo), como o pregamento de proteínas de pequeno tamaño (de arredor de 50 residuos) ou maiores, poden introducirse algunhas aproximacións ou simplificacións nos modelos proteicos para acelerar o proceso de cálculo.

O proxecto de computación distribuída de 5 petaFLOP Folding@home simula o pregamento de proteínas utilizando o tempo de procesamento desocupado ou libre da PlayStation 3 e das CPU e GPU de computadores persoais de voluntarios. Un sistema de computación distribuída consta de múltiples computadores autónomos que se comunican a través dunha rede de computadores, de modo que os computadores interaccionan uns con outros para conseguir un fin común. O proxecto pretende comprender o pregamento incorrecto das proteínas (que pode orixinar enfermidades) e acelerar o deseño de drogas de proxectos de investigación.

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Estrutura das proteínas
 Desnaturalización (bioquímica)
 Chaperona
 Amiloide
 Deseño de proteínas
 Dinámica de proteínas
 Dogma de Anfinsen

 Ligazóns externas 
 FoldIt - Folding Protein Game 
 Folding@Home 
 Rosetta@Home
 Human Proteome Folding Project
 BHAGEERATH-H: Protein tertiary structure prediction server 
 http://www.englandlab.com/protein-folding.html

Categoría:Estrutura das proteínas