Se cree que las proteínas tienen estructuras únicas determinadas por sus secuencias de aminoácidos . Sin embargo, las proteínas no son entidades estrictamente estáticas, sino que representan conjuntos de conformaciones (a veces similares). Las transiciones entre estos estados ocurren en diferentes escalas de longitud (de décimas de Å a nm ) y escalas de tiempo (ns a s) y están asociadas con fenómenos funcionalmente significativos como la señalización alostérica [1] y la catálisis enzimática [2] .
El estudio de la dinámica de proteínas se relaciona más directamente con las transiciones entre estos estados, pero también puede involucrar la naturaleza y las poblaciones de equilibrio de los estados mismos. Estos dos puntos de vista, la cinética y la termodinámica , respectivamente, pueden sintetizarse conceptualmente en el paradigma del "paisaje energético" [3] : los estados comunes y la cinética de las transiciones entre ellos pueden describirse mediante la profundidad de los agujeros de energía y la altura de la energía. barreras, respectivamente.
Partes de las estructuras proteicas a menudo se desvían de un estado de equilibrio. Algunas de estas desviaciones son armónicas , como las vibraciones estocásticas de los enlaces químicos y los ángulos de enlace. Otros son anarmónicos , como cadenas laterales que saltan entre mínimos de energía discretos separados, o rotámeros [4] .
La evidencia de la flexibilidad local a menudo se obtiene mediante espectroscopia de RMN . Las regiones flexibles y potencialmente desordenadas de una proteína se pueden detectar utilizando el índice de espiral aleatoria . La flexibilidad de las proteínas plegadas se puede determinar analizando la relajación del espín de los átomos individuales de la proteína. La flexibilidad también se puede observar en mapas de densidad electrónica de muy alta resolución generados por cristalografía de rayos X [5], especialmente cuando los datos de difracción se recopilan a temperatura ambiente en lugar de la temperatura criogénica tradicional (normalmente alrededor de 100 K) [6] . Puede obtenerse información sobre la distribución de frecuencias y la dinámica de la flexibilidad local de las proteínas mediante espectroscopia Raman y espectroscopia óptica del efecto Kerr en la región de frecuencias de terahercios [7] .
Muchos residuos en las estructuras proteicas están muy próximos espacialmente. Esto es cierto para la mayoría de los residuos que son contiguos en la secuencia primaria, pero también para muchos residuos que son distales en la secuencia pero que entran en contacto en la estructura de pliegues final. Debido a esta proximidad, los paisajes energéticos de estos residuos se conectan en función de varios fenómenos biofísicos, como enlaces de hidrógeno , enlaces iónicos e interacciones de van der Waals (ver figura). Por lo tanto, las transiciones entre estados para tales conjuntos de residuos se correlacionan [8] .
Esto es quizás más evidente para los bucles abiertos, que a menudo cambian colectivamente a diferentes conformaciones en diferentes estructuras cristalinas (ver figura). Sin embargo, la heterogeneidad conformacional acoplada también es a veces evidente en la estructura secundaria [9] . Por ejemplo, los residuos consecutivos y los residuos desplazados por 4 en la secuencia primaria a menudo interactúan en hélices α . Además, los residuos desplazados por 2 en la secuencia primaria dirigen sus cadenas laterales al mismo lado de las hojas β y están lo suficientemente cerca para la interacción estérica, al igual que los residuos en cadenas adyacentes de la misma hoja β . Algunos de estos cambios conformacionales son inducidos por modificaciones postraduccionales de la estructura de la proteína, como la fosforilación y la metilación [9] [10] .
Cuando estos residuos enlazados forman vías que unen partes funcionalmente importantes de la proteína, pueden participar en la señalización alostérica . Por ejemplo, cuando una molécula de oxígeno se une a una subunidad del tetrámero de hemoglobina , esta información se propaga alostéricamente a las otras tres subunidades, aumentando así su afinidad por el oxígeno. En este caso, la flexibilidad acoplada de la hemoglobina permite la unión cooperativa de oxígeno, lo que es fisiológicamente beneficioso porque proporciona una carga rápida de oxígeno en el tejido pulmonar y una descarga rápida de oxígeno en los tejidos privados de oxígeno (p. ej., músculo).
La presencia de múltiples dominios en las proteínas otorga una mayor flexibilidad y movilidad , lo que conduce a la dinámica de los dominios proteicos [1] . Los movimientos de dominio se pueden inferir comparando diferentes estructuras de proteínas (como en la base de datos de movimiento molecular ), o se pueden observar directamente usando espectros [11] [12] medidos por espectroscopía de eco de espín de neutrones. También se pueden proponer muestreando las amplias trayectorias de la dinámica molecular [13] y el análisis de componentes principales [14] . El movimiento de dominio es importante para:
Uno de los cambios de dominio más grandes observados es un mecanismo de "cambio" en la piruvato fosfato dequinasa . El dominio de fosfoinosítido cambia entre dos estados para mover el grupo fosfato del sitio activo del dominio de unión de nucleótidos al dominio de fosfoenolpiruvato/piruvato [22] . El grupo fosfato viaja una distancia de 45 Å con el dominio moviéndose unos 100 grados alrededor de un solo residuo. En las enzimas, el cierre de un dominio a otro captura el sustrato por ajuste inducido, lo que permite que la reacción se desarrolle de manera controlada. El análisis detallado de Gerstein condujo a una clasificación de dos tipos principales de movimiento de dominio; bisagra y tijeras [19] . Sólo una parte relativamente pequeña de la cadena, a saber, el enlazador entre dominios y las cadenas laterales, sufren cambios conformacionales significativos durante la reorganización del dominio [23] .
El estudio de Hayward [24] mostró que los extremos de las hélices α y las láminas β forman bisagras en muchos casos. Se ha encontrado que muchas bisagras incluyen dos miembros estructurales secundarios que actúan como bisagras de puerta, permitiendo que las puertas se abran y cierren. Esto puede ocurrir cuando dos cadenas adyacentes en una hoja β ubicada en el mismo dominio divergen cuando se unen a otro dominio. Los dos extremos resultantes forman entonces regiones de pliegue entre los dos dominios. Se ha descubierto que las hélices α, que conservan su red de enlaces de hidrógeno cuando se doblan, se comportan como bisagras mecánicas, acumulando "energía elástica" que impulsa el cierre del dominio para capturar rápidamente el sustrato [24] .
La interconversión de conformaciones helicoidales y extendidas en la región límite del dominio no es inusual. En calmodulina , los ángulos de torsión cambian para cinco residuos en el medio del dominio de unión a hélice α. La hélice se divide en dos hélices más pequeñas casi perpendiculares, separadas por cuatro restos de una cadena alargada [25] [26] .
Los movimientos de cizallamiento implican un ligero movimiento deslizante de las interfaces de dominio controladas por cadenas laterales de aminoácidos dentro de la interfaz. Las proteínas que exhiben movimientos de cizallamiento a menudo tienen una arquitectura multinivel: el plegamiento de estructuras secundarias. El enlazador entre dominios solo realiza la función de mantener los dominios muy cerca.
El análisis de la dinámica interna de enzimas estructuralmente diferentes pero funcionalmente similares reveló una relación común entre la ubicación del sitio activo y los dos subdominios de proteínas principales. De hecho, para algunos miembros de la superfamilia de las hidrolasas, el centro catalítico se encuentra cerca de la interfaz entre los dos dominios casi rígidos principales [13] . Dicho posicionamiento parece ser una herramienta para mantener una geometría precisa del sitio activo y , al mismo tiempo, permitir una modulación orientada funcionalmente notable de las regiones flanqueantes como resultado del movimiento relativo de los dos subdominios.
La evidencia sugiere que la dinámica de proteínas es importante para la función, por ejemplo, para la catálisis enzimática en DHFR , pero también se sugiere que facilitan la adquisición de nuevas funciones a través de la evolución molecular [27] . Este argumento sugiere que las proteínas han evolucionado para tener estructuras de plegamiento estables, en su mayoría únicas, pero la inevitable flexibilidad residual conduce a cierto grado de promiscuidad funcional que puede ser mejorada/habilitada/rechazada por mutaciones posteriores.
Sin embargo, la creciente comprensión de que las proteínas intrínsecamente no estructuradas son bastante comunes en los genomas eucariotas [28] pone en duda la interpretación más simple del dogma de Anfinsen : "la secuencia determina la estructura (única)". De hecho, el nuevo paradigma se caracteriza por la adición de dos advertencias: "la secuencia y el entorno celular determinan el conjunto estructural".