El agua resuelve el problema de plegamiento de proteínas

Uno de los grandes desafíos de la biología molecular es comprender cómo las proteínas se pliegan en complejas formas tridimensionales.

Las proteínas son cadenas de aminoácidos producidas por varias máquinas moleculares dentro de las células. Cuando las proteínas se forman por primera vez, son espirales aleatorias. En este estado, en el mejor de los casos son benignos y en el peor, tóxicos; los priones que causan problemas como la enfermedad de las vacas locas son proteínas deformadas.

Pero poco después de esto, ocurre un pequeño milagro. Estas enormes cadenas moleculares se autoensamblan rápidamente en las complejas formas 3D que les permiten realizar su trabajo dentro de la maquinaria celular.

Esta actuación es tan asombrosa que vale la pena detenerse.

Cuando dos aminoácidos se unen, pueden adoptar una de aproximadamente diez orientaciones diferentes entre sí. Entonces, una cadena de 3 aminoácidos puede tener 10 ^ 3 formas diferentes.

La proteína de plegado más rápida descubierta hasta ahora es una estructura llamada hoja beta de 3 hebras. Como sugiere su nombre, es una superficie formada por tres hebras de proteína que se unen. En total, estas hojas contienen hasta 90 aminoácidos, por lo que, en teoría, pueden adoptar entre 10 ^ 90 formas diferentes.

Si estas formas se probaran a una velocidad de 100 mil millones por segundo, tomaría más tiempo que la edad del Universo encontrar el pliegue correcto. Y, sin embargo, la hoja beta de 3 hebras se forma en solo 140 nanosegundos.

Sería menos sorprendente dejar algunos trozos de metal y plástico en el patio trasero y descubrir a la mañana siguiente que se había autoensamblado en una computadora portátil.

Hay varias sugerencias sobre cómo el plegamiento de proteínas hace su magia. Uno de los más prometedores es la idea de que la evolución ha seleccionado solo aquellas proteínas que colapsan naturalmente en la forma requerida. Para hacer esto, la energía de la forma final tiene que ser menor que la energía inicial y todos los pasos intermedios.

Eso significa que el panorama energético de este sistema debe tener forma de embudo. Según esta forma de pensar, el plegamiento de proteínas funciona porque, al explorar el espacio de posibles formas, la estructura cae a través de este embudo.

Pero hay un problema. Si esto fuera todo, las proteínas deberían ser más estables a temperaturas más bajas. Pero no lo son. Una propiedad bien conocida de muchas proteínas es que su estructura colapsa a medida que desciende la temperatura. Entonces, cualquier modelo de plegamiento de proteínas también debe tener en cuenta esto.

Hoy, Olivier Collet de la Universidad de Nancy en Francia ha averiguado lo que está pasando y la clave, dice, es el agua.

Señala que el plegamiento de proteínas no se produce de forma aislada sino en solución. Entonces, la cadena de aminoácidos está rodeada de moléculas de agua. A corta distancia, estos forman una capa alrededor de la cadena de proteínas. Lo que ha hecho Collet es estudiar el comportamiento de las moléculas de agua en esta primera capa.

Collet dice que las moléculas de agua forman enlaces de hidrógeno con los aminoácidos. Mientras la temperatura permanezca relativamente alta, los enlaces de hidrógeno se rompen y se forman de nuevo constantemente y el plegado se produce de la forma normalmente rápida.

Pero si la temperatura desciende, los enlaces de hidrógeno se vuelven permanentes, lo que permite que la proteína adopte nuevas configuraciones de baja energía. Esto cambia drásticamente el panorama energético, creando valles adicionales que corresponden a estas nuevas formas de baja energía. Entonces, en lugar de caer por el embudo de energía, la proteína se atasca en otro valle que corresponde a una forma incorrecta.

Esa es una idea útil. Explica claramente el problema de la temperatura dentro de la teoría existente.

También sugiere que una nueva y poderosa comprensión del plegamiento de proteínas podría provenir de una mejor comprensión de las propiedades del agua a estas pequeñas escalas.

Como vimos la semana pasada, la red de vínculos entre las moléculas de agua confinadas en esta escala tiene un impacto dramático en su comportamiento. Incluso puede existir una coherencia cuántica asociada con estos vínculos, lo que sugiere de inmediato una nueva forma de abordar este problema, tratándolo como una especie de computación cuántica.

Eso podría abrir una vía de trabajo completamente nueva y estaremos observando. ¡Cosas fascinantes!

Ref: arxiv.org/abs/1101.5502 : ¿Cómo la primera cáscara de agua dobla las proteínas tan rápido?

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