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2 468 10 12 pH=6 pH=2 Mossbauer Spectroscopy in Biological Systems: Proceedings of a meeting held at Allerton House, Monticello, Illinois. Editors:

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5 pH=6 pH=2

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7 Mossbauer Spectroscopy in Biological Systems: Proceedings of a meeting held at Allerton House, Monticello, Illinois. Editors: J. T. P. DeBrunner and E. Munck University of Illinois Press (1969) Pages How to Fold Graciously Chairman: R. A. Marcus Speaker: Cyrus Levinthal Notes by: A. Rawitch

8 El número de conformaciones 3D diferentes que puede adoptar una cadena de 200 aminoácidos es: La paradoja de Levinthal

9 Paradoja de Levinthal Si el tiempo mínimo para que ocurra una transición conformacional es de 1 picosegundo, entonces para explorar conformaciones habrá que esperar segundos (10 75 años). Si la proteína tuviera que buscar al azar entre todas las conformaciones posibles hasta encontrar la nativa, el plegado no podría ocurrir en tiempos biológicos.

10 Postulados El plegado no es una búsqueda al azar Tienen que existir vías con intermediarios parcialmente plegados

11 Los modelos para el mecanismo de plegado proteico deben resolver la paradoja de Levinthal

12 Nucleation-condensation mechanism

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18 27 mero Interaccion fuerte (H-H): sin lineas Interacción débil (H-P, PP): linea de puntos A.1: no frustrada (28 interacciones fuertes) B.1: frustrada (debe resignarse a tener alguna interacción débil) Plegado eficiente: muchos estados de energía baja y Q alto Plegado ineficiente: muchos estados de energía baja y Q bajo Q=ctos/ctos nativos

19 Folding is not a general property of heteropolymers. Heteropolymers, due to their many degrees of freedom and the many geometric constraints among them, are said to present a great frustration, that is, there is not a single conformation of the chain which optimizes all the interactions at the same time. In any conformation, the different interactions are conflicting, i.e., frustrated. In polypeptides, as in many heteropolymers, frustration is mainly due to chain connectivity between monomers

20 La nueva visión del plegado Acepta que el número de conformaciones es astronómico Rechaza la existencia de vías de plegado Incorpora el concepto de flujo conformacional No es un modelo, es una metáfora que puede ayudar a pensar el problema del plegado

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26 Estos modelos demostraron que puede encontrarse un mínimo energético sin realizar una busqueda exhaustiva del espacio conformacional. Es decir, resolvieron la paradoja de Levinthal para un polímero ideal. Si esto se aplica a las proteínas todavía debe ser demostrado experimentalmente, pero hay consenso de que es relevante.

27 El principio de frustración El gap energético El flujo conformacional debido a una preferencia energética por el estado nativo El paisaje conformacional

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34 conjunto de secuencias conjunto de estructuras ? El problema del plegado

35 El número de cadenas diferentes de longitud l que se pueden construir con n tipos de aminoácidos es: Una proteína típica tiene 200 residuos. El número posible de proteínas diferentes de 200 residuos es:

36 El Problema del Plegado Proteico consiste en deducir la estructura 3D que adoptará una dada secuencia de aminoácidos

37 C. Anfinsen Premio Nobel de Química 1972 La secuencia de aminoácidos determina la estructura 3D

38 Las proteínas son una clase homogénea de objetos que almacena sistemáticamente información en su secuencia y en su forma La información en la secuencia depende de interacciones covalentes y determina la forma La forma depende de interacciones no covalentes está codificada en la secuencia y determina la función

39 Dependencia de la estructura 3D con la secuencia y son los ángulos dihedros de cada enlace peptídico y x representa 1 de los 20 aminoácidos normalmente encontrados en las proteínas, indexados por la posición en la secuencia

40 Seq 1: 131 residuesSeq 2: 131 residues The information content of the sequence determines that in one case you get lysozyme and in the other fatty acid binding protein

41 Alexander et al. (2005) Biochemistry 44, and references therein Not all the residues carry the same amount of conformational information...

42 Alexander et al. (2005) Biochemistry 44,

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44 Proteins tolerate a surprisingly large number of mutations... There are several examples of proteins with no sequence homology belonging to the same structural class... Identical sequences of 8–11 residues adopt different structures in different proteins... Gebhard et al. (2006) J. Mol. Biol. 358, and references therein

45 Las proteínas parecen estar formadas por módulos de plegado independientes. Cada uno de estos módulos tiene la potencialidad de plegarse en un número limitado de formas. No hay intercambio esencial de información entre módulos (ninguno determina la conformación de otro módulo). La estructura que adoptará cada módulo depende de la estabilidad del conjunto de modulos cuando se encuentran plegados. Los módulos se pueden eliminar alternativamente sin impedir el plegado

46 edad del universo = años tiempo estimado para visitar todas las conformaciones posibles de una proteína de 200 resiuos = años masa de la tierra = g = moléculas proteicas de 200 residuos masa del universo = g = moléculas proteicas de 200 residuos Una muestra que contenga todas las secuencias posibles de 200 residuos ( ) tendría una masa de universos Las secuencias naturales (existentes) = 10 8 El número de formas proteicas básicas conocidas = 10 4 La probabilidad de generar al azar una forma proteica básica =

47 Las proteínas naturales son un subconjunto de las proteínas posibles que cumple con lo siguiente: Mínima frustración Colapsan rapidamente a un conjunto grande de conformaciones que son competentes para llegar al estado nativo en forma rápida La evolución habría seleccionado esas secuencias No sabemos qué propiedad de la secuencia es la que confiere las características descriptas


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