El problema del plegamiento de una proteína: de un modelo estocástico a una solución semiempírica

Andrés Colubri.

2001.

119 h. : ilustraciones ; 30 cm. .

Tesis--Universidad Nacional del Sur, 2002.

Resumen: Resumen y organización de la tesis: El problema del plegamiento de proteínas consiste en predecir la conformación nativa (funcional) de una proteína con el sólo conocimiento de su secuencia primaria (composición química). Este constituye un problema central y abierto en la biología molecular, no solo por su significado teórico en el campo de la matemática aplicada sino también por sus consecuencias prácticas en el terreno de la biotecnología. Los métodos clásicos de la física matemática que requieren la incorporación de todos los detalles conformacionales del sistema no han conducido a la solción de este problema, fundamentalmente porque una proteína es un sistema muy complejo cuando es descripta en todo su detalle. Las ecuaciones del movimiento que resultan de aplicar estos métodos son imposibles de resolver analíticamente, y más aún, su solución numérica está muy lejos del alcance de las computadoras mas potentes de la actualidad.Sin embargo, se ha corroborado experimentalmente que el proceso de plegamiento posee tres características que hemos decidido destacar: (a) es expeditivo, es decir, ocurre en escalas de tiempo inconmensurablemente más cortas que las escalas ergódicas o termodinámicas; (b) es robusto, ya que tolera cambios importantes en las condiciones del ambiente circundante o en la misma proteína; y (c) es altamente reproducible. Estas observaciones sugieren que la dinámica del plegameinto no depende de los detalles conformacionales más finos de una proteína, sino que, por el contrario, es posible encontrar una representación simplificada que baste para reproducir las características esenciales del plegamiento, y en particular, que permita resolver el problema central indicado al principio. En vista de lo dicho, los objetivos centrales de esta tesis son los siguientes: (a) utilizar los elementos empíricos descriptos recién para construir un modelo teórico del plegamiento en el cual las conformaciones de una proteína estén representadas de manera simplificada y discreta, compromiso aparentemente indispensable para abarcar computacionalmente tiempos reales de plegamiento; (b) definir una dinámica markoviana en el espacio de conformaciones simplificadas, basada en una función potencial que sea tratable numéricamente; (c) probar que esta dinámica corresponde rigurosamente a la proyección del proceso de plegamiento que se lleva a cabo en el espacio de conformaciones original; y (d) elaborar un algoritmo que permita efectivamente generar caminos de plegamiento de proteínas naturales con un grado de resolución estructural mínimo pero suficientemente revelador. El algoritmo de plegamiento ha sido exitosamente implementado en un programa bautizado Máquina de Plegar o Folding Machine (FM), que se ejecuta en una computadora personal. Con él hemos generado trayectorias de plegamiento que están en excelente acuerdo con observaciones experimentales. En esta tesis se estudian en detalle las trayectorias de plegamiento de dos proteínas particulares: ubiquitina y la variante hipertermófila de la proteína G. Ambas tienen una estructura nativa similar y comparten la misma topología, pero sin embargo difieren enormemente en el grado de diversidad de caminos de plegamiento. La tesis está organizada de la siguiente manera: Capítulo 1: Este capítulo es esencialmente de carácter físico-químico. A efectos de ilustrar la importancia que tiene la solución del problema del plegamiento, se indica el rol esencial que juegan las proteínas en la naturaleza. Luego se describe en detalle las características conformacionales de una proteína y se muestra cómo se pueden introducir reducciones importantes en el espacio conformacional, sin llegar todavía al concepto de discretización, el cual será tratado en el siguiente capítulo. Se palantea con detenimiento el problema central del plegamiento, junto con otros problemas derivados que también son tratados en la tesis. Se finaliza mencionando algunos antecedentes importantes en el estudio del problema a efectos de ejemplificar el fracaso de las técnicas convencionales para generar trayectorias de plegamiento. Capítulo 2: Este capítulo constituye la parte matemática de la tesis. Comienza por describir los modelos matemáticos que se utilizan usualmente para describir el plegameinto. A continuación se expone la motivación y la justificación de la simplificación conceptual que supone una discretización en el espacio de conformaciones de una proteína. Una vez definido el nuevo espacio discreto, se muestra cómo se construye en él un procso markoviano que respresenta rigurosamente a una proyección realista de la dinámica del plegamiento. Aquí se introducen conceptos y resultados matemáticos que son analizados en detalle, puesto que son novedosos en el campo de los procesos estocásticos y resultan ser fundamentales en nuestro modelo. Al final del capítulo, estamos en condiciones de presentar un esquema general del algoritmo de plegamiento, ejecutable en una computadora personal.//CALIFICACION DEPARTAMENTO DE GRADUADOS Calificación de la defensa oral: Sobresaliente - 10 (diez) Fecha: 27/12/01

Incluye referencias bibliográficas.