Pasé meses como estudiante trabajando para tratar de formar un cristal de proteína engañoso. Pero en realidad nunca me han explicado por qué la estructura será útil. Una vez dilucidado, ¿qué podemos aprender potencialmente de la estructura en términos de significado biológico?
¿Hay ejemplos de medicamentos o tratamientos que solo han sido posibles gracias a una estructura cristalina conocida?
En términos generales, ¿por qué la gente gasta tanto dinero en sincrotrones, laboratorios, robots, etc., para una estructura proteica?
Las estructuras de proteínas , que se pueden obtener a partir de cristales de proteínas o de soluciones concentradas de proteína pura a través de RMN, son posiblemente la principal fuente de conocimiento que tenemos sobre cómo los genes realizan su función a nivel molecular.
RCSB.org es el repositorio de estructuras de proteínas en los EE. UU. Escriben una historia sobre una importante estructura de proteína mensualmente : es una excelente manera de aprender algunas historias fascinantes.
Las posiciones atómicas precisas de la estructura de una proteína son indispensables por varias razones. Ya que los procesos biológicos son todos fundamentalmente químicos. Las posiciones específicas de los átomos revelan cómo interactúan específicamente las proteínas, los nucleótidos, los lípidos, los fármacos y otras moléculas biológicas.
Ejemplos:
Esta lista continúa con avances más recientes en cómo las señales y las moléculas interactúan con la célula a través de la membrana. Literalmente, no hay ningún tema en biología celular que no se haya beneficiado sustancialmente de haber revelado una estructura proteica.
Las ventajas de trabajar con cristales de proteína son que pueden ser proteínas más grandes y ciertos tipos de experimentos de diferencias se pueden realizar más fácilmente cuando se obtiene un cristal de proteína. Por ejemplo, si tiene un cristal de una proteína de 100 kDa (~900 aminoácidos), a menudo puede encontrar el bolsillo de unión de la enzima sin una gran cantidad de trabajo.
La desventaja de trabajar con cristales de proteína, como probablemente sepas bien, es que obtener cristales suele ser un esfuerzo quijotesco que absorbe meses o años, a menudo con poco o ningún resultado. Bastante desmoralizante hasta que das en el blanco.
Si te asombra pensar que las proteínas, que a menudo son cientos o miles de veces más grandes que una sal o un mineral que normalmente encuentras en los cristales... estás en lo cierto. Los cristales suelen ser muy pequeños: un cristal de tamaño decente mide alrededor de un milímetro en un lado, pero a menudo son solo una fracción de ese tamaño. Es por eso que los cristales de proteína a menudo se llevan a sincrotrones, aceleradores lineales u otras fuentes de rayos X de electrones libres que son millones (?) de veces más intensas que una radiografía dental. Supongo que la mayoría de las estructuras cristalinas de proteínas se obtienen utilizando líneas de luz especiales creadas especialmente para la cristalografía biológica.
Eso te dice la prioridad de financiación que la ciencia está dispuesta a poner en las estructuras cristalinas de proteínas de rayos X. Simplemente la idea de que los cristales de proteína podrían ser más fáciles de cultivar en microgravedad (junto con el bajo peso del experimento) justificó más de una década de experimentos de crecimiento de cristales de proteína en el transbordador y la ISS .
Nota interesante: The Guardian (que tiene su sede en el Reino Unido, donde se inició la cristalografía, las proteínas o cualquier otra cosa) ha publicado un breve vídeo que describe los aspectos más destacados de las contribuciones de la cristalografía en los últimos 100 años . Si observa con asiduidad, verá surgir la cristalografía de proteínas con una letanía de premios nobel.
Nuevos pensamientos: Hay señales de que las estructuras cristalinas están llegando a su fin. El uso de una micrografía electrónica para simplemente tomar una fotografía de muchos miles de proteínas individuales que se encuentran alrededor se puede promediar digitalmente para crear estructuras de baja resolución que gradualmente se vuelven de mayor resolución y son mucho menos trabajosas que preparar y hacer un cristal de proteína, y funciona bien. en proteínas más grandes y complejos de proteínas!
Siempre me pregunté esto, pero la estructura de una proteína puede terminar siendo bastante importante por varias razones. La mayoría se relaciona con el hecho de que la función de la proteína a menudo depende de dominios específicos, y aunque una proteína puede tener múltiples dominios funcionales, es importante que todos los dominios estén correctamente alineados y construidos en un espacio tridimensional. Las proteínas mal plegadas a menudo tienen fenotipos negativos, por lo que poder visualizar las áreas mal plegadas puede ser esclarecedor. Quizás más comúnmente, estas técnicas se pueden usar para validar una proteína producida artificialmente antes de aprobarla para la terapia.
Además, si bien podemos conocer la secuencia de aminoácidos en una proteína muy fácilmente, no necesariamente sabemos cuáles son útiles. Una región orientada hacia el exterior de una proteína puede participar en una función biológica. Si un dominio de proteína específico está incrustado dentro del centro de la proteína, no está muy disponible para funcionar, ya sea por la proteína o por otros objetivos como los anticuerpos. Por ejemplo, uno de los grandes proyectos en la investigación del VIH ahora es obtener una estructura muy buena y muy fina de proteínas virales en la envoltura del virus; saber qué regiones son fácilmente accesibles sería un buen objetivo potencial para fármacos/células/anticuerpos.
Finalmente, la estructura en sí puede dar una idea de su función. Las proteínas pueden no tener homología por la secuencia de aminoácidos, pero las proteínas de estructura similar pueden tener funciones similares. Las personas más inteligentes que yo pueden reconocer esas características y pueden aprender bastante sobre una proteína solo por su forma.
Aquí hay una pequeña anécdota divertida que convenientemente acabo de encontrar. Es una cita de Your Inner Fish de Neil Shubin (© 2008) sobre dos investigadores, Linda Buck y Richard Axel, quienes en 1991 descubrieron una familia de genes que nos permiten oler.
Los experimentos demostraron que los receptores de olor tienen una estructura característica con una serie de bucles moleculares que les ayudan a transmitir información a través de una célula. Esta fue una gran pista, porque Buck y Axel podrían buscar en el genoma de un ratón cada gen que hace esta estructura.
Ampliando algo que Amory dijo:
Son muy beneficiosos en el descubrimiento de fármacos. Esto se debe a que es absolutamente esencial que tenga una estructura para realizar cualquier tipo de simulación de dinámica molecular. En las primeras fases del descubrimiento de fármacos, es barato y fácil realizar este tipo de experimentos en una computadora, en lugar de configurar un ensayo para diferentes terapias potenciales. Simplemente tome la estructura cristalina de la proteína y una estructura de su compuesto, y un programa simulará cómo interactuarán entre sí. A partir de esto, puede ver si el compuesto puede ingresar al sitio activo de la proteína, la orientación en la que estaría, etc. Usando una supercomputadora puede hacer esto con cientos de compuestos en cuestión de horas. La dinámica molecular tiene otros propósitos útiles, el descubrimiento de fármacos es solo un ejemplo.
¿ Por qué estudiar la estructura de las proteínas ?
"¿Cuál es el secreto de la vida?" Yo pregunté.
—Se me olvida —dijo Sandra.
—Proteína —declaró el cantinero. Descubrieron algo sobre las proteínas.
'Sí', dijo Sandra, 'eso es todo'.
[Kurt Vonnegut, Cuna de gato ]
Las proteínas son moléculas esenciales en los organismos vivos que cumplen una variedad de funciones diferentes e intrigantes. Determinar sus estructuras individuales es fundamental para entender cómo realizan estas funciones. Entonces, simplemente, los estudiamos por curiosidad científica.
Proteínas y ciencia médica.
Como se indicó anteriormente, la razón básica por la que la mayoría de los científicos estudian las proteínas es la curiosidad científica, y una respuesta a la pregunta del título podría ser "una mayor comprensión de la vida". Pero, por supuesto, no hace falta decir que se dan cuenta de que la comprensión resultante proporciona el marco intelectual para gran parte de la medicina moderna, y muchas proteínas se eligen para estudiar debido a su relevancia fisiológica o patológica. Sin embargo, solo una pequeña parte de la aplicación médica de nuestro conocimiento de las proteínas está en el diseño de fármacos, y esto generalmente no involucra a los científicos que determinan las estructuras de las proteínas, sino a las compañías farmacéuticas que tienen los recursos y la experiencia para el largo y costoso proceso de elaboración de fármacos. desarrollo.
Proteínas y diseño de fármacos
No obstante, el diseño de fármacos se suele dar como ejemplo al explicar la relevancia médica de la investigación al público en general, por lo que creo que es bastante razonable que el cartel pregunte:
“¿Hay ejemplos de medicamentos o tratamientos que solo han sido posibles gracias a una estructura cristalina conocida?”
Como esta parte de la pregunta no se ha abordado en ninguna de las respuestas, presento algunos ejemplos a continuación. Será evidente que los medicamentos enumerados solo han sido autorizados durante los últimos 20 años, mientras que la primera estructura proteica (mioglobina) se determinó en 1958.
| Droga | Proteína objetivo | Organismo/Enfermedad | Año aprobado | Compañía de drogas |
|---|---|---|---|---|
| Zanamivir/Relenza | neuroamidasa | influenza | 1999 (FDA) | glaxo |
| Imatinib/Glivac | quinasa bcr-abl | leucemia | 2001 (FDA) | Novartis |
| Aliskirén/Tekturna * | renina | hipertensión | 2007 (FDA) | Novartis |
| Raltegravir/Isentress | integrasa | VIH | 2009 (UE) | Merck |
| Vemurafenib/Zelboraf | B-Raf quinasa | melanoma | 2011 (FDA) | Plexxikon/Roche |
| Avibactam | β-lactamasa | bacterias resistentes | 2015 (FDA) | Actavis/AstraZenica |
| Erdafitinib/Balversa | FGFR | varios tipos de cáncer | 2019 (FDA) | Janssen |
| SPR720 | ADN girasa | M.tuberculosis | 2020 (ensayo clínico) | Spero Terapéutica |
*Comercialización finalizada en 2012 debido a contraindicaciones
Referencias
Estos ejemplos están tomados de las siguientes revisiones, en las que se pueden encontrar detalles de su descubrimiento y otros ejemplos:
Nerón et al. (2018) Estructura de proteínas y descubrimiento computacional de fármacos
Maveyraud y Mourey (2020) Cristalografía de rayos X de proteínas y descubrimiento de fármacos
Staker et al. (2015) Contribuciones recientes del diseño de fármacos basado en estructuras para el desarrollo de compuestos antibacterianos
Amory