Regulación de carga en proteínas: el rol del equilibrio de protonación

CATHCARTH, MARILINA; PICCO, AGUSTIN S.; LONGO, GABRIEL S.

La Plata

Jornada; 1ra jornada de divulgación en biotecnología '20 años de Biotec en la UNLP'; 2022

FCE-UNLP, CEC ByBM

INTRODUCCIÓN: La estructura, estabilidad, solubilidad y función de las proteínas dependen de su carga neta, la cual está determinada por el estado de ionización de los residuos individuales. Alrededor del 25% de los residuos de las proteínas contienen cadenas laterales ionizables que son de gran importancia para el mecanismo de acción de las enzimas y para la unión de las proteínas a otras moléculas pequeñas y grandes.¹ La carga neta de la proteína no solo depende del pH sino también de las moléculas vecinas, el potencial electrostático de una superficie cercana perturba los residuos titulables. Cuando las proteínas se acercan a superficies cargadas los protones migran hacia y desde sitios ionizables cambiando su estado de protonación de manera de disminuir la energía libre, como consecuencia, la distribución de carga cambia. MÉTODOS: Desarrollamos una teoría termodinámica molecular para estudiar la interacción de proteínas con superficies planas cargadas, modelamos una superficie de carga fija negativa y dos superficies que regulan carga con diferente densidad superficial de grupos OH. Las proteínas se describen utilizando un modelo de grano grueso basado en su estructura cristalográfica tridimensional y el pKa experimental promedio de los residuos de aminoácidos.² RESULTADOS: Primero calculamos el número de carga de las proteínas en una solución bulk diluida, el cual solo es función del pH. El punto isoeléctrico (pI) es el pH al cuál la proteína tiene carga neutra, los valores de pI calculados para citocromo c, GFP, lisozima y mioglobina son 9.6, 6.2, 10.9 y 7.1, respectivamente; están de acuerdo con los valores experimentales. Este modelo calcula el estado de carga, tanto de la superficie como de la proteína, de manera autoconsistente en función a las condiciones locales del medio. La carga de la proteína aumenta cerca de la superficie debido a los cambios de pH local. Para GFP en una solución 10 mM de NaCl a pH 7, cerca de la superficie de carga fija (-1e/nm²) la proteína gana 7.5 protones, y cerca de las superficies que regulan carga (pKOH= 6.5) gana 5 protones para la de 1 OH/nm² y 6 para la de 4.6 OH/nm². Sobre esta última superficie evaluamos el efecto del pH, cerca de la superficie la proteína gana aproximadamente 3, 4 y 6 protones a pH 6, 6.5 y 7 respectivamente. También evaluamos el efecto de la concentración de sal a pH 7, la proteína gana aproximadamente 9, 6 y 2 protones a 1, 10 y 100 mM respectivamente. En mezclas binarias a 1 mM de NaCl, la presencia de citocromo c o lisozima modifica la carga de GFP cerca de la superficie, en cambio, la presencia de mioglobina no la afecta en gran medida. CONCLUSIONES: Nuestros resultados muestran que el equilibrio de protonación juega un rol crítico en las interacciones de las proteínas con este tipo de superficies. REFERENCIAS: [1] Grimsley, G. R., et al. Protein Science 2009, 18(1), 247-251. [2] Cathcarth, M.,et al Journal of Physics: Condensed Matter 2022, 34, 364001.