Estudio computacional de la relación estructura-función en globinas

• Main Author: Boechi, Leonardo
• Other Authors: Estrin, Darío A.
• Format: Doctoral or Postdoctoral Thesis
• Language: Spanish
• Published: Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2011
• Subjects: GLOBINAS; HEMOGLOBINAS TRUNCADAS; DINAMICA MOLECULAR; QM-MM; JARZYNSKI; GLOBINS; TRUNCATED HEMOGLOBINAS; MOLECULAR DYNAMICS; QM/MM; Antarctic; Argentina; Canales; Antarc*; Antártica
• Online Access: https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4860_Boechi; http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n4860_Boechi_oai

Las globinas son una familia de proteínas solubles, que poseen un grupo hemo unido generalmente de manera no covalente a la proteína. Sus representante má famosos son la hemoglobina y la mioglobina, responsables del transporte y almacenamiento de oxígeno en mamíferos Las globinas se clasifican en varias subfamilias, una de ellas se denominan hemoglobinas truncadas (trHb) y se las ha encontrado en plantas, hongos y bacterias. En muchos casos pertenecen a microorganismos patógenos para el hombre como M. tuberculosis, M. leprae, y C jejuni entre otros. Las globinas poseen la capacidad de reaccionar frente a ligandos diatómicos (O 2, NO, etc) que les permite actuar como reservorios de dichos ligandos, transporte o detección de los mismos o realizando reacciones de óxido reducción en procesos fundamentales para la supervivencia de los microorganismos patógenos en los organismos donde se alojan. Por esta razón, en la presente tesis se estudiaron los determinantes moleculares que regulan la reactividad de las globinas (fundamentalmente trHbs) frente a ligandos diatómicos, utilizando métodos de simulación computacional. Por un lado se realizaron estudios de los diferentes mecanismos mediante los cuales se regula la migración de los ligandos hacia el sitio activo. Y por el otro, los mecanismos de estabilización de los ligandos cuando se encuentran coordinados al grupo hemo, dentro de la proteína. El estudio de ambos procesos mencionados, resulta fundamental para comprender la función que estas proteínas desempeña en los organismos a los cuales pertenecen. Con el objeto de alcanzar una visión global de los fenómenos estudiados, se investigaron diferentes miembros de la misma sub familia, emparentados evolutivamente entre si. De esta forma se logró una comprensión más amplia de cada uno de los fenómenos. Las herramientas computacionales utilizadas están basadas principalmente en dos metodologías: aquellas basadas en la mecánica clásica para analizar procesos dinámicos de los sistemas, combinado con un novedoso esquema (teorema de Jarzynski) que permite obtener perfiles de energía libre de los procesos; y esquemas híbridos clásico/cuánticos (QM/MM) que permiten simular reactividad química en sistemas grandes como son las hemoproteínas. Dado que las simulaciones computacionales son herramientas muy poderosas cuando se las encuentran combinadas con resultados experimentales, se ha trabajado en colaboración con grupos experimentales para potenciar los alcances de las simulaciones, y a su vez validar los modelos utilizados. Los resultados de la presente tesis, permitieron comprender la estructura de canales internos que poseen las globinas; así como también, la dinámica del sitio activo que regula la afinidad y la reactividad en las mismas. En particular, se reconciliaron resultados aparentemente contradictorios, respecto de la relación entre la estructura de canales internos y las constantes cinéticas de asociación; se identificaron residuos críticos altamente conservados en esta familia, que resultan fundamentales para los procesos de migración de ligandos; se encontraron y caracterizaron fenómenos de hexacoordinación interna dual en una trHb de una bacteria antártica; se caracterizó la estabilización de diferentes ligandos (CO, O2 SH­, F­) en estas proteínas; y finalmente se encontró una relación muy importante entre la protonación de un residuo de histidina y la migración de O2 en la mioglobina. Globins are soluble proteins that have a heme prosthetic group non covalently bound to the protein matrix. The most important members are hemoglobin and myoglobin, which are responsible for the oxygen transport and storage in mammals. The globin family is classified in different sub­ families: one of them is called truncated hemoglobin (trHb) and its members are widely distributed in plants, fungi and bacteria kingdoms. In many cases, these proteins belong to pathogen microorganism like M. tuberculosis, M. leprae, y C jejuni among others. These proteins are able to react with diatomic ligands like O2 and NO. This confers upon them the ability to act as storage, transporters or ligand detectors. In many cases they are also involved in redox processes which are critical for the survival of the microorganism in the host organism. In the present Thesis we studied the molecular basis of globins reactivity (mainly trHbs) with diatomic ligands. Specifically, we studied both the different mechanisms used by these proteins to control ligand migration to the active site, and the stabilization of the coordinated ligand once the ligand is inside. These processes are crucial to understand the role of these proteins in the organisms to which they belong. In order to reach a global vision of the processes, we studied different members of the same family, which are evolutively related. The computational tools used in the present Thesis are mainly based on two approaches. Those based on classical mechanics, to study processes associated with the dynamics of the system, combined with “State of the Art” techniques (Jarzynski's equation) that provide us with the free energy profile of the process desired. We also used a novel quantum/classical approach (QM/MM) reactive processes in large systems. Since computer simulations are very powerful tools combined with experimental results, different collaborations were made with experimental groups to reach a better understanding of the processes, and even as an important way to validate our models. The overall results provide new insight into the structure of internal tunnels for ligand migration, as well as the active site dynamics. In particular, we conciliated controversial results about the relationship of the structure of internal tunnels and the association kinetic constants; we identified critical residues highly conserved in this family involved in the ligand migration process; we found internal hexacoordination phenomena in an antarctic bacteria trHb; we also characterized the stabilization of different ligands such as CO, O2 SH­, F­ coordinated to the heme group; and finally we found an important relationship between the protonation of a particular histidine and the O2 uptake in myoglobin Fil:Boechi, Leonardo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.