Síntesis de aminoácidos modificados con carbonilos reactivos in silico para evaluar los efectos estructurales mediante simulaciones de dinámica molecular
Summary
En este trabajo se describe un protocolo para la optimización y parametrización de residuos de aminoácidos modificados con especies carbonilas reactivas, adaptables a sistemas proteicos. Los pasos del protocolo incluyen el diseño y la optimización de la estructura, las asignaciones de carga, la construcción de parámetros y la preparación de sistemas de proteínas.
Abstract
La carbonilación de proteínas por aldehídos reactivos derivados de la peroxidación lipídica conduce a la reticulación, oligomerización y agregación de proteínas, causando daño intracelular, deterioro de las funciones celulares y, en última instancia, muerte celular. Se ha descrito en el envejecimiento y en varias afecciones crónicas relacionadas con la edad. Sin embargo, las bases de los cambios estructurales relacionados con la pérdida de función en las proteínas diana aún no se conocen bien. Por lo tanto, se describe una ruta para la construcción in silico de nuevos parámetros para aminoácidos carbonilados con especies carbonilas reactivas derivadas de la oxidación de ácidos grasos. Se construyeron los aductos de Michael para Cys, His y Lys con 4-hidroxi-2-nonenal (HNE), 4-hidroxi-2-hexenal (HHE) y una forma de anillo de furano para 4-Oxo-2-nonenal (ONE), mientras que el malondialdehído (MDA) se unió directamente a cada residuo. El protocolo describe detalles para la construcción, optimización de la geometría, asignación de cargas, enlaces faltantes, ángulos, parámetros de ángulos diedros y su validación para cada estructura de residuo modificada. Como resultado, los efectos estructurales inducidos por la carbonilación con estos derivados lipídicos se han medido mediante simulaciones de dinámica molecular en diferentes sistemas proteicos como la enzima tiorredoxina, la albúmina sérica bovina y el dominio Zu-5-ankyrin de membrana que emplea la desviación cuadrática media (RMSD), la fluctuación cuadrática media (RMSF), la predicción secundaria estructural (DSSP) y el análisis de área de superficie accesible al solvente (SASA), entre otros.
Introduction
En la búsqueda constante de comprender el comportamiento molecular de las proteínas con modificaciones oxidativas, la química computacional se ha convertido en un pilar fundamental en el amplio campo de la investigación científica. Este se basa en el uso de modelos teóricos capaces de interpretar fenómenos físicos en sistemas electrónicos, utilizando ecuaciones matemáticas para describir el comportamiento atómico de las moléculas. Dentro de este panorama, las simulaciones computacionales de proteínas se destacan como herramientas cruciales para analizar el comportamiento atómico de los sistemas moleculares. A partir de la evaluación del comportamiento estructural, los cálculos energéticos y los estados conformacionales1, estos métodos se convierten en aliados estratégicos para predecir el comportamiento de los sistemas biomoleculares.
Estas simulaciones se especializan en el estudio de los cambios estructurales y en la evaluación de la pérdida o ganancia de funciones biológicas en los sistemas de proteínas. Sin embargo, los enfoques computacionales han mostrado limitaciones significativas cuando se aplican a sistemas de proteínas que contienen residuos modificados formados por modificaciones postraduccionales covalentes en la secuencia. Esto se debe a que muchos métodos disponibles carecen de recursos con parámetros adaptables a campos de fuerza que sean compatibles con los paquetes de programas más comunes para simulaciones de dinámica molecular de proteínas 2,3,4,5,6. Por lo tanto, la estandarización de los parámetros adaptativos de campo de fuerza compatibles con el software computacional es esencial para facilitar el acoplamiento preciso de las topologías y las coordenadas atómicas con la ecuación que gobierna la energía potencial del sistema7.
En respuesta a estos retos, se ha desarrollado un protocolo adaptable a nuevos residuos de aminoácidos modificados con aldehídos derivados de la peroxidación lipídica utilizando métodos ab initio . En ese sentido, la optimización de la geometría estructural de los nuevos residuos permite la asignación de cargas adaptativas a nuevos parámetros de enlace, ángulo y diedro que se pueden ejecutar en campos de fuerza generales como AMBER. La validación posterior de estos parámetros permite determinar la consistencia y robustez del método aplicable a las simulaciones de dinámica molecular.
Una de las fortalezas notables de este método radica en su capacidad para adaptarse a diversas modificaciones postraduccionales, desde la carbonilación hasta la fosforilación, acetilación y metilación, entre otras. Esta versatilidad no solo se limita a los sistemas de proteínas, sino que se extiende a las estructuras macromoleculares, permitiendo el acoplamiento con topologías y coordenadas atómicas. Por el contrario, estudios previos revelan que la parametrización estándar de las modificaciones postraduccionales solo se adapta a un tipo específico de modificación y solo se puede obtener de repositorios publicados, que carecen de la capacidad de crear nuevas estructuras8.
En la actualidad, los retos en la predicción y el diseño de la estructura de las proteínas son cada vez más evidentes a la hora de modelar estructuras con modificaciones postraduccionales. La escasez de parámetros que describan las alteraciones en sitios específicos de aminoácidos subraya la necesidad urgente de desarrollar y aplicar métodos computacionales que puedan ajustarse a las parametrizaciones estándar. El objetivo de este protocolo es proporcionar una ruta para la construcción in silico de nuevos parámetros para aminoácidos modificados covalentemente con especies carbonilas reactivas derivadas de la oxidación de ácidos grasos. Estos aminoácidos modificados son reconocidos por el campo de fuerza ámbar general (GAFF) y, por lo tanto, pueden utilizarse para evaluar in silico los efectos estructurales y funcionales que este tipo de carbonilación tiene sobre sus proteínas objetivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Uno de los pasos críticos en el desarrollo del protocolo de parametrización AMBER fue la optimización cuántica de los nuevos residuos de aminoácidos modificados con los derivados de la peroxidación lipídica, debido a la variabilidad energética relacionada con la minimización y la forma de asignar las cargas de RESP en la antecámara AMBER. Para ello, se utilizaron métodos de optimización ab initio con Hartree-Fock (HF/6-31G) y teoría del funcional de la densidad semiempírica (DFT; B3LYP/6-31G y M062…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo contó con el apoyo de la beca de investigación código 1107-844-67943 del Ministerio de Ciencia, Tecnología e Innovación (Minciencias) y la Universidad de Cartagena (Colombia) para la subvención de apoyo a los grupos de investigación 2021 y Acta 017-2022.
Materials
| AmberTools16 or Upper | The Amber Project | Amber is a suite of biomolecular simulation programs | |
| Gaussian 09 or Upper | Gaussian Inc | Draw and optimize structures | |
| Linux Ubuntu | GNU/Linux | Platform for AmberTools | |
| NVIDIA GPUs GTX 1080 or Upper | Nvidia | Compatible with PMEMD |
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