Fisicoquímica del agua en la superficie proteica y su protagonismo en la unión de carbohidratos

• Autores: Gauto, Diego Fernando
• Año de publicación: 2013
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Martí, Marcelo Adrián
• Materia: LECTINAS; CARBOHIDRATOS; SITIOS DE HIDRATACION; DINAMICA MOLECULAR; DOCKING; TERMODINAMICA; LECTINS; CARBOHYDRATES; WATER SITES; MOLECULAR DYNAMICS; DOCKING; TERMODYNAMICS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La formación de complejos biomoleculares (receptor-ligando), es un proceso que comprendenumerosos aspectos físico-químicos, como la formación de diferentes tipos deinteracciones entre la proteína y su ligando y el cambio en la estructura de solvatación enlas superficies de contacto de ambas moléculas. Un importante desafío consiste en comprenderel papel de las moléculas de agua en el proceso de unión, dado que muchasde estas pueden ser desplazadas desde el sitio de unión hacia el seno del solvente,mientras que otras pueden permanecer fuertemente unidas en el mismo, puenteandola interacción entre la proteína y el ligando. Por otra parte, el desplazamiento deaguas juega también un rol clave en la determinación del resultado termodinámico delproceso de unión. El rol de la estructura de solvente en las lectinas, que comprenden todas las proteínasde unión/reconocimiento de carbohidratos sin actividad enzimática, es particularmenterelevante en el proceso de reconocimiento, debido a la naturaleza hidrofílica del ligando y elsitio de unión. En este contexto, el presente trabajo de tesis doctoral, pone a prueba lahipótesis de que la estructura del solvente en el sitio de unión a carbohidratos (CBS)de lectinas, guarda una relación con la forma y las interacciones del complejo lectinacarbohidratoresultante, y por lo tanto, se puede utilizar para predecir su modo deunión. Para ponerla a prueba, se plantean los siguientes objetivos: (I) Empleando simulaciones de Dinámica Molecular en solvente explícito, en combinacióncon un análisis termodinámico estadístico, desarrollar y contribuir a la hipótesis detrabajo de que la estructura formada por las moléculas de agua presentes en el sitiode reconocimiento de carbohidratos en el receptor libre, emulan la posición de losgrupos funcionales polares del ligando (en particular los hidroxilos u OHs) cuando seforma el complejo. (II) Combinando el análisis mencionado en el ítem I) con métodos de punto final para elcálculo de la energía libre proteína-ligando, se estudió la base estructural subyacentea la selectividad epimérica mostrada por lectina del hongo Agaricus bisporus (ABL), lacual muestra dos sitios de unión a carbohidratos bien diferenciados (CBS-A y CBSB ) que se encuentran en el mismo dominio, en donde la evidencia experimentalmuestra que cada uno de ellos es capaz de discriminar entre los epímeros, N-Acetil-DGalactosaminay N-Acetil-D-Glucosamina. (III) Finalmente, utilizando la información de la estructura de solvente, se ha desarrolladoun esquema de Docking Molecular modificado que proporciona una mejorasignificativa en términos de exactitud (la relación entre el complejo predicho y laestructura de referencia cristalográfica) y precisión (discriminación entre el resultado verdadero de los falsos positivos) en la predicción de la estructura de complejoslectina-carbohidratos.
The formation of biomolecular complexes (receptor-ligand), is a process that involvesmany physicochemical aspects, like the formation of different types of interactions betweenthe protein and its ligand, and the change in the solvation structure between the contactsurfaces of both molecules. Understanding the role of water molecules in the bindingprocess is particularly challenging, since while some water molecules are displacedto the bulk solvent, others remain tightly bound in the binding site, bridging proteinligand interactions. Moreover, water displacement is also a key player in determining thethermodynamic outcome of the binding process. Lectins, comprise all carbohydrate binding/recognition proteins that do not have enzymaticactivity, and given the hydrophilic nature of these ligands and these binding site, therole of the solvent structure in these protein-ligand recognition process is particularly relevant. In this context, the present PhD thesis, seeks to test and analyze the hypothesisthat the solvent structure in the carbohydrate binding site (CBS) of lectins, mimicsthe shape and interactions of the resulting lectin-carbohydrate complex, and couldthus be used to predict their binding mode. To achieve this task, we have pursued thefollowing specific aims: (I) Using explicit solvent molecular dynamics simulations (MD) combined with a statisticalthermodynamic analysis, we have analyzed the structure adopted by the watermolecules in the CBS of several lectins, and related this information with the positionof the polar functional groups of the carbohydrate ligands in the resulting complexes. (II) We have combined the above mentioned analysis with protein-ligand end-pointfree energy calculations to analyze the underlying structural basis of the epimericselectivity showed by Agaricus bisporus Lectin (ABL), where two carbohydrate bindingsite (CBS-A and CBS-B) have found in the same carbohydrate recognition domain (CRD), show that each of them is capable to discriminate between the epimers, N-acetyl-D- Galactosamine and N-acetyl-D-Glucosamine. (III) Finally, and using the information of the solvent structure, we have devised a modifiedmolecular docking scheme that provides significant improvement in terms of accuracy (the relationship between the predicted and crystallographic complex of reference)and precision (discrimination between the true from false positives results) in theprediction of lectin-carbohydrate complex structures.
Fil: Gauto, Diego Fernando. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.