Unfolding Ubiquitin by force: water mediated H-bond destabilization

Despliegue de ubiquitina por la fuerza: desestabilización del enlace H mediada por agua

Estudiamos el desdoblamiento forzado de una molécula de ubiquitina, usando el protocolo de dinámica molecular “pull and wait” (PNW) a 300 K. Se implementó PNW en el programa CHARMM usando un tiempo de integración de 1 fs y una constante dieléctrica de 1. La estructura solvatada inicialmente, se colocó bajo tensión mecánica, ejerciéndose fuerzas en diferentes direcciones. El rompimiento de cinco enlaces de Hidrogeno entre los pliegues β1 y β5 que tiene lugar durante los primeros 13 a 15 Å de extensión, marcan una barrera mecánica la cual define la máxima fuerza necesaria para el desdoblamiento. Las simulaciones realizadas muestran que dado un tiempo adecuado, la aplicación de una fuerza pequeña puede desestabilizar los mencionados enlaces de hidrógeno relativo a los enlaces que se pueden formar con moléculas de agua; permitiendo la formación de enlaces de hidrógeno estables entre aguas y donadores o aceptores de la cadena principal. De esta forma, las simulaciones con PNW muestran que la tensión mecánica no es responsable de separar los puentes de hidrógeno, esta sólo los desestabiliza haciéndolos menos estables con respecto a los enlaces que se pueden formar con moléculas de agua. Simulaciones adicionales muestran que la fuerza necesaria para desestabilizar los enlaces de hidrogeno, permitiendo su remplazo por enlaces con moléculas de agua, depende fuertemente de la dirección de estiramiento. El protocolo de simulación que permite equilibrar a cada paso de extensión, nos evidenció eventos conducentes al desdoblamiento de la molécula ubiquitina por fuerzas mecánicas.

INTRODUCCIÓN

Además de sus interacciones con otras moléculas de la célula, las macromoléculas biológicas están sometidas a fuerzas mecánicas tanto funcionales (por ejemplo, en las fibras musculares, los microtúbulos y los motores moleculares) como incidentales. Así, como parte de la optimización de su función biológica específica, la evolución de estas moléculas implica la adaptación de su comportamiento mecánico. Un ejemplo reciente es la relación directa entre el modo de acción funcional de la ADN girasa y la tensión mecánica aplicada (1).

Los avances en las técnicas de microscopía de fuerza atómica (AFM) de una sola molécula y de pinzas ópticas han hecho posible el examen de la respuesta de las proteínas a las fuerzas mecánicas (2-4). La proteína muscular titina, por ejemplo, se ha investigado ampliamente utilizando métodos de microscopía de fuerza atómica (AFM) (5-7) y pinzas ópticas (8, 9).