Computational study of the capability of the side chains of amino acids for setting up cation···Π interactions relevant in protein stability and structure

Resumo

Muchas de las funciones y procesos biológicos están condicionados por las interacciones intermoleculares. Estas fuerzas no son tan intensas como los enlaces en una molécula, pero es esto precisamente lo que les confiere una mayor versatilidad a la hora de realizar diferentes procesos como el reconocimiento molecular, la actividad enzimática o el plegamiento de proteínas. Las interacciones catión¿¿¿¿, que se establecen entre sistemas aromáticos y cationes presentes en el medio, son un caso particular de estas interacciones intermoleculares. Estos contactos catión¿¿¿¿ son bastante comunes en proteínas, estableciéndose entre las cadenas laterales de aminoácidos aromáticos como la tirosina, la fenilalanina o el triptófano y cationes cercanos, que muchas veces pueden ser también otros aminoácidos protonados como la lisina, la prolina o la arginina. El entorno puede afectar de forma significativa a las características de estos contactos en proteínas, ya que pueden darse en diversas situaciones, desde aquellas con el contacto catión¿¿¿¿ totalmente expuesto al disolvente por estar en la superficie de la proteína, hasta las completamente enterradas en zonas hidrofóbicas, pasando por situaciones intermedias. En este último caso, la interacción se establece en una cavidad de la proteína parcialmente expuesta al disolvente, pudiendo estar rodeada por un pequeño número de moléculas de disolvente, normalmente agua. El efecto de estas moléculas cercanas sobre la interacción podría condicionar tanto la intensidad de la interacción como su disposición geométrica, afectando por tanto a los procesos en los que dicha interacción pueda participar. En esta tesis, se han llevado a cabo diversos estudios teóricos en los que se analizan diferentes interacciones catión¿¿¿¿ presentes en proteínas. Los métodos computacionales son una herramienta muy útil a la hora de llevar a cabo estudios de este tipo, ya que permiten aislar interacciones concretas y analizar sus efectos sin tener en cuenta el resto del sistema, obteniendo una información detallada y precisa de los diferentes aspectos de dicha interacción. Primeramente, se analizó el efecto de un pequeño número de moléculas de agua sobre interacciones entre las cadenas laterales de aminoácidos aromáticos (tirosina, fenilalanina y triptófano) y catiónicos (lisina, arginina y prolina). Los resultados indican que la presencia de una sola molécula de disolvente favorece la formación de estructuras de tipo cíclico que se conservan al introducir más moléculas de disolvente. Los cationes adoptan preferentemente disposiciones paralelas o perpendiculares respecto a los anillos aromáticos dependiendo principalmente de la propia naturaleza del catión implicado en la interacción. Un segundo tipo de estudio aborda la interacción catión¿¿¿¿ entre aminoácidos aromáticos completos y las cadenas laterales de aminoácidos catiónicos (arginina e histidina). Las estructuras más estables presentan interacciones catión¿¿¿¿ debido a mayores aportaciones de dispersión e inducción que vencen la resistencia del aminoácido a adoptar una estructura plegada. En el caso de la histidina, el comportamiento es totalmente diferente, y no se ha observado la presencia de interacciones catión¿¿¿¿.