Estudio fisicoquímico y bioinformático de la familia de hemoglobinas truncadas
Las hemoproteínas son proteínas que poseen un grupo hemo unido generalmente de formacovalente. Participan en transporte de gases, en reacciones de transferencia de electrones y catálisis de reacciones redox. Un grupo muy particular dentro de estas proteínas son lashemoglobinas truncadas (trHbs), que...
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Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
2015
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HEMOGLOBINAS TRUNCADAS CAVIDADES INTERNAS SITIOS DE HIDRATACION DINAMICA MOLECULAR QM/MM PREDICCION DE CONSTANTES CINETICAS PREDICCION SECUENCIA-ESTRUCTURA-FUNCION FILOGENIA EVOLUCION MOLECULAR BIOINFORMATICA TERMOESTABILIDAD TRUNCATED HEMOGLOBINS INTERNAL CAVITIES HYDRATION SITES MOLECULAR DYNAMICS QM/MM KINETIC CONSTANTS PREDICTION SEQUENCE-STRUCTURE-FUNCTION PREDICTION PHYLOGENY MOLECULAR EVOLUTION BIOINFORMATICS THERMOSTABILITY Bustamante, Juan Pablo Estudio fisicoquímico y bioinformático de la familia de hemoglobinas truncadas |
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HEMOGLOBINAS TRUNCADAS CAVIDADES INTERNAS SITIOS DE HIDRATACION DINAMICA MOLECULAR QM/MM PREDICCION DE CONSTANTES CINETICAS PREDICCION SECUENCIA-ESTRUCTURA-FUNCION FILOGENIA EVOLUCION MOLECULAR BIOINFORMATICA TERMOESTABILIDAD TRUNCATED HEMOGLOBINS INTERNAL CAVITIES HYDRATION SITES MOLECULAR DYNAMICS QM/MM KINETIC CONSTANTS PREDICTION SEQUENCE-STRUCTURE-FUNCTION PREDICTION PHYLOGENY MOLECULAR EVOLUTION BIOINFORMATICS THERMOSTABILITY |
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Las hemoproteínas son proteínas que poseen un grupo hemo unido generalmente de formacovalente. Participan en transporte de gases, en reacciones de transferencia de electrones y catálisis de reacciones redox. Un grupo muy particular dentro de estas proteínas son lashemoglobinas truncadas (trHbs), que constituyen una familia interesante de referencia paraestudios de estructura y función de proteínas, debido a su plegado conservado y pequeñotamaño. Las trHbs están presentes en los tres super reinos de la vida, bacteria, arquea y variosorganismos eucariotas. Han sido clasificadas en tres grupos, conocidos como N, O y P. Si bien lamayoría de trHbs no poseen una función asignada, se conoce que ésta generalmente dependede su afinidad por ligandos pequeños, es decir, de la relación entre la velocidad a la cual captany liberan ligandos, caracterizadas por constantes de velocidad kon y koff, respectivamente. Deallí la relevancia de abocarse al estudio de los determinantes moleculares de tal afinidad. Los procesos de captación y liberación de ligandos han sido extensamente estudiadosdurante los últimos años por diferentes grupos de investigación, incluido el grupo donde sedesarrolló la presente tesis, utilizando enfoques teóricos y experimentales. Sin embargo, solo seestudiaron algunos de los procesos involucrados, tales como el rol de túneles e interacciones depuentes de hidrógeno, encontrándose únicamente tendencias cualitativas respecto aconstantes kon y koff. En la presente tesis, a través de la aplicación de diversas técnicas computacionales, seprofundizó en la descripción anterior mediante la inclusión de dos determinantes molecularescruciales en el proceso de captación de ligandos: las cavidades internas de las proteínas y el rolde las moléculas de agua presentes en el sitio activo. Adicionalmente, se construyó un modelomatemático, validado a través de un riguroso análisis estadístico, que permite predecir demanera cuantitativa las constantes kon y koff de O2. Dado que la mayoría de trHbs no poseen una función asignada, se extendió el alcance delmodelo propuesto a toda la familia de trHbs, prediciendo valores para una gran cantidad detrHbs (sobre un total de ~1100 secuencias proteicas). Se asignaron posibles funcionesmoleculares y se analizó a esta familia de proteínas en un contexto evolutivo-funcional,caracterizando a cada grupo filogenético. De manera adicional, el estudio evolutivo reveló quehay un grupo de trHbs que comparte características comunes que lo diferenciansignificativamente del resto de los grupos conocidos (N, O y P), por lo que se lo clasificó comoun cuarto grupo, denominado Q. Finalmente, puesto que una de las proteínas más estudiadas durante el desarrollo de lapresente tesis (la trHb O de Thermobifida fusca, Tf-trHbO) es una proteína termoestableperteneciente a una actinobacteria termófila, se estudiaron las bases moleculares de sutermoestabilidad comparándola con una trHb mesoestable: la trHb O de Mycobacteriumtuberculosis. Se encontró que la alta estabilidad térmica de la Tf-trHbO se explica, en gran parte,por el cambio de un único aminoácido que altera la estructura de un loop, haciéndolo másflexible y promoviendo la formación de puentes salinos. En su conjunto, esta tesis presenta una profunda caracterización de dos factores crucialesen el proceso de captación de ligandos en hemoglobinas truncadas, que, incluidos en un modelomatemático junto a una descripción del proceso de liberación de ligandos como ha sidopreviamente descripta, permiten explicar valores experimentales de kon y koff de O2 con unaprecisión muy alta. La extensión del modelo a toda la familia de trHbs ha permitido asignarposibles funciones moleculares a una gran cantidad de miembros de estas globinas. Complementado con un análisis evolutivo y bioinformático, se ha logrado además obtener unadetallada caracterización de cada grupo de trHbs, descubriendo incluso un grupo nuevo. Porúltimo, el estudio teórico sobre la termoestabilidad de la Tf-trHbO abre las puertas a posterioresestudios que analicen las bases moleculares de la adaptación a condiciones extremas. |
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tesis:tesis_n5848_Bustamante2025-03-31T21:38:56Z Estudio fisicoquímico y bioinformático de la familia de hemoglobinas truncadas Physicochemical and bioinformatic study of the truncated hemoglobin family Bustamante, Juan Pablo Estrin, Darío Ariel Boechi, Leonardo HEMOGLOBINAS TRUNCADAS CAVIDADES INTERNAS SITIOS DE HIDRATACION DINAMICA MOLECULAR QM/MM PREDICCION DE CONSTANTES CINETICAS PREDICCION SECUENCIA-ESTRUCTURA-FUNCION FILOGENIA EVOLUCION MOLECULAR BIOINFORMATICA TERMOESTABILIDAD TRUNCATED HEMOGLOBINS INTERNAL CAVITIES HYDRATION SITES MOLECULAR DYNAMICS QM/MM KINETIC CONSTANTS PREDICTION SEQUENCE-STRUCTURE-FUNCTION PREDICTION PHYLOGENY MOLECULAR EVOLUTION BIOINFORMATICS THERMOSTABILITY Las hemoproteínas son proteínas que poseen un grupo hemo unido generalmente de formacovalente. Participan en transporte de gases, en reacciones de transferencia de electrones y catálisis de reacciones redox. Un grupo muy particular dentro de estas proteínas son lashemoglobinas truncadas (trHbs), que constituyen una familia interesante de referencia paraestudios de estructura y función de proteínas, debido a su plegado conservado y pequeñotamaño. Las trHbs están presentes en los tres super reinos de la vida, bacteria, arquea y variosorganismos eucariotas. Han sido clasificadas en tres grupos, conocidos como N, O y P. Si bien lamayoría de trHbs no poseen una función asignada, se conoce que ésta generalmente dependede su afinidad por ligandos pequeños, es decir, de la relación entre la velocidad a la cual captany liberan ligandos, caracterizadas por constantes de velocidad kon y koff, respectivamente. Deallí la relevancia de abocarse al estudio de los determinantes moleculares de tal afinidad. Los procesos de captación y liberación de ligandos han sido extensamente estudiadosdurante los últimos años por diferentes grupos de investigación, incluido el grupo donde sedesarrolló la presente tesis, utilizando enfoques teóricos y experimentales. Sin embargo, solo seestudiaron algunos de los procesos involucrados, tales como el rol de túneles e interacciones depuentes de hidrógeno, encontrándose únicamente tendencias cualitativas respecto aconstantes kon y koff. En la presente tesis, a través de la aplicación de diversas técnicas computacionales, seprofundizó en la descripción anterior mediante la inclusión de dos determinantes molecularescruciales en el proceso de captación de ligandos: las cavidades internas de las proteínas y el rolde las moléculas de agua presentes en el sitio activo. Adicionalmente, se construyó un modelomatemático, validado a través de un riguroso análisis estadístico, que permite predecir demanera cuantitativa las constantes kon y koff de O2. Dado que la mayoría de trHbs no poseen una función asignada, se extendió el alcance delmodelo propuesto a toda la familia de trHbs, prediciendo valores para una gran cantidad detrHbs (sobre un total de ~1100 secuencias proteicas). Se asignaron posibles funcionesmoleculares y se analizó a esta familia de proteínas en un contexto evolutivo-funcional,caracterizando a cada grupo filogenético. De manera adicional, el estudio evolutivo reveló quehay un grupo de trHbs que comparte características comunes que lo diferenciansignificativamente del resto de los grupos conocidos (N, O y P), por lo que se lo clasificó comoun cuarto grupo, denominado Q. Finalmente, puesto que una de las proteínas más estudiadas durante el desarrollo de lapresente tesis (la trHb O de Thermobifida fusca, Tf-trHbO) es una proteína termoestableperteneciente a una actinobacteria termófila, se estudiaron las bases moleculares de sutermoestabilidad comparándola con una trHb mesoestable: la trHb O de Mycobacteriumtuberculosis. Se encontró que la alta estabilidad térmica de la Tf-trHbO se explica, en gran parte,por el cambio de un único aminoácido que altera la estructura de un loop, haciéndolo másflexible y promoviendo la formación de puentes salinos. En su conjunto, esta tesis presenta una profunda caracterización de dos factores crucialesen el proceso de captación de ligandos en hemoglobinas truncadas, que, incluidos en un modelomatemático junto a una descripción del proceso de liberación de ligandos como ha sidopreviamente descripta, permiten explicar valores experimentales de kon y koff de O2 con unaprecisión muy alta. La extensión del modelo a toda la familia de trHbs ha permitido asignarposibles funciones moleculares a una gran cantidad de miembros de estas globinas. Complementado con un análisis evolutivo y bioinformático, se ha logrado además obtener unadetallada caracterización de cada grupo de trHbs, descubriendo incluso un grupo nuevo. Porúltimo, el estudio teórico sobre la termoestabilidad de la Tf-trHbO abre las puertas a posterioresestudios que analicen las bases moleculares de la adaptación a condiciones extremas. Hemeproteins are proteins that possess a heme group generally covalently bound. Theyparticipate in gas transport, electron transfer reactions and catalysis of redox reactions. Aparticular group within these proteins is the truncated hemoglobins (trHbs), which constitute aninteresting benchmark group for structure-to-function studies, due to its conserved fold andsmall size. The trHbs are present in all three superkingdoms of life, bacteria, archeas and severaleukaryotes. They have been classified into three groups, labeled as N, O and P. While most trHbsdo not have an assigned function, it is well known that generally their function depends on theiraffinity for small ligands, i.e. the balance between capture and release ligand rates,characterized by the kon and koff rate constants, respectively. Hence, the importance offocusing on the study of the molecular determinants of this affinity. The ligand capture and release processes have been extensively studied throughout in thelast several years, by different research groups, including the group in which this thesis has beendeveloped, with theoretical and experimental approaches. However only some involvedprocesses, such as the role of tunnels and hydrogen bond interactions, were studied findingmerely qualitative trends in kon y koff rate constants. In the present thesis, through the application of a variety of computational techniques, weincorporated to the previous description two key determinant factors of the ligand captureprocess: protein internal cavities and the role of water molecules in the active site. Additionally,validated through a rigorous statistical analysis, a mathematical model for the quantitativeprediction of O2 kon y koff rate constants was built. Due to the fact that most trHbs do not have an assigned function, we extended ourproposed model to the whole family, predicting values for a large amount of trHbs (over ~1100protein sequences). In this context, possible molecular functions were assigned, as well as aprotein family analysis in an evolutionary-functional scenario, characterizing each phylogeneticgroup. Furthermore, the evolutionary study revealed a novel trHb group that shares commonfeatures that differentiate it from the rest known groups (N, O and P), so it was classified in afourth group, labeled as Q. Finally, given that one of the most studied proteins along this thesis (the trHb O from Thermobifida fusca, Tf-trHbO) is a thermostable protein from a thermophilic actinobacteria, themolecular basis of its thermostability was studied, comparing it with a mesostable trHb: the trHb O from Mycobacterium tuberculosis. It has been found that the high thermal stability of TftrHbO,is mainly explained by a single amino acid change that alters a loop structure making itmore flexible, which also promotes the formation of salt bridges. Overall, in this thesis we present for the truncated hemoglobin family a deepcharacterization of two key determinant factors of the ligand capture process that, included ina mathematical model together with a description of the ligand release process that has beenpreviously made, allows us to explain experimental O2 kon y koff values with high precision. The extension of the model to the whole trHb family enabled putative molecular functionassignments. Complemented by an evolutionary and bioinformatics analysis, a detailedcharacterization of each trHb group was also achieved, describing a novel group. Last but notleast, the theoretical study of the Tf-trHbO thermostability is a first step towards further indepthstudies of the molecular basis of adaptation to extreme conditions. Fil: Bustamante, Juan Pablo. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales 2015-11-13 info:eu-repo/semantics/doctoralThesis info:ar-repo/semantics/tesis doctoral info:eu-repo/semantics/publishedVersion application/pdf spa info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n5848_Bustamante |