Simulazioni Numeriche per lo Studio delle Conformazioni Proteiche

In questo lavoro si analizzano i metodi numerici (illustrandone caratteristiche e limiti principali) più adatti per descrivere le conformazioni, e quindi il ripiegamento, delle proteine. La dinamica molecolare (MD) classica è la tecnica di calcolo più adatta allo scopo preposto. Per determinare le condizioni in cui si trovano le molecole si impostano l’insieme termodinamico (vengono fissate le variabili termodinamiche d’interesse) e il campo di forze (tiene conto delle interazioni intra- e intermolecolari nella proteina). Verrà illustrato brevemente il contesto biologico, mettendo in luce il ruolo degli amminoacidi e delle strutture secondarie. Essendo le conformazioni proteiche l’aspetto principale del lavoro si è illustrato il grafico di Ramachandran che costituisce una guida molto utilizzata nella biologia strutturale, tramite i parametri strutturali Z ed R. In particolare, il numero R, permette lo studio di proteine intrinsecamente disordinate ed ha portato alla scoperta di un'altra struttura secondaria chiamato filo-Σ. Successiva alla trattazione biologica si sono volute presentare le interazioni di non-legame che presentano un ruolo fondamentale nella stabilizzazione strutturale e conformazionale. Esse sono riconducibili alle interazioni elettrostatiche, (carica, dipolo, quadrupolo etc...), fondamentali alla stabilizzazione della conformazione. Il ripiegamento proteico è fortemente condizionato da queste interazioni a causa del contributo sia a corto che a lungo raggio dovuto ai residui amminoacidici positivamente e negativamente carichi in ragione del pH ambientale. Separatamente si è trattato il legame ad idrogeno (vista la sua importanza e l’alto numero di specie che possono crearlo) e le interazioni tra anelli aromatici. Queste ultime si è scoperto che hanno un ruolo fondamentale nell’ordine del core proteico idrofobico, e quindi nell’impaccamento, della proteina. Oltre che con sé stessi gli anelli aromatici interagiscono anche con atomi come l’ossigeno, l’azoto e lo zolfo (questo elemento assume un ruolo principale nelle interazioni in enzimi e citocromi). Nella tesi si è riportato un breve elenco di programmi e algoritmi che permettono lo studio conformazionale delle proteine. Si devono utilizzare, o si sviluppano, algoritmi per il calcolo efficiente delle interazioni elettrostatiche (Ewald summation, fast multipole, zero dipole) e la integrazione nel tempo delle equazioni del moto di Newton (algoritmo di Verlet e la sua implementazione “velocity Verlet”). Viene anche fatto un breve cenno ad AlphaFold, che sfrutta i motori di intelligenza artificiale di Google e che ha mostrato una spettacolare capacità predittiva della conformazione di migliaia di proteine mai raggiunta con le tecniche illustrate nella tesi.