Cavidades Internas y Flexibilidad Dinámica en Proteasas: Un Análisis Teórico-Computacional de su Arquitectura Volumétrica

• Autores: Danny Jiménez Castañeda, Ariana Delgado, Ysaías J. Alvarado, José Luis Paz, Lenin González Paz
• Localización: Revista Politécnica, ISSN-e 2477-8990, Vol. 57, Nº. 2, 2026 (Ejemplar dedicado a: Revista Politécnica), págs. 33-44
• Idioma: español
• DOI: 10.33333/rp.vol57n2.03
• Títulos paralelos:
  • Internal Cavities and Dynamic Flexibility in Proteases: A Theoretical–Computational Analysis of Their Volumetric Architecture
• Enlaces
  • Texto completo
• Resumen
  • español

    Las cavidades internas en proteasas son elementos estructurales dinámicos que modulan la estabilidad, el empaquetamiento y la flexibilidad conformacional, aspectos esenciales para su función catalítica y regulación alostérica. En este estudio, se analizaron la proteasa principal del SARS-CoV-2 (MPRO), la papaína y la lisozima mediante simulaciones de dinámica molecular de 100 ns bajo condiciones fisiológicas, evaluando la evolución temporal de cavidades internas, volúmenes moleculares y vacíos, factores de empaquetamiento y compresibilidades isotérmicas derivadas de fluctuaciones de volumen. MPRO presentó la mayor variabilidad en número y volumen de cavidades (4–9 por trayectoria, 360–880 ų), reflejando una red interna flexible; la papaína mostró valores intermedios y la lisozima cavidades pequeñas y estables, coherentes con su empaquetamiento compacto. La compresibilidad interna fue 3,6–3,7 veces superior a la efectiva, indicando que las cavidades aportan más del 70 % de la deformabilidad volumétrica. Estas actúan como amortiguadores estructurales que redistribuyen tensiones locales y facilitan movimientos conformacionales. Se observó una correlación directa entre número de cavidades, volumen vacío y factor de empaquetamiento, definiendo un acoplamiento funcional entre topología interna y flexibilidad global. Los resultados demuestran que las cavidades internas son moduladores volumétricos intrínsecos, determinantes en la dinámica estructural de las proteasas y potenciales blancos alostéricos para el diseño racional de inhibidores basados en propiedades dinámicas.

       

  • English

    Internal cavities in proteases are dynamic structural elements that modulate stability, packing density, and conformational flexibility—key features for catalytic activity and allosteric regulation. In this study, we investigated the SARS-CoV-2 main protease (MPRO), papain, and lysozyme through 100 ns molecular dynamics simulations under physiological conditions. Temporal variations of internal cavities, molecular and void volumes, packing factors, and isothermal compressibilities derived from volume fluctuations were quantified. MPRO exhibited the highest variability in cavity number and volume (4–9 per trajectory, 360–880 ų), revealing a flexible internal network; papain showed intermediate behavior, whereas lysozyme displayed small, stable cavities consistent with its compact fold. Internal compressibility was 3.6–3.7 times higher than the effective one, indicating that cavities account for over 70 % of total volumetric deformability. Cavities act as structural buffers, redistributing local stresses and enabling conformational rearrangements. A direct correlation was observed among cavity number, void volume, and packing factor, defining a functional coupling between internal topology and global flexibility. Overall, this study demonstrates that internal cavities serve as intrinsic volumetric modulators governing the dynamic elasticity of proteases and represent potential allosteric targets for rational inhibitor design based on dynamic and volumetric properties.