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Modelos biofísicos del transporte a través de las membranas celulares

La fisiología de las células vivas depende de las proteínas que transportan las moléculas a través de las membranas. Se han generado modelos informáticos que han permitido conocer la estructura y función de estas proteínas de transporte en la salud y en la enfermedad.
Modelos biofísicos del transporte a través de las membranas celulares
En el marco del proyecto financiado por la Unión Europea (BIOL-TRANSP-COMPUT) (Mechanisms of transport across biological membranes) se investigó todo el complejo de proteínas de membrana. Para este estudio se seleccionaron tres proteínas: la proteína motora SecA, la bomba de protones AHA2 de la membrana plasmática y el canal de cationes fotosensibles. El objetivo fue realizar análisis informáticos con el fin de conocer los detalles del acoplamiento quimiomecánico y la dinámica de la protonación en la mediación del transporte.

La base de la investigación de BIOL-TRANSP-COMPUT se centró en la formación de enlaces de hidrógeno. La protonación consiste en añadir un protón o ion de hidrógeno a una molécula aumentando así su acidez. Este proceso, que implica la formación de puentes de hidrógeno, es esencial en los sistemas de transferencia de protones y el plegamiento de proteínas que permiten el transporte a través de las membranas celulares.

SecA utiliza la unión quimiomecánica dependiente de adenosín trifosfato (ATP) para trasladar proteínas a través de la membrana en bacterias. Con objeto de obtener información en este campo, se utilizaron técnicas bioinformáticas y de secuenciación así como de mecánica computacional de SecA. La simulación con átomos en agua a granel proporcionó conocimientos de utilidad sobre la dinámica conformacional de SecA. Las observaciones importantes incluyeron el acoplamiento firme de las proteínas y las interacciones del agua con el estado de fijación a nucleótidos.

La bomba de protones AHA2 de la membrana plasmática pertenece a la familia de las ATPasas de tipo P. Estas enzimas complejas funcionan como sistemas de transporte secundarios utilizando acoplamiento conformacional a larga distancia. Los estudios del proyecto demostraron el acceso al agua del grupo donante/aceptor de protones primario y la interconexión de la estructura y la dinámica con el estado de protonación.

Las canalrodopsinas son proteínas transportadoras fotosensibles de la retina. Los científicos recabaron información estructural sobre las variantes de las canalrodopsinas por análisis de secuencia y modelos de homología derivados de los mismos. Los ciclos de reacción de las proteínas de la retina inician con la fotoisomerización de los cromóforos de la retina. La aplicación de análisis mecánicos moleculares o de mecánica cuántica ha demostrado que los enlaces de hidrógeno rodeados de grupos de proteínas y de agua definen la dinámica molecular de las rodopsinas.

La dinámica de los enlaces de hidrógeno es fundamental para la conformación de los transportadores. Deben conocerse en términos generales cuáles son los grupos que almacenan protones con el fin de comprender el mecanismo de acción de los sistemas biológicos acoplados a protones. En definitiva, los resultados de este proyecto pueden repercutir significativamente en la formulación de fármacos en investigación biomédica.

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Palabras clave

Modelos biofísicos, proteínas de transporte, SecA, AHA2, canalrodopsina
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