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Modelli biofisici del trasporto di membrana

La fisiologia delle cellule viventi dipende dalle proteine che trasportano le molecole attraverso le membrane. I modelli computazionali hanno contribuito a chiarire struttura e funzione di queste proteine di trasporto in salute e malattia.
Modelli biofisici del trasporto di membrana
Il progetto BIOL-TRANSP-COMPUT (Mechanisms of transport across biological membranes), finanziato dall’UE, ha studiato l’intero complesso delle funzioni delle proteine di membrana. I ricercatori hanno selezionato tre proteine per questo studio: la proteina motrice SecA, la pompa protonica della membrana plasmatica AHA2 e il canale cationico sensibile alla luce. L’obiettivo era scoprire i dettagli dell’accoppiamento chimico-meccanico e le dinamiche della protonazione nella regolazione del trasporto utilizzando l’analisi computazionale.

Le basi della ricerca BIOL-TRANSP-COMPUT erano incentrate sui legami a idrogeno. La protonazione è l’aggiunta di uno ione o protone di idrogeno a una sostanza, che diventa più acida. Questo processo di legame a idrogeno è fondamentale nei sistemi di trasferimento di protoni e nelle conformazioni di proteine che permettono il trasporto di molecole attraverso le membrane cellulari.

SecA utilizza l’accoppiamento chimico-meccanico ATP (adenosintrifosfato)-dipendente per trasferire proteine attraverso le membrane nei batteri. La bioinformatica e l’analisi delle sequenze insieme alle computazioni delle dinamiche di SecA hanno fornito nuove informazioni in questo settore. Una simulazione “all-atom” in acqua libera ha fornito informazioni inestimabili sulle dinamiche conformazionali di SecA. Tra le osservazioni importanti vi era lo stretto accoppiamento delle interazioni proteina-acqua con le condizioni di legame dei nucleotidi.

La pompa protonica della membrana plasmatica AHA2 appartiene alla famiglia delle ATPasi di tipo P. Questi enzimi complessi agiscono da sistemi di trasporto secondario utilizzando accoppiamento conformazionale a grande distanza. Le analisi del progetto hanno dimostrato l’accesso all’acqua del gruppo primario donatore/accettore del proteone e l’interconnessione della struttura e delle dinamiche con lo stato della protonazione.

Le canalrodopsine sono proteine trasportatrici retiniche sensibili alla luce. I ricercatori hanno ottenuto informazioni strutturali sulle varianti delle canalrodopsine tramite analisi delle sequenze e ne hanno derivati i conseguenti modelli di omologia. I cicli di reazione delle proteine retiniche sono attivati dalla fotoisomerizzazione del cromoforo retinale. L’applicazione di analisi di meccanica quantica e meccanica molecolare ha dimostrato che le dinamiche molecolari nelle rodopsine sono modellate da legami a idrogeno con le proteine e i gruppi proteici e d’acqua circostanti.

La dinamica dei legami a idrogeno è essenziale per la conformazione dei trasportatori. La conoscenza generale dei gruppi che potrebbero immagazzinare i protoni è necessaria per comprendere il meccanismo d’azione dei sistemi biologici ad accoppiamento protonico. I risultati di questo progetto potrebbero quindi avere un impatto significativo sulla progettazione dei farmaci nelle ricerca biomedica.

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Keywords

Creazione di modelli biofisici, proteina di trasporto, SecA, AHA2, canalrodopsina