El desajuste hidrofóbico es la diferencia entre los espesores de las regiones hidrofóbicas de una proteína transmembrana y de la membrana biológica que abarca. [1] Para evitar la exposición desfavorable de las superficies hidrofóbicas al agua, se espera que las regiones hidrofóbicas de las proteínas transmembrana tengan aproximadamente el mismo espesor que la región hidrofóbica (cadena de acilo lipídico) de la bicapa lipídica circundante . Sin embargo, la misma proteína de membrana se puede encontrar en bicapas de diferente espesor. [2] En las células eucariotas, la membrana plasmática es más gruesa que las membranas del retículo endoplasmático. Sin embargo, todas las proteínas que son abundantes en la membrana plasmática se integran inicialmente en el retículo endoplasmático tras la síntesis en los ribosomas. [3] Los péptidos o proteínas transmembrana y los lípidos circundantes pueden adaptarse al desajuste hidrofóbico por diferentes medios.
Para evitar la exposición desfavorable de superficies hidrofóbicas a un entorno hidrofílico, la membrana biológica tiende a adaptarse a dicho desajuste. Por ejemplo, una proteína de membrana integral tiende a rodearse de lípidos de tamaño y forma coincidentes debido a la segregación de proteínas y lípidos . [4] Dado que las proteínas son relativamente rígidas, mientras que las cadenas de hidrocarburos lipídicos son flexibles, la condición de coincidencia hidrofóbica se puede cumplir estirando, aplastando y/o inclinando las cadenas lipídicas [5] [6] [7]
Desde que Mouritsen y Bloom [8] propusieron el modelo termodinámico detallado, que incluye la adaptación de los lípidos y la inducción de la segregación de proteínas en un desajuste más extremo en su "Modelo de colchón", se ha obtenido más conocimiento adicional sobre la agregación de proteínas inducida por desajustes. [9] También se encontraron algunas pruebas experimentales de que un desajuste hidrofóbico puede conducir a la agregación de proteínas en la bicapa fluida. [10] [11] [12] Los estudios de microscopía electrónica sobre bacteriorodopsina, reconstituida en bicapas de PC fluidas saturadas e insaturadas con longitud de cadena variable, mostraron que la agregación de proteínas ocurrió solo con un desajuste bastante grande, y que se permiten espesores de bicapa de 4 angstrom más gruesos y 10 angstrom más delgados que el espesor hidrofóbico estimado de la proteína sin la inducción de una agregación significativa. [13]
La inclinación también es un resultado posible si la parte hidrofóbica de un péptido o proteína es demasiado larga para abarcar la membrana. Un estudio previo sobre la permeasa de lactosa de E. coli mostró que tras la reconstitución de la proteína en la bicapa lipídica PE/PG (3/1), se produce un aumento en la inclinación de la hélice al aumentar el contenido de proteína. [14] Esta inclinación estuvo acompañada por una disminución en el orden de los lípidos, lo que da como resultado una disminución en el espesor de la bicapa, lo que sugiere que es una respuesta relacionada con el desajuste. En proteínas grandes que abarcan la membrana varias veces, pueden producirse cambios en la inclinación helicoidal con poco efecto en el empaquetamiento de lípidos. Sin embargo, para una sola hélice transmembrana, es posible que una inclinación provoque una tensión en los lípidos circundantes para acomodar la hélice en la bicapa. Por lo tanto, un gran grado de inclinación puede ser una opción menos favorable para las proteínas transmembrana individuales.
Los péptidos hidrofóbicos relativamente pequeños pueden no ser capaces de integrarse en la membrana y, en respuesta, adoptan una orientación en la superficie de la membrana. La evidencia experimental fue demostrada por un estudio de fluorescencia en un péptido artificial con una secuencia hidrofóbica de 19 aminoácidos de longitud, principalmente leucinas y flanqueada en ambos lados por lisinas como residuos de anclaje. [15] Los resultados indicaron que una conversión de una orientación transmembrana dominante a una orientación paralela del péptido podría ser inducida modulando el espesor de la bicapa mediante la adición de colesterol o aumentando la longitud de la cadena lipídica.
Para obtener información detallada sobre las consecuencias de los desajustes en la conformación de péptidos y proteínas en la bicapa lipídica, los péptidos pequeños que atraviesan la membrana son los más adecuados. Aún se necesitan algunos estudios.
Se han aplicado diferentes enfoques teóricos para describir el costo energético y los efectos termodinámicos del desajuste, incluido el tratamiento de la membrana como una lámina elástica [16] [17] o un enfoque microscópico.
El modelo de colchón fue propuesto como un enfoque teórico fenomenológico en 1984 por Mouritsen y Bloom. [18] Es una teoría de solución real de dos componentes basada en la teoría de soluciones no ideales y, por lo tanto, permite la separación de fases. En su modelo, relacionan la energía almacenada en las ondulaciones de la superficie de la membrana causadas por el desajuste con las propiedades elásticas de los lípidos y las proteínas. No incluyen detalles microscópicos de los lípidos, pero utilizan como entrada las propiedades termodinámicas conocidas del sistema lipídico puro. También incluyen interacciones indirectas lípido-proteína inducidas por el desajuste, así como interacciones directas lípido-proteína de tipo van der Waals entre las partes hidrofóbicas de la bicapa lipídica y las proteínas. El exceso de "efecto hidrofóbico" asociado con el desajuste hidrofóbico lípido-proteína y la energía libre de deformación elástica de las cadenas lipídicas cerca de la proteína. Los potenciales de interacción se estiman en función de datos experimentales derivados de mediciones termodinámicas y mecánicas de las propiedades de la membrana.
El modelo del colchón fue posteriormente replicado en un esquema de simulación de Monte Carlo por Sperotto y Mouritsen [19] . Permitieron diferentes microestados de los lípidos, clasificados según el modelo de 10 estados de Pink [20] , lo que permitió una transición de fase de bicapa lipídica pura. Esta versión del modelo proporciona una conexión entre las características microscópicas del sistema y su comportamiento termodinámico.
En una teoría molecular de las cadenas lipídicas de la membrana, los péptidos, con su longitud hidrofóbica, se consideraron como una condición límite para la configuración de las cadenas lipídicas. [21] Se combinó un modelo molecular con contribuciones fenomenológicas de energía libre que describen la repulsión del grupo de cabeza de lípidos y la tensión superficial del solvente de la membrana. Duque et al. [22]
El conocimiento de la respuesta de las proteínas de membrana al desajuste se ha obtenido a partir de una variedad de estudios experimentales. Diferentes tipos de enfoques experimentales proporcionan diferentes tipos de información sobre las contribuciones de las respuestas moleculares hipotéticas mencionadas anteriormente. Por ejemplo, las proteínas o péptidos equipados con grupos de etiquetado fluorescente o paramagnético se pueden emplear en estudios de espectroscopia de fluorescencia y resonancia de espín electrónico . Estos pueden revelar los detalles moleculares tanto de las interacciones proteína-lípido como de las interacciones proteína-proteína (características de una respuesta de estilo agregación) y cómo se ven afectadas por las condiciones de (des)ajuste. Los estudios de la inclinación de la hélice en función del espesor de la membrana también se han beneficiado del uso de técnicas de RMN de estado sólido , en particular utilizando membranas orientadas que proporcionan una visión directa del ángulo de inclinación de la hélice. Los primeros estudios de péptidos modelo que atraviesan la membrana (como el péptido WALP ) han proporcionado información sobre los diversos factores que influyen en la respuesta, incluida la composición de la membrana, la secuencia de péptidos y, en particular, también la presencia de residuos de anclaje interfacial. En los últimos años, los grandes avances en las técnicas de cristalografía de rayos X y microscopía electrónica han permitido obtener nuevos conocimientos sobre las interacciones lipídicas de proteínas de mayor tamaño. Un ejemplo de ello son los conocimientos sobre la inclinación de la hélice en una proteína de bombeo de calcio cristalizada. [23]
El desajuste hidrofóbico es importante para la clasificación de proteínas y la formación de balsas lipídicas .
En las células eucariotas, el nivel de colesterol aumenta a través de la vía secretora, desde el retículo endoplasmático hasta el Golgi y la membrana plasmática, [24] lo que sugiere un aumento concomitante en el espesor de la membrana. En consonancia con esto, la longitud promedio del segmento transmembrana de las proteínas de membrana plasmática de un solo tramo es típicamente cinco aminoácidos más larga que la longitud promedio de las proteínas del Golgi. [25] Se obtuvo evidencia experimental de que la clasificación de proteínas en el Golgi puede basarse en esta diferencia de longitud: para varias proteínas que normalmente residen en el Golgi, se demostró que aumentar su longitud hidrofóbica puede redirigir las proteínas a la membrana plasmática, o viceversa, que disminuir la longitud hidrofóbica de las proteínas de la membrana plasmática puede causar su retención en el Golgi. [26] [27]
Las balsas son dominios de membrana enriquecidos en colesterol, esfingomielina (SM) y ciertas proteínas de membrana. [28] [29] Las balsas tienen funciones putativas en muchos procesos fisiológicos, como la transducción de señales, la endocitosis, la apoptosis, el tráfico de proteínas y la regulación de lípidos. [30] [31] [32] [33] [34] Los lípidos de las balsas suelen tener cadenas de hidrocarburos saturados. [35] Las balsas lipídicas tienen un espesor hidrofóbico mayor que el resto de la bicapa lipídica, lo que puede conducir a una separación preferencial de las proteínas transmembrana con un espesor hidrofóbico mayor en las balsas lipídicas. [36] [37]