Un grupo de biofísicos del Instituto de Física y Tecnología de Moscú MIPT y sus colegas internacionales han estudiado la cristalización de moléculas de la proteína de membrana bacteriorrodopsina. Los científicos han demostrado que los cristales más grandes de la proteína crecen al "consumir" cristales más pequeñosalrededor de ellos y creando una "zona de agotamiento" alrededor de ellos. El artículo ha sido publicado en la revista científica Crecimiento y diseño de cristales .
¿Qué son las proteínas de membrana?
Las proteínas de membrana son un grupo importante de proteínas que están presentes en cualquier organismo vivo. Se encuentran en la superficie de las membranas celulares o incluso penetran a través de ellas y realizan una serie de funciones diferentes, principalmente asociadas con la recepción de señales o el transportesustancias la membrana en sí es impermeable a muchas moléculas.
Por ejemplo, las proteínas de membrana participan en la transducción de señales a través de las células nerviosas al restaurar su condición después de que un impulso nervioso ha pasado a través de la adrenalina o reaccionan a ella, lo que hace que las células de nuestros cuerpos trabajen más bajo el estrés.
¿Por qué necesitamos sus cristales?
Para obtener una mejor comprensión de cómo funcionan las proteínas, es muy importante conocer su estructura molecular. Determina la forma en que una proteína interactúa con otras moléculas por ejemplo, adrenalina. Si conocemos la estructura de una proteína,Se pueden usar métodos informáticos para seleccionar con precisión las moléculas que interactuarán con la proteína. Esto hará que el desarrollo de medicamentos sea más barato y más rápido: más del 60% de los medicamentos utilizan proteínas de membrana como objetivo.
Para determinar la estructura de una proteína, los científicos primero cultivan cristales de sus moléculas, luego los examinan bajo radiación de rayos X y usan el patrón de difracción para restaurar la estructura de la proteína, cuando se disponen en una red cristalina regular, todos los átomos en una molécula aumentan enormemente la radiación en direcciones particulares, lo que permite a los científicos determinar con precisión la ubicación de los átomos.
¿Cómo se obtienen los cristales?
Se requieren dos condiciones para obtener cristales de proteínas. En primer lugar, debe ser "más favorable" que las moléculas de proteínas estén en un cristal, en lugar de una solución. Esto es relativamente simple de lograr; todo lo que hay que hacer espara seleccionar los componentes correctos de la solución y sus concentraciones. En segundo lugar, se debe permitir que las moléculas de proteína se muevan libremente en la solución, de modo que las nuevas moléculas puedan unirse al cristal en crecimiento.
Si la proteína es soluble, es relativamente sencillo cumplir ambas condiciones. Sin embargo, si la proteína no es soluble en agua esto se aplica a todas las proteínas de membrana, su entorno nativo no es un líquido, sino una membrana lipídica., entonces esto puede causar problemas.
Incluso si es posible eliminar la proteína de su membrana y permitir que se mueva libremente en la solución, simplemente perderá su forma cuando entre en contacto con el entorno diferente se dice que la proteína se desnaturaliza.Cuando esto sucede, ya no será posible obtener información sobre su estructura "nativa". Para permitir que una molécula de proteína se mueva libremente en una solución sin perder su estructura, los científicos utilizan un entorno especial: un lípidofase cúbica
La fase cúbica lipídica LCP es una estructura tridimensional especial formada por ciertos lípidos moléculas que forman las membranas lipídicas a ciertas temperaturas y en ciertas concentraciones. En una solución, la fase cúbica forma una superficie bidimensional complejaa lo largo de la cual las proteínas de membrana pueden alcanzar el cristal en crecimiento sin dejar la comodidad de su membrana.
Es similar a la forma en que las personas caminan en un parque; a pesar del hecho de que los caminos unidimensionales no están por todo el parque, se pueden usar para llegar a casi cualquier punto del parque bidimensionalEs lo mismo en este caso, la única diferencia es que la superficie de la fase cúbica, que representa los "caminos" para las proteínas de membrana, es bidimensional y el "parque" es tridimensional todo el espacio.
Usando esta estructura, las proteínas pueden "viajar" a través de una solución y proporcionar nuevas moléculas para un cristal en crecimiento sin abandonar la comodidad de su entorno: la membrana lipídica.
Cabe señalar que el uso de una técnica tan compleja para obtener cristales ya ha demostrado resultados positivos. De todas las estructuras de proteínas de membrana que se conocen actualmente, los cristales para obtener el 40% de ellos se hicieron por cristalización en elfase cúbica lipídica o, como lo llaman los científicos, en meso cristalización.
¿Qué hicieron los autores del artículo?
En su artículo, los autores estudiaron el crecimiento de cristales de bacteriorrodopsina que se utilizó como proteína modelo de cualquier proteína de membrana mediante microscopía de fluorescencia. Durante el transcurso de un mes, los científicos observaron el crecimiento de los cristales y examinaron cómoLa distribución de bacteriorrodopsina en la muestra cambió con el tiempo. Resultó que al principio los cristales se formaron en toda la muestra de manera bastante uniforme, sin embargo, después de aproximadamente una semana comenzaron a formarse zonas claras de agotamiento alrededor de los cristales de crecimiento más rápido. En estas zonas habíasolo unos pocos cristales pequeños, y los cristales más grandes se encontraron solo más allá de estas zonas. Se descubrió que los cristales en crecimiento más grandes no solo toman material de la solución para crecer, sino que "consumen" sus contrapartes más pequeñas que están cerca.
Además, los científicos descubrieron que la cristalización no comienza en puntos aleatorios de la muestra, sino a lo largo de los límites de las áreas en forma de panal.
"Este patrón puede tener algo que ver con el hecho de que la fase cúbica no es uniforme en toda la muestra, sino que forma pequeños dominios con límites donde la probabilidad de cristalización es mayor. Parece que hemos podido observar estos dominiosque, por una razón desconocida, forman formas de "panal". Sin embargo, lo interesante es que si aprendemos a controlar el tamaño de estos dominios, podremos cultivar cristales más grandes y, en consecuencia, desarrollar estructuras de proteínas mejores y más precisas", comentó el Dr. Valentin Borshchevskiy, autor principal del artículo y jefe del grupo de microscopía de súper resolución en el Centro de investigación de mecanismos moleculares del envejecimiento y enfermedades relacionadas con la edad de MIPT.
De acuerdo con datos de la Organización de Investigación Biomédica de California, el desarrollo de un medicamento completamente nuevo toma, en promedio, 12 años y le costará a la compañía alrededor de 2.600 millones de dólares. Una comprensión de cómo se estructuran los objetivos de medicamentos en el 40% de los casosson proteínas de membrana GPCR, en el futuro, hará que sea más barato y más rápido encontrar moléculas de drogas que actúen sobre ellas. También permitirá desarrollar drogas que actúen estrictamente sobre un tipo de receptor, lo que reducirá el lado de una drogaefectos
El estudio se realizó con el apoyo de la Russian Science Foundation.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto de Física y Tecnología de Moscú . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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