Hidrofobicidad
La hidrofobicidad es singular porque es una interacción por omisión y consiste en la tendencia de las sustancias no polares a formar clatratos en una disolución acuosa para excluir las moléculas de agua. En concreto, las interacciones entre las moléculas hidrofóbicas favorecen que se produzcan puentes de hidrógeno entre las moléculas de agua desplazadas, resultando así en una disminución de la energía libre del sistema.
La hidrofobicidad es muy importante en el plegamiento de la proteína. Sin embargo, es difícil establecer un criterio de hidrofobicidad para asignarle un valor de hidrofobicidad a un residuo (ya que solamente se tiene que tener en cuenta la cadena lateral del aminoácido). De esta forma, existen diferentes escalas hidrofóbicas, siendo las que obtienen mejores resultados la escala ALTFT y ALTLS.
Para todos los cálculos llevados a cabo en el programa desarrollado para esta actividad se puede seleccionar como escala de hidrofobicidad entre las escalas ABODR, ALTFT y ALTLS. Además, permite la entrada de una escala de hidrofobicidad elegida por el usuario (aceptando valores negativos), para lo que es necesario cargar un archivo desde un bloc de notas con la estructura de columnas indicada en la figura 1. Se ha comprobado el funcionamiento mediante la introducción de la escala CHOTH (fichero adjunto). .
Figura 1. Ejemplo de tipo de archivo para la entrada de una nueva escala de hidrofobicidad.
Una parte del programa realizado para esta actividad permite calcular el perfil hidrofóbico según el formalismo básico, un algoritmo que permite llevar a cabo una ponderación de la hidrofobicidad de un residuo, al asignarle como valor de hidrofobicidad la media de la suma de las hidrofobicidades de los residuos colindantes encontrados en el interior de una ventana. Gracias a esta ponderación se puede producir una reducción importante del ruido.
Para esta ponderación se emplea la función formalismo_basico, que permite seleccionar la secuencia de aminoácidos, la escala de hidrofobicidad y la semiventana que se va a utilizar, de manera que todos los parámetros pueden ser controlados por el usuario.
Gracias al uso del programa se puede llevar a cabo la producción de un perfil hidrofóbico. En el eje Y se representa el valor de hidrofobicidad ponderado de cada residuo y en el eje X el número del residuo. Mediante el uso de un tamaño de ventana adecuado (8-9 residuos en el caso de hélices alfa y 3-4 residuos para láminas beta), se puede llevar a cabo una predicción de la asociación de determinados residuos a una estructura secundaria u otra siempre que ésta tenga una hidrofobicidad suficiente como para que esa zona del perfil resulte en un pico distinguible respecto al ruido. Sin embargo, en este caso se parte de una proteína de la cual se conoce su estructura tridimensional y los residuos asociados a cada estructura secundaria, de forma que el estudio se puede centrar en hallar aquellas estructuras secundarias que tienen un alto grado de hidrofobicidad.
Para realizar el estudio, se llevó a cabo una superposición de la distribución de la estructura secundaria, obtenida de la página PDBSum, del PDB asignado respecto al perfil hidrofóbico obtenido. Se usó un tamaño de semiventana de 2 para detectar las láminas beta hidrofóbicas y un tamaño de semiventana de 4 para detectar las hélices alfa hidrofóbicas. La variación del tamaño de la semiventana se realiza para ajustarse al tamaño promedio de cada una de las estructuras.
A continuación, se muestran las gráficas con los resultados:
- El perfil hidrofóbico con un tamaño de semiventana de 2 para el estudio de las láminas beta. Las que han sido asociadas a un pico y, por tanto, se pueden considerar con un alto grado de hidrofobicidad, se encuentran marcadas con una flecha azul. Del total de 13 láminas beta, mediante este estudio, 8 de ellas se pueden considerar hidrófobas.
Figura 2. Asociación de las láminas beta hidrofóbicas mediante comparación de la distribución de estructuras secundarias y el perfil hidrofóbico obtenido con el programa.
- El perfil hidrofóbico con un tamaño de semiventana de 4 para el estudio de las hélices alfa. Las que han sido asociadas a un pico y, por tanto, se pueden considerar con un alto grado de hidrofobicidad, se encuentran marcadas con una flecha azul. Del total de 10 hélices alfa, mediante este estudio, 5 de ellas se pueden considerar hidrófobas.
Figura 3. Asociación de las cadenas alfa hidrofóbicas mediante comparación de la distribución de estructuras secundarias y el perfil hidrofóbico obtenido con el programa.
- Para demostrar que el tamaño de semiventana es muy importante para realizar el estudio, a continuación se muestra una gráfica obtenida con un tamaño de semiventana de 7. Como se puede observar, así es imposible encontrar ningún tipo de asociación. Esto se debe a que un tamaño de ventana tan alto impide que los picos se puedan asociar a una única estructura.
Figura 4. Perfil hidrofóbico obtenido con una semiventana de 7.
Por términos generales, las hélices o láminas asociadas a una alta hidrofobicidad se encontrarán dirigidas hacia el interior de la proteína y no expuestas hacia la superficie, donde estarían en contacto con la disolución. Esto se ha demostrado con la cuarta hélice de la proteína, constituida por los residuos Gln99-Tyr114, que ha sido considerada como hidrófoba en el estudio y que se observa cómo se encuentra hacia el interior de la proteína en la figura 5, obtenida por Rasmol.
Figura 5. Se muestra la cuarta hélice alfa de la proteína, caracterizada como hidrófoba por el estudio, de color negro en la zona interior de la proteína.
Anfipatía de hidrofobicidad
La anfipatía de hidrofobicidad se refiere a la presencia, en una misma estructura, de residuos con grados de hidrofobicidad muy dispares. Es importante destacar que no existe una relación directa entre la hidrofobicidad de una estructura secundaria y su anfipatía de hidrofobicidad, es decir, una estructura muy hidrofóbica no tiene por qué tener un valor de anfipatía elevado, ya que el valor se debe a las diferencias de hidrofobicidad de los residuos.
Para llevar a cabo el estudio de la anfipatía de hidrofobicidad se han desarrollado dos funciones, Stroud y Eisenberg, explicadas en el ejercicio 2, que permiten el cálculo de la intensidad de Stroud y el momento de Eisenberg, respectivamente.
El programa se ha desarrollado de tal manera que el usuario es capaz de seleccionar la secuencia de aminoácidos, la escala de hidrofobicidad, el valor de la semiventana y la distancia angular.
En este caso, para llevar a cabo el estudio de la anfipatía de una determinada estructura secundaria, hay que ajustar tanto el valor de la semiventana como el valor de la distancia angular. Las hélices alfa se evalúan con un tamaño de semiventana de 4 y una distancia angular de 100, mientras que las láminas beta con un tamaño de semiventana de 2 y una distancia angular de entre 160º y 180º. Después de hacer una evaluación de las distancias angulares, se ha observado que la mejor resolución de picos se consigue con un valor de 160º. Mediante el uso conjunto de estos parámetros se puede tener en cuenta la periodicidad de la estructura secundaria y así estudiar adecuadamente su anfipatía.
- A continuación se muestra la asociación de las láminas beta que se pueden considerar anfipáticas tras el uso tanto de los momentos de Eisenberg como de las potencias de Fourier de Stroud. En este caso, el espectro de Stroud tiene un nivel de ruido menor. Del total de 13 láminas beta, se pueden considerar 5 de ellas anfipáticas.
Figura 6. Se muestra el estudio de asociación de las láminas beta de la proteína que son anfipáticas. En la gráfica superior se representan los momentos de Eisenberg y en la inferior la intensidad de Stroud.
- Sin embargo, para el estudio de las hélices alfa no se han conseguido unos resultados que permitan asociar una hélice con un alto grado de anfipatía, ya que existen grandes diferencias entre la gráfica de los momentos de Eisenberg y la de las intensidad de Stroud. Se ha llevado a cabo una variación de la longitud de la semiventana y se muestran los mejores resultados obtenidos (tamaño semiventana 4). En el caso de que se considerara una única gráfica, sí se podrían llevar a cabo asociaciones, pero no serían válidas según la otra gráfica. Debido a esto, no se ha realizado la asociación usando una única gráfica.
Figura 6. Se muestra la asociación de las cadenas alfa de la proteína que son anfipáticas. En la gráfica superior se representan los momentos de Eisenberg y en la inferior la intensidad de Stroud.
Aunque no se va a representar ninguna imagen de una estructura anfipática de la proteína para observar su localización, esta anfipatía se puede encontrar en muchas situaciones diferentes, como las de los siguientes ejemplos:
- Una proteína de membrana que da lugar a la formación de un poro. Las hélices alfa que se encuentren formando el poro van a tener una cara hacia el poro con un alto grado de polaridad y una cara hidrofóbica hacia el interior de la membrana. De esta forma, van a tener un grado de anfipatía elevado.
- Una lámina beta o hélice alfa que se encuentre expuesta hacia la superficie de la proteína puede tener una cara polar, expuesta, y una cara hidrofóbica hacia el interior. De manera que el grado de anfipatía es también elevado.
