La membrana celular, el límite en forma de pared entre el interior de la célula y su entorno exterior, se compone principalmente de dos tipos de biomoléculas: lípidos y proteínas. Diferentes especies de lípidos se compactan para formar una doble capa o "bicapa"."la estructura fundamental de la membrana, mientras que las proteínas están incrustadas o unidas a la bicapa.
Las proteínas de membrana son responsables de varias actividades celulares importantes y su disfunción puede conducir a problemas de salud graves. El estudio de las estructuras de las proteínas de membrana y su comportamiento ayudará a los científicos a comprender mejor su conexión con las enfermedades y a desarrollar terapias.
Un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Vanderbilt ha arrojado luz sobre cómo las proteínas de membrana pueden verse influenciadas por los lípidos que las rodean. Al desarrollar un tipo novedoso de modelo de membrana, los científicos pudieron demostrar que la forma y el comportamiento de una proteínapuede alterarse por exposición a diferentes composiciones lipídicas.
Los investigadores confirmaron la estructura de la membrana artificial mediante rayos X y dispersión de neutrones en los laboratorios Brookhaven BNL y Oak Ridge National Laboratories ORNL del Departamento de Energía DOE. Sus hallazgos se publicaron en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense.
"Este trabajo mostró que una proteína puede cambiar bastante profundamente en diferentes entornos de lípidos de membrana, y creemos que esto abre una nueva área de investigación", dijo Charles Sanders, profesor de bioquímica en la Universidad de Vanderbilt y autor correspondiente del nuevo estudio..
diseños de lípidos y modelos de membrana celular
Las membranas celulares están compuestas por una variedad de moléculas de lípidos. Recientemente, estudios han demostrado que ciertos lípidos en las membranas celulares pueden unirse para formar grupos, también conocidos como balsas. Algunos científicos sugieren que las balsas pueden moverse a través de la membrana y coexistircon moléculas desagrupadas. "Una balsa de lípidos es como una camarilla en una fiesta", dijo Sanders. "Pueden moverse por la fiesta, pero siempre son las mismas personas hablando entre sí".
Su laboratorio está explorando cómo las balsas pueden afectar las proteínas de la membrana y las actividades celulares asociadas con ellas. En el nuevo trabajo, Sanders y un equipo de investigadores han creado una membrana sintética capaz de incorporar cantidades abundantes de dos moléculas lipídicas que se cree que forman balsas enmembranas celulares: colesterol y esfingomielina. Su enfoque implicó el desarrollo de estructuras biológicas en forma de disco, conocidas como bicelas, que pueden producir un modelo simplificado de la bicapa lipídica de la membrana celular.
"El colesterol y la esfingomielina son omnipresentes en las membranas celulares, pero no han estado presentes juntos en versiones anteriores de bicelas", dijo John Katsaras, biofísico y científico de dispersión de neutrones en ORNL y coautor del estudio. "Esta nueva clase de bicelas tiene unacomposición de lípidos que creemos que es más relevante biológicamente ".
Las técnicas complementarias brindan un análisis integral
Después de desarrollar las bicelas, los investigadores utilizaron técnicas de dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño para determinar con precisión la forma y la organización estructural del material.
"Es realmente difícil confirmar la morfología real de las bicelas. La dispersión de neutrones de ángulo pequeño y de rayos X de ángulo pequeño son las únicas formas de obtener una buena caracterización general de estas partículas", dijo James Hutchison, investigador de la Universidad de Vanderbilt ycoautor del estudio.
El equipo utilizó un programa de acceso conjunto para la dispersión de rayos X y neutrones de ángulo pequeño que permite a los investigadores solicitar más convenientemente el tiempo del haz en el instrumento Bio-SANS en el reactor de isótopos de alto flujo HFIR de ORNL y en el instrumento Bio-SAXSLiX en la fuente de luz sincrotrón nacional II de BNL NSLS-II.
Los neutrones pueden detectar elementos ligeros como el hidrógeno, mientras que los rayos X son más sensibles a los elementos más pesados, lo que significa que cada técnica de dispersión puede revelar información única sobre el mismo material. Al utilizar ambos métodos, los investigadores construyeron un modelo más preciso de la membranasistema.
"La dispersión de neutrones y rayos X son muy complementarios entre sí", dijo Shuo Qian, científico de dispersión de neutrones en ORNL y coautor del estudio. "Juntas, esas técnicas pudieron proporcionar una imagen completa de la estructura de la bicela."
También se realizaron mediciones de bicelas complementarias utilizando microscopía crioelectrónica de transmisión en la Universidad de Vanderbilt.
Descubriendo nuevas propiedades proteicas
Para evaluar cómo se podría utilizar el nuevo modelo de membrana para comprender la composición de lípidos y las relaciones de proteínas de membrana, los científicos introdujeron sus bicelas en un fragmento de proteína bien estudiado, denominado C99. Este fragmento constituye una región de una proteína de membrana llamadaproteína precursora amiloide, que los expertos creen que está relacionada con la enfermedad de Alzheimer.
Utilizando varios métodos de caracterización, el equipo identificó diferencias en la estructura y dinámica del fragmento de proteína cuando se incrusta en el nuevo modelo de membrana. En particular, observaron que los fragmentos C99 se autoasociaban entre sí en regiones que no se habían reportado previamente en otro modelo.Los investigadores plantean la hipótesis de que estos sitios de unión recién descubiertos podrían desempeñar un papel en la regulación de otras interacciones de proteínas con este fragmento.
El equipo tiene como objetivo realizar experimentos adicionales para confirmar si el nuevo sistema de bicelas posee un entorno de balsa lipídica. Los científicos ya han identificado las propiedades de la balsa lipídica en vesículas artificiales, una estructura biológica hueca esférica que está envuelta por una bicapa lipídica, pero no en otraspartículas pequeñas, como bicelas
"No se conoce ninguna partícula pequeña que no sea una vesícula que tenga propiedades similares a las de una balsa de lípidos", dijo Hutchison. "Sería increíble probarlo".
Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional de Ciencias y la Oficina de Investigación Biológica y Ambiental y Ciencias Energéticas Básicas del DOE.
HFIR y NSLS-II son instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. UT-Battelle LLC administra ORNL para la Oficina de Ciencias del DOE. La Oficina de Ciencias es el principal patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos ytrabajando para abordar algunos de los desafíos más urgentes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite energy.gov/science . - por Olivia Trani
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Oak Ridge . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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