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Nuevos avances en la termodinámica del proceso de plegamiento de las proteínas

Un equipo de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB) introduce por primera vez un controlador de temperatura en unas pinzas ópticas para determinar la entropía y la entalpía de formación de una proteína.

Un equipo de la Facultad de Física y del Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB) introduce por primera vez un controlador de temperatura en unas pinzas ópticas para determinar la entropía y la entalpía de formación de una proteína.

23/03/2022

Recerca

En el ámbito de la biofísica, los estados cinéticos de las moléculas tienen un papel decisivo en los procesos metabólicos y fisiológicos en los que participan. Ahora, un trabajo publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) ha especificado por primera vez los niveles de energía, la entropía y la entalpía del estado de transición de la proteína barnasa, un modelo de referencia en el estudio del plegamiento de las proteínas. Para ello se ha empleado un instrumento de pinzas ópticas que permite cambiar la temperatura experimental entre 5 °C y 40 °C.

La investigación está dirigida por el catedrático Fèlix Ritort, de la Facultad de Física y el Instituto de Nanociencia y Nanotecnología de la UB (IN2UB), y tiene como primer autor al investigador Marc Rico-Pasto (UB). También colaboran en el estudio equipos de la Universidad de Padua (Italia), el Instituto de Bioingeniería de Lausana (Suiza) y la compañía SpliceBio, con sede en el Parque Científico de Barcelona (PCB).

Pinzas ópticas para desentrañar la complejidad de la materia viva

La aparición de técnicas innovadoras como las pinzas ópticas o magnéticas ha revolucionado la investigación en biofísica y, en concreto, el estudio de las propiedades termodinámicas de las macromoléculas: proteínas, ácidos nucleicos, etc. Este tipo de tecnologías permite manipular moléculas individuales con precisión de nanómetros (10-9 metros) aplicándoles fuerzas en el rango del piconewton (10-12 newtons). De ese modo es posible caracterizar las propiedades termodinámicas de biomoléculas complejas con una resolución sin precedentes. La aplicación de estas técnicas ha abierto también nuevos escenarios para los estudios experimentales en el campo de la termodinámica desde una aproximación estadística, una interpretación de la termodinámica que hasta ahora solo era posible desde una perspectiva teórica.

Sin embargo, estas técnicas también tienen algunas limitaciones que impiden diferenciar el origen de las fuerzas medidas. En la actualidad, combinar diferentes técnicas para ampliar el número de parámetros de control es uno de los principales retos de la biofísica. Precisamente, eso es lo que ha hecho el equipo responsable de este trabajo, que ha introducido un controlador de temperatura en unas pinzas ópticas para poder determinar, por primera vez, la entropía y la entalpía de formación de una proteína.

Los paisajes energéticos del plegamiento de proteínas

Durante el proceso de plegamiento de proteínas y otras macromoléculas, tienen lugar diferentes estados cinéticos entre el estado nativo y el estado desnaturalizado. Algunos de ellos son los estados de transición, los estados intermediarios moleculares y las estructuras mal plegadas, cuya naturaleza transitoria dificulta la caracterización termodinámica en experimentos de conjunto con un elevado número de moléculas —del orden de 1023 moléculas, el valor conocido como número de Avogadro— que se analizan de forma simultánea. Los estados de transición son especialmente relevantes, dado que su vida útil es extremadamente corta.

«Nuestros resultados revelan que, en el estado de transición, el esqueleto de la proteína está ya formado. Ahora bien, la mayoría de interacciones de van der Waals —un tipo de fuerzas débiles— entre los residuos todavía no están estabilizadas», afirma el catedrático Fèlix Ritort, miembro del Departamento de Física de la Materia Condensada de la UB.

«Las conclusiones ponen de manifiesto que el plegamiento de las proteínas puede interpretarse como un proceso definido por dos pasos. En un primer paso, se alcanza el estado de transición en el que el esqueleto de la proteína se forma gracias a la expulsión de las moléculas de agua del interior de la cadena polipeptídica», continúa Ritort. «En el segundo paso, el estado de transición se colapsa, se estabilizan las interacciones entre los residuos de la proteína y se alcanza el estado nativo», concluye el investigador.

Una primera lectura de los resultados revela que en el estado de transición se produce un cambio de entalpía y entropía que corresponde aproximadamente al 20 % del total medido en el plegamiento. «Este fenómeno indica que el esqueleto de la proteína requiere un 20 % de las interacciones entre residuos. La interpretación que hacemos del plegamiento de la proteína está en consonancia con las hipótesis más recientes en el ámbito del plegamiento de proteínas», indica Marc Rico-Pasto, también miembro del Departamento de Física de la Materia Condensada.

A pesar de que han constatado que el esqueleto de la proteína está formado en el estado de transición, los autores apuntan que aún no es posible concluir cuántas interacciones nativas existen en ese estado. «Podemos realizar una primera estimación —puntualizan—, pero para llegar a cuantificar ese resultado habría que añadir alguna variable experimental que nos permitiera medir o identificar en tiempo real el número de enlaces que se forman durante el plegamiento molecular».

El equipo dirigido por el catedrático Fèlix Ritort, jefe del Small Biosystems Lab ubicado en la Facultad de Física, ha realizado contribuciones muy significativas al estudio de las propiedades termodinámicas de sistemas complejos de biomoléculas. En estudios previos, el equipo usó el modelo de la proteína barnasa —una biomolécula globular secretada por el Bacillus amyloliquefaciens— para comprobar que solo tiene dos estados —plegado y desplegado— separados por un estado de transición. La proteína barnasa, que no presenta estados intermediarios que duren más de un milisegundo durante el plegamiento, también es el modelo de referencia del método de caracterización de los estados de transición durante el proceso de plegamiento de las proteínas (análisis del valor phi).

 

Artículo de referencia: 

Rico-Pasto, M.; Zaltron, A.; Davis, S. J.; Frutos, S.; Ritort, F. “Molten globule–like transition state of protein barnase measured with calorimetric force spectroscopy”. PNAS, marzo de 2022. Doi: 10.1073/pnas.2112382119

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