Visualizar a nivel atómico la estructura de una membrana biológica
Realizar el modelado molecular de membranas biológicas con diferente composición.
Las membranas biológicas consisten en varias moléculas de lípidos y proteínas de membrana. Las moléculas lipídicas típicas son anfifílicas y forman espontáneamente una bicapa, formada por las cadenas de acilo hidrófobas en el interior y los grupos principales hidrófilos orientados hacia afuera. Dado que los iones, los azúcares, los polipéptidos y otros biomoléculas de gran tamaño tienen dificultades para cruzar el núcleo hidrófobo de la membrana, las proteínas de la membrana, funcionando como canales, transportadores y bombas de iónes, desempeñan un papel clave para facilitar el transporte de diversos metabolitos a través de las membranas. Las membranas cumplen también otros roles como la comunicación intercelular, así como entre la célula y sus entornos circundantes, las proteínas receptoras de membrana son responsables de la transducción de señales a través de las membranas, mediante cambios en sus conformaciones. Estos dos fenómenos biológicos, el transporte de sustrato y las transducciones de señales, son funciones clave de las proteínas de membrana.
Aunque la información estructural atómica de los transportadores y receptores de membrana puede contribuir en gran medida a nuestra comprensión de tales fenómenos biológicos, la determinación de sus estructuras de estas proteínas mediante difracción de rayos X, resonancia magnética nuclear (RMN) y técnicas de crio-microscopìa electrònica es extremadamente difícil en comparación con las proteínas solubles. En consecuencia, el número de estructuras de proteínas de membrana en el Banco de datos de proteínas (PDB) es mucho menor que el de las proteínas solubles. Además, muchas proteínas de membrana experimentan grandes cambios conformacionales durante sus ciclos funcionales, lo que implica que una sola estructura correspondiente a uno solo de los posibles estados funcionales de la proteína a menudo no es suficiente para comprender su función biológica. Ante este escenario, el uso de métodos computacionales que modelen y predigan la estructura y dinámica de estas proteìnas, asì como de los demas componentes de las membranas biológicas es fundamental al proporcionar información que es muy dificil de obtener mediante estudios experimentales.
Materiales:
Herramienta para el modelaje de membranas biológicas: Membrane Builder
Herramienta para la predicción de hélices transmembrana en Proteínas: TMHMM Server, v. 2.0
Herramienta para visualización y predicción de proteínas de membrana: PredMP
Base de datos de proteínas de membrana: Membranome 2.0
Porgrama de visualización de estructuras moleculares: Rasmol 2.7.5.2:
Métodos
Ingresar a la pagina del servidor del programa Membrane Builder, seleccione la opción Membrane Only System e ingresar la siguiente información sobre composición de una bicapa fosfolípidica:
Clik en "Show the system info". Aqui se mostraran las caracteristicas del sistema propuesto para la bicapa de fosfolipidos propuesta.
Hacer click en "Nex step: Determine the System Size" en la parte inferior derecha de la pagina . Copiar el lynk debajo del mensaje por si demora el calculo. Ej:
Bookmark the link below, if you want to comeback to this page:
http://www.charmm-gui.org/?doc=input/membrane.bilayer&jobid=156143686618&project=membrane_bilayer_only
Aparecera in formacion del emapaquetamiento propuesto para la bicapa de fosfolipidos. Descargue el archivo PDB: "step3_packing.pdb" en el directorio del programa rasmol.
Abrir y visualizar la información del archivo descargado con el programa rasmol usando los comandos:
load step3_packing.pdb
select all
spacefill 120
solo observara un esquema molecular del empaque propuesto.
Hacer click en "Nex step: Build components"
Se comenzara a construir el modelo de bicapa fosfolípidica. Anotar el lynk debajo del mensaje (este calculo demorara, y solo con ese lynk se podra recuperar la información procesada). Ej:
Bookmark the link below, if you want to comeback to this page:
http://www.charmm-gui.org/?doc=input/membrane.bilayer&jobid=156143686618&project=membrane_bilayer_only
Descargar el archivo "step4_lipid.pdb" en el directorio del programa Rasmol. visualizar el modelo de bicapa fosfolípidica generado usando el programa rasmol, con los comandos:
zap
load step4_lipid.pdb
select all
wireframe 40
spacefill 120
Este modelo solo incluye moleculas componentes de la bicapa fosfolípidica, pero un modelo que pueda ser usado para simulaciones de dinámica molecular debe incluir moleculas de solvente (agua) y iones (K+, Na+, Cl-). Por ello en la siguiente etapa el modelo se completara con estos componentes.
En la pagina web del programa Membrane Builder, hacer click en "Nex step: Assemble components".
En la pagina que se obtiene apareceran varios archivos, la mayoria de ellos esenciales para realizar una simulación de dinámica molecular. En nuestro caso solodeseamos visualizar el modelo propuesto para ello descargar el archivo "step5_assembly.pdb" visualizarlo con el programa rasmol, usando los comandos:
zap
load step5_assembly.pdb
select all
wireframe 40
spacefill 120
select solvent
wireframe 10
spacefill off
Responder las preguntas y problemas de está practica en su informe.
1) De acuerdo a los resultados finales obteniendo el modelo, el programa Membrane Builder señala que el modelo precisa ser equilibrado. ¿Qué significa ello?
2) La mayor parte de las membranas de las células animales contienen alrededor del 60 % en peso de proteína, y un 40 % en peso de fosfogliceridos, a) Calcúlese la densidad media de una membrana suponiendo que la proteína posee una densidad de 1.33 g/ml y los fosfogliceridos una densidad de 0.92 g/ml. b) Si se centrifuga una muestra del material membranoso en una disolución de NaCl con una densidad de 1.05 g/ml ¿sedimentaria o flotaría?
3) Una muestra (5 g) de los triacilglicéridos extraídos de una palta preciso de 36.0 ml de disolución de KOH 0.5 M para su hidrólisis completa y la conversión en jabones de sus ácidos grasos, Calcúlese la longitud media de la cadena de ácidos grasos de la mezcla.
4) Si una membrana contiene 60 % en peso de proteínas y un 40 % de fosfogliceridos, calcúlese la relación molar de fosfoglicérido a proteína. Supóngase que las moléculas de lípido poseen un peso molecular medio de 800, y que las proteínas tienen un peso molecular medio de 50 000.
5) Calcule la diferencia de energía libre a 25 °C debido a un gradiente de galactosa a través de una membrana, si la concentración en el exterior es 2 mM y la concentración en el interior es 10 mM.
6) Calcular la diferencia de pH mínima a través de una membrana que pudiera, al menos teóricamente, soportar la formación de ATP 1.0 mM, a partir de P, 1.0 mM y ADP 1.0 mM, a pH 7.0 y a 25 oC. Calcular el gradiente de pH mínimo requerido para producir una molécula de ATP en un sistema cuyas concentraciones de equilibrio son ATP 3.0 mM, ADP 0.5 mM y fosfato 3.0 mM.