EJERCICIO 12

Elabore una herramienta informática que permita calcular la antipatía de hidrofobicidad de un segmento de secuencia peptídica mediante el cáculo de momentos de Eisenberg y mediante el espectro de potencias de Fourier de Stroud. Compare los resultados de ambos procedimientos obteniendo las gráficas correspondientes al perfil antipático de un segmento de secuencia C-terminal de 20 residuos de la proteína asignada.

La hidrofobicidad se puede entender como un balance de energía libre, de forma que se disminuye la energía potencial y se puede favorecer el acercamiento de 2 grupos próximos (enlace hidrofóbico), aunque también se puede hablar de la hidrofobicidad como la repulsión de moléculas al agua.

La interacción hidrofóbica entre los distintos grupos y con el entorno es una característica esencial para la estructura y plegamiento de la proteína. Con un disolvente acuoso, a diferencia de los grupos polares, los grupos hidrofóbicos tienden a acercarse y huir del disolvente. Por tanto, cuando una proteína está en conformación nativa observaremos un núcleo hidrofóbico y una superficie polar. La hidrofobicidad se puede usar como herramienta de estimación de la estructura secundaria de la proteína, ya que zonas altamente hidrofóbicas serán aquellas que se encuentren alejadas del disolvente, o bien en regiones transmembrana o bien enterradas en el interior de la proteína, y zonas polares se ubicarán en la parte exterior de la estructura.

Para el estudio de la hidrofobicidad de una proteína es esencial centrarse en las cadenas laterales, ya que los átomos principales, pese a que sean los más reactivos (N y O), se encuentran enlazados y son comunes a todos los aminoácidos.

Hemos realizado una aplicación denominada ‘Perfiles’ que va a representar el perfil de hidrofobicidad y de anfipatía por los métodos de Stroud y Eisenberg a partir de una proteína dada.

Debido a la dificultad de interpretación de una proteína entera directamente, utilizaremos en este programa la suavización de Savistzky-Golay con un algoritmo de Moving Average, por el cual se toman unos pocos aminoácidos y al residuo central se le asigna el promedio de esa ventana. De este modo es conveniente que el aminoácido central tenga el mismo número de residuos a cada lado, de forma que el tamaño de la ventana ha de ser impar; por ello, lo que le pediremos al usuario será que defina el tamaño de una semiventana. Además, para evitar que la ventana coja valores más allá del límite de mi proteína crearé una ventana flexible que disminuya su tamaño cuando me acerque a los extremos, por lo que en el bucle que recorre los residuos seleccionados en la ventana estableceré unos máximos y mínimos, de forma que se coja o bien el mayor o el menor número, respectivamente, de los que hay dentro del paréntesis.

Para crear este programa y poder usar un código de números que representen la hidrofobicidad asociado a las letras de los aminoácidos, definiré previamente en Biotools un nuevo tipo denominado TEscala, que será un tipo array[‘A’…’Z’] of real. Además, he de saber el número del residuo en el conjunto de la proteína, no en esa subunidad en concreto, de forma que usaré p.sub[].resindex[], que me hará referencia al verdadero número de serie del residuo.

Para la representación de la hidrofobicidad hemos realizado dos bucles, uno dentro de otro, de forma que coja los residuos de la ventana y vaya calculando en ella la media de las hidrofobicidades. En la primera fila de la matriz datos representaré las abscisas indicando el residuo en el que me encuentro y en la segunda las ordenadas, que hace referencia a la media de las hidrofobicidades de esa ventana. Para la representación de la anfipatía por el método de Eisenberg y de Stroud las funciones seguirán la misma lógica, aunque con fórmulas distintas.

Vamos a definir una variable 'delta' que hace referencia a la distancia angular entre los residuos. En el caso de las hélices alfa, debido a que tienen 3,6aa por vuelta de hélice y una circunferencia tiene 360º, delta será de 100. En el caso de las estructuras beta, como tienen 2 aa/vuelta, delta será 180. Sabiendo esto, al ejecutar el programa voy a establecer primero delta como 100 y luego como 180 para observar así las hélices alfa y hojas beta que se encuentran en mi proteína.

Cabe remarcar que la hidrofobicidad no es lo mismo que la anfipatía, como se observa en las representaciones que se muestran a continuación, ya que la primera hace referencia a la acumulación de los residuos hidrofóbicos en un segmento y la segunda se refiere a la mayor o menor diferencia de hidrofobicidades totales entre ambos lados de un cilindro imaginario que contiene la estructura de la proteína. Una anfipatía elevada implica una alta diferencia de hidrofobicidad, lo que no tiene porqué significar una hidrofobicidad elevada.

 

A continuación, observamos las representaciones en la aplicación creada al insertar la proteína ACE2. En la Fig. 1 se ha establecido un delta de 100, por lo que altos picos en los índices de hidrofobicidad se reflejarán probablemente en hélices alfa en la proteína. En la Fig. 2 delta es de 180.

Fig. 1. Resultado al ejecutar la aplicación 'Perfiles' con IR42.pdb con un delta de 100.

Fig. 1. Resultado al ejecutar la aplicación 'Perfiles' con IR42.pdb con un delta de 100.

En primer lugar, cabe destacar que la hidrofobicidad no se ve alterada cuando modificamos la distancia angular, puesto que, como se ha explicado, simplemente hace referencia a regiones de la proteína, donde altos picos indican que es una zona más hidrofóbica que presumiblemente se encontrará alejada del disolvente polar, y picos bajos se referirán a regiones más polares, independientemente del plegamiento posterior y vueltas de hélice de la proteína.

ACE2 es una proteína de membrana, por lo que es coherente que observemos en la región central una zona altamente hidrofóbica, que será la que se dirigirá a la región transmembrana.

Por otro lado, observamos que los perfiles de Stroud y de Eisenberg son distintos al perfil hidrofóbico pero semejantes entre sí, ya que ambos se refieren a la anfipatía de la proteína.