Interacciones biofísicas de FABPs de mamíferos con membranas biológicas : estudio computacional de los mecanismos involucrados

Abstract

Las proteínas que unen ácidos grasos o FABPs (Fatty Acid Binding Proteins), componen una familia de proteínas citosólicas ubicuas, de aproximadamente 15 KD de peso molecular, con una estructura terciaria altamente conservada en toda la familia. En todos los casos, la estructura terciaria se compone de láminas beta antiparalelas empaquetadas formando un barril beta elipsoide y dos segmentos alfa-helicoidales cortos que formarían parte de un pequeño portal en uno de los extremos del barril. Es de destacar que, a pesar de la gran similitud de su estructura terciaria, la estructura primaria de FABPs de distintos tejidos no presenta una semejanza comparable. Las FABPs son capaces de unir ácidos grasos transportándolos desde y hacia las membranas celulares dentro de una cavidad hidrofóbica formada por el barril beta antes mencionado. Sin embargo, experiencias empíricas han evidenciado que existen diferencias en los mecanismos por los cuales desarrollan su labor. Por un lado, un grupo de estas proteínas interactuarían con las membranas celulares colisionando con las mismas para transferir sus ligandos, mientras que otras lo harían por una difusión acuosa del ligando. No obstante, publicaciones recientes proponen que la transferencia por difusión implicaría un contacto directo con la membrana, aunque con una conformación distinta y sin penetración en la bicapa lipídica. Los distintos mecanismos propuestos para la transferencia de ligandos desde la proteína hacia las membranas han resultado en la división teórica de la familia FABP en los grupos colisionales y difusionales. Distintos trabajos experimentales han demostrado que el dominio α-helicoidal de IFABP (perteneciente al grupo colisional) y LFABP (difusional) desempeña un rol crítico en la determinación del mecanismo de transferencia de los ácidos grasos, aún cuando la composición de las hélices es muy distinta. Tomando como base estas diferencias estructurales, de unión y de cinética de transferencia del ligando, se ha propuesto que las FABPs colisionales y difusionales tendrían funciones diferentes, tal vez contribuyendo al transporte diferencial y compartimentación de los lípidos. Si bien los mecanismos propuestos fueron y son intensamente estudiados, no se ha propuesto aún una diferencia estructural de estas proteínas que explique acabadamente la existencia de los mismos. En la presente tesis, utilizando diferentes técnicas de la biología computacional, se estudiaron distintos aspectos de la interacción de FABP con membrana con el objetivo de describir los distintos mecanismos. Las técnicas utilizadas permitieron el estudio estructural de FABP, la comprobación de la influencia de la energía electrostática en la interacción, la importancia de residuos conservados y la descripción de la dinámica del sistema. Del estudio estructural de las FABPs de mamíferos, se desprende la existencia de residuos de carga neta distinta de cero, conservados en polos opuestos de las proteínas. Los resultados señalan la conservación del signo de la carga en regiones determinadas para FABPs con igual mecanismo de interacción descripto. El análisis electrostático determinó que es esta energía la que dirige la interacción. Se confirmó además, que los aminoácidos cargados altamente conservados poseen un rol fundamental en la selección del mecanismo, ya que su mutación por residuos de carga opuesta resulta en una inversión del perfil electrostático. La dinámica de los mecanismos señala nuevamente a los residuos cargados conservados como los primeros en tomar contacto con la membrana durante la interacción, confirmando nuevamente los resultados de los estudios estructurales. En suma, los resultados obtenidos permitieron generar un modelo computacional que explica en detalle la existencia de los mecanismos colisional y difusional para FABPs de mamíferos.

Fatty Acid Binding Proteins (FABP) are a huge family of ubiquitous citosolic proteins of 15 KD of molecular weigth, with a highly conserved tertiary structure. In all cases, tertiary structure is composed by antiparallel beta strands that form an elliptic barrel and two alpha helices on one end of the barrel, forming a putative gate. It is a significant fact that, in spite of highly conserved tertiary structure, FABPs from different tissues have no primary structure similarity. FABPs are able to bind fatty acids and to carry them from and to cellular membranes into a hydrophobic cavity in their beta barrel. Nevertheless, empirical evidence suggests that FABP-membrane interaction takes place through two different mechanisms. On one hand, some FABPs interact with membrane by a collisional mechanism, while other group interacts by aquous diffusion of ligand. However, recent bibliography suggests that diffusional mechanism also implies a direct contact with the membrane but without penetration of lipid bilayer. Proposed mechanisms have resulted in theoretical segregation of FABPs in collisional or diffusional groups. Several empirical researches have shown that despite of being structurally different, alpha helices have a critical rol in mechanism selection for both groups. Considering structural, ligand binding and ligand kinetic transfer differences, it has been proposed that collisional and diffusional FABPs may have different functions, contributing with lipid compartmentalization and lipid differential transport. Although both mechanisms have been and are still deeply studied, a detailed explanation of the relationship between structural differences and different mechanisms is still missing. Different computational biology techniques were used in this thesis in order to describe distinct aspects of FABP-membrane interaction. Employed techniques allowed structural analysis of FABP, the study of electrostatic as driving force of FABP-membrane interaction and the description of the system dynamic. Mammals FABP structural analysis shows that highly conserved charged residues are found in defined regions. Charge sign conservation in defined regions is equal for same mechanism FABPs. Electrostatics analysis pointed this very energy as driving force for the interaction. The relevance of the highly conserved charged amino acid for mechanism selection was confirmed. Reverse mutation of them caused inversion in the electrostatic interaction landscape. Molecular Dynamics results pointed to conserved residues as the first residues to contact lipid bilayer, in this way, structural results were confirmed. In summary, obtained results allowed the generation of a computational model that explains in detail the existence colisional and difusional mechanisms for mammals FABP.