El efecto estérico del abarrotamiento intracelular dinámico sobre la translocación de cadenas peptídicas Público Deposited

Si los agentes abarrotantes carecen de movimiento, el sistema se llama abarrotado en un régimen estático, y si presentan movilidad el sistema se llama abarrotado en un régimen dinámico. Para cumplir con nuestro objetivo de estudio, calculamos las siguientes variables físicas para la translocación y la retrotranslocación en un sistema diluido y en los sistemas abarrotados: la energía libre, la energía de activación, la fuerza entrópica y el tiempo de transporte. Después, comparamos los resultados de los tres modelos de translocación utilizando las fracciones de volumen de las proteínas que abarrotan y la longitud de una preproteína en translocación. Aunque se conoce que las proteínas abarrotantes se encuentran en movimiento, mostramos que la translocación ocurre en un ambiente abarrotado dinámico. Esto se debe a la movilidad de las proteínas abarrotantes y a las propiedades físicas del medio intracelular. Basados en este primer resultado, comparamos los resultados de la translocación del sistema abarrotado dinámico con los del sistema diluido. Por abarrotamiento dinámico, todas las variables físicas calculadas aumentan su valor. La energía libre presenta una barrera; la altura de la barrera definida como la energía de activación aumenta dos veces su valor para preproteínas pequeñas y hasta en cuatro veces para preproteínas grandes. La fuerza de origen entrópico, para los sistemas diluido y abarrotado, al principio es opuesta a la translocación, se reduce hasta anularse, y después aumenta, favoreciendo la translocación. Por el abarrotamiento, la tasa de variación de la fuerza disminuye al inicio y al final de la translocación; en consecuencia, una mayor intensidad de la fuerza persiste por más tiempo durante la translocación. El tiempo de translocación resulta más afectado por el abarrotamiento. Para las preproteínas más pequeñas, el tiempo de translocación aumenta de entre cinco a 10 veces, mientras que para las proteínas más grandes aumenta en cuatro órdenes de magnitud. El origen del efecto tan drástico sobre el tiempo de translocación, se debe a una sinergia entre el efecto del abarrotamiento sobre la energía libre y sobre el coeficiente de difusión de una preproteína. Esta última cantidad es más importante para preproteínas grandes, debido a que se reduce su movilidad.

El proceso de transporte de una preproteína a través de una membrana por un poro se llama translocación, un proceso común en todas las células. A través de la membrana del retículo endoplásmico (RE) ocurre la translocación de preproteínas del citoplasma al lumen del retículo endoplásmico, y también la retrotranslocación, que es la translocación del lumen del RE al citoplasma. El citoplasma y el lumen del RE son medios que contienen proteínas de diferentes especies, con una concentración total mayor en un orden de magnitud a la concentración de los solutos en un ambiente diluido (menor a 10 mg/ml). Los valores de concentración y de la fracción de volumen que ocupan las proteínas definen al citoplasma y al lumen del RE como medios abarrotados por proteínas. Durante la translocación y la retrotranslocación, una preproteína tiene segmentos en el citoplasma y en el lumen del RE. Las proteínas que abarrotan ambos medios interaccionan con la preproteína y le excluyen volumen. Entre mayor sea el volumen excluido, menor es el número de conformaciones que adopta la preproteína, y en consecuencia, su energía libre cambia. El impedimento en conformaciones por la exclusión de volumen es llamado impedimento estérico; al modificar la energía, se considera como una interacción estérica. El cambio en la energía libre por la contribución estérica del abarrotamiento sugiere que la translocación de una preproteína por el abarrotamiento intracelular por proteínas debe ser diferente de la translocación en un ambiente sin abarrotar. Los experimentos sobre translocación no han incluido el abarrotamiento por proteínas. En este trabajo, estudiamos el efecto estérico del abarrotamiento por proteínas sobre la translocación y la retrotranslocación de una preproteína a través de la membrana del retículo endoplásmico. Para ello, utilizamos tres modelos de translocación de polímeros, uno sin abarrotar y dos abarrotados, tomando en cuenta las fracciones de volumen de las proteínas abarrotantes y las propiedades físicas del medio intracelular. En los modelos utilizados de la translocación de polímeros, una cadena ideal atraviesa una pared rígida delgada a través de un poro, similar a la translocación de una preproteína. En el modelo sin abarrotar, llamado sistema diluido, una cadena atraviesa en ausencia de agentes que obstaculicen su paso. En los modelos abarrotados, una cadena atraviesa en presencia de agentes esféricos distribuidos aleatoriamente, con fracciones de volumen diferentes en ambos lados de la pared.

Los resultados de las comparaciones indican que el efecto del abarrotamiento dinámico es importante porque incrementa las variables de la translocación. Los resultados de la translocación, por abarrotamiento dinámico, son similares a los de la retrotranslocación para todas las variables, excepto para el tiempo de transporte para preproteínas grandes, debido al coeficiente de difusión de una proteína en el lumen del RE. Aunque el abarrotamiento intracelular por proteínas corresponde a un régimen dinámico, también estudiamos la translocación en un ambiente abarrotado estático para cuantificar el efecto del abarrotamiento por agentes sin movimiento. Los resultados de la translocación en el sistema abarrotado estático son similares numéricamente a los del sistema diluido. En consecuencia, al comparar entre abarrotamiento estático y abarrotameinto dinámico, las diferencias aumentan con la longitud de una preproteína. La energía de activación por abarrotamiento dinámico es 1.2 veces la del sistema abarrotado estático para cadenas pequeñas, y aumenta a 3.4 veces para preproteínas grandes. El tiempo de translocación corresponde a 1.7 veces el del sistema estático para cadenas cortas y aumenta a más de 1000 veces para cadenas largas. Estas comparaciones indican que el efecto del abarrotamiento dinámico es más importante que el efecto del abarrotamiento estático. Por lo tanto, además del abarrotamiento intracelular, debe considerase la movilidad de las proteínas abarrotantes en el estudio de la translocación. Nuestros resultados tienen implicaciones sobre el estudio de la translocación. Para vencer la barrera de energía que impone el abarrotamiento dinámico, el sistema de translocación debe invertir una cantidad de energía comparable a la energía libre de la hidrolisis de adenosina trifosfato (ATP), 60 kJ/mol. El ATP es la principal molécula que provee energía en las células. Las velocidades de translocación para cadenas grandes, por abarrotamiento dinámico, tienen el mismo orden de magnitud de las medidas en ambientes diluidos; esto indica que el efecto del abarrotamiento puede medirse experimentalmente. Para ello, el abarrotamiento debe ser dinámico, y los valores de la viscosidad y del coeficiente de difusión de los agentes abarrotantes deben ser similares a los del medio intracelular. De nuestros resultados, la translocación de la mayoría de la preproteínas, debido a su tamaño, es más rápida que la translocación en sistemas in vitro. Esto implica que existen fenómenos no estéricos que ralenticen la translocación, como el proceso de abertura del canal para permitir que una preproteína se difunda libremente, como lo sugiere uno de los modelos actuales de la translocación en bacterias.

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