Interações moleculares de peptídeos com membranas fosfolipídicas

Abstract

A inserção de peptídeos na membrana plasmática é um dos principais paradigmas do processo geral de interação entre a célula e o ambiente. O entendimento físico-químico desse processo, sobretudo nos aspectos estruturais e energéticos da matéria, no nível das interações atômicas, é de particular interesse para novas aplicações na medicina e farmacologia. Podemos destacar o desenho racional de peptídeos antibacterianos, que por meio de interações com a membrana causam lise celular e conseqüente morte desses microorganismos. Além disso, a compreensão do processo de inserção peptídica é de igual interesse para o desenvolvimento de novos produtos voltados para o tratamento clínico de doenças humanas, como o Mal de Alzheimer relacionado à inserção e agregação de placas peptídicas na membrana. Dada à relevância biológica da inserção peptídica, o estudo desse processo têm sido de interesse científico e tecnológico para diversos grupos de pesquisa no mundo, entretanto, a sua completa descrição microscópica permanece ainda não elucidada. Nesse contexto atual, como um esforço adicional, esse trabalho visa caracterizar as propriedades microscópicas dirigentes do fenômeno de inserção de peptídeos utilizando simulações computacionais de Dinâmica Molecular, conjugadas a métodos de cálculo de energia livre. Um tempo total de simulação de 1,2 microsegundos foi requerido para estudar a partição de dois peptídeos com natureza físico-química distintas, isto é, um hidrofóbico e o outro hidrofílico carregado. O estudo revela uma estabilidade energética global para o peptídeo hidrofílico estruturalmente associado à região interfacial água/membrana, e inclusão do hidrofóbico no centro da bicamada. Em ambos os casos, o passo limitante para o processo de inserção é a transposição peptídica através da região polar do lipídio. Via manipulações biotecnológicas, essa informação é de especial valor para a maior estabilização de moléculas no interior da membrana, aumento da velocidade de inserção ou estabilização de agregados na superfície celular. Finalmente, a metodologia aqui desenvolvida permitirá estudar uma série de outras moléculas que se particionem e efetivamente atravessem diferentes modelos de membranas, contribuindo para o entendimento geral sobre o transporte de peptídeos pela membrana. _______________________________________________________________________________ ABSTRACT

Peptide insertion through the plasmatic membrane is a major paradigm for the cellular-environment communications. At the level of atomic interactions, the structural and energetic knowledge about this process is of particular interest for novel applications in the fields of medicine and pharmacology. We can highlight the rational design of antimicrobial peptides that induce the microorganism death by causing cellular lysis and further developments applied to human dysfunctions, such as the Alzheimer’s disease related to peptide insertion and aggregation on the membrane surface. Given the broad biological significance of peptide insertion through membranes, this process has been of scientific and technological interests for several worldwide research groups, its complete microscopic description remains however to be clarified. Here, as an additional effort, the present contribution aims to the characterization of major microscopic properties controlling the process of peptide insertion, using advanced methods of free-energy Molecular Dynamics simulations. A total simulation time of 1.2 microseconds was required to study the membrane partition of two peptides with distinct physical and chemical properties, e.g., one hydrophobic and the other hydrophilic (charged). The study reveals a global energy minimum for the hydrophilic peptide adsorbed on the water-membrane interface, and the burying of the hydrophobic one in the lipid-bilayer main core. For both peptides, the rate-limiting step for molecule partition is the displacement across the lipid headgroups. By means of biotechnological manipulations, these findings are worth to enhance the stability of molecules in the bilayer-tail region, to speed up the insertion process or even to stabilize peptide aggregate forms on the membrane surface. Finally, the methodology herein developed allows one to study another set of molecules that interacts or permeates different lipid bilayer models, contributing therefore to a general understanding concerning the transport of peptides across membranes.