Explorando la dinámica conformacional de la interfase entre la proteína SP-C y una bicapa lipídica DPPC: un enfoque computacional como aproximación al mecanismo del surfactante pulmonar

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Universidad Distrital Francisco José de Caldas

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Resumen

Pulmonary surfactant is a vital component of the respiratory process, acting as a surfactant that forms a lipid monolayer in the alveolar environment. This layer reduces surface tension, thus facilitating the expansion and contraction of the alveoli during breathing. To maintain the stability of this monolayer at the air-liquid interface, a complex lipid multilayer structure is required that primarily serves as a lipid reservoir. The integrity and functionality of this structure largely depend on the surfactant proteins, particularly the SP-A, SP-B, SP-C, and SP-D proteins. SP-A and SP-D proteins play a crucial role in detecting and neutralizing external pathogens that may enter the alveolar environment, thus protecting the respiratory system from possible infections. On the other hand, SP-B and SP-C proteins are involved in lipid adsorption, facilitating the transfer of lipids from the bilayer reservoir to the lipid monolayer at the air-liquid interface. The absence or dysfunction of SP-B and SP-C proteins can have serious consequences for respiratory health, especially in newborns. Neonatal acute respiratory distress syndrome (ARDS) is a condition that can develop in premature babies or those whose lungs have not produced enough surfactant. This lack of surfactant can lead to the inability of the alveoli to stay open during breathing, resulting in severe respiratory distress and, in extreme cases, respiratory failure. In addition to this, pulmonary fibrosis is another respiratory condition that may be related to the long-term absence of the SP-C protein. This disorder consists of the appearance of scarring in the lung tissue that prevents breathing from functioning. Therefore, research on these proteins is essential to develop treatments and therapies that can help prevent or treat diseases related to these lung deficiencies. The integration of computational simulations into pulmonary surfactant research is crucial to provide a deeper understanding of the biophysical and conformational interactions between surfactant and membrane proteins. These simulations allow us to explore at the molecular level how proteins interact with the lipid bilayers that make up the surfactant and how these interactions affect the stability and functionality of the respiratory system. Using molecular dynamics techniques, it is possible to simulate the behavior of proteins and lipids. over time, providing detailed information on the dynamics of molecular interactions. This includes the ability to study how proteins influence the organization, fluidity and stability of lipids, among other aspects. The objective of this internship is to investigate the structural function of lipids in surfactant, focusing on a molecular dynamics computational simulation. This simulation includes the surfactant protein SP-C and a ipalmitoylphosphatidylcholine DPPC lipid bilayer. We seek to characterize the conformational changes in the membrane due to the presence of the SP-C protein. To simplify the system and prioritize understanding of the mechanism, we will focus solely on the interaction between the SP-C protein and the DPPC lipid bilayer. The exclusion of the SP-B protein is due to the complexity of its lipid multilayer environment, which would be beyond the scope of this undergraduate work.

Descripción

El surfactante pulmonar es un componente vital del proceso respiratorio, que actúa como un tensoactivo que forma una monocapa lipídica en el entorno alveolar . Esta capa reduce la tensión superficial, facilitando así la expansión y contracción de los alvéolos durante la respiración. Para mantener la estabilidad de esta monocapa en la interfaz aire-líquido, se requiere una compleja estructura multicapa lipídica que sirve principalmente como reservorio de lípidos. La integridad y funcionalidad de esta estructura dependen en gran medida de las proteínas de surfactante, particularmente, las proteínas SP-A, SP-B, SP-C y SP-D. Las proteínas SP-A y SP-D tienen un papel crucial en la detección y neutralización de patógenos externos que puedan ingresar al entorno alveolar, protegiendo así el sistema respiratorio de posibles infecciones. Por otro lado, las proteínas SP-B y SP-C están involucradas en la adsorción de lípidos, facilitando la transferencia de lípidos desde el reservorio de la bicapa hacia la monocapa lipídica en la interfaz aire-líquido . La ausencia o disfunción de las proteínas SP-B y SP-C puede tener consecuencias graves para la salud respiratoria, especialmente en recién nacidos. El síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) neonatal es una condición que puede desarrollarse en bebés prematuros o aquellos cuyos pulmones no han producido suficiente surfactante. Esta falta de surfactante puede llevar a la incapacidad de los alvéolos para mantenerse abiertos durante la respiración, lo que resulta en dificultad respiratoria grave y, en casos extremos, insuficiencia respiratoria. Además de esto, la fibrosis pulmonar es otra condición respiratoria que puede estar relacionada con la ausencia a largo plazo de la proteína SP-C, este trastorno consiste en la aparición de cicatrizaciones en el tejido pulmonar que impiden el funcionamiento de la respiración. Por lo tanto, La investigación sobre estas proteínas es esencial para desarrollar tratamientos y terapias que puedan ayudar a prevenir o tratar enfermedades relacionadas con estas deficiencias pulmonares. La integración de simulaciones computacionales en la investigación del surfactante pulmonar es crucial para proporcionar una comprensión más profunda de las interacciones biofísicas y conformacionales entre las proteínas del surfactante y la membrana. Estas simulaciones permiten explorar a nivel molecular cómo las proteínas, interactúan con las bicapas lipídicas que componen el surfactante y cómo estas interacciones afectan la estabilidad y funcionalidad del sistema respiratorio .Mediante técnicas de dinámica molecular, es posible simular el comportamiento de las proteínas y los lípidos a lo largo del tiempo, lo que proporciona información detallada sobre la dinámica de las interacciones moleculares. Esto incluye la capacidad de estudiar cómo las proteínas influyen en la organización, fluidez y estabilidad de los lípidos, entre otros aspectos. El objetivo de esta pasantía es investigar la función estructural de los lípidos en el surfactante, centrándose en una simulación computacional de dinámica molecular. Esta simulación incluirá la proteína del surfactante SP-C y una bicapa lipídica de Dipalmitoilfosfatidilcolina DPPC. Se busca caracterizar los cambios conformacionales en la membrana debido a la presencia de la proteína SP-C. Para simplificar el sistema y priorizar la comprensión del mecanismo, se concentrará únicamente en la interacción entre la proteína SP-C y la bicapa lipídica de DPPC. La exclusión de la proteína SP-B se debe a la complejidad de su entorno multicapa lipídica, que estaría más allá del alcance de este trabajo de pregrado.

Palabras clave

Surfactante, Dinámica molecular, SP-C, DPPC, Interfaz aire-líquido

Materias

Licenciatura en Física -- Tesis y disertaciones académicas , Surfactante pulmonar , Interacciones proteína-lípido , Conformaciones proteicas , Simulación computacional

Citación