escalas de hidrofobicidad

Las escalas de hidrofobicidad son valores que definen la hidrofobicidad o hidrofilicidad relativa de los residuos de aminoácidos . Cuanto más positivo sea el valor, más hidrofóbicos serán los aminoácidos ubicados en esa región de la proteína. Estas escalas se utilizan comúnmente para predecir las hélices alfa transmembrana de las proteínas de membrana . Al medir consecutivamente los aminoácidos de una proteína, los cambios en el valor indican la atracción de regiones proteicas específicas hacia la región hidrofóbica dentro de la bicapa lipídica .

El carácter hidrofóbico o hidrofílico de un compuesto o aminoácido es su carácter hidropático, ^{[ 1 ]} hidropatía o hidropatía.

El efecto hidrofóbico representa la tendencia del agua a excluir moléculas no polares. Este efecto se origina por la ruptura de los enlaces de hidrógeno altamente dinámicos entre las moléculas de agua líquida. Los grupos químicos polares, como el grupo OH en el metanol, no causan el efecto hidrofóbico. Sin embargo, una molécula de hidrocarburo puro, por ejemplo el hexano , no puede aceptar ni donar enlaces de hidrógeno al agua. La introducción de hexano en el agua provoca la ruptura de la red de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de agua. Los enlaces de hidrógeno se reconstruyen parcialmente mediante la formación de una "jaula" de agua alrededor de la molécula de hexano, similar a la que se forma en los hidratos de clatrato a temperaturas más bajas. La movilidad de las moléculas de agua en la "jaula" (o capa de solvatación ) está fuertemente restringida. Esto conlleva pérdidas significativas en la entropía traslacional y rotacional de las moléculas de agua y hace que el proceso sea desfavorable en términos de energía libre del sistema. ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} En términos termodinámicos, el efecto hidrofóbico es el cambio de energía libre del agua que rodea a un soluto. ^{[ 6 ]} Un cambio positivo de energía libre del disolvente circundante indica hidrofobicidad, mientras que un cambio negativo de energía libre implica hidrofilicidad. De esta manera, el efecto hidrofóbico no solo puede localizarse, sino que también puede descomponerse en contribuciones entálpicas y entrópicas .

Se han desarrollado varias escalas de hidrofobicidad diferentes. ^{[ 3 ] [ 1 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} El sitio web Expasy Protscale enumera un total de 22 escalas de hidrofobicidad. ^{[ 10 ]}

Hay diferencias claras entre las cuatro escalas que se muestran en la tabla. ^{[ 11 ]} Tanto la segunda como la cuarta escala colocan a la cisteína como el residuo más hidrofóbico, a diferencia de las otras dos escalas. Esta diferencia se debe a los diferentes métodos utilizados para medir la hidrofobicidad. El método utilizado para obtener las escalas de Janin y Rose et al. fue examinar proteínas con estructuras 3-D conocidas y definir el carácter hidrofóbico como la tendencia de un residuo a encontrarse dentro de una proteína en lugar de en su superficie. ^{[ 12 ] [ 13 ]} Dado que la cisteína forma enlaces disulfuro que deben ocurrir dentro de una estructura globular, la cisteína se clasifica como la más hidrofóbica. La primera y la tercera escala se derivan de las propiedades fisicoquímicas de las cadenas laterales de los aminoácidos. Estas escalas resultan principalmente de la inspección de las estructuras de los aminoácidos. ^{[ 14 ] [ 1 ]} Biswas et al. dividieron las escalas según el método utilizado para obtener la escala en cinco categorías diferentes. ^{[ 3 ]}

El método más común para medir la hidrofobicidad de los aminoácidos es la partición entre dos fases líquidas inmiscibles. Diferentes disolventes orgánicos son los más utilizados para imitar el interior de la proteína. Sin embargo, los disolventes orgánicos son ligeramente miscibles con el agua y las características de ambas fases cambian, lo que dificulta la obtención de una escala de hidrofobicidad pura. ^{[ 3 ]} Nozaki y Tanford propusieron la primera escala de hidrofobicidad importante para nueve aminoácidos. ^{[ 15 ]} Se utilizan etanol y dioxano como disolventes orgánicos y se calculó la energía libre de transferencia de cada aminoácido. También se pueden utilizar fases no líquidas con métodos de partición, como fases micelares y fases de vapor. Se han desarrollado dos escalas utilizando fases micelares. ^{[ 16 ] [ 17 ]} Fendler et al. midieron la partición de 14 aminoácidos radiomarcados utilizando micelas de dodecilsulfato de sodio (SDS) . Además, se midió la afinidad de la cadena lateral del aminoácido por el agua utilizando fases de vapor. ^{[ 14 ]} Las fases de vapor representan las fases no polares más simples, porque no tienen interacción con el soluto. ^{[ 18 ]} Wolfenden estudió el potencial de hidratación y su correlación con la aparición de aminoácidos en la superficie de las proteínas. Se utilizaron fases acuosas y poliméricas en el desarrollo de una nueva escala de partición. ^{[ 19 ]} Los métodos de partición tienen muchos inconvenientes. Primero, es difícil imitar el interior de la proteína. ^{[ 20 ] [ 21 ]} Además, el papel de la autosolvatación hace que el uso de aminoácidos libres sea muy difícil. Además, los enlaces de hidrógeno que se pierden en la transferencia a disolventes orgánicos no se reforman, sino que a menudo se encuentran en el interior de la proteína. ^{[ 22 ]}

Las escalas de hidrofobicidad también se pueden obtener calculando las áreas de superficie accesibles al disolvente para los residuos de aminoácidos en la cadena polipeptídica expandida ^{[ 22 ]} o en la hélice alfa y multiplicando las áreas de superficie por los parámetros de solvatación empíricos para los tipos de átomos correspondientes. ^{[ 3 ]} Se construyó una escala de hidrofobicidad de área de superficie accesible al disolvente diferencial basada en proteínas como redes compactadas cerca de un punto crítico, debido a la autoorganización por evolución, basada en un comportamiento asintótico de ley de potencia (autosimilar). ^{[ 23 ] [ 24 ]} Esta escala se basa en un estudio bioinformático de 5526 estructuras de alta resolución del Protein Data Bank. Esta escala diferencial tiene dos ventajas comparativas: (1) es especialmente útil para tratar cambios en las interacciones agua-proteína que son demasiado pequeños para ser accesibles a los cálculos de campo de fuerza convencionales, y (2) para estructuras homólogas, puede producir correlaciones con cambios en propiedades de mutaciones en las secuencias de aminoácidos solamente, sin determinar los cambios estructurales correspondientes, ya sea in vitro o in vivo .

La cromatografía líquida de fase inversa (RPLC) es el método cromatográfico más importante para medir la hidrofobicidad de los solutos. ^{[ 3 ] [ 25 ]} La fase estacionaria no polar imita las membranas biológicas. El uso de péptidos tiene muchas ventajas porque la partición no se extiende por las cargas terminales en RPLC. Además, se evita la formación de estructuras secundarias al usar péptidos de secuencia corta. La derivatización de los aminoácidos es necesaria para facilitar su partición en una fase estacionaria C18. En 1971 se desarrolló otra escala que utilizaba la retención de péptidos en gel hidrofílico. ^{[ 26 ]} En esta escala particular se utilizaron 1-butanol y piridina como fase móvil y glicina como valor de referencia. Pliska y sus colaboradores ^{[ 27 ]} utilizaron cromatografía de capa fina para relacionar los valores de movilidad de los aminoácidos libres con sus hidrofobicidades. Hace aproximadamente una década, se publicó otra escala de hidrofilicidad que utilizaba cromatografía líquida de fase normal y mostraba la retención de 121 péptidos en una columna de amida-80. ^{[ 28 ]} Los valores absolutos y las clasificaciones relativas de hidrofobicidad determinadas por métodos cromatográficos pueden verse afectados por diversos parámetros. Estos parámetros incluyen el área superficial y el diámetro de poro de la sílice, la elección y el pH del tampón acuoso, la temperatura y la densidad de enlaces de las cadenas de la fase estacionaria. ^{[ 3 ]}

Este método utiliza tecnología de ADN recombinante y proporciona una medición real de la estabilidad de la proteína. En sus estudios detallados de mutagénesis dirigida , Utani y sus colaboradores sustituyeron 19 aminoácidos en el residuo Trp49 de la triptófano sintasa y midieron la energía libre de desnaturalización. Descubrieron que el aumento de la estabilidad es directamente proporcional al aumento de la hidrofobicidad hasta cierto límite de tamaño. La principal desventaja del método de mutagénesis dirigida es que no todos los 20 aminoácidos presentes de forma natural pueden sustituir un único residuo en una proteína. Además, estos métodos presentan problemas de coste y solo son útiles para medir la estabilidad de la proteína. ^{[ 3 ] [ 29 ]}

Las escalas de hidrofobicidad desarrolladas mediante métodos de propiedades físicas se basan en la medición de diferentes propiedades físicas. Algunos ejemplos incluyen la capacidad calorífica molar parcial, la temperatura de transición y la tensión superficial. Los métodos físicos son fáciles de usar y flexibles en cuanto al soluto. La escala de hidrofobicidad más popular se desarrolló midiendo los valores de tensión superficial de los 20 aminoácidos naturales en solución de NaCl. ^{[ 30 ]} Los principales inconvenientes de las mediciones de tensión superficial son que los enlaces de hidrógeno rotos y los grupos cargados neutralizados permanecen en la interfaz aire-solución. ^{[ 3 ] [ 1 ]} Otro método de propiedad física implica la medición de la energía libre de solvatación. ^{[ 31 ]} La energía libre de solvatación se estima como el producto de la accesibilidad de un átomo al disolvente y un parámetro de solvatación atómica. Los resultados indican que la energía libre de solvatación disminuye en un promedio de 1 kcal/residuo al plegarse. ^{[ 3 ]}

Palliser y Parry examinaron alrededor de 100 escalas y descubrieron que pueden usarlas para localizar las hebras B en la superficie de las proteínas. ^{[ 32 ]} Las escalas de hidrofobicidad también se usaron para predecir la preservación del código genético. ^{[ 33 ]} Trinquier observó un nuevo orden de las bases que refleja mejor el carácter conservado del código genético. ^{[ 3 ]} Creían que el nuevo orden de las bases uracilo-guanina-citosina-adenina (UGCA) reflejaba mejor el carácter conservado del código genético en comparación con el orden comúnmente visto UCAG. ^{[ 3 ]}

Las escalas de hidrofobicidad de residuos completos de Wimley-White son importantes por dos razones. Primero, incluyen las contribuciones de los enlaces peptídicos, así como de las cadenas laterales, proporcionando valores absolutos. Segundo, se basan en valores directos, determinados experimentalmente, de las energías libres de transferencia de los polipéptidos.

William C. Wimley (izquierda) y Stephen H. White (derecha), co-creadores de la escala Wimley-White.

Se han medido dos escalas de hidrofobicidad de residuos completos:

• Una de ellas se utiliza para la transferencia de cadenas desplegadas del agua a la interfaz de la bicapa (conocida como la escala de hidrofobicidad interfacial de Wimley-White).
• Una de ellas se refiere a la transferencia de cadenas desplegadas al octanol, lo cual es relevante para el núcleo de hidrocarburos de una bicapa.

El sitio web de Stephen H. White ^{[ 34 ]} proporciona un ejemplo de escalas de hidrofobicidad de residuos completos que muestran la energía libre de transferencia ΔG(kcal/mol) del agua a la interfaz POPC y al n-octanol. ^{[ 34 ]} Estas dos escalas se utilizan luego juntas para hacer gráficos de hidropatía de residuos completos. ^{[ 34 ]} El gráfico de hidropatía construido usando ΔG _woct − ΔG _wif muestra picos favorables en la escala absoluta que corresponden a las hélices TM conocidas. Por lo tanto, los gráficos de hidropatía de residuos completos ilustran por qué los segmentos transmembrana prefieren una ubicación transmembrana en lugar de una superficial. ^{[ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}

La mayoría de las escalas de hidrofobicidad existentes se derivan de las propiedades de los aminoácidos en su forma libre o como parte de un péptido corto. La escala de hidrofobicidad de Bandyopadhyay-Mehler se basó en la partición de aminoácidos en el contexto de la estructura proteica. La estructura proteica es un mosaico complejo de diversos medios dieléctricos generados por la disposición de diferentes aminoácidos. Por lo tanto, es probable que diferentes partes de la estructura proteica se comporten como disolventes con diferentes valores dieléctricos. Para simplificar, cada estructura proteica se consideró como una mezcla inmiscible de dos disolventes: el interior y el exterior de la proteína. El entorno local alrededor de cada aminoácido (denominado "microambiente") se calculó tanto para el interior como para el exterior de la proteína. La relación proporciona la escala de hidrofobicidad relativa para cada aminoácido. El cálculo se entrenó con estructuras cristalinas de proteínas de alta resolución. Este descriptor cuantitativo para el microambiente se derivó del coeficiente de partición octanol-agua (conocido como constantes fragmentarias de Rekker), ampliamente utilizado para farmacóforos. Esta escala se correlaciona bien con los métodos existentes, basados ​​en la partición y los cálculos de energía libre. La ventaja de esta escala es que es más realista, ya que se basa en el contexto de estructuras proteicas reales. ^{[ 9 ]}

En el campo de la ingeniería , la hidrofobicidad (o capacidad de deshumectación ) de una superficie plana (por ejemplo, una encimera de cocina o una sartén) se puede medir mediante el ángulo de contacto de una gota de agua. Un equipo de la Universidad de Nebraska-Lincoln ideó un enfoque computacional que puede relacionar la escala de hidrofobicidad molecular de las cadenas de aminoácidos con el ángulo de contacto de una nanogota de agua. ^{[ 39 ]} El equipo construyó redes planas compuestas de cadenas laterales de aminoácidos unificadas con la estructura nativa de la proteína de lámina beta. Mediante simulación de dinámica molecular, el equipo puede medir el ángulo de contacto de una nanogota de agua en las redes planas (caHydrophobicity).

Por otro lado, estudios previos muestran que el mínimo del potencial químico en exceso de un soluto de esfera dura con respecto al del volumen exhibe una dependencia lineal del valor del coseno del ángulo de contacto. ^{[ 40 ]} Con base en los potenciales químicos en exceso calculados del soluto Weeks-Chandler-Andersen de tamaño metano puramente repulsivo con respecto al del volumen, se calculan los valores extrapolados del valor del coseno del ángulo de contacto (ccHydrofobicity), que pueden usarse para cuantificar la hidrofobicidad de las cadenas laterales de aminoácidos con comportamientos de humectación completa.

• Desajuste hidrofóbico

• ProtScale (herramienta web para calcular diagramas de hidropatía)
• NetSurfP - Predictor de estructura secundaria y accesibilidad de la superficie
• Escala de hidrofobicidad de residuos completos
• Explorador de proteínas de membrana