La superfamilia de facilitadores principales (MFS) son proteínas de membrana que se expresan de forma ubicua en todos los reinos de la vida para la importación o exportación de sustratos objetivo. Originalmente se creía que la familia MFS funcionaba principalmente en la absorción de azúcares, pero estudios posteriores revelaron que los medicamentos, metabolitos, oligosacáridos , aminoácidos y oxianiones eran transportados por miembros de la familia MFS. [3] Estas proteínas impulsan energéticamente el transporte utilizando el gradiente electroquímico del sustrato objetivo ( uniportador ), o actúan como un cotransportador donde el transporte está acoplado al movimiento de un segundo sustrato.
Doblar
El pliegue básico del transportador MFS está construido alrededor de 12, [4] o en algunos casos, 14 hélices transmembrana [5] (TMH), con dos haces de 6 (o 7) hélices formados por los dominios homólogos terminales N y C [6] del transportador que están conectados por un bucle citoplasmático extendido. Las dos mitades de la proteína se empaquetan una contra la otra en forma de concha de almeja, sellándose mediante interacciones en los extremos de las hélices transmembrana y los bucles extracelulares. [7] [8] Esto forma una gran cavidad acuosa en el centro de la membrana, que está abierta alternativamente al citoplasma o al espacio periplasmático /extracelular. Recubriendo esta cavidad acuosa están los aminoácidos que se unen a los sustratos y definen la especificidad del transportador. [9] [10] Se cree que muchos transportadores MFS son dímeros a través de métodos in vitro e in vivo , con cierta evidencia que sugiere un papel funcional para esta oligomerización . [11]
Mecanismo
El mecanismo de acceso alterno que se cree que subyace al transporte de la mayoría de los transportes de MFS se describe clásicamente como el mecanismo de "interruptor basculante". [7] [8] En este modelo, el transportador se abre al espacio extracelular o al citoplasma y simultáneamente sella la cara opuesta del transportador, evitando una vía continua a través de la membrana. Por ejemplo, en el transportador de MFS mejor estudiado, LacY , la lactosa y los protones generalmente se unen desde el periplasma a sitios específicos dentro de la hendidura acuosa. Esto impulsa el cierre de la cara extracelular y la apertura del lado citoplasmático, lo que permite que el sustrato ingrese a la célula. Tras la liberación del sustrato, el transportador se recicla a la orientación orientada hacia el periplasma.
Los exportadores y antiportadores de la familia MFS siguen un ciclo de reacción similar , aunque los exportadores se unen al sustrato en el citoplasma y lo extruyen al espacio extracelular o periplásmico, mientras que los antiportadores se unen al sustrato en ambos estados para impulsar cada cambio conformacional. Si bien la mayoría de las estructuras de MFS sugieren grandes cambios estructurales de cuerpo rígido con la unión del sustrato, los movimientos pueden ser pequeños en los casos de sustratos pequeños, como el transportador de nitrato NarK. [12]
Transporte
Las reacciones de transporte generalizadas catalizadas por los porteadores MFS son:
Uniport: S (salida) ⇌ S (entrada)
Symport: S (salida) + [H + o Na + ] (salida) ⇌ S (entrada) + [H + o Na + ] (entrada)
Antipuerto: S 1 (salida) + S 2 (entrada) ⇌ S 1 (entrada) + S 2 (salida) (S 1 puede ser H + o un soluto)
Especificidad del sustrato
Aunque inicialmente se identificaron como transportadores de azúcar, una función conservada desde procariotas [10] hasta mamíferos, [13] la familia MFS es notable por la gran diversidad de sustratos transportados por la superfamilia. Estos van desde pequeños oxianiones [14] [15] [16] hasta grandes fragmentos de péptidos. [17] Otros transportadores MFS son notables por una falta de selectividad, extruyendo amplias clases de fármacos y xenobióticos. [18] [19] [20] Esta especificidad del sustrato está determinada en gran medida por cadenas laterales específicas que recubren la bolsa acuosa en el centro de la membrana. [9] [10] Si bien a menudo se usa un sustrato de particular importancia biológica para nombrar al transportador o familia, también puede haber iones o moléculas cotransportados o filtrados. Estos incluyen moléculas de agua [21] [22] o los iones de acoplamiento que impulsan energéticamente el transporte.
Estructuras
Se han caracterizado las estructuras cristalinas de varios transportadores de MFS. Las primeras estructuras fueron del intercambiador de glicerol 3-fosfato / fosfato GlpT [8] y del simportador de lactosa - protón LacY [7] , que sirvieron para dilucidar la estructura general de la familia de proteínas y proporcionaron modelos iniciales para comprender el mecanismo de transporte de MFS. Desde estas estructuras iniciales, se han resuelto otras estructuras de MFS que ilustran la especificidad del sustrato o estados dentro del ciclo de reacción [23] [24] Si bien las estructuras iniciales de MFS resueltas fueron de transportadores bacterianos, recientemente se han publicado las estructuras de las primeras estructuras eucariotas . Estas incluyen un transportador de fosfato fúngico PiPT [16] , el transportador de nitrato vegetal NRT1.1 [11] [25] y el transportador de glucosa humano GLUT1 [26] .
Evolución
El origen del pliegue transportador básico de MFS es actualmente objeto de un intenso debate. Todas las permeasas MFS reconocidas actualmente tienen los dos dominios de seis TMH dentro de una única cadena polipeptídica, aunque en algunas familias MFS hay dos TMH adicionales presentes. La evidencia sugiere que las permeasas MFS surgieron por un evento de duplicación intragénica en tándem en los procariotas tempranos. Este evento generó la topología de 12 hélices transmembrana a partir de un dímero de 6 hélices primordial (presunto). Además, el motivo específico de MFS bien conservado entre TMS2 y TMS3 y el motivo relacionado pero menos conservado entre TMS8 y TMS9 resultan ser una característica de prácticamente todas las más de 300 proteínas MFS identificadas. [27] Sin embargo, el origen del dominio primordial de 6 hélices es objeto de un intenso debate. Si bien algunas evidencias funcionales y estructurales sugieren que este dominio surgió de un dominio de 3 hélices más simple, [28] [29] falta evidencia bioinformática o filogenética que respalde esta hipótesis. [30] [31]
Importancia médica
Los miembros de la familia MFS son fundamentales para la fisiología humana y desempeñan un papel importante en una serie de enfermedades, a través de la acción aberrante, el transporte de fármacos o la resistencia a los fármacos. El transportador OAT1 transporta una serie de análogos de nucleósidos fundamentales para la terapia antiviral. [32] La resistencia a los antibióticos es con frecuencia el resultado de la acción de los genes de resistencia a MFS. [33] También se ha descubierto que las mutaciones en los transportadores de MFS causan enfermedades neurodegenerativas, [34] trastornos vasculares del cerebro, [35] y enfermedades de almacenamiento de glucosa. [36]
Mutaciones de enfermedades
Se han encontrado mutaciones asociadas a enfermedades en varios transportadores de MFS humanos; las anotadas en Uniprot se enumeran a continuación.
Transporta la glucosa-6-fosfato desde el citoplasma hasta el lumen del retículo endoplasmático. Forma con la glucosa-6-fosfatasa el complejo responsable de la producción de glucosa a través de la glucogenólisis y la gluconeogénesis. Por lo tanto, desempeña un papel central en la regulación homeostática de los niveles de glucosa en sangre.
Transportador de hemo que exporta hemo citoplasmático. También puede exportar coproporfirina y protoporfirina IX, que son productos intermedios en la vía biosintética del hemo. No exporta bilirrubina. La exportación de hemo depende de la presencia de HPX y puede ser necesaria para proteger a las células eritroides en desarrollo de la toxicidad del hemo. La exportación de hemo también proporciona protección contra las toxicidades del hemo o del hierro ferroso en el hígado y el cerebro. Provoca susceptibilidad a FeLV-C in vitro. Necesario durante la eritopoyesis para mantener el equilibrio intracelular del hemo libre, ya que en los proeritroblastos, la síntesis del hemo se intensifica y su acumulación es tóxica para las células.
Transporta el ácido glucurónico y el ácido siálico libre fuera del lisosoma después de que se escinde de los sialoglicoconjugados que sufren degradación; esto es necesario para la mielinización normal del SNC. Media la captación dependiente del potencial de membrana de aspartato y glutamato en vesículas sinápticas y microvesículas similares a sinápticas. También funciona como un cotransportador electrogénico 2NO(3)(-)/H(+) en la membrana plasmática de las células acinares de las glándulas salivales, mediando el eflujo fisiológico de nitrato; el 25% de los iones de nitrato circulantes se eliminan y secretan típicamente en la saliva.
Necesario para la reabsorción eficiente de urato en el riñón. Regula los niveles de urato en sangre. Media la captación de urato saturable al facilitar el intercambio de urato por aniones orgánicos.
Transportador de monocarboxilatos acoplado a protones. Cataliza el transporte rápido a través de la membrana plasmática de muchos monocarboxilatos como el lactato, el piruvato, los oxoácidos de cadena ramificada derivados de la leucina, la valina y la isoleucina, y los cuerpos cetónicos acetoacetato, beta-hidroxibutirato y acetato. Según el tejido y las circunstancias, media la importación o exportación de ácido láctico y cuerpos cetónicos. Necesario para la asimilación normal de nutrientes, el aumento del tejido adiposo blanco y el aumento de peso corporal cuando se sigue una dieta rica en grasas. Desempeña un papel en las respuestas celulares a una dieta rica en grasas al modular los niveles celulares de lactato y piruvato, pequeñas moléculas que contribuyen a la regulación de las vías metabólicas centrales y la secreción de insulina, con efectos concomitantes sobre los niveles plasmáticos de insulina y la homeostasis de la glucosa en sangre.
Transportador de carnitina de alta afinidad y dependiente del ion sodio. Interviene en la captación celular activa de carnitina. Transporta un ion sodio con una molécula de carnitina. También transporta cationes orgánicos como el tetraetilamonio (TEA) sin la intervención del sodio.
Transportador de monocarboxilatos ligado a protones. Cataliza el transporte rápido a través de la membrana plasmática de muchos monocarboxilatos (por similitud).
Actúa como importador de hemo. También actúa como transportador de un complejo quelante de calcio, importante para el crecimiento y el metabolismo del calcio.
Síndrome de Fowler [35]
SLC16A12
Q6ZSM3
Transportador de monocarboxilatos ligado a protones. Cataliza el transporte rápido a través de la membrana plasmática de muchos monocarboxilatos (por similitud).
Puede estar involucrado en la exportación de hierro desde las células epiteliales del duodeno y también en la transferencia de hierro entre la circulación materna y fetal. Media el eflujo de hierro en presencia de una ferroxidasa ( hephaestina y/o ceruloplasmina ).
Puede mediar la liberación de prostaglandinas recién sintetizadas de las células, el transporte transepitelial de prostaglandinas y la eliminación de prostaglandinas de la circulación. Transporta PGD2, así como PGE1, PGE2 y PGF2A.
Transportador de carnitina de baja afinidad y dependiente del ion sodio. Probablemente transporta un ion sodio con una molécula de carnitina. También transporta cationes orgánicos como el tetraetilamonio (TEA) sin la participación del sodio. La relación de la actividad de captación relativa de carnitina con respecto a TEA es de 1,78. Un sustrato clave de este transportador parece ser la ergotioneína (ET).
Transportador de monocarboxilatos ligado a protones. Cataliza el transporte rápido a través de la membrana plasmática de muchos monocarboxilatos (por similitud). Probablemente esté involucrado en el metabolismo lipídico hepático: la sobreexpresión produce un aumento de los niveles de triacilglicerol (TAG), pequeños aumentos en los diacilgliceroles intracelulares y disminuciones en los lípidos de lisofosfatidilcolina, ésteres de colesterol y esfingomielina.
Media la captación independiente de Na(+) de aniones orgánicos como el 17-beta-glucuronosil estradiol, el taurocolato, la triyodotironina (T3), el leucotrieno C4, el sulfato de dehidroepiandrosterona (DHEAS), el metotrexato y la sulfobromoftaleína (BSP). Interviene en la depuración de ácidos biliares y aniones orgánicos del hígado.
Media la captación independiente de Na(+) de aniones orgánicos como pravastatina, taurocolato, metotrexato, sulfato de dehidroepiandrosterona, 17-beta-glucuronosil estradiol, sulfato de estrona, prostaglandina E2, tromboxano B2, leucotrieno C3, leucotrieno E4, tiroxina y triyodotironina. Interviene en la depuración de ácidos biliares y aniones orgánicos del hígado.
Transportador facilitador de glucosa. Es probable que esta isoforma media la transferencia bidireccional de glucosa a través de la membrana plasmática de los hepatocitos y es responsable de la captación de glucosa por las células beta; puede formar parte del mecanismo de detección de glucosa de la célula beta. También puede participar con el cotransportador de Na(+)/glucosa en el transporte transcelular de glucosa en el intestino delgado y el riñón.
Transportador facilitador de glucosa. Esta isoforma puede ser responsable de la captación constitutiva o basal de glucosa. Tiene una especificidad de sustrato muy amplia; puede transportar una amplia gama de aldosas, incluidas tanto pentosas como hexosas.
Se ha demostrado que actúa como transportador intestinal de folato de alta afinidad acoplado a protones y como transportador intestinal de hemo que media la absorción de hemo desde el lumen intestinal hacia las células epiteliales duodenales. Luego, el hierro se libera del hemo y puede transportarse al torrente sanguíneo. El hierro del hemo de la dieta es una fuente nutricional importante de hierro. Muestra una mayor afinidad por el folato que por el hemo.
Interviene en la captación de glutamato en las vesículas sinápticas de las terminales nerviosas presinápticas de las células nerviosas excitatorias. También puede mediar en el transporte de fosfato inorgánico.
Existen varias proteínas MFS en humanos, donde se conocen como transportadores de solutos (SLC) y SLC atípicos . [62] Hoy en día existen 52 familias de SLC, [63] de las cuales 16 familias incluyen proteínas MFS; SLC2, 15 16, 17, 18, 19, SLCO (SLC21), 22, 29, 33, 37, 40, 43, 45, 46 y 49. [62] Los SLC atípicos son proteínas MFS, que comparten similitudes de secuencia y origen evolutivo con los SLC, [62] [64] [65] [66] pero no se nombran de acuerdo con el sistema raíz SLC, que se origina del sistema de nomenclatura del gen hugo (HGNC). [67] Todos los SLC atípicos se enumeran en detalle en [62] pero son: MFSD1 , [66] MFSD2A , [68] MFSD2B , MFSD3 , [66] MFSD4A , [69] MFSD4B, [70] MFSD5 , [64] MFSD6, [65] MFSD6L , MFSD8 , [71] MFSD9 , [65] [69] MFSD10, [65] [72] MFSD11 , [64] MFSD12, MFSD13A, MFSD14A , [65] [73] MFSD14B , [65] [73] UNC93A , [74] [75] [76] UNC93B1 , [77] SV2A , SV2B , SV2C, SVOP, SVOPL, SPNS1, [78] SPNS2 , SPNS3 y CLN3 . [79] Como existe una alta identidad de secuencia y semejanza filogenética entre los SLC atípicos de tipo MFS, se pueden dividir en 15 AMTF (familias de transportadores MFS atípicos), lo que sugiere que hay al menos 64 familias diferentes que incluyen proteínas SLC de tipo MFS. [80]
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