Proteína transmembrana
Proteína que se extiende a través de una membrana biológica
Representación esquemática de proteínas transmembrana: 1) proteína de membrana de un solo paso ( α-hélice ) 2) proteína de membrana de múltiples pasos (α-hélice) 3) proteína de membrana de múltiples pasos β-lámina . La membrana está representada en amarillo claro.

Una proteína transmembrana es un tipo de proteína integral de membrana que se extiende por toda la membrana celular . Muchas proteínas transmembrana funcionan como puertas de entrada para permitir el transporte de sustancias específicas a través de la membrana. Con frecuencia experimentan cambios conformacionales significativos para mover una sustancia a través de la membrana. Por lo general, son altamente hidrófobas y se agregan y precipitan en agua. Requieren detergentes o solventes no polares para su extracción, aunque algunas de ellas ( beta-barrels ) también pueden extraerse utilizando agentes desnaturalizantes .

La secuencia de péptidos que atraviesa la membrana, o el segmento transmembrana , es en gran parte hidrófoba y se puede visualizar utilizando el gráfico de hidropatía . [1] Dependiendo del número de segmentos transmembrana, las proteínas transmembrana se pueden clasificar como proteínas de membrana de un solo paso o como proteínas de membrana de múltiples pasos. [2] Algunas otras proteínas integrales de membrana se denominan monotópicas , lo que significa que también están unidas permanentemente a la membrana, pero no la atraviesan. [3]

Tipos

Clasificación por estructura

Existen dos tipos básicos de proteínas transmembrana: [4] las proteínas alfa-helicoidales y las proteínas beta-barril . Las proteínas alfa-helicoidales están presentes en las membranas internas de las células bacterianas o en la membrana plasmática de las células eucariotas, y a veces en la membrana externa bacteriana . [5] Esta es la categoría principal de proteínas transmembrana. En los seres humanos, se ha estimado que el 27% de todas las proteínas son proteínas de membrana alfa-helicoidales. [6] Las proteínas beta-barril se encuentran hasta ahora solo en las membranas externas de las bacterias gramnegativas , las paredes celulares de las bacterias grampositivas , las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos , o pueden secretarse como toxinas formadoras de poros . Todas las proteínas transmembrana beta-barril tienen una topología de arriba a abajo más simple, que puede reflejar su origen evolutivo común y un mecanismo de plegamiento similar. [ cita requerida ]

Además de los dominios proteicos, existen elementos transmembrana inusuales formados por péptidos. Un ejemplo típico es la gramicidina A , un péptido que forma una hélice β transmembrana dimérica. [7] Este péptido es secretado por bacterias grampositivas como antibiótico . No se ha descrito una hélice transmembrana de poliprolina-II en proteínas naturales. No obstante, esta estructura se observó experimentalmente en péptidos artificiales diseñados específicamente. [8]

Clasificación por topología

Esta clasificación se refiere a la posición de los extremos N y C de la proteína en los diferentes lados de la bicapa lipídica . Los tipos I, II, III y IV son moléculas de un solo paso . Las proteínas transmembrana de tipo I están ancladas a la membrana lipídica con una secuencia de anclaje de parada de transferencia y tienen sus dominios N-terminales dirigidos al lumen del retículo endoplasmático (RE) durante la síntesis (y al espacio extracelular, si las formas maduras se encuentran en las membranas celulares ). Los tipos II y III están anclados con una secuencia de anclaje de señal, y el tipo II se dirige al lumen del RE con su dominio C-terminal, mientras que el tipo III tiene sus dominios N-terminales dirigidos al lumen del RE. El tipo IV se subdivide en IV-A, con sus dominios N-terminales dirigidos al citosol y IV-B, con un dominio N-terminal dirigido al lumen. [9] Las implicaciones de la división en los cuatro tipos se manifiestan especialmente en el momento de la translocación y la traducción unida al RE, cuando la proteína tiene que pasar a través de la membrana del RE en una dirección que depende del tipo. [ cita requerida ]

Las proteínas transmembrana de los grupos I y II tienen topologías finales opuestas. Las proteínas del grupo I tienen el extremo N en el lado opuesto y el extremo C en el lado citosólico. Las proteínas del grupo II tienen el extremo C en el lado opuesto y el extremo N en el citosol. Sin embargo, la topología final no es el único criterio para definir los grupos de proteínas transmembrana, sino que en la clasificación se considera la ubicación de los determinantes topogénicos y el mecanismo de ensamblaje [10].

Estructura 3D

Aumento del número de estructuras 3D de proteínas de membrana conocidas

Las estructuras de las proteínas de membrana se pueden determinar mediante cristalografía de rayos X , microscopía electrónica o espectroscopia de RMN . [11] Las estructuras terciarias más comunes de estas proteínas son el haz de hélice transmembrana y el barril beta . La porción de las proteínas de membrana que están unidas a la bicapa lipídica (ver capa lipídica anular ) consiste principalmente en aminoácidos hidrófobos. [12]

Las proteínas de membrana que tienen superficies hidrofóbicas son relativamente flexibles y se expresan en niveles relativamente bajos. Esto crea dificultades para obtener suficiente proteína y luego hacer crecer los cristales. Por lo tanto, a pesar de la importancia funcional significativa de las proteínas de membrana, determinar las estructuras de resolución atómica para estas proteínas es más difícil que para las proteínas globulares. [13] A enero de 2013, menos del 0,1% de las estructuras de proteínas determinadas eran proteínas de membrana a pesar de ser el 20-30% del proteoma total. [14] Debido a esta dificultad y la importancia de esta clase de proteínas, se han desarrollado métodos de predicción de la estructura de proteínas basados ​​en gráficos de hidropatía, la regla interna positiva y otros métodos. [15] [16] [17]

Estabilidad termodinámica y plegado

Estabilidad de las proteínas transmembrana alfa-helicoidales

Las proteínas transmembrana alfa-helicoidales (α-helicoidales) son inusualmente estables a juzgar por los estudios de desnaturalización térmica , porque no se despliegan completamente dentro de las membranas (el desplegamiento completo requeriría romper demasiados enlaces de hidrógeno α-helicoidales en el medio no polar). Por otro lado, estas proteínas se pliegan mal fácilmente , debido a la agregación no nativa en las membranas, la transición a los estados de glóbulos fundidos , la formación de enlaces disulfuro no nativos o el desplegamiento de regiones periféricas y bucles no regulares que son localmente menos estables. [ cita requerida ]

También es importante definir correctamente el estado desplegado . El estado desplegado de las proteínas de membrana en micelas de detergente es diferente al de los experimentos de desnaturalización térmica. [ cita requerida ] Este estado representa una combinación de α-hélices hidrófobas plegadas y segmentos parcialmente desplegados cubiertos por el detergente . Por ejemplo, la bacteriorrodopsina "desplegada" en micelas de SDS tiene cuatro α-hélices transmembrana plegadas, mientras que el resto de la proteína está situada en la interfaz micela-agua y puede adoptar diferentes tipos de estructuras anfifílicas no nativas . Las diferencias de energía libre entre dichos estados desnaturalizados por detergente y nativos son similares a las estabilidades de las proteínas solubles en agua (< 10 kcal/mol). [ cita requerida ]

Plegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales

El replegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales in vitro es técnicamente difícil. Hay relativamente pocos ejemplos de experimentos de replegamiento exitosos, como en el caso de la bacteriorrodopsina . In vivo , todas estas proteínas se pliegan normalmente de manera co-traduccional dentro del gran translocón transmembrana . El canal del translocón proporciona un entorno altamente heterogéneo para las α-hélices transmembrana nacientes. Una α-hélice anfifílica relativamente polar puede adoptar una orientación transmembrana en el translocón (aunque estaría en la superficie de la membrana o desplegada in vitro ), porque sus residuos polares pueden estar orientados hacia el canal central lleno de agua del translocón. Tal mecanismo es necesario para la incorporación de α-hélices polares en las estructuras de las proteínas transmembrana. Las hélices anfifílicas permanecen unidas al translocón hasta que la proteína se sintetiza y pliega por completo. Si la proteína permanece desdoblada y unida al translocón durante demasiado tiempo, se degrada mediante sistemas celulares de "control de calidad" específicos. [ cita requerida ]

Estabilidad y plegamiento de las proteínas transmembrana de barril beta

La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril beta (β-barrel) es similar a la estabilidad de las proteínas solubles en agua, según estudios de desnaturalización química. Algunas de ellas son muy estables incluso en agentes caotrópicos y altas temperaturas. Su plegamiento in vivo se ve facilitado por chaperonas solubles en agua , como la proteína Skp. Se cree que las proteínas de membrana de barril β provienen de un ancestro incluso con un número diferente de láminas que podrían agregarse o duplicarse durante la evolución. Algunos estudios muestran una gran conservación de secuencia entre diferentes organismos y también aminoácidos conservados que mantienen la estructura y ayudan con el plegamiento. [18]

Estructuras 3D

Transportadores impulsados ​​por absorción de luz

Transportadores impulsados ​​por oxidorreducción

Transportadores impulsados ​​por potencial electroquímico

  • ATPasas de tipo F y tipo V que translocan protones o sodio

Transportadores impulsados ​​por hidrólisis de enlaces PP

Portadores (uniportadores, simportadores, antiportadores)

Canales alfa helicoidales que incluyen canales iónicos

Enzimas

Proteínas con hélices alfa transmembrana únicas

Barriles beta compuestos de una sola cadena polipeptídica

Nota: n y S son, respectivamente, el número de cadenas beta y el "número de corte" [20] del barril beta .

Barriles beta compuestos de varias cadenas polipeptídicas

Véase también

Referencias

  1. ^ Manor, Joshua; Feldblum, Esther S.; Arkin, Isaiah T. (2012). "Polaridad ambiental en proteínas mapeadas de forma no invasiva mediante espectroscopia FTIR". The Journal of Physical Chemistry Letters . 3 (7): 939–944. doi :10.1021/jz300150v. PMC  3341589 . PMID  22563521.
  2. ^ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002). "Proteínas de membrana". Biología molecular de la célula. 4.ª edición . Garland Science . Consultado el 31 de octubre de 2023 .
  3. ^ Steven R. Goodman (2008). Biología celular médica. Academic Press. pp. 37–. ISBN 978-0-12-370458-0. Consultado el 24 de noviembre de 2010 .
  4. ^ Jin Xiong (2006). Bioinformática esencial. Cambridge University Press. pp. 208–. ISBN 978-0-521-84098-9. Consultado el 13 de noviembre de 2010 .
  5. ^ Las proteínas alfa-helicoidales en las membranas externas incluyen Stannin y ciertas lipoproteínas , y otras
  6. ^ Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (2009). "Mapeo del proteoma de membrana humano: la mayoría de las proteínas de membrana humanas pueden clasificarse según su función y origen evolutivo". BMC Biol . 7 : 50. doi : 10.1186/1741-7007-7-50 . PMC 2739160. PMID  19678920 . 
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  9. ^ Harvey Lodish, etc.; Biología celular molecular , sexta edición, pág. 546
  10. ^ Goder, Veit; Spiess, Martin (31 de agosto de 2001). "Topogénesis de proteínas de membrana: determinantes y dinámica". FEBS Letters . 504 (3): 87–93. doi :10.1016/S0014-5793(01)02712-0. PMID  11532438.
  11. ^ Cross, Timothy A.; Sharma, Mukesh; Yi, Myunggi; Zhou, Huan-Xiang (2011). "Influencia de los entornos solubilizantes en las estructuras de las proteínas de membrana". Tendencias en ciencias bioquímicas . 36 (2): 117–125. doi :10.1016/j.tibs.2010.07.005. PMC 3161620 . PMID  20724162. 
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  20. ^ Murzin AG, Lesk AM, Chothia C (marzo de 1994). "Principios que determinan la estructura de los barriles de láminas beta en proteínas. I. Un análisis teórico". J. Mol. Biol . 236 (5): 1369–81. doi :10.1016/0022-2836(94)90064-7. PMID  8126726.
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