Focalización de proteínas

La segmentación de proteínas o la clasificación de proteínas es el mecanismo biológico por el cual las proteínas son transportadas a sus destinos apropiados dentro o fuera de la célula. ^{[1] [2] [nota 1]} Las proteínas pueden ser dirigidas al espacio interior de un orgánulo , diferentes membranas intracelulares , la membrana plasmática o al exterior de la célula a través de la secreción . ^{[1] [2]} La información contenida en la proteína misma dirige este proceso de entrega. ^{[2] [3]} La clasificación correcta es crucial para la célula; los errores o disfunciones en la clasificación se han relacionado con múltiples enfermedades. ^{[2] [4] [5]}

En 1970, Günter Blobel realizó experimentos sobre la translocación de proteínas a través de membranas . Blobel, entonces profesor asistente en la Universidad Rockefeller , se basó en el trabajo de su colega George Palade . ^[6] Palade había demostrado previamente que las proteínas no secretadas eran traducidas por ribosomas libres en el citosol, mientras que las proteínas secretadas (y las proteínas diana, en general) eran traducidas por ribosomas unidos al retículo endoplasmático . ^[6] Las explicaciones candidatas en ese momento postulaban una diferencia de procesamiento entre los ribosomas libres y los unidos al RE, pero Blobel planteó la hipótesis de que la orientación de las proteínas dependía de características inherentes a las proteínas, en lugar de una diferencia en los ribosomas. Apoyando su hipótesis, Blobel descubrió que muchas proteínas tienen una secuencia corta de aminoácidos en un extremo que funciona como un código postal que especifica un destino intracelular o extracelular. ^[3] Describió estas secuencias cortas (generalmente de 13 a 36 residuos de aminoácidos) ^[1] como péptidos señal o secuencias señal y recibió el Premio Nobel de Fisiología en 1999 por ello. ^[7]

Los péptidos señal actúan como señales de orientación, lo que permite que la maquinaria de transporte celular dirija las proteínas a ubicaciones intracelulares o extracelulares específicas. Si bien no se ha identificado una secuencia de consenso para los péptidos señal, muchos poseen una estructura tripartita característica: ^[1]

1. Una región hidrófila con carga positiva cerca del N-terminal.
2. Un lapso de 10 a 15 aminoácidos hidrófobos cerca de la mitad del péptido señal.
3. Una región ligeramente polar cerca del extremo C, que generalmente favorece a los aminoácidos con cadenas laterales más pequeñas en posiciones cercanas al sitio de escisión.

Una vez que una proteína ha llegado a su destino, el péptido señal generalmente es escindido por una peptidasa señal . ^[1] En consecuencia, la mayoría de las proteínas maduras no contienen péptidos señal. Si bien la mayoría de los péptidos señal se encuentran en el extremo N, en los peroxisomas la secuencia de orientación se encuentra en la extensión C-terminal. ^[8] A diferencia de los péptidos señal, los parches señal están compuestos por residuos de aminoácidos que son discontinuos en la secuencia primaria pero se vuelven funcionales cuando el plegamiento los une en la superficie de la proteína. ^[9] A diferencia de la mayoría de las secuencias señal, los parches señal no se escinden una vez que se completa la clasificación. ^[10] Además de las secuencias de señalización intrínsecas, las modificaciones de proteínas como la glicosilación también pueden inducir la orientación a regiones intracelulares o extracelulares específicas.

Dado que la traducción del ARNm en proteína por un ribosoma tiene lugar dentro del citosol , las proteínas destinadas a la secreción o a un orgánulo específico deben ser translocadas. ^[11] Este proceso puede ocurrir durante la traducción, conocido como translocación co-traduccional, o después de que se complete la traducción, conocido como translocación postraduccional. ^[12]

La mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana se translocan cotraduccionalmente. Las proteínas que residen en el retículo endoplasmático (RE), el aparato de Golgi o los endosomas también utilizan la vía de translocación cotraduccional. Este proceso comienza mientras la proteína se sintetiza en el ribosoma, cuando una partícula de reconocimiento de señal (SRP) reconoce un péptido señal N-terminal de la proteína naciente. ^[13] La unión de la SRP detiene temporalmente la síntesis mientras el complejo ribosoma-proteína se transfiere a un receptor de SRP en el RE en eucariotas y la membrana plasmática en procariotas . ^[14] Allí, la proteína naciente se inserta en el translocón , un canal conductor de proteínas unido a la membrana compuesto por el complejo de translocación Sec61 en eucariotas y el complejo homólogo SecYEG en procariotas. ^[15] En las proteínas secretoras y las proteínas transmembrana de tipo I , la secuencia señal se escinde inmediatamente del polipéptido naciente una vez que ha sido translocado a la membrana del RE (eucariotas) o la membrana plasmática (procariotas) por la peptidasa señal . La secuencia señal de las proteínas de membrana de tipo II y algunas proteínas de membrana politópicas no se escinden y, por lo tanto, se las conoce como secuencias de anclaje de señal. Dentro del RE, la proteína primero se cubre con una proteína chaperona para protegerla de la alta concentración de otras proteínas en el RE, lo que le da tiempo para plegarse correctamente. ^{[ cita requerida ]} Una vez plegada, la proteína se modifica según sea necesario (por ejemplo, por glicosilación ), luego se transporta al Golgi para su posterior procesamiento y va a sus orgánulos objetivo o se retiene en el RE mediante varios mecanismos de retención del RE .

La cadena de aminoácidos de las proteínas transmembrana , que a menudo son receptores transmembrana , pasa a través de una membrana una o varias veces. Estas proteínas se insertan en la membrana por translocación, hasta que el proceso se interrumpe por una secuencia de detención de transferencia, también llamada ancla de membrana o secuencia de señal-anclaje. ^[16] Estas proteínas de membrana complejas se caracterizan actualmente utilizando el mismo modelo de orientación que se ha desarrollado para las proteínas secretoras. Sin embargo, muchas proteínas multitransmembrana complejas contienen aspectos estructurales que no encajan en este modelo. Siete receptores acoplados a proteína G transmembrana (que representan alrededor del 5% de los genes en humanos) en su mayoría no tienen una secuencia de señal amino-terminal. A diferencia de las proteínas secretoras, el primer dominio transmembrana actúa como la primera secuencia de señal, que las dirige a la membrana del RE. Esto también da como resultado la translocación del extremo amino de la proteína hacia el lumen de la membrana del RE. Esta translocación, que se ha demostrado con la opsina en experimentos in vitro, ^{[17] [18]} rompe el patrón habitual de translocación "co-traduccional" que siempre se ha mantenido para las proteínas de mamíferos dirigidas al RE. Aún queda por dilucidar gran parte de la mecánica de la topología y el plegamiento transmembrana.

Aunque la mayoría de las proteínas secretoras se translocan cotraduccionalmente, algunas se traducen en el citosol y luego se transportan al RE/membrana plasmática mediante un sistema postraduccional. En los procariotas, este proceso requiere ciertos cofactores como SecA y SecB y es facilitado por Sec62 y Sec63, dos proteínas unidas a la membrana. ^[19] El complejo Sec63, que está incrustado en la membrana del RE, provoca la hidrólisis del ATP, lo que permite que las proteínas chaperonas se unan a una cadena peptídica expuesta y deslicen el polipéptido hacia el lumen del RE. Una vez en el lumen, la cadena polipeptídica se puede plegar correctamente. Este proceso solo ocurre en proteínas desplegadas ubicadas en el citosol. ^[20]

Además, las proteínas dirigidas a otros destinos celulares, como las mitocondrias , los cloroplastos o los peroxisomas , utilizan vías postraduccionales especializadas. Las proteínas dirigidas al núcleo también se translocan postraduccionalmente mediante la adición de una señal de localización nuclear (NLS) que promueve el paso a través de la envoltura nuclear a través de los poros nucleares . ^[21]

Si bien algunas proteínas en las mitocondrias se originan a partir del ADN mitocondrial dentro del orgánulo, la mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan como precursores citosólicos que contienen señales de péptidos de captación . ^{[22] [23] [24] [25]} Las proteínas desplegadas unidas por la chaperona citosólica hsp70 que se dirigen a las mitocondrias pueden localizarse en cuatro áreas diferentes según sus secuencias. ^{[2] [25] [26]} Pueden dirigirse a la matriz mitocondrial , la membrana externa, el espacio intermembrana o la membrana interna. Los defectos en uno o más de estos procesos se han relacionado con la salud y la enfermedad. ^[27]

Las proteínas destinadas a la matriz mitocondrial tienen secuencias señal específicas en su inicio (extremo N) que consisten en una cadena de 20 a 50 aminoácidos. Estas secuencias están diseñadas para interactuar con receptores que guían a las proteínas a su ubicación correcta dentro de las mitocondrias. Las secuencias tienen una estructura única con grupos de aminoácidos amantes del agua (hidrófilos) y que evitan el agua (hidrófobos), lo que les da una naturaleza dual conocida como anfipática. Estas secuencias anfipáticas típicamente forman una forma espiral (hélice alfa) con los aminoácidos cargados en un lado y los hidrófobos en el lado opuesto. Esta característica estructural es esencial para que la secuencia funcione correctamente al dirigir las proteínas a la matriz. Si ocurren mutaciones que alteren esta naturaleza dual, la proteína a menudo no logra llegar a su destino previsto, aunque no todos los cambios en la secuencia tienen este efecto. Esto indica la importancia de la propiedad anfipática para que la proteína se dirija correctamente a la matriz mitocondrial. ^[28]

Las proteínas dirigidas a la matriz mitocondrial primero implican interacciones entre la secuencia de orientación de la matriz ubicada en el extremo N y el complejo receptor de importación de la membrana externa TOM20/22. ^{[2] [23] [29]} Además del acoplamiento de secuencias internas y chaperonas citosólicas a TOM70. ^{[2] [23] [29]} Donde TOM es una abreviatura de translocasa de la membrana externa. La unión de la secuencia de orientación de la matriz al receptor de importación desencadena una transferencia del polipéptido al núcleo de importación general (GIP) conocido como TOM40. ^{[2] [23] [29]} El núcleo de importación general (TOM40) luego alimenta la cadena polipeptídica a través del espacio intermembrana y hacia otro complejo de translocasa TIM17/23/44 ubicado en la membrana mitocondrial interna. ^{[2] [24] [25] [30]} Esto va acompañado de la liberación necesaria de las chaperonas citosólicas que mantienen un estado desplegado antes de entrar en las mitocondrias. A medida que el polipéptido entra en la matriz, la secuencia señal es escindida por una peptidasa de procesamiento y las secuencias restantes son unidas por chaperonas mitocondriales para esperar el plegado y la actividad adecuados. ^{[25] [26]} El empuje y atracción del polipéptido desde el citosol hasta el espacio intermembrana y luego la matriz se logra mediante un gradiente electroquímico que es establecido por la mitocondria durante la fosforilación oxidativa . ^{[1] [24] [25] [26]} En el que una mitocondria activa en el metabolismo ha generado un potencial negativo dentro de la matriz y un potencial positivo en el espacio intermembrana. ^{[25] [31]} Es este potencial negativo dentro de la matriz el que dirige las regiones cargadas positivamente de la secuencia objetivo a su ubicación deseada.

La orientación de las proteínas mitocondriales hacia la membrana interna puede seguir 3 vías diferentes dependiendo de sus secuencias generales, sin embargo, la entrada desde la membrana externa sigue siendo la misma utilizando el complejo receptor de importación TOM20/22 y el núcleo de importación general TOM40. ^{[2] [24]} La primera vía para las proteínas dirigidas a la membrana interna sigue los mismos pasos que las designadas a la matriz donde contiene una secuencia de orientación a la matriz que canaliza el polipéptido al complejo de membrana interna que contiene el complejo de translocasa TIM17/23/44 mencionado anteriormente. ^{[2] [24] [25]} Sin embargo, la diferencia es que los péptidos que están designados a la membrana interna y no a la matriz contienen una secuencia ascendente llamada secuencia de parada-transferencia-anclaje. ^[2] Esta secuencia de parada-transferencia-anclaje es una región hidrofóbica que se incrusta en la bicapa de fosfolípidos de la membrana interna y evita la translocación más hacia la mitocondria. ^{[24] [25]} La segunda vía para las proteínas dirigidas a la membrana interna sigue la vía de localización de la matriz en su totalidad. Sin embargo, en lugar de una secuencia de parada-transferencia-anclaje, contiene otra secuencia que interactúa con una proteína de membrana interna llamada Oxa-1 una vez dentro de la matriz que la incrustará en la membrana interna. ^{[2] [24] [25]} La tercera vía para las proteínas mitocondriales dirigidas a la membrana interna sigue la misma entrada que las otras en la membrana externa, sin embargo, esta vía utiliza el complejo de translocasa TIM22/54 asistido por el complejo TIM9/10 en el espacio intermembrana para anclar el péptido entrante en la membrana. ^{[2] [24] [25]} Los péptidos para esta última vía no contienen una secuencia de orientación a la matriz, sino que contienen varias secuencias de orientación interna.

Si, en cambio, la proteína precursora se designa al espacio intermembrana de la mitocondria, existen dos vías por las que esto puede ocurrir dependiendo de las secuencias que se reconozcan. La primera vía hacia el espacio intermembrana sigue los mismos pasos que una proteína dirigida a la membrana interna. Sin embargo, una vez unida a la membrana interna, el extremo C de la proteína anclada se escinde a través de una peptidasa que libera la preproteína en el espacio intermembrana para que pueda plegarse a su estado activo. ^{[2] [25]} Uno de los mejores ejemplos de una proteína que sigue esta vía es el citocromo b2 , que al escindirse interactuará con un cofactor hemo y se activará. ^{[2] [32]} La segunda vía del espacio intermembrana no utiliza ningún complejo de membrana interna y, por lo tanto, no contiene una señal de orientación a la matriz. En cambio, ingresa a través del núcleo de importación general TOM40 y se modifica aún más en el espacio intermembrana para lograr su conformación activa. TIM9/10 es un ejemplo de una proteína que sigue esta vía para estar en la ubicación que necesita para ayudar en la orientación a la membrana interna. ^{[2] [25] [33]}

La orientación a la membrana externa simplemente implica la interacción de las proteínas precursoras con los complejos de translocasa de la membrana externa que la incrustan en la membrana a través de secuencias de orientación interna que deben formar hélices alfa hidrófobas o barriles beta que abarcan la bicapa de fosfolípidos. ^{[2] [24] [25]} Esto puede ocurrir por dos rutas diferentes dependiendo de las secuencias internas de la preproteína. Si la preproteína contiene regiones hidrófobas internas capaces de formar hélices alfa, entonces la preproteína utilizará el complejo de importación mitocondrial (MIM) y se transferirá lateralmente a la membrana. ^{[24] [25]} Para las preproteínas que contienen secuencias internas hidrófobas que se correlacionan con las proteínas formadoras de barriles beta, se importarán desde el complejo de membrana externa mencionado anteriormente TOM20/22 al espacio intermembrana. En el que interactuarán con el complejo proteico del espacio intermembrana TIM9/10 que los transfiere a la maquinaria de clasificación y ensamblaje (SAM) que está presente en la membrana externa y que desplaza lateralmente la proteína objetivo como un barril beta. ^{[24] [25]}

Los cloroplastos son similares a las mitocondrias en que contienen su propio ADN para la producción de algunos de sus componentes. Sin embargo, la mayoría de sus proteínas se obtienen a través de translocación postraduccional y surgen de genes nucleares. Las proteínas pueden dirigirse a varios sitios del cloroplasto dependiendo de sus secuencias, como la envoltura externa, la envoltura interna, el estroma, el lumen del tilacoide o la membrana del tilacoide. ^[2] Las proteínas se dirigen a los tilacoides mediante mecanismos relacionados con la translocación de proteínas bacterianas. ^[28] Las proteínas dirigidas a la envoltura de los cloroplastos generalmente carecen de una secuencia de clasificación escindible y se desplazan lateralmente a través de complejos de clasificación de membrana. La importación general de la mayoría de las preproteínas requiere la translocación desde el citosol a través de los complejos Toc y Tic ubicados dentro de la envoltura del cloroplasto. Donde Toc es una abreviatura de la translocasa de la envoltura externa del cloroplasto y Tic es la translocasa de la envoltura interna del cloroplasto. Hay un mínimo de tres proteínas que componen la función del complejo Toc. Dos de ellas, denominadas Toc159 y Toc34, son responsables del acoplamiento de las secuencias de importación del estroma y ambas contienen actividad GTPasa . La tercera, conocida como Toc 75, es el canal de translocación real que alimenta la preproteína reconocida por Toc159/34 al cloroplasto. ^[34]

Para dirigirse al estroma, la preproteína debe tener una secuencia de importación estromal que sea reconocida por el complejo Tic de la envoltura interna al ser translocada desde la envoltura externa por el complejo Toc. El complejo Tic está compuesto por al menos cinco proteínas Tic diferentes que son necesarias para formar el canal de translocación a través de la envoltura interna. ^[35] Al ser entregada al estroma, la secuencia de importación estromal se escinde a través de una peptidasa señal. Actualmente se sabe que este proceso de entrega al estroma es impulsado por la hidrólisis de ATP a través de chaperonas HSP estromales , en lugar del gradiente electroquímico transmembrana que se establece en las mitocondrias para impulsar la importación de proteínas. ^[34] Una mayor clasificación intracloroplasto depende de secuencias objetivo adicionales, como las designadas para la membrana tilacoide o el lumen tilacoide .

Si se desea que una proteína llegue al lumen del tilacoide, esto puede ocurrir a través de cuatro rutas conocidas diferentes que se parecen mucho a los mecanismos de transporte de proteínas bacterianas. La ruta que se toma depende de que la proteína que se entrega al estroma esté en un estado desplegado o plegado unido a un metal. Ambos contendrán una secuencia de destino del tilacoide que también se escinde al ingresar al lumen. Si bien la importación de proteínas al estroma está impulsada por ATP, se ha demostrado que la ruta para las proteínas unidas a un metal en un estado plegado hacia el lumen del tilacoide está impulsada por un gradiente de pH.

Las proteínas unidas a la membrana del tilacoide seguirán hasta cuatro rutas conocidas que se ilustran en la figura correspondiente que se muestra. Pueden seguir una ruta de inserción co-traduccional que utiliza ribosomas estromales y el complejo transmembrana SecY/E, la ruta dependiente de SRP, la ruta de inserción espontánea o la ruta GET. La última de las tres son rutas postraduccionales que se originan a partir de genes nucleares y, por lo tanto, constituyen la mayoría de las proteínas dirigidas a la membrana del tilacoide. Según artículos de revisión recientes en la revista de bioquímica y biología molecular, los mecanismos exactos aún no se comprenden por completo.

Se necesitan muchas proteínas tanto en las mitocondrias como en los cloroplastos . ^[36] En general, el péptido de doble diana es de carácter intermedio a los dos específicos. Los péptidos de diana de estas proteínas tienen un alto contenido de aminoácidos básicos e hidrófobos , un bajo contenido de aminoácidos cargados negativamente . Tienen un menor contenido de alanina y un mayor contenido de leucina y fenilalanina. Las proteínas de doble diana tienen un péptido de diana más hidrófobo que los mitocondriales y los cloroplastos. Sin embargo, es tedioso predecir si un péptido es de doble diana o no basándose en sus características fisicoquímicas .

El núcleo de una célula está rodeado por una envoltura nuclear que consta de dos capas, siendo la capa interna la que proporciona soporte estructural y anclaje para los cromosomas y la lámina nuclear. ^[16] La capa externa es similar a la membrana del retículo endoplasmático (RE). Esta envoltura contiene poros nucleares, que son estructuras complejas formadas por alrededor de 30 proteínas diferentes. ^[16] Estos poros actúan como puertas selectivas que controlan el flujo de moléculas dentro y fuera del núcleo.

Si bien las moléculas pequeñas pueden pasar a través de estos poros sin problemas, las moléculas más grandes, como el ARN y las proteínas destinadas al núcleo, deben tener señales específicas para poder pasar. ^[20] Estas señales se conocen como señales de localización nuclear y generalmente comprenden secuencias cortas ricas en aminoácidos con carga positiva como la lisina o la arginina. ^[16]

Las proteínas llamadas receptores de importación nuclear reconocen estas señales y guían las moléculas grandes a través de los poros nucleares interactuando con las proteínas desordenadas, en forma de malla, que llenan el poro. ^[16] El proceso es dinámico, ya que el receptor mueve la molécula a través de la malla hasta que llega al núcleo. ^[20]

Una vez dentro, una enzima GTPasa llamada Ran, que puede existir en dos formas diferentes (una unida a GTP y la otra a GDP), facilita la liberación de la carga dentro del núcleo y recicla el receptor de regreso al citosol. ^{[16] [20]} La energía para este transporte proviene de la hidrólisis de GTP por Ran. De manera similar, los receptores de exportación nuclear ayudan a mover proteínas y ARN fuera del núcleo utilizando una señal diferente y también aprovechando la conversión de energía de Ran. ^[16]

En general, el complejo de poros nucleares funciona de manera eficiente para transportar macromoléculas a alta velocidad, lo que permite que las proteínas se muevan en su estado plegado y los componentes ribosómicos como partículas completas, lo que es distinto de cómo se transportan las proteínas a la mayoría de los demás orgánulos. ^[16]

El retículo endoplasmático (RE) desempeña un papel fundamental en la síntesis y distribución de proteínas en las células eucariotas. Es una vasta red de membranas donde las proteínas se procesan y se clasifican para varios destinos, incluido el propio RE, la superficie celular y otros orgánulos como el aparato de Golgi, los endosomas y los lisosomas. ^[16] A diferencia de otras proteínas dirigidas a orgánulos, las que se dirigen al RE comienzan a transferirse a través de su membrana mientras aún se están produciendo. ^{[20] [16]}

Hay dos tipos de proteínas que se desplazan hacia el RE: las proteínas solubles en agua, que atraviesan completamente el lumen del RE, y las proteínas transmembrana, que atraviesan parcialmente la membrana del RE y se incrustan en ella. ^[20] Estas proteínas encuentran su camino hacia el RE con la ayuda de una secuencia señal del RE, un tramo corto de aminoácidos hidrófobos. ^[16]

Las proteínas que entran en el RE son sintetizadas por los ribosomas. Hay dos grupos de ribosomas en la célula: los que están unidos al RE (lo que le da un aspecto "rugoso") y los que flotan libremente en el citosol. Ambos grupos son idénticos, pero difieren en las proteínas que sintetizan en un momento dado. ^{[16] [20]} Los ribosomas que están produciendo proteínas con una secuencia señal del RE se unen a la membrana del RE y comienzan el proceso de translocación. Este proceso es energéticamente eficiente porque la propia cadena de proteínas en crecimiento empuja a través de la membrana del RE a medida que se alarga. ^[16]

A medida que el ARNm se traduce en una proteína, múltiples ribosomas pueden unirse a él, creando una estructura llamada polirribosoma. ^[16] Si el ARNm está codificando una proteína con una secuencia señal del RE, el polirribosoma se adhiere a la membrana del RE y la proteína comienza a ingresar al RE mientras aún se está sintetizando. ^{[20] [16]}

En el proceso de síntesis de proteínas dentro de las células eucariotas, las proteínas solubles destinadas al retículo endoplasmático (RE) o para su secreción fuera de la célula son guiadas al RE por un sistema de dos partes. En primer lugar, una partícula de reconocimiento de señales (SRP) en el citosol se une a la secuencia de señal del RE de la proteína emergente y al propio ribosoma. ^[16] En segundo lugar, un receptor de SRP ubicado en la membrana del RE reconoce y se une a la SRP. Esta interacción ralentiza temporalmente la síntesis de proteínas hasta que el complejo de SRP y ribs se une al receptor de SRP en el RE. ^{[16] [20]}

Una vez que se produce esta unión, se libera el SRP y el ribosoma se transfiere a un translocador de proteínas en la membrana del RE, lo que permite que continúe la síntesis de proteínas. ^{[16] [20]} La cadena polipeptídica de la proteína se enhebra a través de un canal en el translocador hacia el lumen del RE. La secuencia señal de la proteína, normalmente al principio (extremo N) de la cadena polipeptídica, desempeña una doble función. No solo dirige el ribosoma hacia el RE, sino que también desencadena la apertura del translocador. ^[16] A medida que la proteína pasa por el translocador, la secuencia señal permanece unida, lo que permite que el resto de la proteína se mueva a través de un bucle. Luego, una peptidasa señal dentro del RE corta la secuencia señal, que posteriormente se descarta en la bicapa lipídica de la membrana del RE y se descompone. ^{[16] [20]}

Finalmente, una vez que la última parte de la proteína (el extremo C) pasa a través del translocador, toda la proteína soluble se libera en el lumen del RE, donde puede luego plegarse y sufrir modificaciones adicionales o ser transportada a su destino final. ^{[16] [20]}

Las proteínas transmembrana, que se integran parcialmente en la membrana del RE en lugar de liberarse en el lumen del RE, tienen un proceso de ensamblaje complejo. ^{[16] [20]} Las etapas iniciales son similares a las de las proteínas solubles: una secuencia de señal inicia la inserción en la membrana del RE. Sin embargo, este proceso se interrumpe por una secuencia de detención de transferencia (una cadena de aminoácidos hidrofóbicos) que hace que el translocador se detenga y libere la proteína lateralmente en la membrana. ^{[16] [20]} Esto da como resultado una proteína transmembrana de un solo paso con un extremo dentro del lumen del RE y el otro en el citosol, y esta orientación es permanente. ^[16]

Algunas proteínas transmembrana utilizan una señal interna (secuencia de inicio de transferencia) en lugar de una en el extremo N, y a diferencia de la secuencia de señal inicial, esta secuencia de inicio de transferencia no se elimina. ^{[16] [20]} Comienza el proceso de transferencia, que continúa hasta que se encuentra una secuencia de detención de transferencia, momento en el que ambas secuencias se anclan en la membrana como segmentos alfa-helicoidales. ^[16]

En el caso de proteínas más complejas que atraviesan la membrana varias veces, se utilizan pares adicionales de secuencias de transferencia de inicio y detención para tejer la proteína en la membrana de un modo similar a una máquina de coser. Cada par permite que un nuevo segmento cruce la membrana y se sume a la estructura de la proteína, lo que garantiza que se integre correctamente con la disposición correcta de los segmentos dentro y fuera de la membrana del RE. ^[16]

Los peroxisomas contienen una única bicapa de fosfolípidos que rodea la matriz peroxisomal que contiene una amplia variedad de proteínas y enzimas que participan en el anabolismo y el catabolismo. Los peroxisomas son orgánulos celulares especializados que llevan a cabo reacciones oxidativas específicas utilizando oxígeno molecular. Su función principal es eliminar átomos de hidrógeno de las moléculas orgánicas, un proceso que da como resultado la producción de peróxido de hidrógeno ( H ₂ O ₂ ). ^{[37] [20]} Dentro de los peroxisomas, una enzima llamada catalasa juega un papel fundamental. Utiliza el peróxido de hidrógeno generado en la reacción anterior para oxidar varias otras sustancias, incluidos fenoles , ácido fórmico , formaldehído y alcohol. ^{[37] [20]} Esto se conoce como la reacción "peroxidativa". ^[20]

Los peroxisomas son particularmente importantes en las células del hígado y los riñones para desintoxicar las sustancias nocivas que entran en el torrente sanguíneo. Por ejemplo, son responsables de oxidar alrededor del 25% del etanol que consumimos en acetaldehído . ^[37] Además, la catalasa dentro de los peroxisomas puede descomponer el exceso de peróxido de hidrógeno en agua y oxígeno y, por lo tanto, evitar posibles daños por la acumulación de H ₂ O ₂ . ^{[37] [20]} Dado que no contiene ADN interno como el de las mitocondrias o el cloroplasto, todas las proteínas peroxisomales están codificadas por genes nucleares. ^[38] Hasta la fecha, existen dos tipos de señales de orientación de peroxisomas (PTS):

1. Señal de orientación al peroxisoma 1 (PTS1) : un tripéptido C-terminal con una secuencia de consenso (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). El PTS1 más común es serina - lisina - leucina (SKL). ^[37] La ​​investigación inicial que condujo al descubrimiento de este consenso observó que cuando la luciferasa de luciérnaga se expresaba en células de insectos cultivadas, se dirigía al peroxisoma. Al probar una variedad de mutaciones en el gen que codifica la luciferasa expresada , se determinó la secuencia de consenso. ^[39] También se ha descubierto que al agregar esta secuencia C-terminal de SKL a una proteína citosólica, se convierte en el objetivo para el transporte al peroxisoma. La mayoría de las proteínas de la matriz peroxisomal poseen esta señal de tipo PTS1.
2. Señal de orientación del peroxisoma 2 (PTS2) : un nonapéptido ubicado cerca del extremo N con una secuencia de consenso (R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-(L/A/F) (donde X puede ser cualquier aminoácido). ^[37]

También existen proteínas que no poseen ninguna de estas señales. Su transporte puede basarse en un mecanismo denominado "piggy-back": dichas proteínas se asocian con proteínas de la matriz que poseen PTS1 y se translocan a la matriz peroxisomal junto con ellas. ^[40]

En el caso de las proteínas citosólicas que se producen con la secuencia C-terminal de PTS1, su camino a la matriz peroxisomal depende de la unión a otra proteína citosólica llamada pex5 (peroxina 5). ^[41] Una vez unida, pex5 interactúa con una proteína de membrana peroxisomal pex14 para formar un complejo. Cuando la proteína pex5 con carga unida interactúa con la proteína de membrana pex14, el complejo induce la liberación de la proteína objetivo en la matriz. Al liberar la proteína de carga en la matriz, la disociación de pex5 de pex14 ocurre a través de la ubiquitinilación por un complejo de membrana que comprende pex2, pex12 y pex10 seguido de una eliminación dependiente de ATP que involucra el complejo de proteína citosólica pex1 y pex6 . ^[42] El ciclo para la importación mediada por pex5 en la matriz peroxisomal se restaura después de la eliminación dependiente de ATP de la ubiquitina y es libre de unirse con otra proteína que contiene una secuencia PTS1. ^[41] Las proteínas que contienen una secuencia dirigida a PTS2 están mediadas por una proteína citosólica diferente, pero se cree que siguen un mecanismo similar al de las que contienen la secuencia PTS1. ^[37]

El transporte de proteínas es defectuoso en las siguientes enfermedades genéticas:

• Síndrome de Mohr-Tranebjaerg ^[30]
• Síndrome de Zellweger ^[37]
• Adrenoleucodistrofia (ALD).
• Enfermedad de Refsum
• Enfermedad de Parkinson ^[43]
• Hipercolesterolemia , aterosclerosis , obesidad y diabetes ^[4]

Como se ha comentado anteriormente (véase translocación de proteínas), la mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana de los procariotas se dirigen a la membrana plasmática mediante una vía de cotraducción que utiliza SRP bacteriano o una vía postraduccional que requiere SecA y SecB. En la membrana plasmática, estas dos vías llevan proteínas al translocón SecYEG para su translocación. Las bacterias pueden tener una sola membrana plasmática ( bacterias grampositivas ) o una membrana interna más una membrana externa separadas por el periplasma ( bacterias gramnegativas ). Además de la membrana plasmática, la mayoría de los procariotas carecen de orgánulos unidos a la membrana como los que se encuentran en los eucariotas, pero pueden ensamblar proteínas en varios tipos de inclusiones, como vesículas de gas y gránulos de almacenamiento.

En las bacterias gramnegativas, las proteínas pueden incorporarse a la membrana plasmática, la membrana externa, el periplasma o secretarse al medio ambiente. Los sistemas de secreción de proteínas a través de la membrana externa bacteriana pueden ser bastante complejos y desempeñar papeles clave en la patogénesis. Estos sistemas pueden describirse como secreción de tipo I, secreción de tipo II, etc.

En la mayoría de las bacterias grampositivas, ciertas proteínas son seleccionadas para su exportación a través de la membrana plasmática y posterior unión covalente a la pared celular bacteriana. Una enzima especializada, sortasa , escinde la proteína objetivo en un sitio de reconocimiento característico cerca del extremo C de la proteína, como un motivo LPXTG (donde X puede ser cualquier aminoácido), luego transfiere la proteína a la pared celular. Se encuentran varios sistemas análogos que también presentan un motivo característico en la cara extracitoplasmática, un dominio transmembrana C-terminal y un grupo de residuos básicos en la cara citosólica en el extremo C-terminal de la proteína. El sistema PEP-CTERM/ exosortasa , que se encuentra en muchas bacterias gramnegativas, parece estar relacionado con la producción de sustancias poliméricas extracelulares . El sistema PGF-CTERM/arqueosortasa A en las arqueas está relacionado con la producción de la capa S. El sistema GlyGly-CTERM/rhombosortase, que se encuentra en Shewanella, Vibrio y algunos otros géneros, parece estar involucrado en la liberación de proteasas, nucleasas y otras enzimas.

• Minimotif Miner es una herramienta bioinformática que busca consultas de secuencias de proteínas en busca de motivos de secuencia de destino de proteínas conocidos.
• Phobius predice péptidos señal basándose en una secuencia primaria proporcionada.
• SignalP predice los sitios de escisión del péptido señal.
• LOCtree Archivado el 21 de diciembre de 2021 en Wayback Machine predice la localización subcelular de proteínas.

• Flujo masivo
• COPI
• COPIA II
• Clatrina
• Base de datos de localización
• Base de datos PSORT
• Péptido señal

• Protein+Transport en los encabezados de temas médicos (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.