La familia de canales de iones de gran conductividad mecanosensible (MscL) ( TC # 1.A.22 ) consiste en proteínas de membrana formadoras de poros que son responsables de traducir las fuerzas físicas aplicadas a las membranas celulares en actividades electrofisiológicas . MscL tiene una conductancia relativamente grande, 3 nS , lo que lo hace permeable a iones, agua y proteínas pequeñas cuando se abre. [1] MscL actúa como válvula de liberación osmótica activada por estiramiento en respuesta al choque osmótico . [2]
MscL | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
Símbolo | MscL | |||||||
Pfam | PF01741 | |||||||
InterPro | IPR001185 | |||||||
PROSITE | PDOC01030 | |||||||
SCOP2 | 1msl / SCOPe / SUPFAM | |||||||
TCDB | 1.A.22 | |||||||
Superfamilia OPM | 12 | |||||||
Proteína OPM | 2oar | |||||||
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Historia
MscL se descubrió por primera vez en la superficie de esferoplastos gigantes de Escherichia coli utilizando la técnica de pinza de parche . [3] Posteriormente, en 1994 se clonó el gen MscL (Ec-MscL) de Escherichia coli . [4] Tras la clonación de MscL, se obtuvo la estructura cristalina de Mycobacterium tuberculosis MscL (Tb-MscL) en su conformación cerrada. [5] Además, la estructura cristalina de Staphylococcus aureus MscL (Sa-MscL) y Ec-MscL se ha determinado mediante cristalografía de rayos X y modelo molecular, respectivamente. [6] [7] Sin embargo, algunas pruebas sugieren que la estructura de Sa-MscL no es fisiológica y se debe al detergente utilizado en la cristalización. [8] [9]
Estructura
Al igual que otros canales iónicos , los MscL se organizan como oligómeros simétricos con la vía de permeación formada por el empaquetamiento de subunidades alrededor del eje de simetría rotacional. A diferencia de MscS, que es heptamérica, MscL probablemente sea pentamérica; aunque el Sa-MscL parece ser un tetrámero en una estructura cristalina, [1] [10] esto puede ser un artefacto. [8] [9] MscL contiene dos hélices transmembrana que están empaquetadas en una topología vecina arriba-abajo / más cercana. La vía de permeación de la MscL tiene aproximadamente forma de embudo, con una abertura más grande hacia la superficie periplásmica de la membrana y el punto más estrecho cerca del citoplasma . En el punto más estrecho, el poro está constreñido por las cadenas laterales de residuos relacionados con la simetría en Ec-MscL: Leu 19 y Val 23. [1] El diámetro de poro de MscL en estado abierto se ha estimado en ~ 3 nm, que acomoda el paso de proteínas pequeñas hasta 9 kD . [1]
Ec-MscL consta de cinco subunidades idénticas, cada una de 136 aminoácidos de longitud. Cada subunidad cruza la membrana dos veces a través de segmentos transmembrana alfa helicoidales , M1 y M2, que están interconectados por un bucle extracelular. [2] Forma un canal homopentamérico con diez llaves transmembrana. [11] [12] [13] Combinando el modelo molecular Ec-MscL y la estructura cristalina de Tb-MscL, está claro que las hélices M1 en el núcleo del haz transmembrana constituyen la puerta principal del canal mecanosensible. Los residuos de glicina colocados regularmente en los segmentos M1 permiten el empaquetamiento apretado de las cinco hélices centrales, formando una estrecha constricción hidrófoba (~ 4 Å) . Las hélices M2 hidrofóbicas en la periferia del cilindro MscL se enfrentan a la bicapa lipídica. [2] Es importante tener en cuenta que las hélices M1 y M2 de la misma subunidad no están conectadas; en cambio, la hélice M1 de una subunidad hace un estrecho contacto con la hélice M2 de la subunidad adyacente. Con interacciones adicionales a través de un puente de sal en Ec-MscL, todo el complejo se asegura junto. [2]
Los dominios S1 N-terminales de Tb-MscL no se resolvieron en la estructura cristalina, solo se infirieron como hélices α cortas agrupadas para formar una puerta citoplasmática adicional; [7] sin embargo, experimentos posteriores de reticulación de cisteína apoyaron esta configuración propuesta. [14] Se ha demostrado que el segmento S1 se puede mutar en gran medida sin un fuerte efecto perjudicial sobre la función del canal. [15]
Tanto Ec-MscL como Tb-MscL se han sintetizado químicamente y reconstituido en membranas vesiculares. Las grabaciones de un solo canal de estas MscL mostraron una conductancia y una dependencia de la presión similares a las de las MscL de tipo salvaje correspondientes. [dieciséis]
Papel biológico
Los impactos físicos o las vibraciones, aunque cruciales para los animales, tienen poco efecto sobre microbios como E. coli . En comparación, la fuerza osmótica afecta en gran medida a las células o microbios individuales dentro de su entorno acuático. Cuando las bacterias están bajo descarga osmótica , que es durante la transición de medios de alta osmolaridad a baja, la entrada de agua da lugar a un aumento sustancial de la presión de turgencia , que es capaz de reventar la envoltura celular. Los canales mecanosensibles son vías importantes para la liberación de solutos citoplasmáticos para lograr una rápida reducción de la presión de turgencia, evitando así la lisis . Los experimentos de alteración genética confirmaron que los canales MscL o MscS pueden rescatar bacterias de un fuerte choque osmótico, mientras que un doble knockout de ambos canales conduce a la lisis. [2]
El papel de MscL como mecanismo de defensa contra choques osmóticos indica su importancia evolutiva incluso durante la fase temprana de la historia biológica. Junto con MscS , MscL, o sus homólogos, se ha encontrado en bacterias , arqueas , hongos y plantas superiores, pero no en animales. [17] [18] Aunque los canales mecanosensibles bacterianos y arqueales difieren en propiedades conductoras y mecanosensibles, comparten mecanismos de activación similares desencadenados por la fuerza mecánica transmitida a través de la bicapa lipídica. [17] Aunque MscL y MscS comparten un dominio transmembrana y un dominio citoplásmico similares, las disposiciones generales de los pliegues polipeptídicos en estos canales de MS son distintas, lo que indica que no comparten un ancestro evolutivo común. [1]
Mecanismos
Los canales mecanosensibles bacterianos, MscL y MscS, reflejan un acoplamiento íntimo de la conformación de la proteína con la mecánica de la membrana circundante. La membrana sirve como un sensor adaptable que responde a una entrada de fuerza aplicada y la convierte en una señal de salida. La célula puede explotar esta información de varias formas: asegurando la viabilidad celular en presencia de estrés osmótico y quizás sirviendo también como un transductor de señal para la tensión de la membrana. [1]
Los estudios han demostrado que el poro MscL se expande hasta ~ 30Å de diámetro cuando se cierra, con un cambio de 15-16Å al abrirse, que es el mayor cambio conformacional conocido en las proteínas del canal. [19] Este gran cambio explica la apertura del poro de 30 Å de diámetro, lo que resulta en una expansión de proteína en el plano de 20 nm 2 . Tal transformación es responsable de la conductancia unitaria de 3nS de MscL y la falta de selectividad del canal, lo que permite cualquier partícula con un peso molecular menor que ~ 1000. Esta propiedad de MscL cumple su función como válvula de emergencia para liberar solutos bajo choque osmótico. [18]
Se han propuesto dos modelos para explicar el mecanismo de activación de los canales de MS: mecanismo mediado por membrana y mecanismo de trampilla. El mecanismo de la trampilla es responsable de la apertura de canales iónicos en las células ciliadas . Sin embargo, ahora hay más evidencia que indica que la activación de MscL específicamente está moderada por el mecanismo mediado por la membrana, que se basa en cambios en el grosor o la curvatura de la membrana que pueden alterar el equilibrio energético de las proteínas incrustadas. Esto está respaldado por las observaciones de que las variaciones en el grosor de la bicapa de fosfolípidos o la adición de compuestos que inducen la curvatura espontánea de la membrana impactan directamente en la tensión requerida para abrir MscL. [20]
El análisis del perfil de presión lateral en la bicapa lipídica mostró que la región de interfaz entre los grupos de hidrocarburos y cabeza polar produce alta tensión. Por lo tanto, cuando se estira la membrana, MscL experimentará un tirón principalmente concentrado en las regiones interfaciales. [2] Las mutaciones que afectan las interacciones proteína-lípido cerca de las interfaces dan como resultado fenotipos con pérdida de función. [15] [21]
La tensión aplicada a los bordes interior y exterior del canal por la bicapa lipídica inclina las hélices transmembrana de MscL (las inclinaciones de las hélices M1 cambian en 35-34 o durante la transición), provocando una expansión gradual similar al iris y un aplanamiento de el cañón MscL. [22] Como resultado, la extensión transmembrana de las hélices M2 se reduce, tirando de los bucles periplásmicos hacia la membrana para alinear la entrada extracelular al poro, estableciendo un diámetro de poro de ~ 3 nm. [22] Junto con esta transición similar al iris, el poro ahora está revestido principalmente por facetas polares de hélices M1, en lugar de la constricción hidrófoba durante el estado cerrado. Una vez que el poro está hidratado, el cilindro MscL ejerce más fuerza sobre los conectores S1-M1, separando el paquete S1 y abriendo completamente el canal. [2]
Anteriormente se creía que Ec-MscS exhibe un comportamiento adaptativo complejo, mientras que Ec-MscL no lo hace. Un estudio reciente mostró que tanto Ec-MscS como Ec-MscL son capaces de un comportamiento adaptativo bajo estímulos de presión constante en un parche de membrana extirpado; sin embargo, ambos canales mecanosensibles pierden la capacidad adaptativa en los registros de células completas, lo que indica que el comportamiento adaptativo previamente conocido de Ec-MscS está relacionado con la relajación de tensión de la membrana en lugar de la estructura del canal específico. [23] Este resultado enfatiza aún más la importancia de la interacción proteína-membrana para los canales mecanosensibles.
Reacción de transporte
Las reacciones de transporte generalizadas son:
- (a) proteínas (adentro) → proteínas (afuera)
- (b) iones (hacia fuera) ⇌ iones (hacia adentro)
- (c) osmolitos (entrada) ⇌ osmolitos (salida)
Ver también
- Canales iónicos activados por lípidos
- Canal mecanosensible de pequeña conductancia
- Canales mecanosensibles
- Canal de iones mecanosensible
- Canal de iones
Referencias
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enlaces externos
- Maestría en Pfam
- Orientación UMich de proteínas en membranas protein / pdbid-2oar
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