- Este artículo trata sobre la selección de proteínas en eucariotas, excepto donde se indique.
El direccionamiento de proteínas o la clasificación de proteínas es el mecanismo biológico mediante el cual las proteínas se transportan a sus destinos apropiados dentro o fuera de la célula. [1] Las proteínas pueden dirigirse al espacio interno de un orgánulo , diferentes membranas intracelulares , la membrana plasmática o al exterior de la célula a través de la secreción . [1] La información contenida en la proteína misma dirige este proceso de entrega. [2] La clasificación correcta es crucial para la celda; los errores se han relacionado con múltiples estados de enfermedad. [3] [4]
Historia
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. [5] Palade había demostrado previamente que las proteínas no secretadas eran traducidas por ribosomas libres en el citosol, mientras que las proteínas secretadas (y proteínas diana, en general) eran traducidas por ribosomas unidos al retículo endoplásmico . [5] Las explicaciones candidatas en ese momento postulaban una diferencia de procesamiento entre los ribosomas libres y unidos a ER, pero Blobel planteó la hipótesis de que el direccionamiento de proteínas se basaba en características inherentes a las proteínas, en lugar de una diferencia en los ribosomas. Apoyando su hipótesis, Blobel descubrió que muchas proteínas tienen una secuencia de aminoácidos corta en un extremo que funciona como un código postal que especifica un destino intracelular o extracelular. [2] Describió estas secuencias cortas (generalmente de 13 a 36 residuos de aminoácidos) [1] como péptidos señal o secuencias señal y fue galardonado con el premio Nobel de Fisiología de 1999 por sus hallazgos. [6]
Péptidos señal
Los péptidos señal sirven como señales de direccionamiento, 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]
- Una región hidrófila cargada positivamente cerca del N-terminal.
- Un intervalo de 10 a 15 aminoácidos hidrófobos cerca de la mitad del péptido señal.
- Una región ligeramente polar cerca del C-terminal, que típicamente favorece a los aminoácidos con cadenas laterales más pequeñas en las posiciones que se acercan al sitio de escisión.
Una vez que una proteína ha alcanzado 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 N-terminal, en los peroxisomas la secuencia de dirección se encuentra en la extensión C-terminal. [7] A diferencia de los péptidos señal, los parches señal están compuestos por residuos de aminoácidos que son discontinuos en la secuencia primaria pero que se vuelven funcionales cuando el plegamiento los une en la superficie de la proteína. [8] A diferencia de la mayoría de las secuencias de señales, los parches de señales no se escinden una vez que se completa la clasificación. [9] Además de las secuencias de señalización intrínsecas, las modificaciones de proteínas como las glicosilaciones también pueden inducir la orientación a regiones intracelulares o extracelulares específicas.
Translocación de proteínas
Dado que la traducción de ARNm en proteína por un ribosoma tiene lugar dentro del citosol , las proteínas destinadas a la secreción o un orgánulo específico deben translocarse. [10] Este proceso puede ocurrir durante la traducción, conocida como translocación co-traduccional, o después de que se completa la traducción, conocida como translocación postraduccional. [11]
Translocación co-traslacional
La mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana se translocan de forma cotraduccional. Las proteínas que residen en el retículo endoplásmico (RE), golgi o endosomas también utilizan la vía de translocación co-traduccional. 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. [12] La unión del SRP detiene temporalmente la síntesis mientras que el complejo ribosoma-proteína se transfiere a un receptor SRP en el RE en eucariotas y la membrana plasmática en procariotas . [13] Allí, la proteína naciente se inserta en el translocón , un canal conductor de proteína unido a la membrana compuesto por el complejo de translocación Sec61 en eucariotas y el complejo homólogo SecYEG en procariotas. [14] En las proteínas secretoras y las proteínas transmembrana de tipo I , la secuencia señal se escinde inmediatamente del polipéptido naciente una vez que se ha translocado en 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 la membrana politópica no se escinden y, por lo tanto, se denominan secuencias de anclaje de señal. Dentro del RE, la proteína está cubierta primero por una proteína chaperona para protegerla de la alta concentración de otras proteínas en el RE, dándole tiempo para plegarse correctamente. Una vez plegada, la proteína se modifica según sea necesario (por ejemplo, mediante glicosilación ), luego se transporta al Golgi para su procesamiento posterior y va a sus orgánulos diana o se retiene en el RE por varios mecanismos de retención del RE .
La cadena de aminoácidos de las proteínas transmembrana , que a menudo son receptores transmembrana , atraviesa una membrana una o varias veces. Estas proteínas se insertan en la membrana por translocación, hasta que el proceso es interrumpido por una secuencia de parada-transferencia, también llamada secuencia de anclaje de membrana o secuencia de anclaje de señal. [15] 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 se ajustan a este modelo. Siete receptores acoplados a proteína G transmembrana (que representan aproximadamente el 5% de los genes en humanos) en su mayoría no tienen una secuencia señal amino-terminal. A diferencia de las proteínas secretoras, el primer dominio transmembrana actúa como la primera secuencia señal, que las dirige a la membrana del RE. Esto también da como resultado la translocación del extremo amino de la proteína en el lumen de la membrana del RE. Esta translocación, que se ha demostrado con opsina con experimentos in vitro, [16] [17] rompe el patrón habitual de translocación "co-traduccional" que siempre se ha mantenido para las proteínas de mamíferos dirigidas al RE. Gran parte de la mecánica de la topología transmembrana y el plegado queda por dilucidar.
Translocación postraduccional
Aunque la mayoría de las proteínas secretoras se translocan de forma cotraduccional, 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. [18] El complejo Sec63, que está incrustado en la membrana del RE, causa la hidrólisis del ATP, lo que permite que las proteínas chaperonas se unan a una cadena peptídica expuesta y deslice el polipéptido hacia la luz 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. [19]
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 traslocan 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 . [20]
Clasificación de proteínas
Mitocondrias
La mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan como precursores citosólicos que contienen señales de péptidos de captación . Las chaperonas citosólicas entregan preproteínas a los receptores ligados a canales en la membrana mitocondrial . La preproteína con presecuencia dirigida a las mitocondrias está unida por receptores y el poro de importación general (GIP), conocido colectivamente como translocasa de la membrana externa (TOM), en la membrana externa . Luego se transloca a través de TOM como bucles de horquilla. La preproteína es transportada a través del espacio intermembrana por pequeños TIM (que también actúan como chaperonas moleculares ) al TIM23 o TIM22 ( translocasas de la membrana interna ) en la membrana interna . Dentro de la matriz, la secuencia de dirección es escindida por mtHsp70.
Se conocen tres receptores de la membrana externa mitocondrial :
- TOM70 : se une a los péptidos de dirección internos y actúa como un punto de acoplamiento para las chaperonas citosólicas.
- TOM20 : enlaza presecuencias.
- TOM22 : une tanto las presecuencias como los péptidos diana internos.
El canal TOM ( TOM40 ) es un canal de alta conductancia específico de catión con un peso molecular de 410 kDa y un diámetro de poro de 21Å.
La presecuencia translocase23 (TIM23) se localiza en la membrana interna mitocondrial y actúa como una proteína formadora de poros que une proteínas precursoras con su N-terminal . TIM23 actúa como un translocador de preproteínas para la matriz mitocondrial, la membrana mitocondrial interna y el espacio intermembrana. TIM50 está unido a TIM23 en el lado mitocondrial interno y se encuentra que se une a presecuencias. TIM44 está unido en el lado de la matriz y se encuentra unido a mtHsp70.
La presecuencia translocase22 (TIM22) se une a las preproteínas unidas exclusivamente a la membrana mitocondrial interna.
Las secuencias de dirección de la matriz mitocondrial son ricas en aminoácidos cargados positivamente y en aminoácidos hidroxilados.
Las proteínas se dirigen a los compartimentos submitocondriales mediante múltiples señales y varias vías.
La orientación a la membrana externa, el espacio intermembrana y la membrana interna a menudo requiere otra secuencia de señal además de la secuencia de orientación de la matriz.
Cloroplastos
La preproteína de los cloroplastos puede contener una secuencia de importación estromal o una secuencia de dirección estromal y tilacoide. La mayoría de las preproteínas se translocan a través de los complejos Toc y Tic ubicados dentro de la envoltura del cloroplasto. En el estroma, la secuencia de importación del estroma se escinde y se pliega, así como continúa la clasificación intracloroplasto a tilacoides . Las proteínas dirigidas a la envoltura de los cloroplastos generalmente carecen de una secuencia de clasificación escindible.
Tanto los cloroplastos como las mitocondrias
Se necesitan muchas proteínas tanto en las mitocondrias como en los cloroplastos . [21] En general, el péptido de doble focalización es de carácter intermedio a los dos específicos. Los péptidos dirigidos a estas proteínas tienen un alto contenido de aminoácidos básicos e hidrófobos , un bajo contenido de aminoácidos cargados negativamente . Tienen menor contenido de alanina y mayor contenido de leucina y fenilalanina. Las proteínas de doble objetivo tienen un péptido de direccionamiento más hidrofóbico que los mitocondriales y cloroplásticos. Sin embargo, es tedioso predecir si un péptido tiene un objetivo dual o no en función de sus características físico-químicas .
Peroxisomas
Todas las proteínas peroxisomales están codificadas por genes nucleares. [22] Hasta la fecha, existen dos tipos de señales de focalización de peroxisomas (PTS) conocidas : [23]
- Señal de dirección de 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). La mayoría de las proteínas de la matriz peroxisomal poseen una señal de tipo PTS1.
- Señal de dirección de peroxisoma 2 (PTS2) : un nonapéptido ubicado cerca del extremo N-terminal con una secuencia de consenso (R / K) - (L / V / I) -XXXXX- (H / Q) - (L / A / F) ( donde X puede ser cualquier aminoácido).
También hay 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 trasladan a la matriz peroxisomal junto con ellas. [24]
Enfermedades
El transporte de proteínas es defectuoso en las siguientes enfermedades genéticas:
- Síndrome de Zellweger .
- Adrenoleucodistrofia (ALD).
- Enfermedad de refsum
- Enfermedad de Parkinson [25]
- Hipercolesterolemia , aterosclerosis , obesidad y diabetes [26]
En bacterias y arqueas
Como se mencionó anteriormente (ver translocación de proteínas ), la mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana procariotas se dirigen a la membrana plasmática mediante una vía de cotraducción que utiliza SRP bacteriano o una vía de postraducción que requiere SecA y SecB. En la membrana plasmática, estas dos vías entregan proteínas al translocón SecYEG para su translocación. Las bacterias pueden tener una sola membrana plasmática ( bacterias Gram-positivas ) o una membrana interna más una membrana externa separadas por el periplasma ( bacterias Gram-negativas ). 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.
Bacterias Gram-negativo
En las bacterias gramnegativas, las proteínas pueden incorporarse a la membrana plasmática, la membrana externa, el periplasma o secretarse al medio ambiente. Los sistemas para secretar proteínas a través de la membrana externa bacteriana pueden ser bastante complejos y desempeñar funciones clave en la patogénesis. Estos sistemas pueden describirse como secreción de tipo I, secreción de tipo II, etc.
Bacterias grampositivas
En la mayoría de las bacterias grampositivas, ciertas proteínas se dirigen a la exportación a través de la membrana plasmática y la posterior unión covalente a la pared celular bacteriana. Una enzima especializada, sortasa , escinde la proteína diana en un sitio de reconocimiento característico cerca del terminal 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 Gram-negativas, parece estar relacionado con la producción de sustancias poliméricas extracelulares . El sistema PGF-CTERM / arqueosortasa A en arqueas está relacionado con la producción de la capa S. El sistema GlyGly-CTERM / rombosortasa, que se encuentra en Shewanella, Vibrio y algunos otros géneros, parece estar involucrado en la liberación de proteasas, nucleasas y otras enzimas.
Herramientas bioinformáticas
- Minimotif Miner es una herramienta bioinformática que busca en las consultas de secuencias de proteínas un motivo conocido de secuencia dirigida a proteínas.
- Phobius predice péptidos señal basándose en una secuencia primaria suministrada.
- SignalP predice los sitios de escisión del péptido señal.
- LOCtree predice la localización subcelular de proteínas.
Ver también
- Flujo a granel
- COPI
- COPII
- Clatrina
- LocDB
- Péptido señal
Referencias
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enlaces externos
- Protein + Transport en la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU. Encabezados de temas médicos (MeSH)