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Representación esquemática de proteínas transmembrana: 1) una sola hélice α transmembrana (proteína de membrana bitópica). 2) una proteína α-helicoidal transmembrana politópica. 3) una proteína de hoja β transmembrana politópica. La membrana está representada en amarillo claro.

Una proteína transmembrana ( TP ) es un tipo de proteína de membrana integral que se extiende por la totalidad de 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 sufren cambios conformacionales significativos para mover una sustancia a través de la membrana. Suelen ser muy hidrófobos y se agregan y precipitan en agua. Requieren detergentes o disolventes apolares para su extracción, aunque algunos de ellos ( barriles beta ) también pueden extraerse mediante agentes desnaturalizantes .

La secuencia de péptidos que atraviesa la membrana, o el segmento transmembrana , es en gran parte hidrófoba y puede visualizarse usando el gráfico de hidropatía . [1] Dependiendo del número de segmentos transmembrana, las proteínas transmembrana pueden clasificarse como de un solo tramo (o bitópicas ) o de múltiples tramos (politópicas). Algunas otras proteínas integrales de la membrana se denominan monotópicas , lo que significa que también están unidas permanentemente a la membrana, pero no la atraviesan. [2]

Tipos [ editar ]

Clasificación por estructura [ editar ]

Hay dos tipos básicos de proteínas transmembrana: [3] helicoidales alfa y barriles beta . Las proteínas alfa helicoidales están presentes en las membranas internas de las células bacterianas o en la membrana plasmática de eucariotas y, a veces, en las membranas externas . [4] 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 de hélice alfa. [5] Las proteínas de barril beta se encuentran hasta ahora solo en las membranas externas de bacterias gramnegativas , paredes celulares de bacterias grampositivas , membranas externas de mitocondrias ycloroplastos , o pueden secretarse como toxinas formadoras de poros . Todas las proteínas transmembrana de barril beta tienen la topología ascendente y descendente más simple, que puede reflejar su origen evolutivo común y un mecanismo de plegado similar.

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. [6] Este péptido es secretado por bacterias Gram-positivas como antibiótico . No se ha informado de una hélice de poliprolina II transmembrana en proteínas naturales. No obstante, esta estructura se observó experimentalmente en péptidos artificiales diseñados específicamente. [7]

Clasificación por topología [ editar ]

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 se anclan a la membrana lipídica con una secuencia de anclaje de parada de transferencia y sus dominios N-terminales se dirigen al lumen del retículo endoplásmico (ER) 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, con el tipo II dirigido al lumen del ER con su dominio C-terminal, mientras que el tipo III tiene sus dominios N-terminales dirigidos al lumen del ER. 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 a la luz. [8] Las implicaciones para la división en los cuatro tipos se manifiestan especialmente en el momento de la translocación y la traducción ligada al ER, cuando la proteína tiene que pasar a través de la membrana del ER en una dirección que depende del tipo.

Las proteínas transmembrana de los grupos I y II tienen topologías finales opuestas. Las proteínas del grupo I tienen el terminal N en el lado opuesto y el terminal C en el lado citosólico. Las proteínas del grupo II tienen el terminal C en el lado opuesto y el terminal N en el citosol. Sin embargo, la topología final no es el único criterio para definir los grupos de proteínas transmembrana, sino que se considera en la clasificación la ubicación de los determinantes topogénicos y el mecanismo de ensamblaje [9].

Estructura 3D [ editar ]

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

Las estructuras de las proteínas de la membrana se pueden determinar mediante cristalografía de rayos X , microscopía electrónica o espectroscopía de RMN . [10] Las estructuras terciarias más comunes de estas proteínas son el haz de hélice transmembrana y el barril beta . La porción de las proteínas de la membrana que están unidas a la bicapa lipídica (ver capa lipídica anular ) consiste principalmente en aminoácidos hidrófobos. [11]

Las proteínas de membrana que tienen superficies hidrófobas, son relativamente flexibles y se expresan a 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 las proteínas globulares. [12] En enero de 2013, menos del 0,1% de las estructuras proteicas determinadas eran proteínas de membrana a pesar de constituir entre el 20% y el 30% del proteoma total. [13] 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 gráficas de hidropatía, la regla del interior positivo y otros métodos. [14] [15] [16]

Estabilidad termodinámica y plegado [ editar ]

Estabilidad de las proteínas transmembrana α-helicoidales [ editar ]

Las proteínas α-helicoidales transmembrana son inusualmente estables a juzgar por los estudios de desnaturalización térmica , porque no se despliegan completamente dentro de las membranas (el despliegue completo requeriría romper demasiados enlaces H 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 despliegue 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 las micelas de detergente es diferente al de los experimentos de desnaturalización térmica . [ cita requerida ] Este estado representa una combinación de α-hélices hidrofóbicas plegadas y segmentos parcialmente desplegados cubiertos por el detergente. Por ejemplo, la bacteriorrodopsina "desplegada" en las micelas SDS tiene cuatro hélices α transmembrana plegadas, mientras que el resto de la proteína está situada en la interfaz micela-agua y puede adoptar diferentes tipos de anfifílicos no nativos.estructuras. Las diferencias de energía libre entre dichos estados nativos y desnaturalizados con detergente son similares a las estabilidades de las proteínas solubles en agua (<10 kcal / mol). [ cita requerida ]

Plegado de proteínas transmembrana α-helicoidales [ editar ]

El replegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales in vitro es técnicamente difícil. Hay relativamente pocos ejemplos de experimentos de replegamiento exitosos, como para la bacteriorrodopsina . In vivo , todas estas proteínas normalmente se pliegan cotraduccionalmente dentro del translocón transmembrana grande . El canal translocón proporciona un entorno muy heterogéneo para las hélices α transmembrana nacientes. Una hélice α 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 hacer frente al canal central lleno de agua del translocón. Dicho mecanismo es necesario para la incorporación de hélices α polares en estructuras de proteínas transmembrana. Las hélices anfifílicas permanecen unidas al translocón hasta que la proteína está completamente sintetizada y plegada. Si la proteína permanece desplegada y unida al translocón durante demasiado tiempo, se degrada mediante sistemas celulares específicos de "control de calidad". [ cita requerida ]

Estabilidad y plegamiento de proteínas transmembrana de barril β [ editar ]

La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril β es similar a la estabilidad de las proteínas solubles en agua, según los estudios de desnaturalización química. Algunos de ellos 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 hojas que podrían agregarse o duplicarse durante la evolución. Algunos estudios muestran una enorme conservación de secuencias entre diferentes organismos y también conservan aminoácidos que mantienen la estructura y ayudan con el plegamiento. [17]

Estructuras 3D [ editar ]

Ver también: Base de datos de clasificación de transportadores

Transportadores impulsados ​​por absorción de luz [ editar ]

  • Proteínas similares a la bacteriorrodopsina , incluida la rodopsina (ver también opsina )
  • Centros de reacción fotosintética bacteriana y fotosistemas I y II
  • Complejos captadores de luz de bacterias y cloroplastos

Transportadores impulsados ​​por oxidorreducción [ editar ]

  • Proteínas similares al citocromo b transmembrana: coenzima Q - citocromo c reductasa (citocromo bc1); complejo de citocromo b6f ; formiato deshidrogenasa, nitrato reductasa respiratoria ; succinato - coenzima Q reductasa (fumarato reductasa); y succinato deshidrogenasa . Ver cadena de transporte de electrones .
  • Citocromo c oxidasas de bacterias y mitocondrias

Transportadores impulsados ​​por potencial electroquímico [ editar ]

  • ATPasas de tipo F y de tipo V con translocación de protones o sodio

Transportadores impulsados ​​por hidrólisis de enlaces PP [ editar ]

  • ATPasa de calcio tipo P (cinco conformaciones diferentes)
  • Reguladores de la ATPasa de calcio fosfolambán y sarcolipina
  • Transportadores ABC
  • Vía secretora general (Sec) translocón (preproteína translocasa SecY)

Porteadores (uniportadores, simportadores, antiportadores) [ editar ]

  • Proteínas portadoras mitocondriales
  • Superfamilia de facilitadores principales (transportador de glicerol-3-fosfato, permeasa de lactosa y transportador de múltiples fármacos EmrD)
  • Resistencia-nodulación-división celular ( transportador de eflujo de múltiples fármacos AcrB, ver resistencia a múltiples fármacos )
  • Dicarboxilato / aminoácido: simportador de cationes (simportador de glutamato de protones)
  • Antiportador de catión / protón monovalente (Antiportador de sodio / protón 1 NhaA)
  • Simportador de sodio neurotransmisor
  • Transportadores de amoniaco
  • Transportador de fármaco / metabolito (pequeño transportador de resistencia a múltiples fármacos EmrE: las estructuras se retraen como erróneas)

Canales alfa helicoidales, incluidos los canales iónicos [ editar ]

  • Canal iónico dependiente de voltaje como, incluidos los canales de potasio KcsA y KvAP, y el canal de iones de potasio rectificador interno Kirbac
  • Canal mecanosensible de gran conductancia, MscL
  • Canal iónico mecanosensible de pequeña conductancia (MscS)
  • Transportadores de iones metálicos CorA
  • Canal iónico controlado por ligando de receptores de neurotransmisores ( receptor de acetilcolina )
  • Acuaporinas
  • Canales de cloruro
  • Proteínas auxiliares de la membrana externa (transportador de polisacáridos): proteínas transmembrana α-helicoidales de la membrana bacteriana externa

Enzimas [ editar ]

  • Metano monooxigenasa
  • Proteasa romboide
  • Proteína de formación de enlaces disulfuro (complejo DsbA-DsbB)

Proteínas con anclajes transmembrana alfa helicoidales [ editar ]

  • Dominio de dimerización transmembrana del receptor de células T ]
  • Complejo de citocromo c nitrito reductasa
  • Esteril-sulfato sulfohidrolasa
  • Stannin
  • Dímero de glicoforina A
  • Inovirus ( fago filamentoso ) proteína de la cubierta principal
  • Pilin
  • Proteína asociada a surfactante pulmonar
  • Monoamino oxidasas A y B
  • Amida hidrolasa de ácido graso [18]
  • Oxidasas del citocromo P450
  • Corticosteroide 11β-deshidrogenasas .
  • Péptido señal peptidasa
  • Proteasa de membrana específica para un homólogo de estomatina

Barriles β compuestos por una sola cadena polipeptídica [ editar ]

  • Barriles beta de ocho hebras beta y con un "número de corte" de diez ( n = 8, S = 10 ). Incluyen:
    • Dominio transmembrana similar a OmpA (OmpA)
    • Familia de proteínas de la membrana externa relacionada con la virulencia (OmpX)
    • Familia de la proteína W de la membrana externa (OmpW)
    • Resistencia a péptidos antimicrobianos y familia de proteínas de acilación de lípidos A (PagP)
    • Lípido A desacilasa PagL
    • Porinas de la familia de opacidad (NspA)
  • Dominio del autotransportador ( n = 12, S = 14 )
  • Familia de transporte de proteínas de la membrana externa FadL , incluido el transportador de ácidos grasos FadL ( n = 14, S = 14 )
  • Familia de porinas bacterianas generales , conocidas como porinas triméricas ( n = 16, S = 20 )
  • Maltoporina o porinas de azúcar ( n = 18, S = 22 )
  • Porina específica de nucleósido ( n = 12, S = 16 )
  • Fosfolipasa A1 de la membrana externa ( n = 12, S = 16 )
  • Receptores dependientes de TonB y su dominio de enchufe . Son canales de membrana externa controlados por ligando ( n = 22, S = 24 ), que incluyen el transportador de cobalamina BtuB, el receptor de Fe (III) -pioquelina FptA, el receptor FepA, el receptor de captación de hidroxamato férrico FhuA, el transportador FecA y el receptor de pioverdina FpvA.
  • Familia OpcA de proteínas de la membrana externa ( n = 10, S = 12 ) que incluye la proteasa OmpT de la membrana externa y la proteína adhesina / invasina OpcA
  • Familia de porinas de proteína G de membrana externa ( n = 14, S = 16 )

Nota: n y S son, respectivamente, el número de hebras beta y el "número de corte" [19] del barril beta.

Barriles β compuestos por varias cadenas polipeptídicas [ editar ]

  • Autotransportador trimérico ( n = 12, S = 12 )
  • Proteínas de salida de la membrana externa , también conocidas como factores triméricos de la membrana externa (n = 12, S = 18) que incluyen TolC y proteínas de resistencia a múltiples fármacos
  • Porina MspA (octámero, n = S = 16 ) y α-hemolisina (heptámero n = S = 14 ). Estas proteínas se secretan.

Ver también [ editar ]

  • Proteína de membrana
  • Topología de membrana
  • Dominio transmembrana
  • Receptores transmembrana

Referencias [ editar ]

  1. ^ Manor, Joshua; Feldblum, Esther S .; Arkin, Isaías T. (2012). "Polaridad ambiental en proteínas mapeadas de forma no invasiva por espectroscopia FTIR" . La Revista de Cartas de Química Física . 3 (7): 939–944. doi : 10.1021 / jz300150v . PMC  3341589 . PMID  22563521 .
  2. ^ Steven R. Goodman (2008). Biología celular médica . Prensa académica. págs. 37–. ISBN 978-0-12-370458-0. Consultado el 24 de noviembre de 2010 .
  3. ^ Jin Xiong (2006). Bioinformática esencial . Prensa de la Universidad de Cambridge. págs. 208–. ISBN 978-0-521-84098-9. Consultado el 13 de noviembre de 2010 .
  4. ^ Las proteínas alfa helicoidales en las membranas externas incluyen Stannin y ciertas lipoproteínas , y otras
  5. ^ Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (2009). "Mapeo del proteoma de la membrana humana: la mayoría de las proteínas de la membrana humana se pueden clasificar según la función y el origen evolutivo" . BMC Biol . 7 : 50. doi : 10.1186 / 1741-7007-7-50 . PMC 2739160 . PMID 19678920 .  
  6. ^ Nicholson, LK; Cross, TA (1989). "Canal de cationes gramicidina: una determinación experimental del sentido de la hélice de la mano derecha y verificación de enlaces de hidrógeno de tipo .beta.". Bioquímica . 28 (24): 9379–9385. doi : 10.1021 / bi00450a019 . PMID 2482072 . 
  7. ^ Kubyshkin, Vladimir; Grage, Stephan L .; Ulrich, Anne S .; Budisa, Nediljko (2019). "El grosor de la bicapa determina la alineación de las hélices de poliprolina modelo en las membranas lipídicas" . Física Química Física Química . 21 (40): 22396–22408. Código Bibliográfico : 2019PCCP ... 2122396K . doi : 10.1039 / c9cp02996f . PMID 31577299 . 
  8. ^ Harvey Lodish, etc .; Biología celular molecular , sexta edición, p.546
  9. ^ Goder, Veit; Spiess, Martin (31 de agosto de 2001). "Topogénesis de proteínas de membrana: determinantes y dinámica" . Cartas FEBS . 504 (3): 87–93. doi : 10.1016 / S0014-5793 (01) 02712-0 . PMID 11532438 . 
  10. ↑ Cross, Timothy A .; Sharma, Mukesh; Yi, Myunggi; Zhou, Huan-Xiang (2011). "Influencia de los entornos solubilizantes en las estructuras de proteínas de membrana" . Tendencias en Ciencias Bioquímicas . 36 (2): 117-125. doi : 10.1016 / j.tibs.2010.07.005 . PMC 3161620 . PMID 20724162 .  
  11. ^ Blanco, Stephen. "Principio general de estabilidad y plegamiento de proteínas de membrana". Página de inicio del laboratorio de Stephen White. 10 de noviembre de 2009. web. [ verificación necesaria ]
  12. ^ Carpintero, Elisabeth P; Beis, Konstantinos; Cameron, Alexander D; Iwata, So (octubre de 2008). "Superar los desafíos de la cristalografía de proteínas de membrana" . Opinión actual en biología estructural . 18 (5): 581–586. doi : 10.1016 / j.sbi.2008.07.001 . PMC 2580798 . PMID 18674618 .  
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  15. ^ Chen, Chien Peter; Rost, Burkhard (2002). "Estado del arte en predicción de proteínas de membrana". Bioinformática aplicada . 1 (1): 21–35. CiteSeerX 10.1.1.134.7424 . PMID 15130854 .  
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  17. ^ Michalik, Marcin; Orwick-Rydmark, Marcella; Habeck, Michael; Alva, Vikram; Arnold, Thomas; Linke, Dirk; Permyakov, Eugene A. (3 de agosto de 2017). "Un motivo de glicina-tirosina conservado evolutivamente forma un núcleo de plegado en las proteínas de la membrana externa" . PLOS ONE . 12 (8): e0182016. Código bibliográfico : 2017PLoSO..1282016M . doi : 10.1371 / journal.pone.0182016 . PMC 5542473 . PMID 28771529 .  
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