Proteína transmembrana

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 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]

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]

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 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]}

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 incorrectamente con facilidad , 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 ]}

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 enfrentar 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 ]}

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]

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

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

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

• ATPasa de calcio tipo P (cinco conformaciones diferentes)
• Reguladores de la ATPasa de calcio: fosfolamban y sarcolipina
• Transportadores ABC
• Translocón de la vía secretora general (Sec) (translocasa de preproteína SecY)

• Proteínas transportadoras 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 )
• Simportador de dicarboxilato/aminoácido:catión (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 fármacos/metabolitos (pequeño transportador de resistencia a múltiples fármacos EmrE: las estructuras se retraen como erróneas)

• Canales iónicos dependientes de voltaje , como 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

• Metano monooxigenasa
• Proteasa romboidal
• Proteína formadora de enlaces disulfuro (complejo DsbA-DsbB)

• Subunidades del complejo receptor de células T
• Complejo de nitrito reductasa del citocromo c
• Dímero de glicoforina A
• Proteína principal de la cubierta del inovirus ( fago filamentoso )
• Pilín
• Proteína asociada al surfactante pulmonar
• Monoaminooxidasas A y B
• Hidrolasa de amida de ácidos grasos ^[19]
• Oxidasas del citocromo P450
• Corticosteroides 11β-deshidrogenasas .
• Péptido señal peptidasa

• 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 membrana externa relacionadas con la virulencia (OmpX)
  • Familia de proteínas de membrana externa W (OmpW)
  • Resistencia a péptidos antimicrobianos y familia de proteínas de acilación de lípidos A (PagP)
  • Lípido A desacilasa PagL
  • Porinas de la familia de la opacidad (NspA)
• Dominio del autotransportador ( n=12,S=14 )
• Familia de proteínas transportadoras de membrana externa FadL , incluido el transportador de ácidos grasos FadL ( n = 14, S = 14 )
• Familia general de porinas bacterianas , 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 membrana externa ( n=12,S=16 )
• Receptores dependientes de TonB y su dominio de tapón . Son canales de membrana externa regulados 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 de proteínas de membrana externa OpcA ( n=10,S=12 ) que incluye la proteasa de membrana externa OmpT y la proteína adhesina/invasina OpcA
• Familia de porinas de la proteína G de membrana externa ( n=14,S=16 )

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

• Autotransportador trimérico ( n=12,S=12 )
• Proteínas de eflujo de membrana externa , también conocidas como factores triméricos de membrana externa (n = 12, S = 18), incluidas TolC y proteínas de resistencia a múltiples fármacos
• Porina MspA (octámero, n=S=16 ) y α-hemolisina (heptámero, n=S=14 ). Estas proteínas son secretadas.

• Topología de membrana
• Dominio transmembrana
• Receptores transmembrana