Proteína de membrana periférica - Peripheral membrane protein

Las proteínas de membrana periférica son proteínas de membrana que se adhieren solo temporalmente a la membrana biológica con la que están asociadas. Estas proteínas se unen a proteínas integrales de la membrana o penetran en las regiones periféricas de la bicapa lipídica . Las subunidades proteicas reguladoras de muchos canales iónicos y receptores transmembrana , por ejemplo, pueden definirse como proteínas de membrana periférica. A diferencia de las proteínas de membrana integrales, las proteínas de membrana periférica tienden a acumularse en el componente soluble en agua, o fracción, de todas las proteínas extraídas durante un procedimiento de purificación de proteínas . Las proteínas con anclajes GPI son una excepción a esta regla y pueden tener propiedades de purificación similares a las de las proteínas integrales de membrana.

Se ha demostrado que la unión reversible de proteínas a las membranas biológicas regula la señalización celular y muchos otros eventos celulares importantes, a través de una variedad de mecanismos. Por ejemplo, la estrecha asociación entre muchas enzimas y membranas biológicas puede acercarlas a su (s) sustrato (s) lipídico . La unión a la membrana también puede promover el reordenamiento, disociación o cambios conformacionales dentro de muchos dominios estructurales de proteínas, lo que da como resultado una activación de su actividad biológica . Además, el posicionamiento de muchas proteínas se localiza en las superficies internas o externas o en las valvas de su membrana residente. Esto facilita el ensamblaje de complejos de múltiples proteínas al aumentar la probabilidad de interacciones proteína-proteína apropiadas .

Representación esquemática de los diferentes tipos de interacción entre proteínas de membrana monotópicas y la membrana celular : 1. Interacción por una α-hélice anfipática paralela al plano de la membrana (hélice de membrana en el plano) 2. Interacción por un bucle hidrofóbico 3. Interacción por un Lípido de membrana unido covalentemente ( lipidación ) 4. Interacciones electrostáticas o iónicas con lípidos de membrana ( p . ej., a través de un ion calcio)

Unión a la bicapa lipídica

Dominio PH de la fosfolipasa C delta 1. Plano medio de la bicapa lipídica - puntos negros. Límite de la región del núcleo de hidrocarburos: puntos azules (lado intracelular). Capa de fosfatos lipídicos: puntos amarillos.

Las proteínas de la membrana periférica pueden interactuar con otras proteínas o directamente con la bicapa lipídica . En el último caso, se las conoce como proteínas anfitrópicas . Algunas proteínas, como las proteínas G y ciertas proteína quinasas , interactúan con las proteínas transmembrana y la bicapa lipídica simultáneamente. Algunas hormonas polipeptídicas , péptidos antimicrobianos y neurotoxinas se acumulan en la superficie de la membrana antes de localizar e interactuar con sus receptores de superficie celular, que pueden ser proteínas de la membrana periférica.

La bicapa de fosfolípidos que forma la membrana de la superficie celular consiste en una región del núcleo interno hidrofóbico intercalada entre dos regiones de hidrofilicidad , una en la superficie interna y otra en la superficie externa de la membrana celular (ver el artículo de la bicapa de lípidos para una descripción estructural más detallada de la membrana celular). Se ha demostrado que las superficies interior y exterior, o regiones interfaciales, de las bicapas de fosfolípidos modelo tienen un grosor de alrededor de 8 a 10 Å , aunque esto puede ser más ancho en membranas biológicas que incluyen grandes cantidades de gangliósidos o lipopolisacáridos . La región del núcleo interno hidrófobo de las membranas biológicas típicas puede tener un grosor de alrededor de 27 a 32 Å, según lo estimado por la dispersión de rayos X de ángulo pequeño (SAXS) . La región límite entre el núcleo interno hidrófobo y las regiones interfaciales hidrófilas es muy estrecha, alrededor de 3 Å (ver el artículo de bicapa lipídica para una descripción de los grupos químicos que lo componen). Mover hacia el exterior lejos de la región de núcleo hidrófobo y en la región hidrófila interfacial, la concentración efectiva de agua cambia rápidamente a través de esta capa límite, de casi cero a una concentración de alrededor de 2 M . Los grupos fosfato dentro de las bicapas de fosfolípidos están completamente hidratados o saturados con agua y están situados alrededor de 5 Å fuera del límite de la región del núcleo hidrófobo.

Algunas proteínas solubles en agua se asocian con bicapas lipídicas de manera irreversible y pueden formar canales transmembrana alfa helicoidales o de barril beta . Tales transformaciones ocurren en toxinas formadoras de poros como colicina A, alfa-hemolisina y otras. También pueden ocurrir en la proteína similar a BcL-2 , en algunos péptidos antimicrobianos anfifílicos y en ciertas anexinas . Estas proteínas generalmente se describen como periféricas ya que uno de sus estados conformacionales es soluble en agua o solo está asociado de manera débil con una membrana.

Mecanismos de unión a membranas

Fosfolipasa A2 de veneno de abeja (1 poc). Plano medio de la bicapa lipídica: puntos negros. Límite de la región del núcleo de hidrocarburos: puntos rojos (lado extracelular). Capa de fosfatos lipídicos: puntos amarillos.

La asociación de una proteína con una bicapa lipídica puede implicar cambios significativos dentro de la estructura terciaria de una proteína. Estos pueden incluir el plegamiento de regiones de estructura proteica que se desplegaron previamente o una reordenación en el plegado o replegamiento de la parte de las proteínas asociada a la membrana. También puede implicar la formación o disociación de estructuras cuaternarias de proteínas o complejos oligoméricos y la unión específica de iones , ligandos o lípidos reguladores .

Las proteínas anfitrópicas típicas deben interactuar fuertemente con la bicapa lipídica para realizar sus funciones biológicas. Estos incluyen el procesamiento enzimático de lípidos y otras sustancias hidrófobas, el anclaje de membranas y la unión y transferencia de pequeños compuestos no polares entre diferentes membranas celulares. Estas proteínas pueden anclarse a la bicapa como resultado de interacciones hidrofóbicas entre la bicapa y los residuos no polares expuestos en la superficie de una proteína, mediante interacciones de unión no covalentes específicas con lípidos reguladores o mediante su unión a anclajes lipídicos unidos covalentemente .

Se ha demostrado que las afinidades de unión a la membrana de muchas proteínas periféricas dependen de la composición lipídica específica de la membrana con la que están asociadas.

Asociación hidrofóbica inespecífica

Las proteínas anfitrópicas se asocian con bicapas lipídicas a través de diversas estructuras de anclaje hidrófobas . Tales como α-hélices anfifílicas , bucles apolares expuestos, residuos de aminoácidos postraduccionalmente acilados o lipidados, o cadenas de acilo de lípidos reguladores unidos específicamente tales como fosfatidilinositol fosfatos . Se ha demostrado que las interacciones hidrófobas son importantes incluso para péptidos y proteínas altamente catiónicos, como el dominio polibásico de la proteína MARCKS o la histactofilina, cuando están presentes sus anclajes hidrófobos naturales.

Anclajes lipídicos unidos covalentemente

Las proteínas ancladas a lípidos se unen covalentemente a diferentes cadenas de acilo de ácidos grasos en el lado citoplásmico de la membrana celular mediante palmitoilación , miristoilación o prenilación . En la cara exoplasmática de la membrana celular, las proteínas ancladas a lípidos se unen covalentemente a los lípidos glicosilfosfatidilinositol (GPI) y colesterol . La asociación de proteínas con membranas mediante el uso de residuos acilados es un proceso reversible , ya que la cadena de acilo puede enterrarse en la bolsa de unión hidrófoba de una proteína después de la disociación de la membrana. Este proceso ocurre dentro de las subunidades beta de proteínas G . Quizás debido a esta necesidad adicional de flexibilidad estructural, los anclajes de lípidos generalmente se unen a los segmentos altamente flexibles de la estructura terciaria de las proteínas que no se resuelven bien mediante estudios cristalográficos de proteínas .

Unión específica de proteínas y lípidos

P40phox Dominio PX de NADPH oxidasa Plano medio de la bicapa lipídica - puntos negros. Límite de la región del núcleo de hidrocarburos: puntos azules (lado intracelular). Capa de fosfatos lipídicos: puntos amarillos.

Algunas proteínas citosólicas se reclutan en diferentes membranas celulares al reconocer ciertos tipos de lípidos que se encuentran dentro de una membrana determinada. La unión de una proteína a un lípido específico se produce a través de dominios estructurales específicos dirigidos a la membrana que se producen dentro de la proteína y tienen bolsas de unión específicas para los grupos de lípidos de los lípidos a los que se unen. Ésta es una interacción bioquímica típica entre proteína y ligando , y se estabiliza mediante la formación de enlaces de hidrógeno intermoleculares , interacciones de van der Waals e interacciones hidrófobas entre la proteína y el ligando lipídico . Dichos complejos también se estabilizan mediante la formación de puentes iónicos entre los residuos de aspartato o glutamato de la proteína y los fosfatos lipídicos a través de los iones de calcio intermedios (Ca 2+ ). Estos puentes iónicos pueden ocurrir y son estables cuando los iones (como Ca 2+ ) ya están unidos a una proteína en solución, antes de la unión de lípidos. La formación de puentes iónicos se observa en la interacción proteína-lípido entre los dominios de tipo proteína C2 y las anexinas .

Interacciones electrostáticas proteína-lípido

Cualquier proteína cargada positivamente será atraída a una membrana cargada negativamente por interacciones electrostáticas inespecíficas . Sin embargo, los péptidos no todos periféricas y las proteínas son catiónicos, y sólo ciertos lados de la membrana están cargados negativamente. Estos incluyen el lado citoplásmico de las membranas plasmáticas , la valva externa de las membranas bacterianas externas y las membranas mitocondriales . Por lo tanto, las interacciones electrostáticas juegan un papel importante en la dirección de la membrana de los portadores de electrones como el citocromo c , las toxinas catiónicas como la caribdotoxina y los dominios específicos de dirección de la membrana como algunos dominios PH , dominios C1 y dominios C2 .

Las interacciones electrostáticas dependen en gran medida de la fuerza iónica de la solución. Estas interacciones son relativamente débiles a la fuerza iónica fisiológica ( NaCl 0,14 M ): ~ 3 a 4 kcal / mol para proteínas catiónicas pequeñas, como el citocromo c , caribdotoxina o hisactofilina .

Posición espacial en la membrana

Las orientaciones y profundidades de penetración de muchas proteínas y péptidos anfitrópicos en las membranas se estudian mediante el etiquetado de espín dirigido al sitio , el etiquetado químico, la medición de las afinidades de unión a la membrana de los mutantes de proteínas , la espectroscopia de fluorescencia , la espectroscopia de RMN en solución o en estado sólido, la espectroscopia ATR FTIR , X- difracción de rayos o neutrones y métodos computacionales.

Se han identificado dos modos distintos de asociación de membranas de proteínas. Las proteínas solubles en agua típicas no tienen residuos no polares expuestos ni ningún otro anclaje hidrófobo. Por lo tanto, permanecen completamente en solución acuosa y no penetran en la bicapa lipídica, lo que sería energéticamente costoso. Dichas proteínas interactúan con las bicapas solo de forma electrostática, por ejemplo, la ribonucleasa y la polilisina interactúan con las membranas de este modo. Sin embargo, las proteínas anfitrópicas típicas tienen varios anclajes hidrófobos que penetran en la región interfacial y alcanzan el interior de hidrocarburos de la membrana. Dichas proteínas "deforman" la bicapa lipídica, disminuyendo la temperatura de transición líquido-gel lipídico. La unión suele ser una reacción fuertemente exotérmica. La asociación de hélices α anfifílicas con membranas ocurre de manera similar. Los péptidos intrínsecamente no estructurados o desplegados con residuos no polares o anclajes lipídicos también pueden penetrar la región interfacial de la membrana y alcanzar el núcleo de hidrocarburo, especialmente cuando tales péptidos son catiónicos e interactúan con membranas cargadas negativamente.

Categorías

Enzimas

Las enzimas periféricas participan en el metabolismo de diferentes componentes de la membrana, como lípidos ( fosfolipasas y colesterol oxidasas ), oligosacáridos de la pared celular ( glicosiltransferasa y transglicosidasas ) o proteínas ( peptidasa señal y tioesterasas de palmitoil proteína ). Las lipasas también pueden digerir lípidos que forman micelas o gotitas apolares en el agua.

Clase Función Fisiología Estructura
Pliegue alfa / beta hidrolasa Cataliza la hidrólisis de enlaces químicos. Incluye lipasas bacterianas , fúngicas , gástricas y pancreáticas , tioesterasas de palmitoil proteína , cutinasa y colinesterasas
Fosfolipasa A2 (secretora y citosólica) Hidrólisis del enlace de ácido graso sn-2 de fosfolípidos . Digestión de lípidos, alteración de la membrana y señalización de lípidos .
Fosfolipasa C Hidroliza PIP2, un fosfatidilinositol , en dos segundos mensajeros, trifosfato de inositol y diacilglicerol . Señalización de lípidos
Colesterol oxidasas Oxida e isomeriza el colesterol a colest-4-en-3-ona. Agota las membranas celulares de colesterol, utilizado en la patogénesis bacteriana .
Carotenoide oxigenasa Escinde los carotenoides . Los carotenoides funcionan tanto en plantas como en animales como hormonas (incluye vitamina A en humanos), pigmentos , sabores , aromas florales y compuestos de defensa.
Lipoxigenasas Enzimas que contienen hierro que catalizan la dioxigenación de ácidos grasos poliinsaturados . En los animales, las lipoxigenasas participan en la síntesis de mediadores inflamatorios conocidos como leucotrienos .
Toxinas alfa Escinde los fosfolípidos en la membrana celular, similar a la fosfolipasa C. Patogénesis bacteriana, particularmente por Clostridium perfringens .
Esfingomielinasa C Una fosfodiesterasa , rompe los enlaces fosfodiéster. Procesamiento de lípidos como esfingomielina .
Glicosiltransferasas : murg y transglicosidasas Cataliza la transferencia de restos de azúcar de moléculas donantes activadas a moléculas aceptoras específicas, formando enlaces glicosídicos . Biosíntesis de disacáridos , oligosacáridos y polisacáridos (glicoconjugados), MurG participa en la biosíntesis bacteriana de peptidoglicanos .
Ferroquelatasa Convierte protoporfirina IX en hemo . Las protoporfirinas , que intervienen en el metabolismo de las porfirinas , se utilizan para fortalecer la cáscara de los huevos .
Familia de proteínas relacionadas con la miotubularina Fosfatasa lipídica que desfosforila PtdIns3P y PtdIns (3,5) P2 . Requerido para la diferenciación de células musculares .
Dihidroorotato deshidrogenasas Oxidación de dihidroorotato (DHO) a orotato. Biosíntesis de nucleótidos de pirimidina en células procariotas y eucariotas .
Glicolato oxidasa Cataliza la oxidación de α- hidroxiácidos a los correspondientes α- cetoácidos . En las plantas verdes , la enzima participa en la fotorrespiración . En los animales, la enzima participa en la producción de oxalato .

Dominios dirigidos a la membrana ("pinzas lipídicas")

Dominio C1 de PKC-delta (1ptr) Plano medio de la bicapa lipídica - puntos negros. Límite de la región del núcleo de hidrocarburos: puntos azules (lado citoplasmático). Capa de fosfatos lipídicos: puntos amarillos.

Los dominios dirigidos a la membrana se asocian específicamente con los grupos principales de sus ligandos lipídicos incrustados en la membrana. Estos ligandos lipídicos están presentes en diferentes concentraciones en distintos tipos de membranas biológicas (por ejemplo, PtdIns3P se puede encontrar principalmente en las membranas de los endosomas tempranos , PtdIns (3,5) P2 en los endosomas tardíos y PtdIns4P en el Golgi ). Por tanto, cada dominio está dirigido a una membrana específica.

Dominios estructurales

Los dominios estructurales median la unión de otras proteínas a las membranas. Su unión a las membranas puede estar mediada por iones de calcio (Ca 2+ ) que forman puentes entre los residuos de proteínas ácidas y los grupos fosfato de los lípidos, como en las anexinas o dominios GLA.

Clase Función Fisiología Estructura
Anexos Unión de fosfolípidos / membrana intracelular dependiente del calcio . Las funciones incluyen el tráfico de vesículas , la fusión de membranas y la formación de canales iónicos .
Sinapsina I Recubre las vesículas sinápticas y se une a varios elementos citoesqueléticos . Funciones en la regulación de la liberación de neurotransmisores .
Sinucleína Función celular desconocida. Se cree que desempeña un papel en la regulación de la estabilidad y / o el recambio de la membrana plasmática . Asociado tanto con la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Alzheimer .
Dominios GLA del sistema de coagulación Los dominios gamma-carboxiglutamato (GLA) son responsables de la unión de alta afinidad de los iones calcio. Interviene en función de factores de coagulación en la cascada de coagulación sanguínea.
Espectrina y α- actinina -2 Se encuentra en varias proteínas citoesqueléticas y de microfilamentos . Mantenimiento de la integridad de la membrana plasmática y la estructura citoesquelética.

Transportadores de pequeñas moléculas hidrofóbicas

Estas proteínas periféricas funcionan como portadores de compuestos no polares entre diferentes tipos de membranas celulares o entre membranas y complejos proteicos citosólicos. Las sustancias transportadas son fosfatidilinositol, tocoferol, gangliósidos, glicolípidos, derivados de esteroles, retinol, ácidos grasos, agua, macromoléculas, glóbulos rojos, fosfolípidos y nucleótidos.

Portadores de electrones

Estas proteínas están involucradas en las cadenas de transporte de electrones . Incluyen citocromo c , cupredoxinas , proteína de hierro de alto potencial , adrenodoxina reductasa, algunas flavoproteínas y otras.

Hormonas polipeptídicas, toxinas y péptidos antimicrobianos

Muchas hormonas, toxinas , inhibidores o péptidos antimicrobianos interactúan específicamente con los complejos de proteínas transmembrana . También pueden acumularse en la superficie de la bicapa lipídica, antes de unirse a sus objetivos proteicos. Dichos ligandos polipeptídicos a menudo están cargados positivamente e interactúan electrostáticamente con membranas aniónicas .

Algunas proteínas y péptidos solubles en agua también pueden formar canales transmembrana . Por lo general, experimentan oligomerización , cambios conformacionales significativos y se asocian con membranas de manera irreversible. Se ha determinado la estructura 3D de uno de estos canales transmembrana, α-hemolisina . En otros casos, la estructura experimental representa una conformación soluble en agua que interactúa periféricamente con la bicapa lipídica, aunque algunos de los péptidos formadores de canales son bastante hidrófobos y, por tanto, se estudiaron mediante espectroscopia de RMN en disolventes orgánicos o en presencia de micelas .

Clase Proteínas Fisiología
Toxinas venenosas Los tipos bien conocidos de biotoxinas incluyen neurotoxinas , citotoxinas , hemotoxinas y necrotoxinas . Las biotoxinas tienen dos funciones principales: depredación ( toxinas de serpientes , escorpiones y caracoles de cono ) y defensa ( toxinas de abejas y hormigas ).
Toxinas de anémona de mar La inhibición de los canales de sodio y potasio y la formación de poros en la membrana son las acciones principales de más de 40 toxinas peptídicas de anémona de mar conocidas. Las anémona de mar son animales carnívoros y usan toxinas en la depredación y defensa; La toxina de la anémona tiene una toxicidad similar a la de los agentes de guerra química organofosforados más tóxicos .
Toxinas bacterianas Las toxinas microbianas son los principales factores de virulencia de una variedad de bacterias patógenas . Algunas toxinas son toxinas formadoras de poros que lisan las membranas celulares. Otras toxinas inhiben la síntesis de proteínas o activan las vías del segundo mensajero provocando alteraciones drásticas en las vías de transducción de señales críticas para mantener una variedad de funciones celulares. Varias toxinas bacterianas pueden actuar directamente sobre el sistema inmunológico , actuando como superantígenos y provocando una proliferación masiva de células T , lo que sobre-extiende el sistema inmunológico. La toxina botulínica es una neurotoxina que evita que las vesículas neuro-secretoras se acoplen / fusionen con la membrana plasmática de la sinapsis nerviosa , inhibiendo la liberación de neurotransmisores .
Toxinas fúngicas Estos péptidos se caracterizan por la presencia de un aminoácido poco común, el ácido α-aminoisobutírico , y exhiben propiedades antibióticas y antifúngicas debido a sus actividades formadoras de canales de membrana.
Péptidos antimicrobianos Los modos de acción mediante los cuales los péptidos antimicrobianos matan a las bacterias son variados e incluyen la alteración de las membranas, la interferencia con el metabolismo y la focalización de los componentes citoplasmáticos . A diferencia de muchos antibióticos convencionales, estos péptidos parecen ser bactericidas en lugar de bacteriostáticos .
Defensinas Las defensinas son un tipo de péptido antimicrobiano; y son un componente importante de prácticamente todas las defensas innatas del huésped contra la invasión microbiana. Las defensinas penetran en las membranas de las células microbianas por atracción eléctrica y forman un poro en la membrana que permite la salida, que finalmente conduce a la lisis de los microorganismos.
Péptidos neuronales Estas proteínas excitan las neuronas, evocan respuestas conductuales , son potentes vasodilatadores y son responsables de la contracción en muchos tipos de músculo liso .
Reguladores de la apoptosis Los miembros de la familia Bcl-2 gobiernan la permeabilidad de la membrana externa mitocondrial . El propio Bcl-2 suprime la apoptosis en una variedad de tipos de células, incluidos linfocitos y células neuronales .

Ver también

Referencias

Referencias generales

enlaces externos