Proteína transmembrana - Transmembrane protein
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 . Dependiendo del número de segmentos transmembrana, las proteínas transmembrana se pueden clasificar como de un solo tramo (o bitópicas ) o de múltiples tramos (politópicos). 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.
Tipos
Clasificación por estructura
Hay dos tipos básicos de proteínas transmembrana: barriles alfa helicoidales y beta . 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 . Ésta 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. 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 y cloroplastos , 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. Este péptido es secretado por bacterias grampositivas 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.
Clasificación por topología
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-transferencia y tienen sus dominios N-terminales dirigidos 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. Las implicaciones para la división en los cuatro tipos se manifiestan especialmente en el momento de la translocación y la traducción unida al ER, cuando la proteína debe pasar a través de la membrana del ER en una dirección que depende del tipo.
Estructura 3D
Las estructuras de las proteínas de la membrana se pueden determinar mediante cristalografía de rayos X , microscopía electrónica o espectroscopía de RMN . 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.
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. En enero de 2013, menos del 0,1% de las estructuras proteicas determinadas eran proteínas de membrana a pesar de ser del 20 al 30% del proteoma total. 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 del interior positivo y otros métodos.
Estabilidad termodinámica y plegado.
Estabilidad de las proteínas transmembrana de hélice alfa
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 despliegue completo requeriría romper demasiados enlaces H- 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.
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 . Este estado representa una combinación de α-hélices hidrófobas 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 estructuras anfifílicas no nativas . 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).
Plegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales
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 cotraduciblemente 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 mirar hacia el 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".
Estabilidad y plegamiento de proteínas transmembrana de barril beta
La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril beta (barril beta) es similar a la estabilidad de las proteínas solubles en agua, según 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.
Estructuras 3D
Transportadores impulsados por absorción de luz
- 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
- 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
- ATPasas de tipo F y de tipo V con translocación de protones o sodio
Transportadores impulsados por hidrólisis con enlaces de PP
- 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)
- Proteínas portadoras mitocondriales
- Superfamilia facilitadora principal (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 canales iónicos
- 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
- Metano monooxigenasa
- Proteasa romboide
- Proteína de formación de enlaces disulfuro (complejo DsbA-DsbB)
Proteínas con anclajes transmembrana alfa helicoidales
- 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
- Citocromo P450 oxidasas
- Corticosteroide 11β-deshidrogenasas .
- Péptido señal peptidasa
- Proteasa de membrana específica para un homólogo de estomatina
Barriles beta compuestos por una sola cadena polipeptídica
- 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" del barril beta.
Barriles beta compuestos por varias cadenas polipeptídicas
- 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.