Direccionamiento de proteínas

El direccionamiento, selección, segmentación o focalización de proteínas es el mecanismo biológico por el cual las proteínas se transportan a sus destinos apropiados dentro o fuera de la célula. Las proteínas pueden dirigirse al espacio interior de un orgánulo, a diferentes membranas intracelulares, a la membrana plasmática o al exterior de la célula a través de la secreción. La información contenida en la propia proteína dirige este proceso de entrega. La clasificación correcta es crucial para la celda; los errores o la disfunción en la clasificación se han relacionado con múltiples enfermedades.

Historia

En 1970, Günter Blobel realizó experimentos sobre la translocación de proteínas a través de las membranas. Blobel, entonces profesor asistente en la Universidad Rockefeller, se basó en el trabajo de su colega George Palade. Palade había demostrado previamente que las proteínas no secretadas eran traducidas por ribosomas libres en el citosol, mientras que las proteínas secretadas (y las proteínas diana, en general) eran traducidas por ribosomas unidos al retículo endoplasmático.Las explicaciones de los candidatos en ese momento postularon una diferencia de procesamiento entre los ribosomas libres y los unidos a ER, pero Blobel planteó la hipótesis de que la orientación a proteínas se basaba en características inherentes a las proteínas, en lugar de una diferencia en los ribosomas. Respaldando 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. Describió estas secuencias cortas (generalmente de 13 a 36 residuos de aminoácidos) como péptidos señal o secuencias señal y recibió el premio Nobel de Fisiología en 1999 por ello.

Péptidos de señal

Los péptidos señal sirven como señales de orientación, 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.
2. Un lapso de 10 a 15 aminoácidos hidrófobos cerca de la mitad del péptido señal.
3. Una región ligeramente polar cerca del extremo C-terminal, que normalmente 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 llegado a su destino, el péptido señal generalmente es escindido por una peptidasa señal. En consecuencia, la mayoría de las proteínas maduras no contienen péptidos señal. Mientras que la mayoría de los péptidos señal se encuentran en el extremo N-terminal, en los peroxisomas la secuencia dirigida se encuentra en la extensión del extremo C-terminal. 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. A diferencia de la mayoría de las secuencias de señal, los parches de señal no se escinden después de completar la clasificación. 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 del ARNm en proteína por un ribosoma tiene lugar dentro del citosol, las proteínas destinadas a la secreción oa un orgánulo específico deben translocarse. Este proceso puede ocurrir durante la traducción, conocida como translocación cotraduccional, o después de que se completa la traducción, conocida como translocación postraduccional.

Translocación cotraduccional

La mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana se translocan cotraduccionalmente. Las proteínas que residen en el retículo endoplásmico (RE), el golgi o los endosomas también utilizan la vía de translocación cotraduccional. 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. La unión de SRP detiene temporalmente la síntesis mientras que el complejo ribosoma-proteína se transfiere a un receptor de SRP en el RE en eucariotas y la membrana plasmática en procariotas. Allí, la proteína naciente se inserta en el translocón, un canal conductor de proteínas unido a la membrana compuesto por el complejo de translocación Sec61 en eucariotas y el complejo homólogo SecYEG en procariotas.En las proteínas secretoras y las proteínas transmembrana tipo I, la secuencia señal se escinde inmediatamente del polipéptido naciente una vez que ha sido trasladado a la membrana del RE (eucariotas) o la membrana plasmática (procariotas) por la peptidasa señal. La secuencia de señal de las proteínas de membrana de tipo II y algunas proteínas de membrana politópicas no se escinden y, por lo tanto, se denominan secuencias de anclaje de señal. Dentro del RE, la proteína primero se cubre con 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 aparato de Golgi para su posterior procesamiento y se dirige a sus orgánulos objetivo o se retiene en el ER mediante varios mecanismos de retención del ER.

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 se interrumpe por una secuencia de parada de transferencia, también llamada secuencia de anclaje de membrana o señal de anclaje.Estas complejas proteínas de membrana se caracterizan actualmente utilizando el mismo modelo de direccionamiento 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 de señal amino-terminal. A diferencia de las proteínas secretoras, el primer dominio transmembrana actúa como la primera secuencia señal, que las dirige hacia la membrana del RE. Esto también da como resultado la translocación del extremo amino de la proteína hacia la luz de la membrana del RE. Esta translocación, que se ha demostrado con opsina con experimentos in vitro,rompe el patrón habitual de translocación "cotraduccional" que siempre se ha mantenido para las proteínas de mamíferos dirigidas al RE. Queda por dilucidar una gran parte de la mecánica de la topología transmembrana y el plegamiento.

Translocación postraduccional

Aunque la mayoría de las proteínas secretoras se translocan cotraduccionalmente, algunas se traducen en el citosol y luego se transportan al RE/membrana plasmática mediante un sistema postraduccional. En procariotas este proceso requiere ciertos cofactores como SecA y SecB y es facilitado por Sec62 y Sec63, dos proteínas unidas a la membrana. El complejo Sec63, que está incrustado en la membrana del RE, provoca la hidrólisis de ATP, lo que permite que las proteínas chaperonas se unan a una cadena peptídica expuesta y deslicen 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.

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 translocan después de la traducción 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.

Clasificación de proteínas

Mitocondrias

La mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan como precursores citosólicos que contienen señales peptídicas de captación. Las chaperonas citosólicas entregan preproteínas a los receptores vinculados a canales en la membrana mitocondrial. La preproteína con presecuencia dirigida a las mitocondrias se une a los receptores y al 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 acompañantes moleculares) hasta el TIM23 o TIM22 (translocasa de la membrana interna) en la membrana interna. Dentro de la matriz, la secuencia dirigida es escindida por mtHsp70.

Se conocen tres receptores de la membrana externa mitocondrial:

1. TOM70: se une a los péptidos de dirección internos y actúa como punto de acoplamiento para las chaperonas citosólicas.
2. TOM20: Vincula presecuencias.
3. TOM22: se une tanto a las presecuencias como a los péptidos de direccionamiento interno.

El canal TOM (TOM40) es un canal de alta conductancia específico de cationes con un peso molecular de 410 kDa y un diámetro de poro de 21 Å.

La presecuencia translocase23 (TIM23) se localiza en la membrana interna mitocondrial y actúa como una proteína formadora de poros que se une a las proteínas precursoras con su extremo N. TIM23 actúa como translocador de preproteínas para la matriz mitocondrial, la membrana mitocondrial interna y el espacio intermembrana. TIM50 se une a TIM23 en el lado mitocondrial interno y se encuentra que se une a las presecuencias. TIM44 se une al lado de la matriz y se encuentra unido a mtHsp70.La presecuencia translocase22 (TIM22) se une a preproteínas unidas exclusivamente a la membrana mitocondrial interna.

Las secuencias dirigidas a la matriz mitocondrial son ricas en aminoácidos cargados positivamente e hidroxilados.

Las proteínas se dirigen a los compartimentos submitocondriales mediante múltiples señales y varias vías.

Dirigirse 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 para los cloroplastos puede contener una secuencia de importación del estroma o una secuencia dirigida al estroma y tilacoides. 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, y 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. En general, el péptido de doble direccionamiento es de carácter intermedio a los dos específicos. Los péptidos de dirección de estas proteínas tienen un alto contenido de aminoácidos básicos e hidrofóbicos, un bajo contenido de aminoácidos cargados negativamente. Tienen un menor contenido de alanina y un mayor contenido de leucina y fenilalanina. Las proteínas dirigidas duales tienen un péptido dirigido más hidrofóbico que las mitocondriales y las cloroplásticas. Sin embargo, es tedioso predecir si un péptido tiene doble diana o no en función de sus características fisicoquímicas.

Peroxisomas

Todas las proteínas peroxisomales están codificadas por genes nucleares. Hasta la fecha, hay dos tipos conocidos de señales de orientación de peroxisomas (PTS):

1. Señal de direccionamiento 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 la serina-lisina-leucina (SKL). La mayoría de las proteínas de la matriz peroxisomal poseen una señal de tipo PTS1.
2. Señal de direccionamiento 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 el llamado mecanismo "piggy-back": tales proteínas se asocian con proteínas de matriz que poseen PTS1 y se translocan en la matriz peroxisomal junto con ellas.

Enfermedades

El transporte de proteínas es defectuoso en las siguientes enfermedades genéticas:

• Síndrome de Zellweger.
• Adrenoleucodistrofia (ALD).
• Enfermedad de Refsum
• enfermedad de Parkinson
• Hipercolesterolemia, aterosclerosis, obesidad y diabetes

En bacterias y arqueas

Como se discutió anteriormente (ver translocación de proteínas), la mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana procariota se dirigen a la membrana plasmática mediante una vía de cotraducción que usa SRP bacteriano o una vía posterior a la traducción 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 tipo I, secreción tipo II, etc.

Bacterias grampositivas

En la mayoría de las bacterias grampositivas, ciertas proteínas son el objetivo de la exportación a través de la membrana plasmática y la posterior unión covalente a la pared celular bacteriana. Una enzima especializada, la sortasa, escinde la proteína objetivo en un sitio de reconocimiento característico cerca del extremo 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 de firma 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.

Herramientas bioinformáticas

• Minimotif Miner es una herramienta bioinformática que busca en las consultas de secuencias de proteínas motivos de secuencias de orientación de proteínas conocidas.
• Phobius predice péptidos señal basados ​​en una secuencia primaria suministrada.
• SignalP predice los sitios de escisión del péptido señal.
• LOCtree predice la localización subcelular de proteínas.