Orientación a proteínas

Este artículo trata de la selección de proteínas en eucariotas a menos que se especifique lo contrario.

La selección de proteínas o la clasificación de proteínas es el mecanismo biológico mediante 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 célula; los errores o la disfunción en la clasificación se han relacionado con múltiples enfermedades.

Historia

Günter Blobel, galardonada con el Premio Nobel de Fisiología de 1999 por su descubrimiento que las proteínas contienen secuencias intrínsecas de señal.

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 hidrofílica positivamente cargada cerca del N-terminal.
2. Un lapso de 10 a 15 aminoácidos hidrofóbicos cerca del centro del péptido de señal.
3. Una región ligeramente polar cerca del terminal C, favoreciendo típicamente los aminoácidos con cadenas laterales más pequeñas en posiciones que se acercan al sitio del escote.

Una vez que una proteína ha llegado a su destino, el péptido señal generalmente se escinde mediante 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 la glicosilación 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

Una visión generalizada de la orientación proteica que ilustra la translocación co-translacional al reticulum endoplasmático y la translocación post-translacional a sus lugares específicos. Si no hay secuencia de segmentación presente, entonces la proteína sintetizada permanecerá en el citosol.

La mayoría de las proteínas secretadas 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 translocado 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 "co-traduccional" translocación 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

Resúmenes de las principales vías de importación de proteínas de mitocondria.

La vía portadora de proteínas dirigida a la membrana interna mitocondrial.

Mientras que algunas proteínas en las mitocondrias se originan a partir del ADN mitocondrial dentro del orgánulo, la mayoría de las proteínas mitocondriales se sintetizan como precursores citosólicos que contienen señales peptídicas de captación. Las proteínas desplegadas unidas por la chaperona hsp70 citosólica que están dirigidas a las mitocondrias pueden localizarse en cuatro áreas diferentes dependiendo de sus secuencias. Pueden estar dirigidos a la matriz mitocondrial, la membrana externa, el espacio intermembrana o la membrana interna. Los defectos en uno o más de estos procesos se han relacionado con la salud y la enfermedad.

Matriz mitocondrial

La vía pre-sequence hacia la membrana interna mitocondrial (IM) y la matriz mitocondrial.

Las proteínas dirigidas a la matriz mitocondrial primero implican interacciones entre la secuencia de orientación de la matriz ubicada en el extremo N-terminal y el complejo TOM20/22 del receptor de importación de la membrana externa. Además del acoplamiento de secuencias internas y chaperonas citosólicas a TOM70. Donde TOM es una abreviatura de translocasa de la membrana externa. La unión de la secuencia de direccionamiento de la matriz al receptor de importación desencadena una transferencia del polipéptido al núcleo de importación general (GIP) conocido como TOM40. El núcleo de importación general (TOM40) luego alimenta la cadena polipeptídica a través del espacio intermembrana y hacia otro complejo de translocasa TIM17/23/44 ubicado en la membrana mitocondrial interna. Esto va acompañado de la necesaria liberación de chaperonas citosólicas que mantienen un estado desplegado antes de entrar en la mitocondria. A medida que el polipéptido entra en la matriz, la secuencia señal es escindida por una peptidasa de procesamiento y las secuencias restantes son unidas por chaperonas mitocondriales para esperar el plegamiento y la actividad adecuados. El empuje y atracción del polipéptido desde el citosol al espacio intermembrana y luego a la matriz se logra mediante un gradiente electroquímico que establece la mitocondria durante la fosforilación oxidativa. En el que una mitocondria activa en el metabolismo ha generado un potencial negativo en el interior de la matriz y un potencial positivo en el espacio intermembrana. Es este potencial negativo dentro de la matriz el que dirige las regiones cargadas positivamente de la secuencia de orientación hacia su ubicación deseada.

Membrana interna mitocondrial

La orientación de las proteínas mitocondriales a la membrana interna puede seguir 3 vías diferentes según sus secuencias generales; sin embargo, la entrada desde la membrana externa sigue siendo la misma utilizando el complejo receptor de importación TOM20/22 y el núcleo de importación general TOM40. La primera vía para las proteínas dirigidas a la membrana interna sigue los mismos pasos que los designados a la matriz, donde contiene una secuencia dirigida a la matriz que canaliza el polipéptido al complejo de membrana interna que contiene el complejo de translocasa TIM17/23/44 mencionado anteriormente. Sin embargo, la diferencia es que los péptidos que están designados para la membrana interna y no para la matriz contienen una secuencia aguas arriba denominada secuencia de anclaje de transferencia de parada. Esta secuencia de anclaje de parada de transferencia es una región hidrófoba que se incrusta en la bicapa de fosfolípidos de la membrana interna y evita la translocación hacia el interior de la mitocondria. La segunda vía para las proteínas dirigidas a la membrana interna sigue la vía de localización de la matriz en su totalidad. Sin embargo, en lugar de una secuencia de anclaje de transferencia de parada, contiene otra secuencia que interactúa con una proteína de la membrana interna llamada Oxa-1 una vez dentro de la matriz que la incrustará en la membrana interna. La tercera vía para las proteínas mitocondriales dirigidas a la membrana interna sigue la misma entrada que las otras en la membrana externa, sin embargo, esta vía utiliza el complejo de translocasa TIM22/54 asistido por el complejo TIM9/10 en el espacio intermembrana para anclar el péptido entrante en la membrana Los péptidos para esta última vía no contienen una secuencia dirigida a la matriz, sino que contienen varias secuencias dirigidas internas.

Espacio intermembrana mitocondrial

Si, en cambio, la proteína precursora se designa para el espacio intermembrana de la mitocondria, esto puede ocurrir de dos maneras según las secuencias que se reconozcan. La primera vía hacia el espacio intermembrana sigue los mismos pasos para una proteína dirigida a la membrana interna. Sin embargo, una vez unido a la membrana interna, el extremo C de la proteína anclada se escinde a través de una peptidasa que libera la preproteína en el espacio intermembrana para que pueda plegarse a su estado activo. Uno de los mejores ejemplos de una proteína que sigue esta vía es el citocromo b2, que al ser escindido interactuará con un cofactor hemo y se activará. La segunda vía del espacio intermembrana no utiliza ningún complejo de membrana interna y, por lo tanto, no contiene una señal de direccionamiento a la matriz. En cambio, ingresa a través del núcleo de importación general TOM40 y se modifica aún más en el espacio intermembrana para lograr su conformación activa. TIM9/10 es un ejemplo de una proteína que sigue esta vía para estar en el lugar que necesita para ayudar en la orientación de la membrana interna.

Membrana externa mitocondrial

La orientación a la membrana externa simplemente implica la interacción de las proteínas precursoras con los complejos de translocasa de la membrana externa que la incrustan en la membrana mediante secuencias de orientación interna que forman hélices alfa hidrofóbicas o barriles beta que abarcan la bicapa de fosfolípidos. Esto puede ocurrir por dos rutas diferentes dependiendo de las secuencias internas de la preproteína. Si la preproteína contiene regiones hidrofóbicas internas capaces de formar hélices alfa, entonces la preproteína utilizará el complejo de importación mitocondrial (MIM) y se transferirá lateralmente a la membrana. Para las preproteínas que contienen secuencias internas hidrofóbicas que se correlacionan con proteínas formadoras de barriles beta, se importarán desde el complejo de membrana externa TOM20/22 antes mencionado al espacio intermembrana. En el que interactuarán con el complejo de proteínas del espacio intermembrana TIM9/10 que las transfiere a la maquinaria de clasificación y ensamblaje (SAM) que está presente en la membrana externa que desplaza lateralmente la proteína objetivo como un barril beta.

Cloroplastos

Los cloroplastos son similares a las mitocondrias en que contienen su propio ADN para la producción de algunos de sus componentes. Sin embargo, la mayoría de sus proteínas se obtienen mediante translocación postraduccional y surgen de genes nucleares. Las proteínas pueden dirigirse a varios sitios del cloroplasto según sus secuencias, como la envoltura externa, la envoltura interna, el estroma, la luz del tilacoide o la membrana del tilacoide. Las proteínas dirigidas a la envoltura de los cloroplastos generalmente carecen de una secuencia de clasificación escindible y se desplazan lateralmente a través de complejos de clasificación de membrana. La importación general de la mayoría de las preproteínas requiere la translocación desde el citosol a través de los complejos Toc y Tic ubicados dentro de la envoltura del cloroplasto. Donde Toc es una abreviatura de la translocasa de la envoltura exterior del cloroplasto y Tic es la translocasa de la envoltura interior del cloroplasto. Hay un mínimo de tres proteínas que componen la función del complejo Toc. Dos de los cuales, denominados Toc159 y Toc34, son responsables del acoplamiento de las secuencias de importación del estroma y ambos contienen actividad GTPasa. El tercero, conocido como Toc 75, es el canal de translocación real que alimenta la preproteína reconocida por Toc159/34 en el cloroplasto.

Estroma

Dirigirse al estroma requiere que la preproteína tenga una secuencia de importación estromal que sea reconocida por el complejo Tic de la envoltura interna al ser translocada desde la envoltura externa por el complejo Toc. El complejo Tic está compuesto por al menos cinco proteínas Tic diferentes que se requieren para formar el canal de translocación a través de la envoltura interna. Al ser entregada al estroma, la secuencia de importación del estroma se escinde mediante una peptidasa señal. Actualmente se sabe que este proceso de entrega al estroma es impulsado por la hidrólisis de ATP a través de chaperonas HSP estromales, en lugar del gradiente electroquímico transmembrana que se establece en las mitocondrias para impulsar la importación de proteínas. La clasificación adicional dentro del cloroplasto depende de secuencias diana adicionales, como las designadas para la membrana tilacoidal o el lumen tilacoidal.

Lúmen de tilacoides

Si una proteína se va a dirigir a la luz de los tilacoides, esto puede ocurrir a través de cuatro rutas conocidas diferentes que se asemejan mucho a los mecanismos de transporte de proteínas bacterianas. La ruta que se toma depende de que la proteína entregada al estroma se encuentre en un estado desplegado o plegado unido al metal. Ambos seguirán conteniendo una secuencia dirigida a los tilacoides que también se escinde al entrar en la luz. Si bien la importación de proteínas al estroma está impulsada por ATP, se ha demostrado que la ruta de las proteínas unidas a metales en un estado plegado hacia la luz de los tilacoides está impulsada por un gradiente de pH.

Sendas para proteínas dirigidas a la membrana tilakoidea en cloroplastos.

Membrana tilacoide

Las proteínas unidas a la membrana del tilacoide seguirán hasta cuatro rutas conocidas que se ilustran en la figura correspondiente que se muestra. Pueden seguir una ruta de inserción cotraduccional que utiliza ribosomas estromales y el complejo transmembrana SecY/E, la ruta dependiente de SRP, la ruta de inserción espontánea o la ruta GET. Las últimas de las tres son vías postraduccionales que se originan a partir de genes nucleares y por lo tanto constituyen la mayoría de las proteínas dirigidas a la membrana tilacoide. Según artículos de revisión recientes en la revista de bioquímica y biología molecular, los mecanismos exactos aún no se comprenden completamente.

Tanto cloroplastos como 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

Proteína generalizada dirigida a la matriz peroxisomal

Los peroxisomas contienen una sola bicapa de fosfolípidos que rodea la matriz peroxisomal que contiene una amplia variedad de proteínas y enzimas que participan en el anabolismo y el catabolismo. Dado que no contiene ADN interno como el de las mitocondrias o el cloroplasto, 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 ataque peroxial 1 (PTS1): un tripeptide C-terminal con una secuencia de consenso (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). El PTS1 más común es la serina-lysine-leucine (SKL). La investigación inicial que llevó al descubrimiento de este consenso observó que cuando se expresó luciferasa de la luciferasa en las células de insectos cultivadas, fue dirigida al peróxido. Al probar una variedad de mutaciones en el gen que codifica la luciferasa expresada, se determinó entonces la secuencia de consenso. También se ha encontrado que al agregar esta secuencia C-terminal de SKL a una proteína citosolica que se convierte en objetivo para el transporte al peroxisome. La mayoría de las proteínas de la matriz peroxisomal poseen esta señal tipo PTS1.
2. señal de ataque peroxisome 2 (PTS2): un nonapeptide situado cerca de la N-terminus 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 "piggy-back" mecanismo: tales proteínas se asocian con proteínas de matriz que poseen PTS1 y se translocan a la matriz peroxisomal junto con ellas.

En el caso de las proteínas citosólicas que se producen con la secuencia C-terminal de PTS1, su ruta hacia la matriz peroxisomal depende de la unión a otra proteína citosólica llamada pex5 (peroxina 5). Una vez unido, pex5 interactúa con una proteína de membrana peroxisomal pex14 para formar un complejo. Cuando la proteína pex5 con carga unida interactúa con la proteína de membrana pex14, el complejo induce la liberación de la proteína objetivo en la matriz. Al liberar la proteína de carga en la matriz, la disociación de pex5 de pex14 ocurre a través de la ubiquitinilación por un complejo de membrana que comprende pex2, pex12 y pex10, seguido de una eliminación dependiente de ATP que involucra el complejo de proteínas citosólicas pex1 y pex6. El ciclo para la importación mediada por pex5 en la matriz peroxisomal se restablece después de la eliminación de ubiquitina dependiente de ATP y es libre de unirse con otra proteína que contiene una secuencia PTS1. Las proteínas que contienen una secuencia dirigida a PTS2 están mediadas por una proteína citosólica diferente, pero se cree que siguen un mecanismo similar al de las que contienen la secuencia PTS1.

Enfermedades

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

• Síndrome de Mohr-Tranebjaerg

• Síndrome de Zellweger
• Adrenoleukodystrophy (ALD).
• Enfermedad de derivación
• Enfermedad de Parkinson
• Hipercolesterolemia, aterosclerosis, obesidad y diabetes

En bacterias y arqueas

Como se mencionó anteriormente (consulte la translocación de proteínas), la mayoría de las proteínas secretoras y unidas a la membrana procariótica se dirigen a la membrana plasmática mediante una vía de cotraducción que utiliza 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 negativas

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 distintivo 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. El sistema GlyGly-CTERM/rombosortasa, que se encuentra en Shewanella, Vibrio y algunos otros géneros, parece estar involucrado en la liberación de proteasas, nucleasas y otras enzimas.

Herramientas bioinformáticas

• Minimotif Miner es una herramienta bioinformática que busca secuencias de proteínas para una serie de motivos conocidos.
• Phobius predice péptidos de señal basados en una secuencia primaria suministrada.
• Signal P predice la señal peptide cleavage sitios.
• LOCtree predice la localización subcelular de proteínas.