Proteína de membrana

Complejos de proteína de membrana de fotosíntesis en la membrana tilakoide

proteínas de membrana son proteínas comunes que forman parte de las membranas biológicas o interactúan con ellas. Las proteínas de membrana se dividen en varias categorías amplias según su ubicación. Las proteínas de membrana integrales son una parte permanente de la membrana celular y pueden penetrar la membrana (transmembrana) o asociarse con uno u otro lado de la membrana (monotópica integral). Las proteínas de membrana periférica se asocian transitoriamente con la membrana celular.

Las proteínas de membrana son comunes y médicamente importantes: aproximadamente un tercio de todas las proteínas humanas son proteínas de membrana, y estas son el objetivo de más de la mitad de todos los medicamentos. No obstante, en comparación con otras clases de proteínas, determinar las estructuras de proteínas de membrana sigue siendo un desafío en gran parte debido a la dificultad de establecer condiciones experimentales que puedan preservar la conformación correcta de la proteína aislada de su entorno nativo.

Función

Las proteínas de membrana realizan una variedad de funciones vitales para la supervivencia de los organismos:

• Las proteínas receptoras de membrana transmiten señales entre los entornos internos y externos de la célula.
• Las proteínas de transporte mueven moléculas y iones a través de la membrana. Pueden clasificarse según la base de datos de Clasificación del Transporter.
• Las enzimas membranas pueden tener muchas actividades, como la óxidoreductasa, la transferasa o la hidrolasa.
• Las moléculas de adherencia celular permiten que las células se identifiquen y interactúen. Por ejemplo, proteínas involucradas en la respuesta inmunitaria

La localización de proteínas en las membranas se puede predecir de forma fiable mediante análisis de hidrofobicidad de secuencias de proteínas, es decir, la localización de secuencias de aminoácidos hidrofóbicos.

Proteínas integrales de membrana

Representación esquemática de las proteínas transmembranas: 1. una única transmembrana α-helix (proteína de membrana bitópica) 2. una proteína transmembrana politópica α-helical 3. una proteína transmembrana politópica β-sheet
La membrana está representada en color marrón claro.

Las proteínas integrales de la membrana están unidas permanentemente a la membrana. Dichas proteínas pueden separarse de las membranas biológicas solo usando detergentes, solventes no polares o, a veces, agentes desnaturalizantes. Se pueden clasificar según su relación con la bicapa:

• Las proteínas politópicas integrales son proteínas transmembranas que atraviesan la membrana más de una vez. Estas proteínas pueden tener una topología transmembrana diferente. Estas proteínas tienen una de las dos arquitecturas estructurales:
  • Proteínas de helix, presentes en todo tipo de membranas biológicas;
  • Proteínas de barril de beta, que sólo se encuentran en las membranas exteriores de bacterias gramnegativas, y membranas externas de mitocondria y cloroplastos.
• Las proteínas Bitopic son proteínas transmembranas que atraviesan la membrana sólo una vez. Los cálices transmembranos de estas proteínas tienen distribuciones significativamente diferentes de aminoácidos a los cálices transmembranos de proteínas politópicas.
• Las proteínas monotópicas integrales son proteínas integrales de membrana que se unen a un solo lado de la membrana y no abarcan todo el camino.

Proteínas de membrana periférica

Representación esquemática de los diferentes tipos de interacción entre las proteínas monotópicas de la membrana y la membrana celular: 1. interacción por un α-helix anfiático paralelo al plano de la membrana (helix de la membrana plana) 2. interacción por un bucle hidrofóbico 3. interacción por un lípido de membrana covalentemente ligado (lipidación) 4. interacciones electrostáticas o iónicas con lípidos de membrana (Por ejemplo. a través de un iión de calcio)

Las proteínas de la membrana periférica se unen temporalmente a la bicapa lipídica oa las proteínas integrales mediante una combinación de interacciones hidrófobas, electrostáticas y otras no covalentes. Las proteínas periféricas se disocian después del tratamiento con un reactivo polar, como una solución con un pH elevado o altas concentraciones de sal.

Las proteínas integrales y periféricas pueden modificarse postraduccionalmente, con ácidos grasos agregados, diacilglicerol o cadenas de prenilo, o GPI (glucosilfosfatidilinositol), que pueden anclarse en la bicapa lipídica.

Toxinas polipeptídicas

Las toxinas polipeptídicas y muchos péptidos antibacterianos, como las colicinas o las hemolisinas, y ciertas proteínas involucradas en la apoptosis, a veces se consideran una categoría separada. Estas proteínas son solubles en agua, pero pueden agregarse y asociarse de forma irreversible con la bicapa lipídica y asociarse de forma reversible o irreversible a la membrana.

En genomas

Las proteínas de membrana, como las proteínas globulares solubles, las proteínas fibrosas y las proteínas desordenadas, son comunes. Se estima que del 20 al 30% de todos los genes en la mayoría de los genomas codifican proteínas de membrana. Por ejemplo, alrededor de 1000 de las ~4200 proteínas de E. coli se cree que son proteínas de membrana, 600 de las cuales se ha verificado experimentalmente que residen en la membrana. En humanos, el pensamiento actual sugiere que el 30% del genoma codifica proteínas de membrana.

En enfermedad

Las proteínas de membrana son el objetivo de más del 50 % de todos los medicamentos modernos. Entre las enfermedades humanas en las que se han implicado las proteínas de membrana se encuentran las cardiopatías, el Alzheimer y la fibrosis quística.

Purificación de proteínas de membrana

Aunque las proteínas de membrana desempeñan un papel importante en todos los organismos, históricamente su purificación ha sido y sigue siendo un gran desafío para los científicos de proteínas. En 2008, estaban disponibles 150 estructuras únicas de proteínas de membrana, y para 2019 solo se habían dilucidado las estructuras de 50 proteínas de membrana humana. Por el contrario, aproximadamente el 25% de todas las proteínas son proteínas de membrana. Sus superficies hidrofóbicas dificultan la caracterización estructural y especialmente funcional. Se pueden usar detergentes para hacer que las proteínas de la membrana sean solubles en agua, pero también pueden alterar la estructura y función de las proteínas. Hacer que las proteínas de membrana sean solubles en agua también se puede lograr modificando la secuencia de la proteína, reemplazando los aminoácidos hidrofóbicos seleccionados por otros hidrofílicos, teniendo mucho cuidado de mantener la estructura secundaria mientras se revisa la carga general.

La cromatografía de afinidad es una de las mejores soluciones para la purificación de proteínas de membrana. La actividad de las proteínas de membrana disminuye muy rápido en contraste con otras proteínas. Así, la cromatografía de afinidad proporciona una purificación rápida y específica de las proteínas de membrana. La etiqueta de polihistidina es una etiqueta de uso común para la purificación de proteínas de membrana, y la etiqueta alternativa rho1D4 también se ha utilizado con éxito.