Proteína transmembrana

Representación esquemática de las proteínas transmembranas: 1) una sola 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 amarillo claro.

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 enlace para permitir el transporte de sustancias específicas a través de la membrana. Con frecuencia experimentan cambios conformacionales significativos para mover una sustancia a través de la membrana. Suelen ser muy hidrófobos y se agregan y precipitan en el agua. Requieren detergentes o disolventes no polares para su extracción, aunque algunos de ellos (beta-barriles) también se pueden extraer utilizando agentes desnaturalizantes.

La secuencia peptídica que se extiende por la membrana, o el segmento transmembrana, es en gran parte hidrofóbica y se puede visualizar mediante el diagrama de hidropatía. Según el número de segmentos transmembrana, las proteínas transmembrana se pueden clasificar como de tramo único (o bitópicas) o de tramo múltiple (politópicas). Algunas otras proteínas integrales de 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. Esta es la categoría principal de proteínas transmembrana. En humanos, se ha estimado que el 27% de todas las proteínas son proteínas de membrana alfa-helicoidales. Las proteínas de barril beta se encuentran hasta ahora solo en las membranas externas de las bacterias gramnegativas, las paredes celulares de las bacterias grampositivas, las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos, o pueden secretarse como toxinas formadoras de poros. Todas las proteínas transmembrana de barril beta tienen una topología ascendente y descendente más simple, lo 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 se anclan a la membrana lipídica con una secuencia de anclaje de parada de transferencia y tienen sus dominios N-terminales dirigidos a la luz del retículo endoplásmico (RE) durante la síntesis (y al espacio extracelular, si las formas maduras están ubicadas en las membranas celulares). Los tipos II y III están anclados con una secuencia de anclaje de señal, con el tipo II dirigido a la luz del RE con su dominio C-terminal, mientras que el tipo III tiene sus dominios N-terminales dirigidos a la luz del RE. 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 RE, cuando la proteína tiene que pasar a través de la membrana del RE en una dirección que depende del tipo.

Las proteínas transmembranas del grupo I y II tienen topologías opuestas. Las proteínas del grupo I tienen el término N en el lado lejano y el término C en el lado citosólico. Las proteínas del grupo II tienen el término C en el lado lejano y el término N en el citosol. Sin embargo, la topología final no es el único criterio para definir los grupos de proteína transmembrana, sino la ubicación de los determinantes topogénicos y el mecanismo de montaje se considera en la clasificación

Estructura 3D

Aumento del número de estructuras 3D de proteínas de membrana conocidas

Las estructuras de proteínas de membrana se pueden determinar mediante cristalografía de rayos X, microscopía electrónica o espectroscopia 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 membrana que están unidas a la bicapa lipídica (ver capa lipídica anular) consiste principalmente en aminoácidos hidrofóbicos.

Proteínas de membrana que tienen superficies hidrofóbicas, son relativamente flexibles y se expresan en 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 para las proteínas globulares. A partir de enero de 2013, menos del 0,1 % de las estructuras proteicas determinadas eran proteínas de membrana, a pesar de representar entre el 20 % y el 30 % del proteoma total. Debido a esta dificultad ya 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 interna positiva y otros métodos.

Estabilidad termodinámica y plegado

Estabilidad de las proteínas transmembrana alfa-helicoidales

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 de H α-helicoidales en el no polar medios de comunicación). 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 detergentes es diferente al de los experimentos de desnaturalización térmica. Este estado representa una combinación de hélices α hidrofóbicas plegadas y segmentos parcialmente desplegados cubiertos por el detergente. Por ejemplo, el "desplegado" La bacteriorrodopsina en las micelas SDS tiene cuatro hélices α transmembrana plegadas, mientras que el resto de la proteína se sitúa en la interfase micela-agua y puede adoptar diferentes tipos de estructuras anfifílicas no nativas. Las diferencias de energía libre entre tales estados nativos y desnaturalizados con detergente son similares a las estabilidades de las proteínas solubles en agua (< 10 kcal/mol).

Plegamiento de proteínas transmembrana helicoidales α

El replegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales in vitro es técnicamente difícil. Hay relativamente pocos ejemplos de experimentos exitosos de replegamiento, como para la bacteriorrodopsina. In vivo, todas estas proteínas normalmente se pliegan cotraduccionalmente dentro del gran translocón transmembrana. 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 de el 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 se sintetiza y se pliega por completo. Si la proteína permanece desplegada y adherida al translocón durante demasiado tiempo, se degrada mediante un "control de calidad" específico. sistemas celulares.

Estabilidad y plegamiento de proteínas transmembrana de barril beta

La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril beta (barril β) es similar a la estabilidad de las proteínas solubles en agua, según los estudios de desnaturalización química. Algunos de ellos son muy estables incluso en agentes caotrópicos y alta temperatura. Su plegamiento in vivo es 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 láminas que podrían agregarse o duplicarse durante la evolución. Algunos estudios muestran una gran conservación de secuencias entre diferentes organismos y también aminoácidos conservados que mantienen la estructura y ayudan con el plegamiento.

Estructuras 3D

Transportadores impulsados por absorción de luz

• Proteínas parecidas a la bacteriano, incluyendo la rodopsina (ver también el osin)
• Centros de reacción fotosintética bacteriana y fotosistemas I y II
• Complejos de captura de luz de bacterias y cloroplastos

Transportadores impulsados por oxidorreducción

• Transmembrane cytochrome b-como proteínas: coenzima Q - citocromo c reductasa (cytochrome bc1); complejo citocromo b6f; formate deshidrogenasa, nitrato respiratorio reductasa; succinado - coenzima Q reductasa (fumarate reductase); y succinate dehidrogenasa. Ver cadena de transporte de electrones.
• Citocroma c oxidas de bacterias y mitocondrias

Transportadores impulsados por potencial electroquímico

• Translocación Proton o Sodium ATPases tipo F y tipo V

Transportadores impulsados por hidrólisis de enlaces P-P

• P-tipo de calcio ATPase (cinco conformaciones diferentes)
• Reguladores de calcio ATPase fosfolamban y sarcolipina
• Transportadores ABC
• Carril secretor general (Sec) translocon (preproteína translocase SecY)

Portadores (uniportadores, simportadores, antiportadores)

• Proteínas portadoras mitocondriales
• Facilitador Principal Superfamily (Glycerol-3-phosphate transportr, Lactose permease y Multidrug transportr EmrD)
• División de células de resistencia a la nodulación (multidrug efflux transportr AcrB, ver la resistencia multidrug)
• Dicarboxilato/aminoácido: simportador de cation (simportador de glutamato protón)
• Monovalent cation/proton antiporter (Sodium/proton antiporter 1 NhaA)
• Simportador de sodio neurotransmisor
• Transportadores de amoníaco
• Narcotráfico/Metabolite Transporter (pequeño transportador de resistencia multidrogas EmrE - las estructuras se retractan como erróneas)

Canales alfa-helicoidales, incluidos los canales iónicos

• Canal de iones de voltaje como, incluyendo los canales de potasio KcsA y KvAP, y canal de iones de potasio interno Kirbac
• Canal mecanosensible de gran capacidad, MscL
• Canal de ion pequeño-conductancia (MscS)
• Transportadores de iones de metal CorA
• Canal de iones ligando de receptores neurotransmisores (receptor de la acetilcolina)
• Aquaporins
• Canales Chloride
• Proteínas auxiliares de membrana externa (transportador de polisacáridos) - proteínas transmembranas α-helicales de la membrana bacteriana externa

Enzimas

• Metano monooxigenasa
• proteasa Rhomboid
• Proteína de formación de lazos disulfudos (complejo DsbA-DsbB)

Proteínas con anclajes alfa-helicoidales transmembrana

• Receptor de células T dominio de dimerización transmembrana]
• Citocromo c nitrito reductase complejo
• Steryl-sulfate sulfohidrolase
• Stanin
• Glycophorin Un centavo.
• Proteína de capa mayor Inovirus (filamentous phage)
• Pilin
• Proteína asociada al surfactante pulmonar
• Monoamina oxidases A y B
• Ácido graso anida hidrolase
• Cytochrome P450 oxidases
• Corticosteroides 11β-dehidrogenas.
• Signal Peptide Peptidase
• Membrane protease específico para un homolog de estaomatina

Beta-barriles compuestos por una sola cadena polipeptídica

• Barcos de beta de ocho beta-strands y con "número de tijera" de diez (n=8, S=10). Incluyen:
  • OmpA-like transmembrane domain (OmpA)
  • Familia de proteína de membrana externa relacionada con la virulencia (OmpX)
  • Proteína de membrana externa W family (OmpW)
  • Resistencia antimicrobiana del péptido y lípidos Familia de proteína de acitolación (PagP)
  • Lipid A deacylase PagL
  • Opacidad de los pornos familiares (NspA)
• Dominio autotransportadorn=12,S=14)
• Familia de transporte de proteínas de membrana externa FadL, incluyendo el transportador de ácidos grasos FadL (n=14,S=14)
• Familia de porno bacteriano general, conocido como pornos triméricos (n=16,S=20)
• Maltoporina o portones de azúcar (n=18,S=22)
• Porno específico de Nucleoside (n=12,S=16)
• Fosfolipasa de membrana externa A1(n=12,S=16)
• Receptores dependientes de TonB y su dominio de enchufe. Son canales de membrana externa de ligando (n=22,S=24), incluyendo el transportador de cobalamina BtuB, Fe(III)-piochelin receptor FptA, receptor FepA, receptor de absorción de hidroxámate fhuA, transportador FecA y receptor de pioverdina FpvA
• Proteína de membrana externa Familia OpcAn=10,S=12) que incluye la membrana externa proteasa OmpT y la proteína adhesin/invasina OpcA
• Proteína de membrana externa Familia de porno Gn=14,S=16)

Nota: n y S son, respectivamente, el número de hebras beta y el "número de corte" del barril beta

Beta-barriles compuestos por varias cadenas polipeptídicas

• Trimeric autotransportador ()n=12,S=12)
• Proteínas de eflujo de membrana externa, también conocidas como factores de membrana externa trimérica (n=12,S=18) incluyendo proteínas de resistencia a tolC y multidrogas
• MspA porin (octamer, n=S=16) y α-hemolysin (heptamer) N=S=14). Estas proteínas son secretas.