Proteína de membrana

Proteínas que forman parte de las membranas biológicas o interactúan con ellas.

Complejos proteicos de membrana de la fotosíntesis en la membrana tilacoide

Las 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 una membrana celular y pueden penetrar la membrana ( transmembrana ) o asociarse con uno u otro lado de una membrana ( monotópica integral ). Las proteínas de membrana periféricas se asocian transitoriamente con la membrana celular.

Las proteínas de membrana son comunes y de importancia médica: aproximadamente un tercio de todas las proteínas humanas son proteínas de membrana y son el objetivo de más de la mitad de todos los medicamentos. ^[1] No obstante, en comparación con otras clases de proteínas, determinar las estructuras de las proteínas de membrana sigue siendo un desafío en gran parte debido a la dificultad de establecer condiciones experimentales que puedan preservar la conformación correcta ( nativa ) de la proteína aislada de su entorno nativo.

Función

Las proteínas de membrana desempeñan una variedad de funciones vitales para la supervivencia de los organismos: ^[2]

• Las proteínas receptoras de membrana transmiten señales entre los entornos interno y externo de la célula .
• Las proteínas de transporte mueven moléculas e iones a través de la membrana. Se pueden clasificar según la base de datos de clasificación de transportadores .
• Las enzimas de membrana pueden tener muchas actividades, como la oxidorreductasa , la transferasa o la hidrolasa . ^[3]
• Las moléculas de adhesión celular permiten que las células se identifiquen entre sí e interactúen. Por ejemplo, las proteínas que participan en la respuesta inmunitaria

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

Proteínas integrales de membrana

Representación esquemática de las proteínas transmembrana : 1. una única hélice α transmembrana (proteína de membrana bitópica) 2. una proteína α-helicoidal transmembrana politópica 3. una proteína β-lámina transmembrana politópica
La membrana está representada en marrón claro.

Las proteínas integrales de membrana están unidas permanentemente a la membrana. Dichas proteínas pueden separarse de las membranas biológicas únicamente mediante detergentes , disolventes no polares o, en ocasiones, agentes desnaturalizantes . ^{[ cita requerida ]} Se pueden clasificar según su relación con la bicapa :

• Las proteínas politópicas integrales son proteínas transmembrana que atraviesan la membrana más de una vez. Estas proteínas pueden tener una topología transmembrana diferente . ^{[4] [5]} Estas proteínas tienen una de dos arquitecturas estructurales:
  • Proteínas en forma de haz de hélice , presentes en todos los tipos de membranas biológicas ;
  • Proteínas de barril beta , que se encuentran únicamente en las membranas externas de las bacterias Gram-negativas y en las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos . ^[6]
• Las proteínas bitópicas son proteínas transmembrana que atraviesan la membrana una sola vez. Las hélices transmembrana de estas proteínas tienen distribuciones de aminoácidos significativamente diferentes a las de las hélices transmembrana de las proteínas politópicas. ^[7]
• Las proteínas monotópicas integrales son proteínas integrales de membrana que están unidas a un solo lado de la membrana y no se extienden a lo largo de todo su ancho.

Proteínas de membrana periférica

Representación esquemática de los diferentes tipos de interacción entre las proteínas monotópicas de membrana y la membrana celular : 1. interacción mediante una hélice α anfipática paralela al plano de la membrana (hélice de membrana en el plano) 2. interacción mediante un bucle hidrófobo 3. interacción mediante un lípido de membrana unido covalentemente ( lipidación ) 4. interacciones electrostáticas o iónicas con lípidos de membrana ( por ejemplo, a través de un ion calcio )

Las proteínas de membrana periféricas se unen temporalmente a la bicapa lipídica o a proteínas integrales mediante una combinación de interacciones hidrofóbicas , electrostáticas y otras interacciones 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. ^{[ cita requerida ]}

Las proteínas integrales y periféricas pueden modificarse postraduccionalmente, con la adición de ácidos grasos , diacilglicerol ^[8] o cadenas de prenilo , o GPI (glicosilfosfatidilinositol), 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 implicadas en la apoptosis , a veces se consideran una categoría aparte. Estas proteínas son solubles en agua , pero pueden sufrir cambios conformacionales significativos , formar complejos oligoméricos y asociarse de forma irreversible o reversible con la bicapa lipídica .

En los genomas

Las proteínas de membrana, como las proteínas globulares solubles , las proteínas fibrosas y las proteínas desordenadas , son comunes. ^[9] Se estima que entre el 20 y el 30 % de todos los genes en la mayoría de los genomas codifican proteínas de membrana. ^{[10] [11]} Por ejemplo, se cree que alrededor de 1000 de las ~4200 proteínas de E. coli son proteínas de membrana, de las cuales se ha verificado experimentalmente que 600 residen en la membrana. ^[12] En los humanos, el pensamiento actual sugiere que el 30 % del genoma codifica proteínas de membrana. ^[13]

En la enfermedad

Las proteínas de membrana son el objetivo de más del 50% de todos los medicamentos modernos . ^[1] Entre las enfermedades humanas en las que se han implicado las proteínas de membrana se encuentran las enfermedades cardíacas , el Alzheimer y la fibrosis quística . ^[13]

Purificación de proteínas de membrana

Aunque las proteínas de membrana desempeñan un papel importante en todos los organismos, su purificación ha sido históricamente, y sigue siendo, un enorme desafío para los científicos de proteínas. En 2008, estaban disponibles 150 estructuras únicas de proteínas de membrana, ^[14] y para 2019 solo se habían dilucidado las estructuras de 50 proteínas de membrana humanas. ^[13] En contraste, aproximadamente el 25% de todas las proteínas son proteínas de membrana. ^[15] Sus superficies hidrófobas dificultan la caracterización estructural y especialmente funcional. ^{[13] [16]} Los detergentes se pueden utilizar para hacer que las proteínas de membrana sean solubles en agua , pero estos también pueden alterar la estructura y la función de las proteínas. ^[13] Hacer que las proteínas de membrana sean solubles en agua también se puede lograr mediante la ingeniería de la secuencia de proteínas, reemplazando los aminoácidos hidrófobos seleccionados por los hidrófilos , teniendo mucho cuidado de mantener la estructura secundaria mientras se revisa la carga general. ^[13]

La cromatografía de afinidad es una de las mejores soluciones para la purificación de proteínas de membrana. La etiqueta de polihistidina es una etiqueta de uso común para la purificación de proteínas de membrana ^[17] y la etiqueta alternativa rho1D4 también se ha utilizado con éxito ^{[18] [19]}

Véase también

• Capa lipídica anular
• Proteína transportadora
• Proteínas de la membrana nuclear interna
• Canal iónico
• Bomba de iones (biología)
• Lista de códigos MeSH (D12.776)
• Receptor (bioquímica)
• TMPad (base de datos de empaquetamiento de hélices de proteínas transmembrana)
• Proteínas transmembrana

Referencias

1. Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL (diciembre de 2006). "¿Cuántos objetivos farmacológicos existen?". Nature Reviews. Drug Discovery (Opinión). 5 (12): 993–6. doi :10.1038/nrd2199. PMID  17139284. S2CID  11979420.
2. Almén MS, Nordström KJ, Fredriksson R, Schiöth HB (agosto de 2009). "Mapeo del proteoma de membrana humano: la mayoría de las proteínas de membrana humanas pueden clasificarse según su función y origen evolutivo". BMC Biology . 7 : 50. doi : 10.1186/1741-7007-7-50 . PMC 2739160 . PMID  19678920. 
3. Lin Y, Fuerst O, Granell M, Leblanc G, Lórenz-Fonfría V, Padrós E (agosto de 2013). "La sustitución de Arg149 por Cys fija el transportador de melibiosa en una conformación abierta hacia adentro". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1828 (8): 1690–9. doi : 10.1016/j.bbamem.2013.03.003 . PMID  23500619 - vía Elsevier Science Direct.
4. von Heijne G (diciembre de 2006). "Topología de membrana-proteína". Nature Reviews. Molecular Cell Biology . 7 (12): 909–18. doi :10.1038/nrm2063. PMID  17139331. S2CID  22218266.
5. Gerald Karp (2009). Biología celular y molecular: conceptos y experimentos . John Wiley and Sons . pp. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4. Recuperado el 13 de noviembre de 2010 – vía Google Books .
6. Selkrig J, Leyton DL, Webb CT, Lithgow T (agosto de 2014). "Ensamblaje de proteínas de barril β en membranas externas bacterianas". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research . 1843 (8): 1542–50. doi : 10.1016/j.bbamcr.2013.10.009 . PMID  24135059 – vía Elsevier Science Direct .
7. Baker JA, Wong WC, Eisenhaber B, Warwicker J, Eisenhaber F (julio de 2017). "Residuos cargados junto a regiones transmembrana revisitados: la "regla positiva interna" se complementa con la "regla negativa de agotamiento interno/enriquecimiento externo"". BMC Biology . 15 (1): 66. doi : 10.1186/s12915-017-0404-4 . PMC 5525207 . PMID  28738801. 
8. Sun C, Benlekbir S, Venkatakrishnan P, Wang Y, Hong S, Hosler J, Tajkhorshid E, Rubinstein JL, Gennis RB (mayo de 2018). "Estructura del complejo alternativo III en un supercomplejo con citocromo oxidasa". Nature . 557 (7703): 123–126. Bibcode :2018Natur.557..123S. doi :10.1038/s41586-018-0061-y. PMC 6004266 . PMID  29695868. 
9. Andreeva A, Howorth D, Chothia C, Kulesha E, Murzin AG (enero de 2014). "Prototipo de SCOP2: un nuevo enfoque para la minería de estructuras de proteínas". Nucleic Acids Research . 42 (número de la base de datos): D310-4. doi :10.1093/nar/gkt1242. PMC 3964979 . PMID  24293656. 
10. Liszewski K (1 de octubre de 2015). "Disección de la estructura de las proteínas de membrana". Noticias sobre ingeniería genética y biotecnología (artículo). 35 (17): 1, 14, 16–17. doi :10.1089/gen.35.17.02.
11. Krogh A , Larsson B, von Heijne G , Sonnhammer EL (enero de 2001). "Predicción de la topología de proteínas transmembrana con un modelo oculto de Markov: aplicación a genomas completos" (PDF) . Journal of Molecular Biology . 305 (3): 567–80. doi :10.1006/jmbi.2000.4315. PMID  11152613. S2CID  15769874. Archivado desde el original (PDF) el 2020-08-04 – vía Semantic Scholar .
12. Daley DO, Rapp M, Granseth E, Melén K, Drew D, von Heijne G (mayo de 2005). "Análisis de la topología global del proteoma de la membrana interna de Escherichia coli". Science (Informe). 308 (5726): 1321–3. Bibcode :2005Sci...308.1321D. doi :10.1126/science.1109730. PMID  15919996. S2CID  6942424.
13. Martin, Joseph; Sawyer, Abigail (2019). "Elucidación de la estructura de las proteínas de membrana". Tech News. BioTechniques (edición impresa). 66 (4). Ciencia del futuro: 167–170. doi : 10.2144/btn-2019-0030 . PMID  30987442.
14. Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (octubre de 2008). "Superar los desafíos de la cristalografía de proteínas de membrana". Current Opinion in Structural Biology . 18 (5): 581–6. doi :10.1016/j.sbi.2008.07.001. PMC 2580798 . PMID  18674618. 
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16. Rawlings AE (junio de 2016). "Proteínas de membrana: ¿siempre un problema insoluble?". Biochemical Society Transactions . 44 (3): 790–5. doi :10.1042/BST20160025. PMC 4900757 . PMID  27284043. 
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19. Cook BL, Steuerwald D, Kaiser L, Graveland-Bikker J, Vanberghem M, Berke AP, Herlihy K, Pick H, Vogel H, Zhang S (julio de 2009). "Producción a gran escala y estudio de un receptor sintético acoplado a proteína G: receptor olfativo humano 17-4". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 106 (29): 11925–30. Bibcode :2009PNAS..10611925C. doi : 10.1073/pnas.0811089106 . PMC 2715541 . PMID  19581598. 

Lectura adicional

• Johnson JE, Cornell RB (1999). "Proteínas anfitrópicas: regulación por interacciones reversibles de membrana (revisión)". Biología molecular de membranas . 16 (3): 217–35. doi : 10.1080/096876899294544 . PMID  10503244.
• Alenghat FJ, Golan DE (2013). "Dinámica de proteínas de membrana e implicaciones funcionales en células de mamíferos". Temas actuales en membranas . 72 : 89–120. doi :10.1016/b978-0-12-417027-8.00003-9. ISBN . 9780124170278. PMC  4193470 . PMID  24210428.

Enlaces externos

Organizaciones

• Consorcio de dinámica estructural de proteínas de membrana
• Expertos en investigación y purificación de proteínas de membrana

Bases de datos de proteínas de membrana

• TCDB - Base de datos de clasificación de transportadores , una clasificación integral de proteínas transportadoras transmembrana
• Base de datos de orientaciones de proteínas en membranas (OPM): estructuras tridimensionales de proteínas de membrana integrales y periféricas dispuestas en la bicapa lipídica
• Banco de datos de proteínas transmembrana: modelos 3D de proteínas transmembrana dispuestas aproximadamente en la bicapa lipídica.
• TransportDB: base de datos de transportadores de TIGR orientada a la genómica
• PDB de membrana Archivado el 3 de agosto de 2020 en Wayback Machine - Base de datos de estructuras 3D de proteínas integrales de membrana y péptidos hidrofóbicos con énfasis en las condiciones de cristalización
• Base de datos Mpstruc Archivado el 25 de diciembre de 2013 en Wayback Machine : una lista seleccionada de proteínas transmembrana del banco de datos de proteínas
• MemProtMD: una base de datos de estructuras de proteínas de membrana simuladas mediante dinámica molecular de grano grueso
• La base de datos de membranomas proporciona información sobre proteínas bitópicas de varios organismos modelo