Un complejo proteico o complejo multiproteico es un grupo de dos o más cadenas polipeptídicas asociadas . Los complejos proteicos se diferencian de las enzimas multidominio, en las que se encuentran múltiples dominios catalíticos en una única cadena polipeptídica. [1]
Los complejos proteicos son una forma de estructura cuaternaria. Las proteínas de un complejo proteico están unidas por interacciones proteína-proteína no covalentes . Estos complejos son la piedra angular de muchos (si no de la mayoría) de los procesos biológicos. Se ve que la célula está compuesta de complejos supramoleculares modulares, cada uno de los cuales realiza una función biológica discreta e independiente. [2]
A través de la proximidad, la velocidad y la selectividad de las interacciones de unión entre el complejo enzimático y los sustratos se pueden mejorar enormemente, lo que conduce a una mayor eficiencia celular. Muchas de las técnicas utilizadas para ingresar a las células y aislar proteínas son inherentemente disruptivas para complejos tan grandes, lo que complica la tarea de determinar los componentes de un complejo.
Ejemplos de complejos proteicos incluyen el proteosoma para la degradación molecular y la mayoría de las ARN polimerasas . En los complejos estables, las grandes interfaces hidrófobas entre proteínas normalmente entierran áreas de superficie mayores a 2500 Ås cuadrados . [3]
La formación de complejos proteicos puede activar o inhibir uno o más de los miembros del complejo y, de esta manera, la formación de complejos proteicos puede ser similar a la fosforilación . Las proteínas individuales pueden participar en una variedad de complejos proteicos. Diferentes complejos realizan diferentes funciones y un mismo complejo puede realizar múltiples funciones dependiendo de varios factores. Los factores incluyen:
Se conocen bien muchos complejos proteicos, particularmente en el organismo modelo Saccharomyces cerevisiae (levadura). Para este organismo relativamente simple, el estudio de los complejos proteicos abarca ahora todo el genoma y la elucidación de la mayoría de sus complejos proteicos está en curso. [ cita necesaria ] En 2021, los investigadores utilizaron el software de aprendizaje profundo RoseTTAFold junto con AlphaFold para resolver las estructuras de 712 complejos eucariotas . Compararon 6.000 proteínas de levadura con las de otros 2.026 hongos y 4.325 eucariotas. [4]
Si una proteína puede formar una estructura estable y bien plegada por sí sola (sin ninguna otra proteína asociada) in vivo , entonces los complejos formados por dichas proteínas se denominan "complejos proteicos no obligados". Sin embargo, no se puede encontrar que algunas proteínas creen una estructura estable y bien plegada por sí solas, sino que se pueden encontrar como parte de un complejo de proteínas que estabiliza las proteínas constituyentes. Estos complejos proteicos se denominan "complejos proteicos obligados". [5]
Los complejos proteicos transitorios se forman y descomponen transitoriamente in vivo , mientras que los complejos permanentes tienen una vida media relativamente larga. Normalmente, las interacciones obligadas (interacciones proteína-proteína en un complejo obligado) son permanentes, mientras que se ha descubierto que las interacciones no obligadas son permanentes o transitorias. [5] Tenga en cuenta que no existe una distinción clara entre interacción obligada y no obligada, sino que existe una continuidad entre ellas que depende de diversas condiciones, por ejemplo, pH, concentración de proteínas, etc. [6] Sin embargo, existen distinciones importantes entre las propiedades de Interacciones transitorias y permanentes/estables: las interacciones estables están altamente conservadas pero las interacciones transitorias están mucho menos conservadas, las proteínas que interactúan en los dos lados de una interacción estable tienen más tendencia a ser coexpresadas que las de una interacción transitoria (de hecho, co- la probabilidad de expresión entre dos proteínas que interactúan transitoriamente no es mayor que la de dos proteínas aleatorias), y las interacciones transitorias están mucho menos co-localizadas que las interacciones estables. [7] Aunque, transitorias por naturaleza, las interacciones transitorias son muy importantes para la biología celular: el interactoma humano se enriquece en tales interacciones, estas interacciones son los actores dominantes de la regulación genética y la transducción de señales, y las proteínas con regiones intrínsecamente desordenadas (IDR: regiones en proteínas que muestran estructuras dinámicas de interconversión en el estado nativo) se encuentran enriquecidos en interacciones transitorias de regulación y señalización. [5]
Los complejos de proteínas difusas tienen más de una forma estructural o trastorno estructural dinámico en el estado unido. [8] Esto significa que las proteínas pueden no plegarse completamente en complejos transitorios o permanentes. En consecuencia, complejos específicos pueden tener interacciones ambiguas, que varían según las señales ambientales. Por lo tanto, diferentes conjuntos de estructuras dan como resultado funciones biológicas diferentes (incluso opuestas). [9] Las modificaciones postraduccionales, las interacciones de proteínas o el empalme alternativo modulan los conjuntos conformacionales de complejos difusos, para ajustar la afinidad o especificidad de las interacciones. Estos mecanismos se utilizan a menudo para la regulación dentro de la maquinaria de transcripción eucariota . [10]
Aunque algunos estudios iniciales [12] sugirieron una fuerte correlación entre la esencialidad y el grado de interacción de proteínas (la regla de “centralidad-letalidad”), análisis posteriores han demostrado que esta correlación es débil para interacciones binarias o transitorias (por ejemplo, dos híbridos de levadura ). [13] [14] Sin embargo, la correlación es sólida para redes de interacciones co-complejas estables. De hecho, un número desproporcionado de genes esenciales pertenecen a complejos proteicos. [15] Esto llevó a la conclusión de que la esencialidad es una propiedad de las máquinas moleculares (es decir, complejos) más que de componentes individuales. [15] Wang y cols. (2009) observaron que es más probable que los complejos proteicos más grandes sean esenciales, lo que explica por qué es más probable que los genes esenciales tengan un alto grado de interacción co-complejo. [16] Ryan y cols. (2013) se refirieron a la observación de que complejos enteros parecen esenciales como " esencialidad modular ". [11] Estos autores también demostraron que los complejos tienden a estar compuestos de proteínas esenciales o no esenciales en lugar de mostrar una distribución aleatoria (ver Figura). Sin embargo, esto no es un fenómeno de todo o nada: sólo alrededor del 26% (105/401) de los complejos de levadura están formados únicamente por subunidades esenciales o únicamente no esenciales. [11]
En los seres humanos, los genes cuyos productos proteicos pertenecen al mismo complejo tienen más probabilidades de provocar el mismo fenotipo de enfermedad. [17] [18] [19]
Las subunidades de una proteína multimérica pueden ser idénticas a las de una proteína homomultimérica (homooligomérica) o diferentes a las de una proteína heteromultimérica. Muchas proteínas solubles y de membrana forman complejos homomultiméricos en una célula; la mayoría de las proteínas del Protein Data Bank son homomultiméricas. [20] Los homooligómeros son responsables de la diversidad y especificidad de muchas vías, pueden mediar y regular la expresión genética, la actividad de enzimas, canales iónicos, receptores y procesos de adhesión celular.
Los canales de potasio dependientes de voltaje en la membrana plasmática de una neurona son proteínas heteromultiméricas compuestas por cuatro de las cuarenta subunidades alfa conocidas. Las subunidades deben ser de la misma subfamilia para formar el canal proteico multimérico. La estructura terciaria del canal permite que los iones fluyan a través de la membrana plasmática hidrofóbica. Las conexones son un ejemplo de una proteína homomultimérica compuesta por seis conexinas idénticas . Un grupo de conexiones forma la unión entre dos neuronas que transmiten señales a través de una sinapsis eléctrica .
Cuando varias copias de un polipéptido codificado por un gen forman un complejo, esta estructura proteica se denomina multímero. Cuando se forma un multímero a partir de polipéptidos producidos por dos alelos mutantes diferentes de un gen particular, el multímero mixto puede exhibir una mayor actividad funcional que los multímeros no mezclados formados por cada uno de los mutantes solo. En tal caso, el fenómeno se denomina complementación intragénica (también llamada complementación interalélica). La complementación intragénica se ha demostrado en muchos genes diferentes en una variedad de organismos, incluidos los hongos Neurospora crassa , Saccharomyces cerevisiae y Schizosaccharomyces pombe ; la bacteria Salmonella typhimurium ; el virus bacteriófago T4 , [21] un virus de ARN [22] y los humanos. [23] En tales estudios, numerosas mutaciones defectuosas en el mismo gen a menudo se aislaron y mapearon en un orden lineal sobre la base de frecuencias de recombinación para formar un mapa genético del gen. Por separado, los mutantes se probaron en combinaciones por pares para medir la complementación. Un análisis de los resultados de tales estudios llevó a la conclusión de que la complementación intragénica, en general, surge de la interacción de monómeros polipeptídicos con diferentes defectos para formar un multímero. [24] Los genes que codifican polipéptidos formadores de multímeros parecen ser comunes. Una interpretación de los datos es que los monómeros polipeptídicos a menudo están alineados en el multímero de tal manera que los polipéptidos mutantes defectuosos en sitios cercanos en el mapa genético tienden a formar un multímero mixto que funciona mal, mientras que los polipéptidos mutantes defectuosos en sitios distantes tienden a formar un multímero mixto que funciona más eficazmente. Jehle analizó las fuerzas intermoleculares probablemente responsables del autorreconocimiento y la formación de multímeros. [25]
La estructura molecular de los complejos proteicos se puede determinar mediante técnicas experimentales como la cristalografía de rayos X , el análisis de partículas individuales o la resonancia magnética nuclear . Cada vez está más disponible la opción teórica del acoplamiento proteína-proteína . Un método que se utiliza comúnmente para identificar los meomplexes [ se necesita aclaración ] es la inmunoprecipitación . Recientemente, Raicu y sus compañeros desarrollaron un método para determinar la estructura cuaternaria de complejos proteicos en células vivas. Este método se basa en la determinación de la eficiencia de la transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET) a nivel de píxeles junto con un microscopio de dos fotones con resolución espectral . La distribución de eficiencias de FRET se simula frente a diferentes modelos para obtener la geometría y estequiometría de los complejos. [26]
El ensamblaje adecuado de complejos multiproteicos es importante, ya que un ensamblaje incorrecto puede tener consecuencias desastrosas. [27] Para estudiar el ensamblaje de la vía, los investigadores analizan los pasos intermedios de la vía. Una de esas técnicas que permite hacerlo es la espectrometría de masas por electropulverización , que puede identificar diferentes estados intermedios simultáneamente. Esto ha llevado al descubrimiento de que la mayoría de los complejos siguen una ruta de ensamblaje ordenada. [28] En los casos en los que el ensamblaje desordenado es posible, el cambio de un estado ordenado a uno desordenado conduce a una transición de la función a la disfunción del complejo, ya que el ensamblaje desordenado conduce a la agregación. [29]
La estructura de las proteínas influye en la forma en que se ensambla el complejo multiproteico. Las interfaces entre proteínas se pueden utilizar para predecir vías de ensamblaje. [28] La flexibilidad intrínseca de las proteínas también juega un papel: las proteínas más flexibles permiten una mayor superficie disponible para la interacción. [30]
Si bien el ensamblaje es un proceso diferente del desensamblaje, los dos son reversibles tanto en complejos homoméricos como heteroméricos. Por tanto, el proceso general puede denominarse (des)montaje.
En los complejos homomultiméricos, las proteínas homoméricas se ensamblan de una manera que imita la evolución. Es decir, un intermediario en el proceso de ensamblaje está presente en la historia evolutiva del complejo. [31] El fenómeno opuesto se observa en los complejos heteromultiméricos, donde la fusión genética se produce de una manera que preserva la vía de ensamblaje original. [28]
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