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Porina (proteína)

Porina específica de la sacarosa de Salmonella typhimurium , una bacteria gramnegativa . PDB : 1A0S

Las porinas son proteínas de barril beta que atraviesan una membrana celular y actúan como un poro, a través del cual las moléculas pueden difundirse . [1] A diferencia de otras proteínas de transporte de membrana , las porinas son lo suficientemente grandes como para permitir la difusión pasiva , es decir, actúan como canales que son específicos para diferentes tipos de moléculas. Están presentes en la membrana externa de las bacterias gramnegativas y algunas micobacterias grampositivas ( actinomicetos que contienen ácido micólico ), la membrana externa de las mitocondrias y la membrana externa del cloroplasto (membrana externa del plástido).

Estructura

Las porinas están compuestas de láminas beta (láminas β) formadas por cadenas beta (cadenas β) que están unidas entre sí por giros beta (giros β) en el lado citoplasmático y bucles largos de aminoácidos en el otro. Las cadenas β se encuentran de manera antiparalela y forman un tubo cilíndrico, llamado barril beta (barril β). [2] La composición de aminoácidos de las cadenas β de la porina es única en el sentido de que los residuos polares y no polares se alternan a lo largo de ellas. Esto significa que los residuos no polares miran hacia afuera para interactuar con los lípidos no polares de la membrana externa , mientras que los residuos polares miran hacia adentro en el centro del barril beta para crear el canal acuoso . Los aminoácidos específicos en el canal determinan la especificidad de la porina para diferentes moléculas.

Los barriles β que forman una porina están compuestos por tan solo ocho hebras β hasta veintidós hebras β. Las hebras individuales están unidas entre sí por bucles y vueltas. [3] La mayoría de las porinas son monómeros ; sin embargo, se han descubierto algunas porinas diméricas , así como una porina octamérica . [4] Dependiendo del tamaño de la porina, el interior de la proteína puede estar lleno de agua, tener hasta dos hebras β plegadas hacia el interior o contener un segmento "de tapón" compuesto de hebras β.

Todas las porinas forman homotrímeros en la membrana externa, lo que significa que tres subunidades de porina idénticas se asocian entre sí para formar una superestructura de porina con tres canales. [5] Los enlaces de hidrógeno y las interacciones dipolo-dipolo entre cada monómero en el homotrímero garantizan que no se disocien y permanezcan juntos en la membrana externa.

Se han utilizado varios parámetros para describir la estructura de una proteína porina. Entre ellos se incluyen el ángulo de inclinación (α), el número de cizallamiento (S), el número de hebras (n) y el radio de barril (R). [6] El ángulo de inclinación se refiere al ángulo relativo a la membrana. El número de cizallamiento (S) es el número de residuos de aminoácidos que se encuentran en cada hebra β. El número de hebras (n) es la cantidad de hebras β en la porina, y el radio de barril (R) se refiere al radio de la abertura de la porina. Estos parámetros están relacionados mediante las siguientes fórmulas:

y,

Con estas fórmulas, se puede determinar la estructura de una porina conociendo solo algunos de los parámetros disponibles. Si bien la estructura de muchas porinas se ha determinado mediante cristalografía de rayos X , también se puede utilizar el método alternativo de secuenciación de la estructura primaria de las proteínas .

Funciones celulares

Las porinas son poros y canales llenos de agua que se encuentran en las membranas de bacterias y eucariotas. También se han descubierto canales similares a las porinas en las arqueas. [7] Nótese que el término " nucleoporina " se refiere a proteínas no relacionadas que facilitan el transporte a través de los poros nucleares en la envoltura nuclear .

Las porinas participan principalmente en el transporte pasivo de moléculas hidrófilas de diversos tamaños y cargas a través de la membrana. [8] Para la supervivencia, ciertos nutrientes y sustratos necesarios deben transportarse a las células. Asimismo, las toxinas y los desechos deben transportarse al exterior para evitar la acumulación tóxica. [9] Además, las porinas pueden regular la permeabilidad y prevenir la lisis al limitar la entrada de detergentes a la célula. [8]

Existen dos tipos de porinas para transportar diferentes materiales: las generales y las selectivas. Las porinas generales no tienen especificidades de sustrato, aunque algunas muestran ligeras preferencias por aniones o cationes. [8] Las porinas selectivas son más pequeñas que las porinas generales y tienen especificidades por especies químicas. Estas especificidades están determinadas por los tamaños umbral de las porinas y los residuos de aminoácidos que las recubren. [5]

En las bacterias gramnegativas , la membrana interna es la principal barrera de permeabilidad. [10] La membrana externa es más permeable a las sustancias hidrófilas, debido a la presencia de porinas. [5] Las porinas tienen tamaños umbral de moléculas transportables que dependen del tipo de bacteria y porina. Generalmente, solo las sustancias de menos de 600 daltons de tamaño pueden difundirse a través de ella. [8]

Diversidad

Las porinas se descubrieron por primera vez en bacterias gramnegativas, pero se han encontrado bacterias grampositivas con ambos tipos de porinas. [9] Presentan funciones de transporte similares pero tienen una variedad más limitada de porinas, en comparación con la distribución encontrada en bacterias gramnegativas. [9] Las bacterias grampositivas carecen de membranas externas, por lo que estos canales de porinas están unidos a lípidos específicos dentro de las paredes celulares . [7]

Las porinas también se encuentran en eucariotas, específicamente en las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos . [9] [10] Los orgánulos contienen porinas generales que son estructural y funcionalmente similares a las bacterianas. Estas similitudes han apoyado la teoría endosimbiótica , a través de la cual los orgánulos eucariotas surgieron de bacterias gramnegativas. [10] Sin embargo, las porinas eucariotas exhiben la misma diversidad limitada que las porinas grampositivas, y también muestran un mayor papel dependiente del voltaje durante el metabolismo. [9] [10]

Las arqueas también contienen canales iónicos que se originaron a partir de porinas generales. [7] Los canales se encuentran en la envoltura celular y ayudan a facilitar la transferencia de solutos. Tienen características similares a las porinas bacterianas y mitocondriales, lo que indica superposiciones fisiológicas en los tres dominios de la vida. [7]

Resistencia a los antibióticos

Muchas porinas son dianas para las células inmunes del huésped , lo que da lugar a vías de señalización que conducen a la degradación bacteriana. Los tratamientos terapéuticos, como las vacunas y los antibióticos , se utilizan para complementar esta respuesta inmunitaria . [5] Se han diseñado antibióticos específicos para atravesar las porinas con el fin de inhibir los procesos celulares. [8]

Sin embargo, debido a la presión selectiva, las bacterias pueden desarrollar resistencia a través de mutaciones en el gen de la porina. [5] Las mutaciones pueden provocar una pérdida de porinas, lo que hace que los antibióticos tengan una menor permeabilidad o queden completamente excluidos del transporte. Estos cambios han contribuido a la aparición global de la resistencia a los antibióticos y a un aumento de las tasas de mortalidad por infecciones . [5]

Descubrimiento

El descubrimiento de las porinas se ha atribuido a Hiroshi Nikaido, apodado "el porinólogo". [11]

Clasificación

Según TCDB , existen cinco superfamilias de porinas evolutivamente independientes. La superfamilia de porinas I incluye 47 familias de porinas con un rango de números de cadenas β transmembrana (β-TMS). Estas incluyen las familias de porinas GBP, SP y RPP. Mientras que PSF I incluye 47 familias, PSF II-V contiene solo 2 familias cada una. Mientras que PSF I deriva miembros de bacterias gramnegativas principalmente una familia de porinas mitocondriales eucariotas, las porinas PSF II y V se derivan de Actinomycetota . PSF III y V se derivan de orgánulos eucariotas. [12] [13]

Superfamilia I de Porin

1.B.1 - La familia general de porinas bacterianas
1.B.2 - La familia de porinas clamidiales (CP)
1.B.3 - La familia de porinas de azúcar (SP)
1.B.4 - La familia de porinas Brucella-Rhizobium (BRP)
1.B.5 - La familia de porinas OprP de Pseudomonas
(POP) 1.B.6 - Familia de porinas OmpA-OmpF (OOP)
1.B.7 Familia de porinas PorCa de Rhodobacter
(RPP) 1.B.8 Familia de porinas mitocondriales y plástidas (MPP)
1.B.9 Familia de proteínas de membrana externa FadL (FadL)
1.B.10 Familia de porinas de membrana externa formadoras de canales específicos de nucleósidos (Tsx)
1.B.11 Familia de porinas acomodadoras de fimbrias de membrana externa (FUP)
1.B.12 Familia del autotransportador-1 (AT-1)
1.B.13 Familia de porinas exportadoras de alginato (AEP)
1.B.14 Familia de receptores de membrana externa (OMR)
1.B.15 Familia de porinas de rafinosa (RafY)
1.B.16 Familia de porinas de amida y urea de cadena corta (SAP)
1.B.17 Familia de factores de membrana externa (OMF)
1.B.18 Familia de proteínas auxiliares de membrana externa (OMA)
1.B.19 Familia de porinas OprB selectivas de glucosa (OprB)
1.B.20 Familia de secreción de dos socios (TPS)
1.B.21 Familia de porinas OmpG (OmpG)
1.B.22 Familia de secretinas de membrana bacteriana externa (secretina)
1.B.23 Familia de porinas cianobacterianas (CBP)
1.B.24 Porinas micobacterianas
1.B.25 Familia de porinas de membrana externa (Opr)
1.B.26 Familia de porinas de ciclodextrina (CDP)
1.B.31 Familia de porinas de membrana externa mayor de Campylobacter jejuni
(MomP) 1.B.32 Familia de porinas de membrana externa de fusobacterias (FomP)
1.B.33 Familia de porinas de inserción de proteína de membrana externa (complejo Bam) (OmpIP)
1.B.34 ​​Porinas de corinebacterias
1.B.35 Familia de porinas específicas de oligogalacturonato (KdgM)
1.B.39 Familia de porinas bacterianas, OmpW (OmpW)
1.B.42 - La familia de porinas de exportación de lipopolisacáridos de membrana externa (LPS-EP)
1.B.43 - La familia de porinas P1 de Coxiella (CPP1) 1.B.44 - La familia de porinas de Porphyromonas gingivalis
probablemente translocadoras de proteínas (PorT) 1.B.49 - La familia de porinas P44 de Anaplasma (A-P44) Familia de porinas 1.B.54 - Familia de intimina /invasina (Int/Inv) o autotransportador-3 1.B.55 - Familia de porinas de poliacetilglucosamina (PgaA) 1.B.57 - Familia de proteínas de membrana externa principal de Legionella (LM-OMP) 1.B.60 - Familia de porinas Omp50 (porinas Omp50)





1.B.61 - La familia de porinas delta-proteobacterianas (delta-porinas)
1.B.62 - La supuesta familia de porinas bacterianas (PBP)
1.B.66 - La supuesta familia de porinas de barril beta-2 (BBP2)
1.B.67 - La supuesta familia de porinas de barril beta-4 (BBP4)
1.B.68 - La supuesta superfamilia de porinas de barril beta-5 (BBP5)
1.B.70 - La familia de canales de membrana externa (OMC)
1.B.71 - La familia de porinas proteobacterianas/verrucomicrobianas (PVP)
1.B.72 - La familia de porinas de membrana externa protoclamidiales (PomS/T)
1.B.73 - La familia de biogénesis/ensamblaje de cápsulas (CBA) 1.B.78 - La familia
asociada al transporte de electrones DUF3374 Familia de las porinas (ETPorin)

Superfamilia II de las porinas (superfamilia MspA)

1.B.24 - Porina micobacteriana
1.B.58 - Familia de canales de pared celular hetero-oligoméricos de Nocardial (NfpA/B)

Superfamilia III de las porinas

1.B.28 - La familia de porinas de envoltura externa de plástidos de 24 kDa (OEP24)
1.B.47 - La familia de porinas de envoltura externa de plástidos de 37 kDa (OEP37)

Superfamilia IV de porinas (superfamilia Tim17/OEP16/PxMPL (TOP))

Esta superfamilia incluye proteínas que comprenden poros en translocasas de proteínas multicomponentes como se indica a continuación: 3.A.8 - [Tim17 (P39515) Tim22 (Q12328) Tim23 (P32897)]; 1.B.69 - [PXMP4 (Q9Y6I8) PMP24 (A2R8R0)]; 3.D.9 - [Componente NDH de 21,3 kDa (P25710)]

1.B.30 - La familia de porinas de la envoltura externa de plástidos de 16 kDa (OEP16)
1.B.69 - La familia de porinas de la membrana peroxisomal 4 (PxMP4)
3.A.8 - La familia de translocasas de proteínas mitocondriales (MPT)

Superfamilia V de porinas (superfamilia PorA/PorH de Corynebacteria)

1.B.34 ​​- La familia de porinas A (PorA) de las corinebacterias 1.B.59 - La familia de porinas de la membrana externa, PorH (PorH)

Véase también

Referencias

  1. ^ Porinas en los encabezamientos de materias médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.
  2. ^ Schirmer T (1998). "Porinas generales y específicas de las membranas externas bacterianas". Journal of Structural Biology . 121 (2): 101–9. doi :10.1006/jsbi.1997.3946. PMID  9615433.
  3. ^ Tamm LK, Hong H, Liang B (noviembre de 2004). "Plegamiento y ensamblaje de proteínas de membrana de barril beta". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1666 (1–2): 250–63. doi : 10.1016/j.bbamem.2004.06.011 . PMID  15519319.
  4. ^ Faller M, Niederweis M, Schulz GE (febrero de 2004). "La estructura de un canal de membrana externa micobacteriana". Science . 303 (5661): 1189–92. Bibcode :2004Sci...303.1189F. doi :10.1126/science.1094114. PMID  14976314. S2CID  30437731.
  5. ^ abcdef Galdiero S, Falanga A, Cantisani M, Tarallo R, Della Pepa ME, D'Oriano V, Galdiero M (diciembre de 2012). "Interacciones microbio-huésped: estructura y función de las porinas bacterianas Gram-negativas". Current Protein & Peptide Science . 13 (8): 843–54. doi :10.2174/138920312804871120. PMC 3706956 . PMID  23305369. 
  6. ^ Schulz GE (2004). "Capítulo 2: Las estructuras de las porinas generales". En Benz R (ed.). Porinas bacterianas y eucariotas: estructura, función, mecanismo . Weinheim: Wiley-VCH. págs. 26-29. ISBN 978-3-527-30775-3.
  7. ^ abcd Besnard M, Martinac B, Ghazi A (enero de 1997). "Canales iónicos similares a porinas dependientes de voltaje en el arqueón Haloferax volcanii". La Revista de Química Biológica . 272 (2): 992–5. doi : 10.1074/jbc.272.2.992 . PMID  8995393.
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  13. ^ Rath P, Saurel O, Tropis M, Daffé M, Demange P, Milon A (noviembre de 2013). "Localización por RMN de la O-micoloilación en PorH, un péptido formador de canales de Corynebacterium glutamicum". FEBS Letters . 587 (22): 3687–91. doi : 10.1016/j.febslet.2013.09.032 . PMID  24100136.