Proteína de membrana

Proteínas que forman parte de 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 integrales de membrana 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 la 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 son objetivos de más de la mitad de todos los fármacos. ^[1] Sin embargo, 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 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: ^[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 Transporter Classification .
• 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, proteínas involucradas en la respuesta inmune.

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 hidrófobos .

Proteínas integrales de membrana

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

Las proteínas integrales de la membrana están unidas permanentemente a la membrana. Estas proteínas pueden separarse de las membranas biológicas únicamente utilizando detergentes , disolventes apolares o, a veces, agentes desnaturalizantes . ^{[ cita necesaria ]} 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 del haz de hélice , que están presentes en todo tipo de membranas biológicas ;
  • Proteínas beta barril , que se encuentran sólo 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 solo una vez. Las hélices transmembrana de estas proteínas tienen distribuciones de aminoácidos significativamente diferentes a las hélices transmembrana de 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 toda su extensión.

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 hidrofóbico 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 la membrana periférica 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 necesaria ]}

Las proteínas integrales y periféricas pueden modificarse postraduccionalmente, con ácidos grasos añadidos , diacilglicerol ^[8] 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 implicadas en la apoptosis , a veces se consideran una categoría separada. Estas proteínas son solubles en agua pero pueden agregarse y asociarse irreversiblemente con la bicapa lipídica y asociarse de manera reversible o irreversible a la membrana. ^{[ cita necesaria ]}

En 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, y se ha verificado experimentalmente que 600 de ellas residen en la membrana. ^[12] En los seres humanos, el pensamiento actual sugiere que el 30% del genoma codifica proteínas de membrana. ^[13]

en enfermedad

Las proteínas de membrana son el objetivo de más del 50% de todos los fármacos 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 gran desafío para los científicos de proteínas. En 2008, estaban disponibles 150 estructuras únicas de proteínas de membrana, ^[14] y en 2019 solo se habían dilucidado las estructuras de 50 proteínas de membrana humanas. ^[13] Por el contrario, aproximadamente el 25% de todas las proteínas son proteínas de membrana. ^[15] Sus superficies hidrofóbicas dificultan la caracterización estructural y especialmente funcional. ^{[13] [16]} Se pueden usar detergentes para hacer que las proteínas de la membrana sean solubles en agua , pero estos también pueden alterar la estructura y 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 otros 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 actividad de las proteínas de membrana disminuye muy rápidamente a diferencia de otras proteínas. ^{[ cita necesaria ]} Entonces, la cromatografía de afinidad proporciona una purificación rápida y específica de proteínas de membrana. La etiqueta de polihistidina es una etiqueta comúnmente utilizada para la purificación de proteínas de membrana, ^[17] y la etiqueta alternativa rho1D4 también se ha utilizado con éxito. ^{[18] [19]}

Ver también

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

Referencias

1. Overington JP, Al-Lazikani B, Hopkins AL (diciembre de 2006). "¿Cuántos objetivos farmacológicos hay?". Reseñas de la naturaleza. Descubrimiento de fármacos (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 la membrana humana: la mayoría de las proteínas de la membrana humana se pueden clasificar según su función y origen evolutivo". Biología BMC . 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 proteína de membrana". Reseñas de la naturaleza. Biología celular molecular . 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 e hijos . págs. 128–. ISBN 978-0-470-48337-4. Consultado el 13 de noviembre de 2010 , a través de 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) - Investigación de células moleculares . 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 las regiones transmembrana revisadas: la" regla interna positiva "se complementa con la" regla interna negativa de agotamiento / enriquecimiento externo"". Biología BMC . 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". Naturaleza . 557 (7703): 123–126. Código Bib :2018Natur.557..123S. doi :10.1038/s41586-018-0061-y. PMC 6004266 . PMID  29695868. 
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12. Daley DO, Rapp M, Granseth E, Melén K, Drew D, von Heijne G (mayo de 2005). "Análisis de topología global del proteoma de la membrana interna de Escherichia coli". Ciencia (Informe). 308 (5726): 1321–3. Código bibliográfico : 2005 Ciencia... 308.1321D. doi : 10.1126/ciencia.1109730. PMID  15919996. S2CID  6942424.
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14. Carpenter EP, Beis K, Cameron AD, Iwata S (octubre de 2008). "Superar los desafíos de la cristalografía de proteínas de membrana". Opinión actual en biología estructural . 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?". Transacciones de la sociedad bioquímica . 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 y estudio a gran escala 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. Código Bib : 2009PNAS..10611925C. doi : 10.1073/pnas.0811089106 . PMC 2715541 . PMID  19581598. 

Otras lecturas

• Johnson JE, Cornell RB (1999). "Proteínas anfitrópicas: regulación por interacciones de membrana reversibles (revisión)". Biología de membranas moleculares . 16 (3): 217–35. doi : 10.1080/096876899294544 . PMID  10503244.
• Alenghat FJ, Golán 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 completa de proteínas transportadoras transmembrana
• Base de datos de orientaciones de proteínas en membranas (OPM): estructuras 3D de proteínas de membrana integrales y periféricas dispuestas en la bicapa lipídica
• Banco de datos de proteínas 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
• Membrane PDB 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 seleccionadas del Protein Data Bank
• MemProtMD: una base de datos de estructuras de proteínas de membrana simuladas mediante dinámica molecular de grano grueso
• La base de datos de membranas proporciona información sobre proteínas bitópicas de varios organismos modelo.