Los canales aniónicos dependientes de voltaje , o porinas mitocondriales , son una clase de canal iónico de porina ubicado en la membrana mitocondrial externa . [1] [2] Existe un debate sobre si este canal se expresa o no en la membrana de la superficie celular. [3] [4] [5]
Esta proteína principal de la membrana mitocondrial externa de los eucariotas forma un canal selectivo de aniones dependiente de voltaje (VDAC) que se comporta como un poro de difusión general para pequeñas moléculas hidrófilas . [6] [7] [8] [9] El canal adopta una conformación abierta a potenciales de membrana bajos o nulos y una conformación cerrada a potenciales superiores a 30-40 mV. El VDAC facilita el intercambio de iones y moléculas entre las mitocondrias y el citosol y está regulado por las interacciones con otras proteínas y moléculas pequeñas. [10]
Esta proteína contiene alrededor de 280 aminoácidos y forma un barril beta que se extiende a lo largo de la membrana externa mitocondrial. [11] [12]
Desde su descubrimiento en 1976, se han llevado a cabo amplios análisis de la estructura y la función de las proteínas VDAC. Surgió una característica destacada del poro: cuando se reconstituye en bicapas lipídicas planas , hay un cambio dependiente del voltaje entre un estado de alta conductancia selectivo de aniones con alto flujo de metabolitos y un estado de baja conductancia selectivo de cationes con paso limitado de metabolitos.
Más de 30 años después de su descubrimiento inicial, en 2008, se completaron tres proyectos estructurales independientes de VDAC-1. El primero se resolvió mediante espectroscopia de RMN multidimensional . El segundo aplicó un enfoque híbrido utilizando datos cristalográficos. El tercero fue para cristales de VDAC-1 de ratón determinados mediante técnicas cristalográficas de rayos X. Los tres proyectos de las estructuras 3D de VDAC-1 revelaron muchas características estructurales. En primer lugar, VDAC-1 representa una nueva clase estructural de proteínas de barril β de membrana externa con un número impar de hebras. Otro aspecto es que la cadena lateral cargada negativamente del residuo E73 está orientada hacia el entorno de membrana hidrofóbica. La estructura 3D de 19 hebras obtenida bajo diferentes fuentes experimentales por tres laboratorios diferentes se ajusta a los datos EM y AFM de fuentes de membrana nativas y representa un estado biológicamente relevante de VDAC-1. [10]
En potenciales de membrana superiores a 30 mV (positivos o negativos), el VDAC asume un estado cerrado y pasa a su estado abierto una vez que el voltaje cae por debajo de este umbral. Aunque ambos estados permiten el paso de sales simples, el VDAC es mucho más estricto con los aniones orgánicos, una categoría en la que caen la mayoría de los metabolitos . [13] El mecanismo preciso para acoplar los cambios de voltaje a los cambios conformacionales dentro de la proteína aún no se ha resuelto, pero los estudios de Thomas et al. sugieren que cuando la proteína pasa a la forma cerrada, los cambios de voltaje conducen a la eliminación de una gran sección de la proteína del canal y disminuyen el radio de poro efectivo. [14] Varios residuos de lisina , así como Glu-152, se han implicado como residuos sensores especialmente importantes dentro de la proteína. [15]
El canal iónico dependiente de voltaje desempeña un papel clave en la regulación del flujo metabólico y energético a través de la membrana mitocondrial externa. Está involucrado en el transporte de ATP , ADP , piruvato , malato y otros metabolitos, y por lo tanto se comunica ampliamente con enzimas de vías metabólicas. [13] Se ha descubierto que las enzimas citosólicas dependientes de ATP hexoquinasa , glucoquinasa y glicerol quinasa , así como la enzima mitocondrial creatina quinasa , se unen a VDAC. Esta unión las coloca muy cerca del ATP liberado de las mitocondrias. En particular, se presume que la unión de la hexoquinasa desempeña un papel clave en el acoplamiento de la glucólisis a la fosforilación oxidativa . [14] Además, VDAC es un importante regulador del transporte de Ca 2+ dentro y fuera de las mitocondrias. Debido a que el Ca 2+ es un cofactor para enzimas metabólicas como la piruvato deshidrogenasa y la isocitrato deshidrogenasa , la producción energética y la homeostasis se ven afectadas por la permeabilidad del VDAC al Ca 2+ . [16]
También se ha demostrado que el VDAC desempeña un papel en la apoptosis . [17] Durante la apoptosis, el VDAC modifica el poro de transición de la permeabilidad mitocondrial para liberar factores apoptogénicos como el citocromo c . Sin embargo, los VDAC no son componentes esenciales del poro de transición de la permeabilidad mitocondrial. Aunque el citocromo c desempeña un papel esencial en la fosforilación oxidativa dentro de la mitocondria. En el citosol, activa enzimas proteolíticas llamadas caspasas , que desempeñan un papel importante en la muerte celular. [18] Aunque el mecanismo de liberación del citocromo c facilitado por el VDAC aún no se ha dilucidado por completo, algunas investigaciones sugieren que la oligomerización entre subunidades individuales puede crear un gran poro flexible a través del cual puede pasar el citocromo c. [19] Un factor más importante es que la liberación de citocromo c también está regulada por la familia de proteínas Bcl-2 : Bax interactúa directamente con VDAC para aumentar el tamaño de los poros y promover la liberación de citocromo c, mientras que el Bcl-xL antiapoptótico produce exactamente el efecto opuesto. [20] De hecho, se ha demostrado que los anticuerpos que inhiben VDAC también interfieren con la liberación de citocromo c mediada por Bax tanto en mitocondrias aisladas como en células completas. [21] Este papel clave en la apoptosis sugiere que VDAC es un objetivo potencial para los fármacos quimioterapéuticos.
La levadura contiene dos miembros de esta familia (genes POR1 y POR2); los vertebrados tienen al menos tres miembros (genes VDAC1, VDAC2 y VDAC3). [11]
Los seres humanos, como la mayoría de los eucariotas superiores, codifican tres VDAC diferentes: VDAC1 , VDAC2 y VDAC3 . Junto con TOMM40 y TOMM40L, representan una familia de barriles β relacionados evolutivamente. [22]
Las plantas tienen la mayor cantidad de VDAC. Arabidopsis codifica cuatro VDAC diferentes, pero esta cantidad puede ser mayor en otras especies. [23]