Las principales proteínas intrínsecas comprenden una gran superfamilia de canales proteicos transmembrana que se agrupan en función de su homología. La superfamilia MIP incluye tres subfamilias: acuaporinas, acuagliceroporinas y S-acuaporinas. [2]
- Las acuaporinas (AQPs) son selectivas del agua.
- Las acuagliceroporinas son permeables al agua, pero también a otras pequeñas moléculas sin carga como el glicerol.
- La tercera subfamilia, con secuencias de aminoácidos poco conservadas alrededor de las cajas NPA, incluye las “superaquaporinas” (S-aquaporinas).
Se ha publicado la filogenia de los canales de la familia MIP de insectos. [3] [4] [5]
Familias
Hay dos familias que pertenecen a la superfamilia MIP.
La principal familia de proteínas intrínsecas (TC# 1.A.8)
La familia MIP es grande y diversa, y posee miles de miembros que forman canales transmembrana. Estas proteínas de canal funcionan en el transporte de agua, carbohidratos pequeños (p. ej., glicerol ), urea , NH3 , CO2 , H2O2 e iones mediante mecanismos independientes de la energía. Por ejemplo, el canal de glicerol, FPS1p de Saccharomyces cerevisiae media la captación de arsenito y antimonito. [6] La permeabilidad iónica parece ocurrir a través de una vía diferente a la utilizada para el transporte de agua/glicerol y puede involucrar un canal en la interfaz de 4 subunidades en lugar de los canales a través de las subunidades. [7] Los miembros de la familia MIP se encuentran ubicuamente en bacterias, arqueas y eucariotas. La agrupación filogenética de las proteínas se basa principalmente en el filo de los organismos de origen, pero se observan uno o más grupos para cada reino filogenético (plantas, animales, levaduras, bacterias y arqueas). [8] Las MIP se clasifican en cinco subfamilias en las plantas superiores, que incluyen proteínas intrínsecas de membrana plasmática (PIP), de tonoplasto (TIP), similares a NOD26 (NIP), pequeñas proteínas básicas (SIP) y proteínas X no clasificadas (XIP). Uno de los grupos de plantas incluye solo proteínas de tonoplasto (TIP), mientras que otro incluye proteínas de membrana plasmática (PIP). [9]
Proteína intrínseca principal
La proteína intrínseca mayor (MIP) del cristalino humano (Aqp0), de la que se nombró a la familia MIP, representa aproximadamente el 60% de la proteína en la célula del cristalino. En la forma nativa, es una acuaporina (AQP), pero durante el desarrollo del cristalino, se trunca proteolíticamente. El canal, que normalmente alberga de 6 a 9 moléculas de agua, se estrecha de modo que solo quedan tres, y estas quedan atrapadas en una conformación cerrada. [10] [11] Estos tetrámeros truncados forman uniones adhesivas intercelulares (cabeza con cabeza), lo que produce una matriz cristalina que media la formación del cristalino con células estrechamente empaquetadas como se requiere para formar un cristalino transparente. [12] Los lípidos cristalizan con la proteína. [13] Se ha demostrado la actividad del canal iónico para las acuaporinas 0, 1 y 6, Drosophila 'Big Brain' (bib) [14] y la nodulina-26 vegetal. [15] Se han revisado los roles de las acuaporinas en el cáncer humano, así como sus vías de plegamiento. [16] [17] Las AQP pueden actuar como osmosensores transmembrana en glóbulos rojos, gránulos secretores y microorganismos. [18] Se han revisado las proteínas de la superfamilia MIP y las variaciones de sus filtros de selectividad. [19]
Acuaporina
Las acuaporinas conocidas actualmente se agrupan de forma laxa, al igual que los facilitadores de glicerol conocidos. [20] Se cree que las proteínas de la familia MIP forman poros acuosos que permiten selectivamente el transporte pasivo de sus solutos a través de la membrana con un reconocimiento aparente mínimo. Las acuaporinas transportan selectivamente glicerol y agua, mientras que los facilitadores de glicerol transportan selectivamente glicerol pero no agua. Algunas acuaporinas pueden transportar NH3 y CO2 . Los facilitadores de glicerol funcionan como canales no específicos de solutos y pueden transportar glicerol, dihidroxiacetona, propanodiol, urea y otras moléculas neutras pequeñas en procesos fisiológicamente importantes. Algunos miembros de la familia, incluida la proteína Fps1 de levadura (TC# 1.A.8.5.1) y la NtTIPa del tabaco (TC# 1.A.8.10.2), pueden transportar tanto agua como pequeños solutos. [20]
Ejemplos
En la base de datos de clasificación de transportadores se puede encontrar una lista de casi 100 miembros clasificados actualmente de la familia MIP. Algunos de los canales de la familia MIP son:
- Proteína intrínseca mayor (MIP) de los mamíferos . La MIP es el componente principal de las uniones de hendidura de las fibras del cristalino.
- Acuaporinas de mamíferos . [20] ( InterPro : IPR012269 ) Estas proteínas forman canales específicos del agua que proporcionan a las membranas plasmáticas de los glóbulos rojos, así como a los túbulos proximales y colectores del riñón una alta permeabilidad al agua, permitiendo así que el agua se mueva en la dirección de un gradiente osmótico.
- Nodulina-26 de soja, un componente principal de la membrana peribacteroide inducida durante la nodulación en las raíces de leguminosas después de la infección por Rhizobium .
- Proteínas intrínsecas del tonoplasto de las plantas (TIP). Existen varias isoformas de TIP: alfa (semilla), gamma, Rt (raíz) y Wsi (inducida por estrés hídrico). Estas proteínas pueden permitir la difusión de agua, aminoácidos y/o péptidos desde el interior del tonoplasto hasta el citoplasma.
- Proteína facilitadora de glicerol bacteriano (gen glpF), que facilita el movimiento de glicerol de forma no específica a través de la membrana citoplasmática. [21]
- Facilitador de la difusión de propanediol de Salmonella typhimurium (gen pduF).
- FPS1 de levadura, una proteína facilitadora de la captación/eflujo de glicerol.
- Proteína neurogénica de Drosophila "Big Brain" (bib). Esta proteína puede mediar la comunicación intercelular; puede funcionar permitiendo el transporte de ciertas moléculas y enviando así una señal para que una célula exodérmica se convierta en un epidermoblasto en lugar de un neuroblasto.
- Proteína hipotética de levadura YFL054c.
- Una proteína hipotética de la región pepX de Lactococcus lactis .
Estructura
Los canales de la familia MIP consisten en homotetrámeros (p. ej., GlpF de E. coli ; TC #1.A.8.1.1, AqpZ de E. coli ; TC #1.A.8.3.1 y MIP o Aqp0 de Bos taurus ; TC #1.A.8.8.1). Cada subunidad abarca la membrana seis veces como supuestas hélices α. Se cree que los 6 dominios TMS surgieron de un elemento genético que codifica 3-spanner mediante un evento de duplicación intragénica en tándem. Por lo tanto, las dos mitades de las proteínas tienen una orientación opuesta en la membrana. Una región bien conservada entre los TMS 2 y 3 y los TMS 5 y 6 se sumerge en la membrana, y cada bucle forma una mitad de TMS. [22] [23] Un motivo de aminoacilo común en estos transportadores es un motivo asparagina-prolina-alanina (NPA). Las acuaporinas generalmente tienen el motivo NPA en ambas mitades, los facilitadores de glicerol generalmente tienen un motivo NPA en las primeras mitades y un motivo DPA en las segundas mitades, y las superacuaporinas tienen motivos NPA poco conservados en ambas mitades. [2]
Facilitador de la absorción de glicerol
La estructura cristalina del facilitador de glicerol de E. coli (TC# 1.A.8.1.1) se resolvió a una resolución de 2,2 Å ( PDB : 1FX8 ). [24] Las moléculas de glicerol crean un solo archivo dentro del canal y pasan a través de un filtro de selectividad estrecho. Los dos motivos DPA conservados en los bucles entre los TMS 2 y 3 y los TMS 5 y 6 forman la interfaz entre las dos mitades duplicadas de cada subunidad. Por lo tanto, cada mitad de la proteína forma 3,5 TMS que rodean el canal. La estructura explica por qué GlpF es selectivamente permeable a los carbohidratos de cadena recta y por qué el agua y los iones quedan en gran medida excluidos. La acuaporina-1 (AQP1) y el facilitador de glicerol bacteriano, GlpF, pueden transportar O 2 , CO 2 , NH 3 , glicerol, urea y agua en diversos grados. Para los solutos pequeños que pasan a través de AQP1, existe una anticorrelación entre la permeabilidad y la hidrofobicidad del soluto. [25] Por lo tanto, AQP1 es un filtro selectivo para solutos polares pequeños, mientras que GlpF es altamente permeable a solutos pequeños y menos permeable a solutos más grandes.
Acuaporina-1
La acuaporina-1 (Aqp1) del glóbulo rojo humano se ha resuelto mediante cristalografía electrónica a una resolución de 3,8 Å ( PDB : 1FQY ). [26] La vía acuosa está revestida de residuos hidrófobos conservados que permiten un rápido transporte de agua. La selectividad del agua se debe a una constricción del diámetro del poro interno a aproximadamente 3 Å en el lapso de un solo residuo, superficialmente similar a la del facilitador de glicerol de E. coli. Varias otras estructuras cristalinas resueltas más recientemente están disponibles en RCSB, que incluyen, entre otras: PDB : 4CSK , 1H6I , 1IH5 .
Acuaporina-Z
AqpZ, un homotetrámero (tAqpZ) de cuatro canales conductores de agua que facilitan los movimientos rápidos de agua a través de la membrana plasmática de E. coli , se ha resuelto a una resolución de 3,2 Å ( PDB : 2ABM ). Todos los residuos que recubren los canales en los cuatro canales monoméricos están orientados en posiciones casi idénticas excepto en la constricción del canal más estrecha, donde la cadena lateral de un Arg-189 conservado adopta dos orientaciones distintas. En uno de los cuatro monómeros, el grupo guanidino de Arg-189 apunta hacia el vestíbulo periplásmico, abriendo la constricción para acomodar la unión de una molécula de agua a través de un enlace de hidrógeno tridentado. En los otros tres monómeros, el grupo guanidino de Arg-189 se dobla para formar un enlace de hidrógeno con el oxígeno carbonílico de Thr-183 ocluyendo el canal. Por lo tanto, la estructura de tAqpZ tiene dos conformaciones Arg-189 diferentes que proporcionan permeación de agua a través del canal. La alternancia entre las dos conformaciones Arg-189 interrumpe el flujo continuo de agua, regulando así la probabilidad de apertura del poro de agua. Además, la diferencia en los desplazamientos de Arg-189 se correlaciona con una fuerte densidad electrónica encontrada entre las primeras hélices transmembrana de dos canales abiertos, lo que sugiere que las conformaciones Arg-189 observadas están estabilizadas por interacciones de subunidades asimétricas en tAqpZ. [27] Otras estructuras cristalinas resueltas para AqpZ incluyen: PDB : 3NK5 , 3NKC , 1RC2 .
PIP1 y PIP2
Se han resuelto las estructuras tridimensionales de las formas abiertas y cerradas de las acuaporinas vegetales, PIP1 y PIP2 ( PDB : 4JC6 ). En la conformación cerrada, el bucle D tapa el canal desde el citoplasma y, por lo tanto, ocluye el poro. En la conformación abierta, el bucle D se desplaza hasta 16 Å y este movimiento abre una compuerta hidrofóbica que bloquea la entrada del canal desde el citoplasma. Estos resultados revelan un mecanismo de compuerta molecular que parece conservado en todas las acuaporinas de membrana plasmática de las plantas. En las plantas, regula la ingesta/exportación de agua en respuesta a la disponibilidad de agua y al pH citoplasmático durante la anoxia. [28]
Proteínas humanas que contienen este dominio
AQP1 , AQP2 , AQP3 , AQP4 , AQP5 , AQP6 , AQP7 , AQP8 , AQP9 , AQP10 , MIP
Véase también
Referencias
- ^ Fu D, Libson A, Miercke LJ, et al. (octubre de 2000). "Estructura de un canal conductor de glicerol y la base de su selectividad". Science . 290 (5491): 481–6. Bibcode :2000Sci...290..481F. doi :10.1126/science.290.5491.481. PMID 11039922.
- ^ ab Benga, Gheorghe (1 de diciembre de 2012). "Sobre la definición, nomenclatura y clasificación de las proteínas de los canales de agua (acuaporinas y afines)". Aspectos moleculares de la medicina . 33 (5–6): 514–517. doi :10.1016/j.mam.2012.04.003. ISSN 1872-9452. PMID 22542572.
- ^ Reizer J, Reizer A, Saier Jr MH (1993). "La familia MIP de proteínas de canales de membrana integrales: comparaciones de secuencias, relaciones evolutivas, vía evolutiva reconstruida y diferenciación funcional propuesta de las dos mitades repetidas de las proteínas". Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol . 28 (3): 235–257. doi :10.3109/10409239309086796. PMID 8325040.
- ^ Pao GM, Johnson KD, Chrispeels MJ, Sweet G, Sandal NN, Wu LF, Saier Jr MH, Hofte H (1991). "Evolución de la familia MIP de proteínas de transporte de membrana integral". Mol. Microbiol . 5 (1): 33–37. doi :10.1111/j.1365-2958.1991.tb01823.x. PMID 2014003. S2CID 8963595.
- ^ Finn, Roderick Nigel; Chauvigné, François; Stavang, Jon Anders; Belles, Xavier; Cerdà, Joan (1 de enero de 2015). "Transportadores de glicerol de insectos evolucionados por cooptación funcional y reemplazo de genes". Nature Communications . 6 : 7814. Bibcode :2015NatCo...6.7814F. doi :10.1038/ncomms8814. ISSN 2041-1723. PMC 4518291 . PMID 26183829.
- ^ Wysocki, R.; Chéry, CC; Wawrzycka, D.; Van Hulle, M.; Cornelis, R.; Thevelein, JM; Tamás, MJ (1 de junio de 2001). "El canal de glicerol Fps1p media la captación de arsenito y antimonito en Saccharomyces cerevisiae". Microbiología molecular . 40 (6): 1391–1401. doi : 10.1046/j.1365-2958.2001.02485.x . ISSN 0950-382X. PMID 11442837. S2CID 36816446.
- ^ Saparov, SM; Kozono, D.; Rothe, U.; Agre, P.; Pohl, P. (24 de agosto de 2001). "Permeación de agua e iones de la acuaporina-1 en bicapas lipídicas planares. Diferencias principales en determinantes estructurales y estequiometría". The Journal of Biological Chemistry . 276 (34): 31515–31520. doi : 10.1074/jbc.M104267200 . ISSN 0021-9258. PMID 11410596.
- ^ Park, JH; Saier, MH Jr. (octubre de 1996). "Caracterización filogenética de la familia MIP de proteínas de canal transmembrana". The Journal of Membrane Biology . 153 (3): 171–180. doi :10.1007/s002329900120. PMID 8849412. S2CID 1559932.
- ^ Martins, Cristina de Paula Santos; Pedrosa, Andresa Muniz; Du, Dongliang; Gonçalves, Luana Pereira; Yu, Qibin; Gmitter, Frederick G.; Costa, Marcio Gilberto Cardoso (1 de enero de 2015). "Caracterización y análisis de expresión de las principales proteínas intrínsecas del genoma durante el estrés abiótico y biótico en naranja dulce (Citrus sinensis L. Osb.)". PLOS ONE . 10 (9): e0138786. Bibcode :2015PLoSO..1038786D. doi : 10.1371/journal.pone.0138786 . ISSN 1932-6203. PMC 4580632 . PMID 26397813.
- ^ Gonen, Tamir; Cheng, Yifan; Kistler, Joerg; Walz, Thomas (24 de septiembre de 2004). "Las uniones de membrana de la acuaporina-0 se forman tras la escisión proteolítica". Journal of Molecular Biology . 342 (4): 1337–1345. CiteSeerX 10.1.1.389.4773 . doi :10.1016/j.jmb.2004.07.076. ISSN 0022-2836. PMID 15351655.
- ^ Gonen, Tamir; Sliz, Piotr; Kistler, Joerg; Cheng, Yifan; Walz, Thomas (13 de mayo de 2004). "Las uniones de membrana de la acuaporina-0 revelan la estructura de un poro de agua cerrado". Nature . 429 (6988): 193–197. Bibcode :2004Natur.429..193G. doi :10.1038/nature02503. ISSN 1476-4687. PMID 15141214. S2CID 4351205.
- ^ Gonen, Tamir; Walz, Thomas (1 de noviembre de 2006). "La estructura de las acuaporinas". Quarterly Reviews of Biophysics . 39 (4): 361–396. doi :10.1017/S0033583506004458. ISSN 0033-5835. PMID 17156589. S2CID 40235608.
- ^ Gonen, Tamir; Cheng, Yifan; Sliz, Piotr; Hiroaki, Yoko; Fujiyoshi, Yoshinori; Harrison, Stephen C.; Walz, Thomas (1 de diciembre de 2005). "Interacciones lípido-proteína en cristales AQP0 bidimensionales de doble capa". Nature . 438 (7068): 633–638. Bibcode :2005Natur.438..633G. doi :10.1038/nature04321. ISSN 1476-4687. PMC 1350984 . PMID 16319884.
- ^ Rao, Y.; Bodmer, R.; Jan, LY; Jan, YN (1992-09-01). "El gen del cerebro grande de Drosophila funciona para controlar el número de precursores neuronales en el sistema nervioso periférico". Desarrollo . 116 (1): 31–40. doi :10.1242/dev.116.1.31. ISSN 0950-1991. PMID 1483394.
- ^ Yool, Andrea J.; Campbell, Ewan M. (1 de diciembre de 2012). "Estructura, función y relevancia traduccional de los canales duales de agua e iones de acuaporina". Aspectos moleculares de la medicina . 33 (5–6): 553–561. doi :10.1016/j.mam.2012.02.001. ISSN 1872-9452. PMC 3419283 . PMID 22342689.
- ^ Pareek, Gautam; Krishnamoorthy, Vivekanandhan; D'Silva, Patrick (1 de diciembre de 2013). "Información molecular que revela la interacción de Tim23 y las subunidades del canal de la translocasa de presecuencia". Biología molecular y celular . 33 (23): 4641–4659. doi :10.1128/MCB.00876-13. ISSN 1098-5549. PMC 3838011 . PMID 24061477.
- ^ Klein, Noreen; Neumann, Jennifer; O'Neil, Joe D.; Schneider, Dirk (1 de febrero de 2015). "Plegamiento y estabilidad de la acuagliceroporina GlpF: implicaciones para las enfermedades humanas causadas por acua(glicero)porinas". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranas . 1848 (2): 622–633. doi : 10.1016/j.bbamem.2014.11.015 . ISSN 0006-3002. PMID 25462169.
- ^ Hill, AE; Shachar-Hill, Y. (1 de agosto de 2015). "¿Son las acuaporinas los osmosensores transmembrana que faltan?". The Journal of Membrane Biology . 248 (4): 753–765. doi :10.1007/s00232-015-9790-0. ISSN 1432-1424. PMID 25791748. S2CID 563249.
- ^ Verma, Ravi Kumar; Gupta, Anjali Bansal; Sankararamakrishnan, Ramasubbu (1 de enero de 2015). "Superfamilia de proteínas intrínsecas principales". Proteínas de membrana: ingeniería, purificación y cristalización . Métodos en enzimología. Vol. 557. págs. 485–520. doi :10.1016/bs.mie.2014.12.006. ISBN 9780128021835. ISSN 1557-7988. PMID 25950979.
- ^ abc Chrispeels MJ, Agre P (1994). "Acuaporinas: proteínas de los canales de agua de las células vegetales y animales". Trends Biochem. Sci . 19 (10): 421–425. doi :10.1016/0968-0004(94)90091-4. PMID 7529436.
- ^ Heller, KB; Lin, EC; Wilson, TH (1980-10-01). "Especificidad del sustrato y propiedades de transporte del facilitador de glicerol de Escherichia coli". Journal of Bacteriology . 144 (1): 274–278. doi :10.1128/JB.144.1.274-278.1980. ISSN 0021-9193. PMC 294637 . PMID 6998951.
- ^ Wistow GJ, Pisano MM, Chepelinsky AB (1991). "Repeticiones de secuencias en tándem en proteínas de canales transmembrana". Trends Biochem. Sci . 16 (5): 170–171. doi :10.1016/0968-0004(91)90065-4. PMID 1715617.
- ^ Beese-Sims, Sara E.; Lee, Jongmin; Levin, David E. (1 de diciembre de 2011). "El facilitador de glicerol Fps1 de levadura funciona como un homotetrámero". Levadura . 28 (12): 815–819. doi :10.1002/yea.1908. ISSN 1097-0061. PMC 3230664 . PMID 22030956.
- ^ Fu, D.; Libson, A.; Miercke, L. J.; Weitzman, C.; Nollert, P.; Krucinski, J.; Stroud, RM (2000-10-20). "Estructura de un canal conductor de glicerol y la base de su selectividad". Science . 290 (5491): 481–486. Bibcode :2000Sci...290..481F. doi :10.1126/science.290.5491.481. ISSN 0036-8075. PMID 11039922.
- ^ Hub, Jochen S.; de Groot, Bert L. (29 de enero de 2008). "Mecanismo de selectividad en acuaporinas y acuagliceroporinas". Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 105 (4): 1198–1203. Bibcode :2008PNAS..105.1198H. doi : 10.1073/pnas.0707662104 . ISSN 1091-6490. PMC 2234115 . PMID 18202181.
- ^ Murata, K.; Mitsuoka, K.; Hirai, T.; Walz, T.; Agre, P.; Heymann, JB; Engel, A.; Fujiyoshi, Y. (5 de octubre de 2000). "Determinantes estructurales de la permeación de agua a través de la acuaporina-1". Nature . 407 (6804): 599–605. Bibcode :2000Natur.407..599M. doi :10.1038/35036519. ISSN 0028-0836. PMID 11034202. S2CID 4402613.
- ^ Jiang, Jiansheng; Daniels, Brenda V.; Fu, Dax (6 de enero de 2006). "La estructura cristalina del tetrámero AqpZ revela dos conformaciones distintas de Arg-189 asociadas con la permeación de agua a través de la constricción más estrecha del canal conductor de agua". The Journal of Biological Chemistry . 281 (1): 454–460. doi : 10.1074/jbc.M508926200 . ISSN 0021-9258. PMID 16239219.
- ^ Törnroth-Horsefield, Susanna; Wang, Yi; Hedfalk, Kristina; Johanson, Urban; Karlsson, Maria; Tajkhorshid, Emad; Neutze, Richard; Kjellbom, Per (9 de febrero de 2006). "Mecanismo estructural de la activación de las acuaporinas en las plantas". Nature . 439 (7077): 688–694. Bibcode :2006Natur.439..688T. doi :10.1038/nature04316. ISSN 1476-4687. PMID 16340961. S2CID 4365486.