Una proteína transmembrana es un tipo de proteína integral de membrana que se extiende por toda la membrana celular . Muchas proteínas transmembrana funcionan como puertas de entrada para permitir el transporte de sustancias específicas a través de la membrana. Con frecuencia experimentan cambios conformacionales significativos para mover una sustancia a través de la membrana. Por lo general, son altamente hidrófobas y se agregan y precipitan en agua. Requieren detergentes o solventes no polares para su extracción, aunque algunas de ellas ( beta-barrels ) también pueden extraerse utilizando agentes desnaturalizantes .
La secuencia de péptidos que atraviesa la membrana, o el segmento transmembrana , es en gran parte hidrófoba y se puede visualizar utilizando el gráfico de hidropatía . [1] Dependiendo del número de segmentos transmembrana, las proteínas transmembrana se pueden clasificar como proteínas de membrana de un solo paso o como proteínas de membrana de múltiples pasos. [2] Algunas otras proteínas integrales de membrana se denominan monotópicas , lo que significa que también están unidas permanentemente a la membrana, pero no la atraviesan. [3]
Existen dos tipos básicos de proteínas transmembrana: [4] las proteínas alfa-helicoidales y las proteínas beta-barril . Las proteínas alfa-helicoidales están presentes en las membranas internas de las células bacterianas o en la membrana plasmática de las células eucariotas, y a veces en la membrana externa bacteriana . [5] Esta es la categoría principal de proteínas transmembrana. En los seres humanos, se ha estimado que el 27% de todas las proteínas son proteínas de membrana alfa-helicoidales. [6] Las proteínas beta-barril se encuentran hasta ahora solo en las membranas externas de las bacterias gramnegativas , las paredes celulares de las bacterias grampositivas , las membranas externas de las mitocondrias y los cloroplastos , o pueden secretarse como toxinas formadoras de poros . Todas las proteínas transmembrana beta-barril tienen una topología de arriba a abajo más simple, que puede reflejar su origen evolutivo común y un mecanismo de plegamiento similar. [ cita requerida ]
Además de los dominios proteicos, existen elementos transmembrana inusuales formados por péptidos. Un ejemplo típico es la gramicidina A , un péptido que forma una hélice β transmembrana dimérica. [7] Este péptido es secretado por bacterias grampositivas como antibiótico . No se ha descrito una hélice transmembrana de poliprolina-II en proteínas naturales. No obstante, esta estructura se observó experimentalmente en péptidos artificiales diseñados específicamente. [8]
Esta clasificación se refiere a la posición de los extremos N y C de la proteína en los diferentes lados de la bicapa lipídica . Los tipos I, II, III y IV son moléculas de un solo paso . Las proteínas transmembrana de tipo I están ancladas a la membrana lipídica con una secuencia de anclaje de parada de transferencia y tienen sus dominios N-terminales dirigidos al lumen del retículo endoplasmático (RE) durante la síntesis (y al espacio extracelular, si las formas maduras se encuentran en las membranas celulares ). Los tipos II y III están anclados con una secuencia de anclaje de señal, y el tipo II se dirige al lumen del RE con su dominio C-terminal, mientras que el tipo III tiene sus dominios N-terminales dirigidos al lumen del RE. El tipo IV se subdivide en IV-A, con sus dominios N-terminales dirigidos al citosol y IV-B, con un dominio N-terminal dirigido al lumen. [9] Las implicaciones de la división en los cuatro tipos se manifiestan especialmente en el momento de la translocación y la traducción unida al RE, cuando la proteína tiene que pasar a través de la membrana del RE en una dirección que depende del tipo. [ cita requerida ]
Las estructuras de las proteínas de membrana se pueden determinar mediante cristalografía de rayos X , microscopía electrónica o espectroscopia de RMN . [11] Las estructuras terciarias más comunes de estas proteínas son el haz de hélice transmembrana y el barril beta . La porción de las proteínas de membrana que están unidas a la bicapa lipídica (ver capa lipídica anular ) consiste principalmente en aminoácidos hidrófobos. [12]
Las proteínas de membrana que tienen superficies hidrofóbicas son relativamente flexibles y se expresan en niveles relativamente bajos. Esto crea dificultades para obtener suficiente proteína y luego hacer crecer los cristales. Por lo tanto, a pesar de la importancia funcional significativa de las proteínas de membrana, determinar las estructuras de resolución atómica para estas proteínas es más difícil que para las proteínas globulares. [13] A enero de 2013, menos del 0,1% de las estructuras de proteínas determinadas eran proteínas de membrana a pesar de ser el 20-30% del proteoma total. [14] Debido a esta dificultad y la importancia de esta clase de proteínas, se han desarrollado métodos de predicción de la estructura de proteínas basados en gráficos de hidropatía, la regla interna positiva y otros métodos. [15] [16] [17]
Las proteínas transmembrana alfa-helicoidales (α-helicoidales) son inusualmente estables a juzgar por los estudios de desnaturalización térmica , porque no se despliegan completamente dentro de las membranas (el desplegamiento completo requeriría romper demasiados enlaces de hidrógeno α-helicoidales en el medio no polar). Por otro lado, estas proteínas se pliegan mal fácilmente , debido a la agregación no nativa en las membranas, la transición a los estados de glóbulos fundidos , la formación de enlaces disulfuro no nativos o el desplegamiento de regiones periféricas y bucles no regulares que son localmente menos estables. [ cita requerida ]
También es importante definir correctamente el estado desplegado . El estado desplegado de las proteínas de membrana en micelas de detergente es diferente al de los experimentos de desnaturalización térmica. [ cita requerida ] Este estado representa una combinación de α-hélices hidrófobas plegadas y segmentos parcialmente desplegados cubiertos por el detergente . Por ejemplo, la bacteriorrodopsina "desplegada" en micelas de SDS tiene cuatro α-hélices transmembrana plegadas, mientras que el resto de la proteína está situada en la interfaz micela-agua y puede adoptar diferentes tipos de estructuras anfifílicas no nativas . Las diferencias de energía libre entre dichos estados desnaturalizados por detergente y nativos son similares a las estabilidades de las proteínas solubles en agua (< 10 kcal/mol). [ cita requerida ]
El replegamiento de proteínas transmembrana α-helicoidales in vitro es técnicamente difícil. Hay relativamente pocos ejemplos de experimentos de replegamiento exitosos, como en el caso de la bacteriorrodopsina . In vivo , todas estas proteínas se pliegan normalmente de manera co-traduccional dentro del gran translocón transmembrana . El canal del translocón proporciona un entorno altamente heterogéneo para las α-hélices transmembrana nacientes. Una α-hélice anfifílica relativamente polar puede adoptar una orientación transmembrana en el translocón (aunque estaría en la superficie de la membrana o desplegada in vitro ), porque sus residuos polares pueden estar orientados hacia el canal central lleno de agua del translocón. Tal mecanismo es necesario para la incorporación de α-hélices polares en las estructuras de las proteínas transmembrana. Las hélices anfifílicas permanecen unidas al translocón hasta que la proteína se sintetiza y pliega por completo. Si la proteína permanece desdoblada y unida al translocón durante demasiado tiempo, se degrada mediante sistemas celulares de "control de calidad" específicos. [ cita requerida ]
La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril beta (β-barrel) es similar a la estabilidad de las proteínas solubles en agua, según estudios de desnaturalización química. Algunas de ellas son muy estables incluso en agentes caotrópicos y altas temperaturas. Su plegamiento in vivo se ve facilitado por chaperonas solubles en agua , como la proteína Skp. Se cree que las proteínas de membrana de barril β provienen de un ancestro incluso con un número diferente de láminas que podrían agregarse o duplicarse durante la evolución. Algunos estudios muestran una gran conservación de secuencia entre diferentes organismos y también aminoácidos conservados que mantienen la estructura y ayudan con el plegamiento. [18]
Nota: n y S son, respectivamente, el número de cadenas beta y el "número de corte" [20] del barril beta .