Proteína transmembrana

Hay dos tipos básicos de proteínas transmembrana: ^{[ 4 ]} alfa-helicoidales y beta-barriles . 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 humanos, se ha estimado que el 27% de todas las proteínas son proteínas de membrana alfa-helicoidales. ^{[ 6 ]} Las proteínas beta-barriles se han encontrado hasta ahora solo en las membranas externas de bacterias gramnegativas , paredes celulares de bacterias grampositivas , membranas externas de mitocondrias y cloroplastos , o pueden ser secretadas como toxinas formadoras de poros . Todas las proteínas transmembrana beta-barriles tienen la topología más simple de arriba y abajo, lo que puede reflejar su origen evolutivo común y un mecanismo de plegamiento similar. ^{[ 7 ]}

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. ^{[ 8 ]} Este péptido es secretado por bacterias grampositivas como antibiótico . No se ha descrito una hélice de poliprolina II transmembrana en proteínas naturales. Sin embargo, esta estructura se observó experimentalmente en péptidos artificiales diseñados específicamente. ^{[ 9 ]}

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 proteínas de membrana de paso único . 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, con el tipo II dirigido 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. ^{[ 10 ]} Las implicaciones para la división en los cuatro tipos son especialmente evidentes 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.

Las proteínas transmembrana con estructura alfa-helicoidal (α-helicoidal) son inusualmente estables, a juzgar por los estudios de desnaturalización térmica , porque no se despliegan completamente dentro de las membranas (el despliegue completo requeriría la ruptura de demasiados enlaces de hidrógeno α-helicoidales en medios no polares). Por otro lado, estas proteínas se pliegan fácilmente de forma incorrecta , debido a la agregación no nativa en las membranas, la transición a estados de glóbulo fundido , la formación de enlaces disulfuro no nativos o el despliegue de regiones periféricas y bucles irregulares que son localmente menos estables. ^{[ 19 ]}

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. Este estado representa una combinación de hélices α hidrofóbicas plegadas y segmentos parcialmente desplegados cubiertos por el detergente . Por ejemplo, la bacteriorrodopsina "desplegada" en micelas de SDS tiene cuatro hélices α transmembrana plegadas, mientras que el resto de la proteína se sitúa en la interfaz micela-agua y puede adoptar diferentes tipos de estructuras anfifílicas no nativas . Las diferencias de energía libre entre estos estados desnaturalizados por detergente y los estados nativos son similares a las estabilidades de las proteínas solubles en agua (< 10 kcal/mol).

El replegamiento in vitro de proteínas transmembrana con estructura α-helicoidal es técnicamente difícil. Existen relativamente pocos ejemplos de experimentos de replegamiento exitosos, como en el caso de la bacteriorrodopsina . In vivo , todas estas proteínas se pliegan normalmente de forma cotraduccional dentro del gran translocón transmembrana. El canal del translocón proporciona un entorno altamente heterogéneo para las hélices α transmembrana nacientes. Una hélice α anfifílica relativamente polar puede adoptar una orientación transmembrana en el translocón (aunque in vitro se encontraría en la superficie de la membrana o desplegada ), ya que sus residuos polares pueden orientarse hacia el canal central lleno de agua del translocón. Este mecanismo es necesario para la incorporación de hélices α polares a 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 desplegada y unida al translocón durante demasiado tiempo, es degradada por sistemas celulares específicos de "control de calidad".

La estabilidad de las proteínas transmembrana de barril beta (barril β) es similar a la de las proteínas hidrosolubles, según estudios de desnaturalización química. Algunas son muy estables incluso en presencia de agentes caotrópicos y a altas temperaturas. Su plegamiento in vivo se ve facilitado por chaperonas hidrosolubles , como la proteína Skp. Se cree que las proteínas de membrana de barril β provienen de un ancestro común, aunque presenten un número variable de láminas, las cuales podrían haberse añadido o duplicado durante la evolución. Algunos estudios muestran una gran conservación de la secuencia entre diferentes organismos, así como aminoácidos conservados que mantienen la estructura y facilitan el plegamiento. ^{[ 20 ]}

• Proteínas similares a la bacteriorrodopsina , incluida la rodopsina (véase también opsina ).
• Centros de reacción fotosintética bacteriana y fotosistemas I y II
• Complejos captadores de luz de bacterias y cloroplastos

• Proteínas transmembrana similares al citocromo b: coenzima Q - citocromo c reductasa (citocromo bc1); complejo citocromo b6f ; formato deshidrogenasa, nitrato reductasa respiratoria ; succinato - coenzima Q reductasa (fumarato reductasa); y succinato deshidrogenasa . Véase cadena de transporte de electrones .
• Oxidasas del citocromo c de bacterias y mitocondrias

• ATPasas de tipo F y de tipo V que translocan protones o sodio

• ATPasa de calcio de tipo P (cinco conformaciones diferentes)
• Reguladores de la ATPasa de calcio: fosfolambano y sarcolipina.
• Transportistas ABC
• Translocador de la vía secretora general (Sec) (translocasa de preproteína SecY)

• Proteínas transportadoras mitocondriales
• Superfamilia de facilitadores principales (transportador de glicerol-3-fosfato, permeasa de lactosa y transportador de múltiples fármacos EmrD)
• Resistencia-nodulación-división celular ( transportador de eflujo de múltiples fármacos AcrB, véase resistencia a múltiples fármacos )
• simportador de dicarboxilato/aminoácido:catión (simportador de protón-glutamato)
• Antiportador de cationes monovalentes/protones (Antiportador de sodio/protones 1 NhaA)
• simportador de sodio del neurotransmisor
• Transportadores de amoníaco
• Transportador de fármacos/metabolitos (pequeño transportador de resistencia a múltiples fármacos EmrE: las estructuras se han retirado por ser erróneas).

• Canales iónicos dependientes de voltaje , como los canales de potasio KcsA y KvAP, y el canal iónico rectificador de entrada de potasio Kirbac.
• Canal mecanosensible de alta conductancia, MscL
• Canal iónico mecanosensible de baja conductancia (MscS)
• Transportadores de iones metálicos CorA
• Canal iónico regulado por ligando de los receptores de neurotransmisores ( receptor de acetilcolina )
• acuaporinas
• Canales de cloruro
• Proteínas auxiliares de la membrana externa (transportadores de polisacáridos): proteínas transmembrana α-helicoidales de la membrana bacteriana externa.

• metano monooxigenasa
• proteasa romboide
• Proteína formadora de enlaces disulfuro (complejo DsbA-DsbB)

• Subunidades del complejo del receptor de células T
• Complejo de citocromo c nitrito reductasa
• Dímero de glicoforina A
• Proteína principal de la cápside del inovirus ( fago filamentoso )
• Pilín
• Proteína asociada al surfactante pulmonar
• Monoaminooxidasas A y B
• Hidrolasa de amida de ácido graso ^{[ 21 ]}
• oxidasas del citocromo P450
• 11β-deshidrogenasas de corticosteroides .
• Peptidasa del péptido señal

• Barriles beta a partir de ocho hebras beta y con un número de cizallamiento de diez ( n=8, S=10 ). Incluyen:
  • Dominio transmembrana similar a OmpA (OmpA)
  • Familia de proteínas de membrana externa relacionadas con la virulencia (OmpX)
  • Familia de proteínas de membrana externa W (OmpW)
  • Familia de proteínas de resistencia a péptidos antimicrobianos y acilación de lípido A (PagP)
  • Deacilasa de lípido A PagL
  • Porinas de la familia de la opacidad (NspA)
• Dominio del autotransportador ( n=12, S=14 )
• Familia de proteínas transportadoras de membrana externa FadL , incluido el transportador de ácidos grasos FadL ( n=14, S=14 )
• Familia general de porinas bacterianas , conocidas como porinas triméricas ( n=16, S=20 )
• Maltoporina o porinas de azúcar ( n=18, S=22 )
• Porina específica de nucleósido ( n=12, S=16 )
• Fosfolipasa A1 de la membrana externa ( n=12, S=16 )
• Receptores dependientes de TonB y su dominio de tapón . Son canales de membrana externa regulados por ligando ( n=22, S=24 ), incluyendo el transportador de cobalamina BtuB, el receptor de Fe(III)-piochelina FptA, el receptor FepA, el receptor de captación de hidroxamato férrico FhuA, el transportador FecA y el receptor de pioverdina FpvA.
• Familia de proteínas de membrana externa OpcA ( n=10, S=12 ) que incluye la proteasa de membrana externa OmpT y la proteína adhesina/invasina OpcA.
• Familia de porinas G de la proteína de membrana externa ( n=14, S=16 )

Nota: n y S son, respectivamente, el número de hebras beta y el número de cizallamiento ^{[ 22 ]} del barril beta.

• Autotransportador trimérico ( n=12, S=12 )
• Proteínas de eflujo de la membrana externa , también conocidas como factores triméricos de la membrana externa (n=12, S=18), que incluyen TolC y proteínas de resistencia a múltiples fármacos.
• Porina MspA (octámero, n=S=16 ) y α-hemolisina (heptámero, n=S=14 ). Estas proteínas son secretadas.