[en] The cell is the basic structural and functional unit of life and all cells are surrounded and delimited by their biological membranes. Membranes play a crucial role in the existence of cells by isolating from and connecting with their environment. Biological membranes are mainly formed by lipids and proteins. Whereas lipids form a bilayer that prevents free diffusion of most molecules and ions, proteins control molecular trafficing and information flow across the membrane. These proteins embedded within biological membrane are called membrane proteins, characterized by the presence of sequence regions adapted to insert, fold and function in the complex environment of membranes. Proper insertion, folding and orientation into the membrane are essential for the correct function of membrane proteins. This thesis is focus on the transmembrane domains of α-helical membrane proteins, a type of molecules that comprise 20-30% of all genes in most sequenced genomes. However, due to the complexity of the environment in which they live, our knowledge about membrane proteins is still far away from that of soluble proteins. The great majority of helical membrane proteins are inserted co-translationally into the ER membrane through a continuous ribosome-translocon channel. The efficiency of membrane insertion depends on transmembrane (TM) helix amino acid composition, the helix length and the position of the amino acids within the helix. Recent advances in high-resolution structure determination of membrane proteins enable now the analysis of the main features of amino acids in transmembrane (TM) segments in comparison with amino acids in water-soluble helices. In this Thesis, we introduced a large-scale analysis of amino acid propensities using a data set of 170 structures of integral membrane proteins obtained from MPTopo database and 930 structures of water-soluble helical proteins obtained from the Protein Data Bank. We also examined the distribution of residues along the TM helices included in our database. Next, we conducted a computational analysis of the composition and location of amino acid residues in this database to obtain an extensive set of designed polypeptide segments with naturally occurring amino acid distributions. Finally, using an in vitro translation system in the presence of biological membranes, we experimentally validated our predictions by analyzing its membrane integration capacity. Coupled with known strategies to control membrane protein topology, the findings of this Thesis may pave the way to de novo membrane protein design.

[es] La célula es la unidad básica estructural y funcional de la vida y todas las células están rodeadas y delimitadas por sus membranas biológicas. Las membranas juegan un papel crucial en la existencia de las células delimitándolas y conectándolas con su entorno. Las membranas biológicas están formadas principalmente por lípidos y proteínas. Mientras que los lípidos forman una bicapa que impide la difusión libre de la mayoría de moléculas e iones, las proteínas controlan el tráfico molecular y el flujo de información a través de la membrana. A estas proteínas insertadas en la membrana biológica se les denomina proteínas de membrana, caracterizadas por la presencia de regiones adaptadas para insertarse, plegarse y funcionar en el complejo entorno de las membranas. La adecuada inserción, plegamiento y orientación en la membrana son esenciales para el correcto funcionamiento de las proteínas de membrana. Esta tesis se centra en los dominios transmembranos de las proteínas helicoidales de membrana, un tipo de moléculas que comprenden entre el 20 y el 30% de todos los genes en la mayoría de los genomas secuenciados. Sin embargo, debido a la complejidad del entorno en el que viven, nuestro conocimiento sobre las proteínas de membrana está aún muy lejos del de las proteínas solubles. La gran mayoría de las proteínas helicoidales de membrana se insertan de manera co-traduccional en la membrana del retículo endoplasmático a través de un canal contínuo entre el ribosoma y el translocón. La eficacia de la inserción en la membrana depende de la composición de aminoácidos, la longitud de la hélice y la posición de los aminoácidos dentro de la hélice. Recientes avances en la determinación de estructuras de proteínas de membrana permiten el análisis de las principales características de los aminoácidos en segmentos transmembrana (TM) en comparación con los aminoácidos de helices de proteínas solubles en agua. En esta Tesis, se introdujo un análisis a gran escala de las tendencias de los aminoácidos utilizando un conjunto de datos de 170 estructuras de proteínas integrales de membrana obtenidas de la base de datos MPTopo y 930 estructuras de proteínas helicoidales solubles en agua obtenidas del Protein Data Bank. También examinamos la distribución de residuos a lo largo de las hélices TM incluidas en nuestra base de datos. A continuación, realizamos un análisis computacional de la composición y localización de los residuos de aminoácidos en esta base de datos para generar un extenso conjunto de secuencias diseñadas con distribuciones naturales de aminoácidos, de las cuales se calculó el valor predicho (teórico) de inserción en membranas. Finalmente, utilizando un sistema de traducción in vitro en presencia de membranas biológicas, validamos experimentalmente nuestras predicciones analizando su capacidad de inserción en membranas biológicas. Los hallazgos de esta Tesis, junto con estrategias conocidas para el control de la topología, pueden allanar el camino en el diseño de novo de proteínas de membrana.