Proteína periférica de membrana

As proteínas periféricas de membrana son proteínas que se adhiren só temporalmente ás membranas celulares coas cales están asociadas. Estas moléculas están unidas a proteínas integrais de membrana ou penetran nas rexións periféricas da bicapa lipídica da membrana. As subunidades de proteínas reguladoras de moitos canles iónicas e receptores transmembrana, por exemplo, poden definirse como proteínas periféricas de membrana. A diferenza das proteínas integrais de membrana, as periféricas adoitan recollerse no compoñente ou fracción hidrosoluble de todas as proteínas extraídas durante o procedemento de purificación de proteínas. As proteínas cunha áncora GPI son unha excepción a esta regra e poden ter propiedades de purificación similares ás das proteínas integrais de membrana.

A adhesión reversible de proteínas ás membranas biolóxicas pode servir para regular a sinalización celular e moitos outros eventos celulares importantes, por medio de diversos mecanismos.David S. Cafiso Structure and interactions of C2 domains at membrane surfaces. In:  Por exemplo, a estreita asociación entre moitos encimas e membranas celulares pode levalos a unha estreita proximidade cos seus substratos lipídicos. A unión a membranas pode tamén promover o rearranxo, disociación ou cambio conformacional en moitos dominios estruturais de proteínas, orixinando cambios no seu estado de activación e actividade biolóxica. Ademais, moitas proteínas están localizadas especificamente na superficie da capa citosólica ou na da capa externa da membrana. Isto facilita a ensamblaxe de complexos multiproteicos ao incrementarse a probabilidade de que se produzan as interaccións proteína-proteína apropiadas.

miniatura|dereita|400px|Representación esquemática dos diferentes tipos de interacción entre as proteínas de membrana monotópicas e a membrana celular:
1. Interacción por medio dunha hélice α anfipática paralela ao plano da membrana (hélice de membrana no plano).
2. Interacción por medio dun bucle hidrofóbico.
3. Interacción por medio dunha unión covalente cun lípido de membrana (lipidación).
4. Interaccións electrostáticas ou iónicas con lípidos da membrana (por exemplo, por medio de ións calcio).

 Unión das proteínas periféricas á bicapa lipídica 
miniatura|dereita|250px| Dominio PH da fosfolipase C delta 1. Plano medio da bicapa lipídica: puntos negros. Límites da rexión central hidrocarbonada: puntos azuis, lado intracelular. Capa de fosfatos dos lípidos: puntos amarelos.
As proteínas periféricas de membrana poden interaccionar con outras proteínas ou directamente coa bicapa lipídica. Nese último caso, denomínanse proteínas anfitrópicas. Algunhas proteínas, como as proteínas G e certas proteína quinases, interaccionan simultaneamente coas proteínas transmembrana e a bicapa lipídica. Outras únense primeiro á bicapa lipídica e despois localizan e interaccionan cos seus receptores de membrana.

A bicapa fosfolipídica que forma a superficie das membranas celulares consta dunha rexión central interna hidrofóbica que queda en medio de dúas rexións hidrofílicas, unha na superficie interna e outra na externa da membrana. As superficies interna e externa ou rexións interface do modelo das bicapas de fosfolípidos teñen un grosor de 8 a 10 Å, aínda que pode ser maior en membranas biolóxicas que conteñen unha gran cantidade de gangliósidos ou lipopolisacáridos. A rexión central interna hidrofóbica dunha membrana típica pode ter un grosor de 27 a 32 Å, estimado por dispersón de raios X a baixo ángulo (SAXS, Small angle X-ray scattering). A rexión límite entre a parte interna central hidrofóbica e as rexións interfaciais hidrofílicas é moi estreito, de arredor de 3 Å. A concentración efectiva de auga cambia rapidamente a través desta capa límite ao moverse cara a fóra desde a rexión central hidrofóbica, variando desde case cero a unha concentración de arredor de 2M. Os grupos fosfato nas bicapas de fosfolípidos están completamente hidratados ou saturados de auga e están situados a uns 5 Å fóra do límite da rexión central hidrofóbica.

Algunhas proteínas asócianse coas bicapas lipídicas irreversiblemente e poden formar canles transmembrana de hélices alfa ou barril beta. Estas transformacións ocorren en toxinas formadoras de poros como a colicina A, alfa-hemolisina, e outras proteínas. Estas proteínas son descritas xeralmente como periféricas xa que un dos seus estados conformacionais é hidrosoluble ou están só feblemente asociadas coa membrana.

 Mecanismos de unión ás membranas 
miniatura|dereita|250px| Fosfolipase A2 (1poc) do veleno da abella. Plano medio da bicapa lipídica: puntos negros. Límite da rexión central hidrocarbonada: puntos vermellos, lado extracelular. Capa de fosfatos dos lípidos: puntos amarelos.
A asociación dunha proteína coa bicapa lipídica pode implicar cambios significativos na estrutura terciaria dunha proteína. Isto pode incluír o pregamento de rexións da estrutura da proteína que estaban previamente sen pregar ou un rearranxo no pregamento ou repregamento da parte da proteína asociada á membrana. Tamén pode implicar a formación ou disociación de estruturas cuaternarias ou complexos oligoméricos, e a unión específica de ións, ligandos, ou lípidos reguladores.

As proteínas anfitrópicas típicas deben interaccionar fortemente coa bicapa lipídica para realizaren as súas funcións biolóxicas. Estas inclúen o procesamento encimático de lípidos e outras substancias hidrofóbicas, ancoraxe na membrana, e unión e transferencia de pequenos compostos non polares entre diferentes membranas celulares. Estas proteínas poden estar ancoradas á bicapa como resultado de interaccións hidrofóbicas entre a bicapa e residuos non polares expostos na superficie da proteína por interaccións de unión covalente específicas con lípidos reguladores, ou pola súa unión a áncoras lipídicas unidas covalentemente.

As afinidades de unión á membrana de moitas proteínas periféricas dependen da composición lipídica específica da membrana coa cal están asociadas.

 Asociación hidrofóbica non específica 
As proteínas anfitrópicas asócianse coas bicapas lipídicas por medio de estruturas áncora hidrofóbicas. Ditas hélices α anfifílicas, bucles non polares expostos, residuos de aminoácidos acilados ou lipidados postraducionalmente únense especificamente a lípidos reguladores como o fosfatidilinositol fosfato.

 Áncoras lipídicas unidas covalentemente 
As proteínas ancoradas a lípidos están unidas covalentemente a cadeas acilo de ácidos graxos no lado citoplasmático da membrana celular por palmitoilación, miristoilación, ou prenilación. Na superficie da célula, no lado oposto da membrana celular hai proteínas ancoradas a lípidos enlazadas covalentemente aos lípidos glicosilfosfatidilinositol (GPI) e colesterol. A asociación de proteínas coas membranas por medio de residuos acilados é un proceso reversible, xa que a cadea acilo pode estar enterrada no peto de unión hidrofóbico da proteína despois da disociación da membrana. Este proceso ocorre nas subunidades beta das proteínas G. Quizais debido a esta necesidade adicional de flexibilidade estrutural, as áncoras lipídicas están xeralmente unidas aos segmentos moi flexibles das estruturas terciarias de proteínas que non son ben resoltos polos métodos de estudo cristalográfico das proteínas.

 Unión específica proteína–lípido 
miniatura|dereita|250px| Dominio P40phox PX da NADPH oxidase. Plano medio da bicapa lipídica: puntos negros. Límite da rexión central hidrocarbonada: puntos azuis, lado intracelular. Capa dos fosfatos dos lípidos: puntos amarelos.
Algunhas proteínas citosólicas son recrutadas en diferentes membranas celulares por medio do recoñecemento de certos tipos de lípidos que se encontran en determinadas membranas. A unión dunha proteína a un lípido específico ten lugar por medio de dominios estruturais para a unión á membrana que ten a proteína e que teñen petos de unión específicos para as cabezas polares dos lípidos aos que se unen. Esta é unha típica interacción proteína-ligando, que se estabiliza pola formación de enlaces de hidróxeno intermoleculares, interaccións de van der Waals, e interaccións hidrofóbicas entre as proteína e o ligando lipídico. Tales complexos tamén se estabilizan pola formación de pontes iónicas entre residuos aspartato ou glutamato da proteína e os fosfatos do lípido por medio de ións calcio intercalados (Ca2+). Estas pontes iónicas poden orixinarse e ser estables cando os ións como o Ca2+ están xa unidos a unha proteína en solución, antes de que se una o lípido. A formación de pontes iónicas dáse na interacción proteína-lípido en proteínas con dominio C2 e anexinas.

 Interaccións electrostáticas proteína-lípido 
As proteínas cargadas positivamente son atraídas polas membranas cargadas negativamente por interaccións electrostáticas non específicas. Porén, non todos os péptidos periféricos e proteínas son catiónicos, e só un lado da membrana está cargado negativamente, como ocorre co lado citoplasmático da membrana plasmática, a capa externa da membrana externa das bacterias gramnegativas e das membranas mitocondriais. Por tanto, as interaccións electrostáticas xogan un importante papel no destino ás membranas de transportadores de electróns como o citocromo c, toxinas catiónicas como a caribdotoxina, e dominios específicos de unión a membrana como algúns dominios PH, dominios C1, e C2.

As interaccións electrostáticas son moi dependentes da forza iónica da solución. Estas interaccións son relativamente febles á forza iónica fisiolóxica (0,14M NaCl): ~3 a 4 kcal/mol para pequenas proteína catiónicas, como o citocromo c, caribdotoxina ou hisactofilina.

 Posición espacial na membrana 
As orientacións e a profundidade de penetración na membrana de moitas proteínas anfitrópicas e péptidos estudouse usando etiquetado de spin dirixido ao sitio (SDSL, que usa a resonancia do spin do electrón), etiquetado químico, medida das afinidades de unión á membrana de mutantes da proteína, espectroscopia de fluorescencia, espectroscopia NMR en estado sólido ou solución, espectroscopia FTIR ATR, raios X ou difracción de neutróns, e métodos informáticos.

Identificáronse dous modos de asociación das proteínas coa membrana. As proteínas hidrosolubles típicas non teñen residuos non polares expostos nin outras áncoras hidrofóbicas. Por tanto, permanecen completamente en solución acuosa e non penetran na bicapa lipídica, o cal seríalles custoso enerxeticamente. Esas proteínas só interaccionan electrostaticamente coas bicapas; por exemplo, a ribonuclease e a poli-lisina interaccionan coas membranas deste xeito. Porén, as proteínas anfitrópicas típicas teñen varias áncoras hidrofóbicas que penetran a rexión interfacial e chegan á rexión interior hidrocarbonada da membrana. Estas proteínas "deforman" a bicapa lipídica, facendo decrecer a temperatura de transición lípido fluído-xel. A unión é xeralmente unha reacción fortemente exotérmica. A asociación de hélices α anfifílicas coas membranas ocorre de xeito similar. As proteínas intrinsicamente desestruturadas ou os péptidos despregados con residuos non polares ou áncoras lipídicas poden tamén penetrar a rexión interfacial da membrana e chegar á parte central hidrocarbonada, especialmente cando tales péptidos son catiónicos e interaccionan con membranas cargadas negativamente.

 Clases de proteínas periféricas 
 Encimas 
Os encimas periféricos participan no metabolismo de diferentes compoñentes da membrana, como lípidos (fosfolipases e colesterol oxidases), oligosacáridos da parede celular (glicosiltransferases e transglicosidases), ou proteínas (peptidase de sinal e palmitoíl proteín tioesterases). As lipases poden tamén dixerir lípidos que forman micelas ou gotas non polares na auga.

ClaseFunción Fisioloxía Estrutura Pregamento de alfa/beta hidrolase  Cataliza a hidrólise de enlaces químicos. Inclúen as lipases bacteriana, fúnxica, gástrica e pancreática, as  palmitoíl proteín tioesterases, a cutinase, e as colinesterases   Fosfolipase A2 (secretora e citosólica)  Hidrólise do enlace sn-2 dos ácidos graxos de fosfolípidos.Dixestión lipídica, rotura das membranas e sinalización por lípidos.    Fosfolipase C  Hidroliza o fosfatidilinositol PIP2 formando dous segundos mensaxeiros, inositol trifosfato e diacilglicerol.  Sinalización por lípidos  Colesterol oxidases  Oxidan e isomerizan o colesterol a colest-4-en-3-ona.  Fai diminuír o colesterol da membrana; utilizado na patoxénese bacteriana.  Carotenoide oxixenase Cliva carotenoides. Os carotenoides funcionan en plantas e animais a modo de hormonas (incluída a vitamina A en humanos), pigmentos, aromas, recendos florais e compostos de defensa.   Lipoxixenases   Encimas que conteñen ferro que catalizan a dioxixenación de ácidos graxos poliinsaturados. En animais as lipoxixenases están implicadas na síntese de mediadores inflamatorios chamados leucotrienos.  Alfa toxinas  Clivan fosfolípidos da membrana celular, de modo similar á fosfolipase C.PDBsum entry: Alpha Toxin Patoxénese bacteriana, especialmente de Clostridium perfringens.   Esfingomielinase C Unha fosfodiesterase que cliva enlaces fosfodiéster.   Procesamento de lípidos como a esfingomielina.  Glicosiltransferases: MurG e transglicosidases  Catalizan a transferencia de restos de azucres desde moléculas doantes activadas a moléculas aceptoras específicas, formando enlaces glicosídicos.  Biosíntese de disacáridos, oligosacáridos e polisacáridos (glicoconxugados); MurG está implicada na biosíntese do peptidoglicano bacteriano.    Ferroquelatase  Converte a protoporfirina IX en hemo.  Implicada no metabolismo da porfirina; as protoporfirinas utilízanse para fortalecer as cascas de ovos.    Familia de proteínas relacionadas coa miotubularina  Lípido fosfatase que desfosforila o fosfatidilinositol 3-fosfato (PtdIns3P) e o fosfatidilinositol (3,5)-bisfosfato (PtdIns(3,5)P2). Necesarias para a diferenciación da célula muscular.   Dihidroorotato deshidroxenases  Oxidación do dihidroorotato (DHO) a orotato. Biosíntese de nucleótidos de pirimidina en células procariotas e eucariotas. Glicolato oxidase  Cataliza a oxidación de α-hidroxiácidos aos correspondentes α-cetoácidos. En plantas, o encima participa na fotorrespiración. En animais, o encima participa na produción de oxalato.

 Dominios de destinación a membrana (“grampas lipídicas”) 
miniatura|dereita|170px| Dominio C1 da PKC-delta (1ptr) Plano medio da bicapa: puntos negros. Límite da rexión central hidrocarbonada: puntos azuis, lado citoplásmico. Capa dos fosfatos dos lípidos: puntos amarelos.
Os dominios que marcan o destino dunha proteína como proteína de membrana están asociados especificamente coas cabezas polares dos seus ligandos lipídicos integrados nas membranas. Estes ligandos lipídicos están presentes en distintas concentracións nos diferentes tipos de membranas celulares (por exemplo, o PtdIns3P atópase na maioría das membranas dos endosomas temperáns, o PtdIns(3,5)P2 na dos endosomas tardíos, e o PtdIns4P nas do aparato de Golgi). Por tanto, cada dominio destina a unha proteína a unha membrana específica. Estes dominios son:
 Dominio C1 , que se une ao diacilglicerol e aos ésteres do forbol.
 Dominio C2 , que se une á fosfatidilserina ou á fosfatidilcolina.
 Dominio de homoloxía de pleckstrina , dominio PX , e dominio Tubby , que se unen a diferentes fosfoinosítidos.
 Dominio FYVE , que son máis específicos para o PtdIns3P.
 Dominio ENTH , que se une ao PtdIns(3,4)P2 ou ao PtdIns(4,5)P2.
 Dominio ANTH , que se une ao PtdIns(4,5)P2.
 Proteínas da familia ERM (ezrina/radixina/moesina) , que se unen ao PtdIns(4,5)P2.
 Outros dominios de proteínas que se unen a fosfoinosítidos son o dominio de unión á fosfotirosina  e certos dominio PDZ. Únense ao PtdIns(4,5)P2.
 Dominios discoidina de factores de coagulación do sangue. .
 Dominios ENTH, VHS e ANTH .

 Dominios estruturais 
Os dominios estruturais median a unión doutras proteínas á membrana. Esta unión a membranas pode ser mediada por ións calcio (Ca2+) que forman pontes entre os residuos ácidos da proteína e grupos fosfato de lípidos, como ocorre nas anexinas ou no dominio GLA.

ClaseFunción Fisioloxía EstruturaAs anexinas  Unión a membrana intracelular/fosfolípido dependente do calcio.  Entre as funcións están o tráfico de vesículas, fusión de membranas e formación de canles iónicas. Sinapsina I Cobre as vesículas sinápticas e únese a varios elementos do citoesqueleto. Funcións na regulación de liberación de neurotransmisores. Sinucleína Funcións celulares descoñecidas. Crese que xoga un papel na regulación da estabilidade e renovación da membrana plasmática. Asociado coa enfermidade de Parkinson e a de Alzheimer. Dominios GLA do sistema de coagulación do sangue Os dominios gamma-carboxiglutamato (GLA) son responsables da grande afinidade de unión aos ións calcio. Implicados na función de factores de coagulación na fervenza de coagulación do sangue.  Espectrina e α-actinina-2  Atópanse en varias proteínas do citoesqueleto e microfilamentos.  Mantemento da integridade da membrana plasmática e estrutura do citoesqueleto. 

 Transportadores de pequenas moléculas hidrofóbicas 
Estas proteínas periféricas funcionan como transportadores de compostos non polares entre diferentes tipos de membranas celulares ou entre as membranas e os complexos proteicos citosólicos. As substancias transportadas son o fosfatidilinositol, tocoferol, gangliósidos, glicolípidos, derivados de esterois, retinol, ácidos graxos, auga, macromoléculas, glóbulos vermellos do sangue, fosfolípidos, e nucleótidos. Entre estas proteínas están:
 Proteína de transferencia de glicolípidos 
 Lipocalinas, entre as que están a proteína de unión ao retinol e proteínas de unión a ácidos graxos 
 Proteínas de unión a poliisoprenoides 
 Proteína activadora do gangliósido GM2 
 Dominio CRAL-TRIO (proteínas de transferencia de α-tocoferol e fosfatidilinositol sec14p) 
 Proteína transportadora de esterol 
 Proteínas de transferencia de fosfatidilinositol e dominios STAR 
 Proteína de unión ao oxisterol 

 Transportadores de electróns 
Estas proteínas están implicadas na cadea de transporte de electróns. Entre elas están o citocromo c, cupredoxinas, proteínas ferrosulfuradas de alto potencial, adrenodoxina redutase, algunhas flavoproteínas, e outras.

 Hormonas polipeptídicas, toxinas, e péptidos antimicrobianos 
Moitas hormonas, toxinas, inhibidores, ou péptidos antimicrobianos interaccionan especificamente con complexos de proteínas transmembrana. Poden tamén acumularse na superficie da bicapa lipídica antes de unirse ás súas proteínas diana. Ditos ligandos polipéptidos están con frecuencia cargados positivamente e interaccionan electrostaticamente con membranas aniónicas.

Algunhas proteínas hidrosolubles e péptidos poden tamén formar canles transmembrana. Xeralmente sofren oligomerización, cambios conformacionais significativos, e asócianse coas membranas irreversiblemente. Determinouse a estrutura tridimensional dun destas canles transmembrana, o da α-hemolisina. Noutros casos, a estrutura experimental representa unha conformación hidrosoluble que interacciona coa bicapa lipídica perifericamente, aínda que algúns dos péptidos que forman canles son bastante hidrofóbicos e, xa que logo, foron estudados por espectroscopía NMR en solventes orgánicos ou en presenza de micelas.

ClaseProteínasFisioloxía Toxinas de velenos Veleno do escorpión
 Veleno de serpe
 Conotoxinas 
 Poneratoxina (insectos) Tipos ben coñecidos de biotoxinas son as neurotoxinas, citotoxinas, hemotoxinas e necrotoxinas. As biotoxinas teñen dúas funcións principais: predación (toxinas de serpe, escorpión e caracol mariño Conus) e defensa (toxinas da abella e de formiga).Toxinas de anemone As toxinas de anemones inhibidoras de canles de sodio 
 Neurotoxina III 
 Citolisinas A inhibición de canles de sodio e potasio e formación de poros de membrana son as principais accións dunhas 40 toxinas peptídicas coñecidas de anemones. As anemones de mar son animais carnívoros e usan toxinas na súa predación e defensa; a toxina das anemones ten unha toxicidade similar á dos organofosfatos máis tóxicos usados como axentes da guerra química.Patocka, Jiri and Anna Strunecka. (1999) Ver toxina da anemone.  The ASA Newsletter. Toxinas bacterianas Perfringolisina O
 Toxina botulínica B 
 Enterotoxina B estable á calor 
 δ-Endotoxinas 
 Bacteriocinas  (ver microcina)
 Péptidos lantibióticos  (ver nisina)
 Gramicidina S As toxinas microbianas son os principais factores de virulencia para diversas bacterias patóxenas. Algunhas toxinas, son toxinas formadoras de poros que lisan as membranas celulares. Outras toxinas inhiben a biosíntese de proteínas ou activan as vías dos segundos mensaxeiros causando grandes alteracións nas vías de transdución de sinais fundamentais para o mantemento de diversas funcións celulares. Varias toxinas bacterianas poden actuar directamente sobre o sistema inmunitario, ao funcionaren como  superantíxenos e causaren unha masiva proliferación de células T, que sobreactiva o sistema inmunitario. A toxina botulínica é unha neurotoxina que impide que vesículas neurosecretoras se unan ou fusionen coa membrana plasmática sináptica do nervio, inhibindo a liberación de neurotransmisores. Toxinas fúnxicas Antibióticos lipopeptídicos cíclicos surfactina e daptomicina
 Peptaibols Estes péptidos están caracterizados pola presenza dun aminoácido pouco usual, o ácido α-aminoisobutírico, e presentan propiedades antibióticas e antifúnxicas debido ás súas actividades de formación de canles nas membranas.Péptidos antimicrobianos  Péptido HP 
 Saposina B e NK-lisina 
 Lactoferricina B 
 Magainina , moricinas , e pleurocidina Os modos de acción polo scales os péptidos antimicrobianos matan as bacterias é variado e inclúen a rotura das membranas, a interferencia co metabolismo, e afectando a compoñentes citoplásmicos. A diferenza de moitos antibióticos convencionais estes péptidos parecen ser bactericidas en vez de bacteriostáticos. Defensinas  Defensinas de insectos 
 Defensinas de plantas : Ciclótidos  e tioninas As defensinas son un tipo de péptido antimicrobiano; e son un importante compoñente de virtualmente todas as defensas inmunitarias innatas contra as invasións microbianas. As defensinas penetran nas membranas das células microbianas por medio de atraccións eléctricas, e forman un poro na membrana permitindo o fluxo, que acaba producindo a lise dos microorganismos.Péptidos neuronais Péptidos taquiquininas Estas proteínas excitan as neuronas, producen respostas de comportamento, son potentes vasodilatadores, e son responsables da contracción en moitos tipos de músculos lisos.Reguladores da apoptose Bcl-2  Membros da familia Bcl-2 controlan a permeabilidade da membrana mitocondrial externa. O propio Bcl-2 suprime a apoptose en varios tipos de células como os linfocitos e neuronas.

 Notas 

 Referencias xerais 




 Seaton B.A. e Roberts M.F. Peripheral membrane proteins. pp. 355–403. In Biological Membranes (Eds. K. Mertz e B.Roux), Birkhauser Boston, 1996.
 Benga G. Protein-lipid interactions in biological membranes, pp. 159–188. In Structure and Properties of Biological Membranes, vol. 1 (Ed. G. Benga) Boca Raton CRC Press, 1985.
 Kessel A. e Ben-Tal N. 2002. Free energy determinants of peptide association with lipid bilayers. In Current Topics in Membranes 52: 205–253.



 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 Proteína de membrana
 Lipoproteína
 Proteína transmembrana
 Proteína integral de membrana
 Péptido antimicrobiano

 Ligazóns externas 
 UMichOPM classes, type 2
 DOLOP Base de datos de lipoproteínas bacterianas orientado á xenómica
 Base de datos Peptaibol 
 Base de datos de péptidos antimicrobianos

Categoría:Proteínas de membrana
Categoría:Bioloxía celular