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 regulatorias 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.
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. Unión das proteínas periféricas á bicapa lipídica
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 aredor 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
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 regulatorios.
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 regulatorios, 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 regulatorios 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 superfcie da célula, no lado oposto da membrana celular hai proteíans 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
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 na destinación 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.
Dominios de destinación a membrana (“grampas lipídicas”)
Os dominios que marcan o destino dunha proteína como proteína de membrana están asociados especificalmente 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.
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.