Proteína de membrana

As proteínas de membrana son as proteínas que, xunto coa bicapa lipídica constitúen as membranas da célula. Son unha das tres principais clases de proteínas, xunto coas proteínas fibrosas e as globulares. As proteínas de membrana están unidas ou asociadas coa membrana plasmática ou coas dos orgánulos. Estas proteínas están especificamente destinadas a determinadas membranas de distintas partes da célula.^[1] Son tamén o obxectivo de aproximadamente o 50% de todos os fármacos modernos.^[2] Estímase que do 20-30% de todos os xenes na maioría dos xenomas codifican proteínas de membrana.^[3]

Estrutura cristalina do canle de potasio Kv1.2/2.1 quimera. Os límites hidrocarbonados calculados da bicapa lipídica están indicados con puntos vermellos e azuis.

Función

As proteínas de membrana realizan varias funcións vitais para a supervivencia dos organismos. Poden ser:^[4]

• Proteínas receptoras de membrana, que envían sinais entre o interior da célula e o exterior.
• Proteínas de transporte de membrana, que moven moléculas e ións a través da membrana. Poden clasificarse segundo a base de datos de Clasificación de Transportador.
• Encimas de membrana, como por exemplo moitas oxidorredutases, transferases e hidrolases.
• Moléculas de adhesión celular, que permiten que as células se identifiquen unhas a outras e interaccionen. Por exemplo proteínas implicadas na resposta inmune.

Topoloxía

A topoloxía dunha proteína integral de membrana describe o número de segmentos transmembrana que posúe e a súa orientación na membrana.^[5] Existen varias topoloxías diferentes nas proteínas de membrana:^[6]

Unha forma de clasificar as proteínas de membrana depende da facilidade con que se extraen da membrana por procedementos físicos e químicos. Algunhas están fortemente unidas e integradas na bicapa lipídica da membrana (proteínas integrais), e outras están unidas máis feblemente á súa superficie e poden ser extraídas doadamente (proteínas periféricas). Esta é a clasificación que utilizaremos aquí. Unha forma de clasificalas lixeiramente distinta é dividilas en integrais e anfitrópicas.^[7] As anfitrópicas son proteínas que poden existir en dous estados alternativos: un que é hidrosoluble e outro que está unido á bicapa lipídica. A clase das proteínas anfitrópicas inclúe as toxinas polipeptídicas que forman canles hidrosolubles, que se asocian irreversiblemente coas membranas, pero exclúe as proteínas periféricas que interaccionan con outras proteínas de membrana en vez de coa bicapa lipídica.

Proteínas integrais de membrana

Representación esquemática de varios tipos de proteínas transmembrana: 1. Proteína de hélice α transmembrana simple (proteína de membrana bitópica). 2. Proteína de hélice α transmembrana politópica. 3. Proteína de folla β transmembrana politópica.
A membrana está representada de cor castaña clara.

Artigo principal: Proteína integral de membrana.

As proteínas integrais de membrana están permanentemente unidas á membrana. Só poden separarse da membrana usando deterxentes, solventes non polares, ou ás veces axentes desnaturalizantes. Poden clasificarse segundo a súa relación coa bicapa en:

• Proteínas integrais politópicas, tamén chamadas "proteínas transmembrana", que se estenden a través da membrana dun lado ao outro polo menos unha vez. Teñen unha ou dúas estruturas terciarias, polo que poden ser:
  • Proteínas con empaquetado en hélice (helix bundle), que están presentes en todos os tipos de membranas.
  • Proteínas con barril beta, que se encontran só na membrana externa bacteriana das bacterias gramnegativas, e nas paredes celulares ricas en lípidos das bacterias grampositivas, e na membrana externa das mitocondrias e cloroplastos.
• Proteínas integrais monotópicas, que están unidas só a un lado da membrana e non se estenden ata o outro lado.

Proteínas de membrana periféricas

Representación esquemática dos diferentes tipos de interacción entre as proteínas de membrana monotópicas e a membrana: 1. Interacción por medio dunha hélice α anfipática paralela ao plano da membrana (hélice de membrana no plano). 2. Interacción por medio dun bucle hidrófobo. 3. Interaction proteína-lípido por enlace covalente cun lípido de membrana (lipidación). 4. Interaccións electrostáticas ou iónicas con lípidos de membrana (por exemplo, por medio de ións calcio).

Artigo principal: Proteína periférica de membrana.

As proteínas periféricas de membrana están unidas temporalmente á bicapa lipídica da membrana ou a algunha proteína integral de membrana por unha combinación de interaccións hidrófobas, electrostáticas e outras non covalentes. As proteínas periféricas disócianse ao tratar a membrana con solventes polares, como unha solución cun elevado pH ou altas concentracións salinas.

As proteínas integrais e periféricas poden ser modificadas postraducionalmente, coa adición de ácidos graxos ou cadeas prenil, ou glicosilfosfatidilinositol (GPI), que pode estar ancorado na bicapa lipídica.

Toxinas polipeptídicas

Artigo principal: Toxinas formadoras de poros.

As toxinas polipeptídicas e moitos péptidos antibacterianos, como as colicinas ou as hemolisinas, e certas proteínas implicadas na apoptose, son ás veces consideradas unha categoría separada. Estas proteínas son hidrosolubles pero poden agregarse e asociarse coa bicapa lipídica e quedar asociadas á membrana de forma reversible ou irreversible.

Estruturas en 3D

Incremento do número de estruturas en 3D coñecidas de proteínas de membrana.

As estruturas terciarias máis comúns das proteínas de membrana son o empaquetamento en hélice (helix bundle) e o barril beta. A porción de proteínas de membrana que están unidas á bicapa lipídica consta só de aminoácidos hidrófobos. A porción da proteína que non está tocando a bicapa lipídica e asoma fóra da membrana está formada por aminoácidos hidrófilos.^[8]

As proteínas de membrana teñen superficies hidrófobas, son relativamente flexibles e exprésanse a un nivel relativamente baixo. Isto xera dificultades á hora de obter unha cantidade de proteína dabondo para poder cristalizala. Por tanto, malia a importancia funcional significativa das proteínas de membrana, é máis difícil determinar as súas estruturas de resolución atómica que as das proteínas globulares.^[9] En xaneiro de 2013 menos do 0,1% das estruturas de proteínas que se determinaran eran proteínas de membrana a pesar de que son o 20-30% do proteoma total..^[10]

Moitas das estruturas de proteínas de membrana obtidas con éxito foron caracterizadas por cristalografía de raios X e son estruturas moi grandes nas cales as interaccións con ambientes que imitan á membrana pode anticiparse que son pequenas en comparación coas que hai dentro da estrutura da proteína. Os dominios pequenos son especialmente sensibles á influencia de ambientes que imitan a membrana, o que potencialmente pode orixinar que se obteñan estruturas non nativas. Afortunadamente, poden elixirse moitas condicións de preparación das mostras para a cristalización e a solución por NMR. Toda a bioloxía estrutural das proteínas de membrana debería estar suxeita a un coidadoso exame. Debería ser posible, por medio dunha combinación de metodoloxías estruturais, chegar a unha comprensión do estado funcional nativo das estruturas das proteínas de membrana.^[11] A información de coevolución aprovéitase con éxito para a predición de moitas estruturas de proteínas de membrana grandes.^[12][13][14]

Debido a esta dificultade e á importancia deste tipo de proteínas, desenvolvéronse métodos de predición da estrutura de proteínas baseados en gráficos de hidropatía.^[15][16]