Compartimentos y trafico de proteinas

Compartimientos intracelulares y clasificación de proteínas
Tomado y modificado de
ALBERTS B. – JOHNSON A. – LEWIS J. – RAFF M. – ROBERTS K. – WALTER P.:
Biología molecular de la célula (4ª edición−2004)
A diferencia de las bacterias, que generalmente constan de un solo compartimiento rodeado por
una membrana plasmática, la célula eucariota está subdividida en compartimientos rodeados por
membrana, que son funcionalmente distintos. Cada compartimiento u orgánulo contiene su propia
dotación de enzimas, otras moléculas especializadas y un complejo sistema de distribución que
transporta específicamente los compuestos de un compartimiento a otro. Para entender la célula
eucariota es necesario conocer lo que sucede en cada uno de esos compartimientos, cómo se
desplazan las moléculas entre ellos y cómo se generan los compartimientos a sí mismos y se
conservan.
Las proteínas confieren a cada compartimiento sus propiedades estructurales y funcionales.
Catalizan las reacciones que tienen lugar en cada orgánulo y transportan selectivamente pequeñas
moléculas hacia dentro y hacia fuera del interior del orgánulo o lumen. También actúan como
marcadores específicos de superficie de los orgánulos que dirigen el destino de proteínas y de
lípidos al orgánulo apropiado.
Una célula animal contiene unos 10 mil millones (1010) moléculas de proteínas de unos 10.00020.000 tipos distintos. La síntesis de la mayoría de ellas empieza en el citosol, el espacio común
que engloba a los orgánulos. Una vez sintetizada, cada proteína es transportada específicamente
al compartimiento celular que la necesita. El conocimiento del tráfico de proteínas desde un
compartimiento a otro permite empezar a comprender el desconcertante laberinto de las
membranas intracelulares.
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Las proteínas pueden desplazarse entre compartimientos de diferentes maneras
Todas las proteínas empiezan a ser sintetizadas en el citosol, excepto las que son sintetizadas en
los ribosomas de las mitocondrias y de los plastidios. Su destino siguiente depende de su
secuencia de aminoácidos, que puede presentar señales de clasificación que dirigen su reparto
hacia posiciones fuera del citosol. Muchas proteínas no presentan señales de clasificación y, en
consecuencia, permanecen en el citosol como residentes permanentes. Sin embargo, muchas
otras tienen señales de clasificación específicas que las dirigen desde el citosol hacia el núcleo, el
RE, las mitocondrias, los plastidios o los peroxisomas; las señales de clasificación pueden dirigir el
transporte desde el RE hacia otros destinos celulares.
Para entender los principios generales por los que actúan las señales de clasificación, es
importante distinguir los tres sistemas fundamentales diferentes mediante los cuales las proteínas
se desplazan desde un compartimiento a otro (figura 12-6).
Figura 12−6 “Mapa de carreteras” simplificado del
tráfico proteico“
Las proteínas pueden transportarse de un
compartimiento a otro por medio de un transporte
regulado
(rojo),
por
medio
de
transporte
transmembrana (azul), o por medio de transporte
vesicular (verde). Las señales que dirigen el camino
de una proteína determinada, a través del sistema,
determinando su localización definitiva en la célula,
están contenidas en la secuencia de AA de la
proteína.
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1. En el transporte regulado, el tráfico de proteínas entre el citosol y el núcleo tiene lugar
entre espacios topológicamente equivalentes, los cuales están conectados a través del
los complejos de poro nuclear. El complejo de poro nuclear actúa como una puerta
selectiva que puede transportar activamente macromoléculas específicas y complejos
macromoleculares, aunque también permite la difusión libre de moléculas pequeñas.
2. En el transporte transmembrana, unos translocadores proteicos unidos a la membrana
dirigen el transporte específico de proteínas a través de la membrana desde el citosol
hacia un espacio que es topológicamente distinto. Generalmente, la molécula de
proteína transportada ha de desplegarse para poder deslizarse a través del translocador.
Por ejemplo de este modo tiene lugar el transporte inicial de determinada proteínas
desde el citosol hacia el lumen del RE o hacia el interior de las mitocondrias.
3. En el transporte vesicular, intermediarios de transporte rodeados de membrana – que
pueden ser vesículas de transporte pequeñas y esféricas o fragmentos de orgánulos
grandes e irregulares − conducen proteínas desde un compartimiento a otro. Las
vesículas de transporte y los fragmentos de orgánulo son cargados con moléculas que se
encuentran en el lumen del orgánulo, hasta que se separan de sus membranas y
entregan su carga en un segundo compartimiento al fusionarse con él. Así, la
transferencia de proteínas solubles desde el RE al complejo de Golgi tiene lugar por este
mecanismo. También, en el proceso se transfieren lípidos y proteínas de membrana
desde el primer compartimiento hacia el segundo (Fig. 12-7). Dado que las proteínas
transportadas no atraviesan la membrana, el transporte vesicular sólo puede transportar
proteínas entre compartimientos que son topológicamente equivalentes (v. Fig.12-5).
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4.
Figura 12− 5 Relaciones topológicas entre los
compartimientos de la célula
Los espacios topológicamente equivalentes se
presentan en rojo y en gris. Los ciclos de gemación y
fusión permiten, en principio, que cualquier lumen se
comunique con cualquier otro y con el exterior celular.
Las flechas azules indican la extensa red de tráfico de
salida y de entrada. Algunos orgánulos, especialmente
las mitocondrias y los plastidios, no participan en esta
comunicación sino que están aislados del tráfico entre
orgánulos que se muestra aquí
Figura 12−7 Gemación de vesículas y fusión durante el transporte vesicular
Las vesículas geman en un compartimiento (dador) y se fusionan con otro compartimiento (aceptor o
diana). En el proceso, determinados componentes solubles (puntos rojos) son transferidos de uno a otro
lumen. Nótese que la membrana también es transferida y que la orientación original tanto para las
proteínas como para los lípidos en el compartimiento original se mantiene en la membrana del
compartimiento aceptor. Así pues, las proteínas de membrana conservan su orientación asimétrica, con
los mismos dominios siempre orientados hacia el citosol.
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Los tres sistemas de transporte de proteínas están controlados mediante señales de
clasificación presentes en la proteína transportada, que son reconocidas por proteínas
receptoras complementaras. Así, una proteína grande que ha de ser importada hacia el
núcleo, ha de tener una señal de clasificación que sea reconocida por proteínas receptoras que
la guiarán a través del complejo de poro nuclear. Si una proteína ha de ser transferida
directamente a través de una membrana, ha de tener una señal de clasificación que sea
reconocida por el translocador de la membrana que tiene que atravesar. Si una proteína ha de
ser incorporada a cierto tipo de vesículas o retenida en ciertos orgánulos, sus señales de
clasificación han de ser reconocidas por un receptor complementario de la membrana
apropiada.
Las secuencias señal y las regiones señal determinan el destino celular correcto de las
proteínas
En las proteínas existen al menos dos tipos de señales de clasificación. Uno de ellos reside en
una región continua de la secuencia de aminoácidos, típicamente de 15-60 residuos de
longitud. Algunas de estas secuencias señal son eliminadas de la proteína por una peptidasa
señal especializada, una vez que se ha completado el proceso de clasificación. El otro tipo de
señal consiste en una disposición tridimensional característica de los átomos de la superficie de
la proteína que se forma cuando se pliega la proteína. Los restos de aminoácidos que
constituyen la región señal pueden estar bastante distantes el uno del otro en la secuencia
lineal de aminoácido y generalmente permanecen en la proteína madura (Fig. 12-8). Las
secuencias señal son utilizadas para dirigir las proteínas desde el citosol al RE, a las
mitocondrias, a los cloroplastos y a los peroxisomas, y también participan en el transporte de
proteínas del núcleo al citosol y desde el complejo de Golgi al RE. Las señales de clasificación
que dirigen a las proteínas desde el citosol pueden ser tanto cortas secuencias señal como
secuencias más largas que es probable que se plieguen formando regiones señal. Regiones
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señal son también responsables del direccionamiento de las enzimas degradativas recién
sintetizadas a los lisosomas.
Figura 12−8 Los dos sistemas mediante los cuales se puede codificar en una proteína una señal
de transporte
(A) La señal se halla en una secuencia sencilla y discreta de aminoácidos, llamada secuencia
señal, que está expuesta en la proteína plegada. A menudo las secuencias señal se presentan
en uno de los extremos de la cadena polipeptídica (como se muestra), pero también se pueden
localizar internamente.
(B) Se puede formar una región señal mediante la yuxtaposición de aminoácidos procedentes de
regiones que se hallaban físicamente separadas antes que la proteína se plegara (como se
muestra). Alternativamente, la señal puede estar formada por zonas separadas de la superficie
de la proteína plegada que se hallan separadas entre sí por distancias fijas.
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Cada secuencia señal especifica un destino particular en la célula. En general, las proteínas
que están destinadas a ser transferidas al RE tienen, en su extremo N-terminal, secuencias
señal que en su parte central presentan entre 5 y 10 restos de aminoácidos hidrofóbicos.
Muchas de estas proteínas pasarán después desde el RE al complejo de Golgi; no obstante,
las proteínas que presentan en su extremo C-terminal una secuencia determinada de cuatro
aminoácidos, son reconocidas como residentes en el RE y devueltas al mismo. Las proteínas
destinadas a las mitocondrias tienen secuencias señal de otro tipo, en las que se alternan
restos de aminoácidos cargados positivamente con restos de aminoácidos hidrofóbicos.
Finalmente, las proteínas destinadas a los peroxisomas tienen una secuencia de señal de tres
aminoácidos característicos en el extremo C-terminal.
En la Tabla 12-3 se muestran algunas secuencias señal específicas. Las importancia que
tienen estos péptidos señal en el destino de las proteínas ha sido demostrada mediante
experimentos en los que el péptido ha sido transferido desde una proteína otra mediante
técnicas de ingeniería genética. Por ejemplo, colocando la secuencia señal N-terminal
específica para el RE al principio de una proteína citosólica, se consigue que ahora esta
proteína se dirija al RE. Por tanto, las secuencias señal son tanto necesarias como suficientes
para el direccionamiento de proteínas. Aunque sus secuencias de aminoácidos difieran
notablemente, las secuencias señal de todas las proteínas que tienen el mismo destino son
funcionalmente intercambiables, siendo frecuentemente más importante en el proceso de
reconocimiento de la señal las propiedades físicas que la propia secuencia de aminoácidos.
Las regiones señal son mucho más difíciles de analizar que las secuencias señal. Por lo tanto,
se conoce mucho menos sobre su estructura. Debido a que frecuentemente resultan de un
patrón complejo de plegamiento proteico tridimensional, no pueden transferirse fácilmente de
una proteína a otra.
Ambos tipos de señales son reconocidas por receptores de clasificación que guían a las
proteínas hacia el destino correcto, donde los receptores se separan de su carga. Los
receptores actúan catalíticamente: después de completar un ciclo de transporte vuelven a su
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punto de origen y son reutilizados. Muchos receptores de direccionamiento reconocen clases
de proteínas más que a una única especie proteica. Por lo tanto podrían ser considerados
como sistemas públicos de transporte dedicados a la entrega de grupos de componentes en su
destino correcto de la célula.
Tabla 12−3 Algunas secuencias de señal típicas
función de la secuencia señal
ejemplo de secuencia señal
importación al núcleo
-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val
exportación desde el núcleo
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile+
importación a la mitocondria
H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-CysSer-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu+
importación a los plastidios
H3N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala-Ser-Leu-Gln-Ser-Ser-Met-Ser-Ser-Leu-Ser-Leu-SerSer-Asn-Ser-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-Ser-Pro-Ile-Thr-Leu-Ser-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-
importación a los peroxisomas
-Ser-Lys-Leu-COO
-
+
importación al RE
H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-AlaGlu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-
residencia en el RE
-Lys-Asp-Glu-Leu-COO
-
En color se destacan algunas de las características de los diferentes tipos de secuencia señal. Cuando se sabe que tienen importancia para la
función de la secuencia señal, los residuos de aminoácidos cargados positivamente se muestran en rojo y los cargados negativamente en
verde. De manera similar, los aminoácidos hidrofóbicos importantes se muestran en amarillo y los aminoácidos hidroxilados se muestran en
azul. +H3N indica extremo N-terminal de la proteína y COO- el C-terminal.
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