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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 poruna membrana plasmática, la célula eucariota está subdividida en compartimientos rodeados pormembrana, que son funcionalmente distintos. Cada compartimiento u
orgánulo
contiene su propia
dotación de enzimas, otras moléculas especializadas y un complejo sistema de distribución quetransporta 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 sedesplazan las moléculas entre ellos y cómo se generan los compartimientos a sí mismos y seconservan.Las
proteínas
confieren
a
cada
compartimiento
sus propiedades
estructurales
y funcionales.
Catalizan las reacciones que tienen lugar en cada orgánulo y transportan selectivamente pequeñasmoléculas 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 delípidos al orgánulo apropiado.Una célula animal contiene unos 10 mil millones (
10 ) moléculas de proteínas de unos 10.000-
20.000 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.
Las proteínas pueden desplazarse entre compartimientos de diferentes maneras Todas las proteínas empiezan a ser sintetizadas en el citosol, excepto las que son sintetizadas enlos 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, elRE, las mitocondrias, los plastidios o los peroxisomas; las señales de clasificación pueden dirigir eltransporte 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 proteínasse desplazan desde un compartimiento a otro (figura 12-6).
Figura 12
− “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.
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 secomunique 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 estacomunicación sino que están aislados del tráfico entreorgánulos que se muestra aquí
Figura 12
−7 Gemación de vesículas y fusión duran
te el transporte vesicular
Las vesículas geman en un compartimiento (dador) y se fusionan con otro compartimiento (aceptor odiana).
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.
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 quela 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 seareconocida 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 declasificación
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 lasproteínas En las proteínas existen al menos dos tipos de señales de clasificación. Uno de ellos reside enuna región
continua de
la secuencia de aminoácidos,
típicamente de 15-
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 dela 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 deproteínas del núcleo al citosol y desde el complejo de Golgi al RE. Las señales de clasificaciónque dirigen a las proteínas desde el citosol pueden ser tanto cortas secuencias señal comosecuencias más largas que es probable que se plieguen formando regiones señal.
Regiones
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, secuenciasseñal 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 cuatroaminoácidos, 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 alternanrestos
de
aminoácidos
cargados
positivamente
con
restos
de
aminoácidos
hidrofóbicos.
Finalmente, las proteínas destinadas a los peroxisomas tienen una secuencia de señal de tresaminoácidos 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 medianteexperimentos en los que el péptido ha sido transferido desde una proteína otra mediantetécnicas
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 estaproteína 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 sonfuncionalmente
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 deuna proteína a otra.Ambos tipos de señales son reconocidas por receptores de clasificación que guían a lasproteínas 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
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 consideradoscomo sistemas públicos de transporte dedicados a la entrega de grupos de componentes en sudestino 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
-Val
exportación desde el núcleo
-Leu-Ala-Leu-Lys-Leu-Ala-Gly-Leu-Asp-Ile-
importación a la mitocondria
+H 3 N-Met-Leu-Ser-Leu-
Arg
-Gln-Ser-Ile-
Arg
-Phe-Phe-
Lys
-Pro-Ala-Thr-
Arg
-Thr-Leu-Cys-
Ser-Ser-
Arg
-Tyr-Leu-Leu-
importación a los plastidios
+H
N-Met-Val-Ala-Met-Ala-Met-Ala- 3
Ser
-Leu-Gln-
Ser
-Met-
Ser
-Leu-
Ser
-Leu-
Ser
Ser
-Asn-
Ser
-Phe-Leu-Gly-Gln-Pro-Leu-
Ser
-Pro-Ile-
Thr
-Leu-
Ser
-Pro-Phe-Leu-Gln-Gly-
importación a los peroxisomas
-Leu-COO
importación al RE
+H
N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val-Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr- 3
Glu
-Ala-
Glu
-Gln-Leu-Thr-
Lys
-Cys-
Glu
-Val-Phe-Gln-
residencia en el RE
-Leu-COO
En color se destacan algunas de las características de los diferentes tipos de secuencia señal. Cuando se sabe que tienen importancia para lafunción 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
+. HN indica extremo N-terminal de la proteína y COO^3
-^ el C-terminal.
