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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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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