Proteína de membrana periférica - Peripheral membrane protein

As proteínas da membrana periférica são proteínas da membrana que aderem apenas temporariamente à membrana biológica com a qual estão associadas. Essas proteínas se ligam às proteínas integrais da membrana ou penetram nas regiões periféricas da bicamada lipídica . As subunidades de proteínas regulatórias de muitos canais iônicos e receptores transmembrana , por exemplo, podem ser definidas como proteínas de membrana periférica. Em contraste com as proteínas integrais da membrana, as proteínas da membrana periférica tendem a se reunir no componente solúvel em água, ou fração, de todas as proteínas extraídas durante um procedimento de purificação de proteínas . As proteínas com âncoras GPI são uma exceção a esta regra e podem ter propriedades de purificação semelhantes às das proteínas integrais de membrana.

A ligação reversível de proteínas a membranas biológicas tem mostrado regular a sinalização celular e muitos outros eventos celulares importantes, por meio de uma variedade de mecanismos. Por exemplo, a estreita associação entre muitas enzimas e membranas biológicas pode colocá-los em estreita proximidade com seu (s) substrato (s) lipídico (s). A ligação à membrana também pode promover o rearranjo, dissociação ou mudanças conformacionais dentro de muitos domínios estruturais da proteína, resultando em uma ativação de sua atividade biológica . Além disso, o posicionamento de muitas proteínas está localizado nas superfícies internas ou externas ou nos folhetos de sua membrana residente. Isso facilita a montagem de complexos multiproteicos, aumentando a probabilidade de qualquer interação proteína-proteína apropriada .

Representação esquemática dos diferentes tipos de interação entre as proteínas monotópicas da membrana e a membrana celular : 1. interação por uma hélice α anfipática paralela ao plano da membrana (hélice de membrana no plano) 2. interação por um loop hidrofóbico 3. interação por um Lípido de membrana ligado covalentemente ( lipidação ) 4. interações eletrostáticas ou iônicas com lipídeos de membrana ( por exemplo, através de um íon de cálcio)

Ligação à bicamada lipídica

Domínio de PH da fosfolipase C delta 1. Plano médio da bicamada lipídica - pontos pretos. Limite da região central do hidrocarboneto - pontos azuis (lado intracelular). Camada de fosfatos lipídicos - pontos amarelos.

As proteínas da membrana periférica podem interagir com outras proteínas ou diretamente com a bicamada lipídica . No último caso, são conhecidas como proteínas anfitrópicas . Algumas proteínas, como as proteínas G e certas proteínas quinases , interagem com as proteínas transmembrana e a bicamada lipídica simultaneamente. Alguns hormônios polipeptídicos , peptídeos antimicrobianos e neurotoxinas se acumulam na superfície da membrana antes de localizar e interagir com seus alvos de receptor de superfície celular, que podem ser proteínas de membrana periféricas.

A bicamada de fosfolipídios que forma a membrana da superfície celular consiste em uma região central hidrofóbica interna ensanduichada entre duas regiões de hidrofilicidade , uma na superfície interna e outra na superfície externa da membrana celular (ver artigo da bicamada lipídica para uma descrição estrutural mais detalhada de membrana celular). As superfícies interna e externa, ou regiões interfaciais, de bicamadas fosfolipídicas modelo mostraram ter uma espessura de cerca de 8 a 10 Å , embora isso possa ser mais largo em membranas biológicas que incluem grandes quantidades de gangliósidos ou lipopolissacarídeos . A região central hidrofóbica de membranas biológicas típicas pode ter uma espessura de cerca de 27 a 32 Å, conforme estimado por espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (SAXS) . A região limite entre o núcleo interno hidrofóbico e as regiões interfaciais hidrofílicas é muito estreita, em torno de 3 Å, (consulte o artigo da bicamada lipídica para uma descrição de seus grupos químicos componentes). Movendo-se para o exterior para longe da região central hidrofóbica e para dentro da região interfacial hidrófilo, a concentração eficaz de água muda rapidamente através desta camada limite, a partir de cerca de zero a uma concentração de cerca de 2 M . Os grupos fosfato dentro das bicamadas de fosfolipídios são totalmente hidratados ou saturados com água e estão situados em torno de 5 Å fora do limite da região central hidrofóbica.

Algumas proteínas solúveis em água se associam com bicamadas lipídicas irreversivelmente e podem formar canais alfa-helicoidais ou beta-barril transmembrana . Essas transformações ocorrem em toxinas formadoras de poros , como colicina A, alfa-hemolisina e outras. Eles também podem ocorrer na proteína semelhante ao BcL-2 , em alguns peptídeos antimicrobianos anfifílicos e em certas anexinas . Essas proteínas são geralmente descritas como periféricas, pois um de seus estados conformacionais é solúvel em água ou apenas vagamente associado a uma membrana.

Mecanismos de ligação à membrana

Fosfolipase A2 do veneno de abelha (1poc). Plano médio da bicamada lipídica - pontos pretos. Limite da região central do hidrocarboneto - pontos vermelhos (lado extracelular). Camada de fosfatos lipídicos - pontos amarelos.

A associação de uma proteína com uma bicamada lipídica pode envolver mudanças significativas na estrutura terciária de uma proteína. Estes podem incluir o dobramento de regiões da estrutura da proteína que foram previamente desdobradas ou um rearranjo no dobramento ou redobramento da parte associada à membrana das proteínas. Também pode envolver a formação ou dissociação de estruturas quaternárias de proteínas ou complexos oligoméricos e ligação específica de íons , ligantes ou lipídios reguladores .

Proteínas anfitrópicas típicas devem interagir fortemente com a bicamada lipídica para desempenhar suas funções biológicas. Isso inclui o processamento enzimático de lipídios e outras substâncias hidrofóbicas, a ancoragem à membrana e a ligação e transferência de pequenos compostos apolares entre diferentes membranas celulares. Estas proteínas podem ser ancoradas à bicamada como resultado de interações hidrofóbicas entre a bicamada e os resíduos não polares expostos na superfície de uma proteína, por interações de ligação não covalentes específicas com lipídios reguladores ou por meio de sua fixação a âncoras lipídicas ligadas covalentemente .

Foi demonstrado que as afinidades de ligação à membrana de muitas proteínas periféricas dependem da composição lipídica específica da membrana à qual estão associadas.

Associação hidrofóbica não específica

Proteínas anfitrópicas se associam com bicamadas lipídicas por meio de várias estruturas de âncora hidrofóbicas . Tal como hélices α anfifílicas , alças não polares expostas, resíduos de aminoácidos pós-tradução acilados ou lipidados ou cadeias acil de lipídeos reguladores especificamente ligados, como fosfatos de fosfatidilinositol . As interações hidrofóbicas têm se mostrado importantes mesmo para peptídeos e proteínas altamente catiônicas, como o domínio polibásico da proteína MARCKS ou histactofilina, quando suas âncoras hidrofóbicas naturais estão presentes.

Âncoras lipídicas ligadas covalentemente

Proteínas ancoradas em lipídios são covalentemente ligadas a diferentes cadeias de acila de ácidos graxos no lado citoplasmático da membrana celular por meio de palmitoilação , miristoilação ou prenilação . Na face exoplasmática da membrana celular, proteínas ancoradas em lipídios são covalentemente ligadas aos lipídios glicosilfosfatidilinositol (GPI) e colesterol . A associação de proteínas com membranas por meio do uso de resíduos acilados é um processo reversível , pois a cadeia de acila pode ser enterrada em uma bolsa de ligação hidrofóbica de uma proteína após a dissociação da membrana. Este processo ocorre dentro das subunidades beta de proteínas-G . Talvez por causa dessa necessidade adicional de flexibilidade estrutural, as âncoras lipídicas são geralmente ligadas aos segmentos altamente flexíveis da estrutura terciária das proteínas que não são bem resolvidos por estudos cristalográficos de proteínas .

Ligação específica de proteína-lipídio

P40phox Domínio PX da NADPH oxidase Plano médio da bicamada lipídica - pontos pretos. Limite da região central do hidrocarboneto - pontos azuis (lado intracelular). Camada de fosfatos lipídicos - pontos amarelos.

Algumas proteínas citosólicas são recrutadas para diferentes membranas celulares através do reconhecimento de certos tipos de lipídios encontrados em uma determinada membrana. A ligação de uma proteína a um lipídio específico ocorre por meio de domínios estruturais de direcionamento à membrana específicos que ocorrem dentro da proteína e têm bolsas de ligação específicas para os grupos de cabeça de lipídio dos lipídios aos quais se ligam. Esta é uma interação bioquímica típica de proteína- ligante e é estabilizada pela formação de ligações de hidrogênio intermoleculares , interações de van der Waals e interações hidrofóbicas entre a proteína e o ligante lipídico . Esses complexos também são estabilizados pela formação de pontes iônicas entre os resíduos de aspartato ou glutamato da proteína e os fosfatos lipídicos por meio de íons de cálcio intervenientes (Ca 2+ ). Essas pontes iônicas podem ocorrer e são estáveis ​​quando os íons (como Ca 2+ ) já estão ligados a uma proteína em solução, antes da ligação aos lipídios. A formação de pontes iônicas é vista na interação proteína-lipídio entre os domínios do tipo proteína C2 e anexinas .

Interações eletrostáticas de proteína-lipídio

Qualquer proteína carregada positivamente será atraída para uma membrana carregada negativamente por interações eletrostáticas não específicas . No entanto, nem todos os peptídeos e proteínas periféricas são catiônicos, e apenas alguns lados da membrana são carregados negativamente. Estes incluem o lado citoplasmático das membranas plasmáticas , o folheto externo das membranas bacterianas externas e as membranas mitocondriais . Portanto, as interações eletrostáticas desempenham um papel importante no direcionamento de membrana de transportadores de elétrons , como citocromo c , toxinas catiônicas, como caribdotoxina , e domínios específicos de direcionamento de membrana, como alguns domínios PH , domínios C1 e domínios C2 .

As interações eletrostáticas são fortemente dependentes da força iônica da solução. Essas interações são relativamente fracas na força iônica fisiológica ( NaCl 0,14M ): ~ 3 a 4 kcal / mol para pequenas proteínas catiônicas, como citocromo c , caribdotoxina ou hisactofilina .

Posição espacial na membrana

Orientações e profundidades de penetração de muitas proteínas anfitrópicas e peptídeos em membranas são estudadas usando rotulagem direcionada ao local , rotulagem química, medição de afinidades de ligação de membrana de mutantes de proteínas , espectroscopia de fluorescência , solução ou espectroscopia de NMR de estado sólido , espectroscopia ATR FTIR , X- difração de raios ou nêutrons e métodos computacionais.

Dois modos distintos de associação de membrana de proteínas foram identificados. As proteínas solúveis em água típicas não têm resíduos não polares expostos ou quaisquer outras âncoras hidrofóbicas. Portanto, eles permanecem completamente em solução aquosa e não penetram na bicamada lipídica, o que seria energeticamente caro. Essas proteínas interagem com as bicamadas apenas eletrostaticamente, por exemplo, a ribonuclease e a polilisina interagem com as membranas neste modo. No entanto, proteínas anfitrópicas típicas têm várias âncoras hidrofóbicas que penetram na região interfacial e atingem o interior do hidrocarboneto da membrana. Essas proteínas "deformam" a bicamada lipídica, diminuindo a temperatura de transição líquido-gel lipídico. A ligação é geralmente uma reação fortemente exotérmica. A associação de hélices α anfifílicas com membranas ocorre de forma semelhante. Peptídeos intrinsecamente não estruturados ou desdobrados com resíduos não polares ou âncoras lipídicas também podem penetrar na região interfacial da membrana e atingir o núcleo de hidrocarboneto, especialmente quando tais peptídeos são catiônicos e interagem com membranas carregadas negativamente.

Categorias

Enzimas

As enzimas periféricas participam do metabolismo de diferentes componentes da membrana, como lipídios ( fosfolipases e colesterol oxidases ), oligossacarídeos da parede celular ( glicosiltransferase e transglicosidases ) ou proteínas ( sinal peptidase e palmitoil proteína tioesterases ). As lipases também podem digerir lipídios que formam micelas ou gotículas apolares na água.

Classe Função Fisiologia Estrutura
Dobra de alfa / beta hidrolase Catalisa a hidrólise de ligações químicas. Inclui lipases bacterianas , fúngicas , gástricas e pancreáticas , palmitoil proteínas tioesterases , cutinase e colinesterases
Fosfolipase A2 (secretora e citosólica) Hidrólise da ligação de ácido graxo sn-2 de fosfolipídios . Digestão lipídica, ruptura da membrana e sinalização lipídica .
Fosfolipase C Hidrolisa PIP2, um fosfatidilinositol , em dois segundos mensageiros, trifosfato de inositol e diacilglicerol . Sinalização lipídica
Oxidases de colesterol Oxida e isomeriza o colesterol em colest-4-en-3-ona. Esgota as membranas celulares do colesterol, usado na patogênese bacteriana .
Oxigenase carotenóide Cliva os carotenóides . Os carotenóides funcionam em plantas e animais como hormônios (inclui vitamina A em humanos), pigmentos , sabores , aromas florais e compostos de defesa.
Lipoxigenases Enzimas contendo ferro que catalisam a dioxigenação de ácidos graxos poliinsaturados . Em animais, as lipoxigenases estão envolvidas na síntese de mediadores inflamatórios conhecidos como leucotrienos .
Toxinas alfa Clivar fosfolipídios na membrana celular, semelhante à Fosfolipase C. Patogênese bacteriana, particularmente por Clostridium perfringens .
Esfingomielinase C Uma fosfodiesterase cliva ligações fosfodiester. Processamento de lipídios, como esfingomielina .
Glicosiltransferases : MurG e Transglicosidases Catalisa a transferência de frações de açúcar de moléculas doadoras ativadas para moléculas aceitadoras específicas, formando ligações glicosídicas . Biossíntese de dissacarídeos , oligossacarídeos e polissacarídeos (glicoconjugados), MurG está envolvido na biossíntese de peptidoglicanos bacterianos .
Ferrochelatase Converte a protoporfirina IX em heme . Envolvidas no metabolismo da porfirina , as protoporfirinas são usadas para fortalecer as cascas dos ovos .
Família de proteínas relacionadas à miotubularina Fosfatase lipídica que desfosforila PtdIns3P e PtdIns (3,5) P2 . Necessário para a diferenciação das células musculares .
Diidroorotato desidrogenases Oxidação de diidroorotato (DHO) para orotato. Biossíntese de nucleotídeos de pirimidina em células procarióticas e eucarióticas .
Glicolato oxidase Catalisa a oxidação de α- hidroxiácidos nos α- cetoácidos correspondentes . Em plantas verdes , a enzima participa da fotorrespiração . Em animais, a enzima participa da produção de oxalato .

Domínios de segmentação de membrana ("pinças de lipídios")

Domínio C1 de PKC-delta (1ptr) Plano médio da bicamada lipídica - pontos pretos. Limite da região central do hidrocarboneto - pontos azuis (lado citoplasmático). Camada de fosfatos lipídicos - pontos amarelos.

Os domínios de segmentação por membrana se associam especificamente a grupos principais de seus ligantes lipídicos incorporados na membrana. Esses ligantes lipídicos estão presentes em diferentes concentrações em tipos distintos de membranas biológicas (por exemplo, PtdIns3P pode ser encontrado principalmente em membranas de endossomos iniciais , PtdIns (3,5) P2 em endossomos tardios e PtdIns4P no Golgi ). Portanto, cada domínio é direcionado a uma membrana específica.

Domínios Estruturais

Os domínios estruturais medeiam a ligação de outras proteínas às membranas. Sua ligação às membranas pode ser mediada por íons de cálcio (Ca 2+ ) que formam pontes entre os resíduos proteicos ácidos e os grupos fosfato dos lipídios, como nas anexinas ou domínios GLA.

Classe Função Fisiologia Estrutura
Anexinas Ligação membrana intracelular dependente de cálcio / fosfolipídio . As funções incluem tráfego de vesículas , fusão de membrana e formação de canais iônicos .
Sinapsina I Recobre as vesículas sinápticas e se liga a vários elementos do citoesqueleto . Funções na regulação da liberação de neurotransmissores .
Sinucleína Função celular desconhecida. Acredita-se que desempenhe um papel na regulação da estabilidade e / ou renovação da membrana plasmática . Associado à doença de Parkinson e à doença de Alzheimer .
Domínios GLA do sistema de coagulação Os domínios gama-carboxiglutamato (GLA) são responsáveis ​​pela ligação de alta afinidade dos íons de cálcio. Envolvido na função de fatores de coagulação na cascata de coagulação do sangue.
Espectrina e α- actinina -2 Encontrado em várias proteínas do citoesqueleto e microfilamento . Manutenção da integridade da membrana plasmática e estrutura do citoesqueleto.

Transportadores de pequenas moléculas hidrofóbicas

Essas proteínas periféricas funcionam como transportadoras de compostos apolares entre diferentes tipos de membranas celulares ou entre membranas e complexos de proteínas citosólicas. As substâncias transportadas são fosfatidilinositol, tocoferol, gangliosídeos, glicolipídeos, derivados de esterol, retinol, ácidos graxos, água, macromoléculas, glóbulos vermelhos, fosfolipídeos e nucleotídeos.

Portadores de elétrons

Essas proteínas estão envolvidas nas cadeias de transporte de elétrons . Eles incluem citocromo c , cupredoxinas , proteína de ferro de alto potencial , adrenodoxina redutase, algumas flavoproteínas e outras.

Hormônios polipeptídicos, toxinas e peptídeos antimicrobianos

Muitos hormônios, toxinas , inibidores ou peptídeos antimicrobianos interagem especificamente com complexos de proteínas transmembrana . Eles também podem se acumular na superfície da bicamada lipídica, antes de se ligarem a seus alvos proteicos. Esses ligantes polipeptídicos são frequentemente carregados positivamente e interagem eletrostaticamente com as membranas aniônicas .

Algumas proteínas e peptídeos solúveis em água também podem formar canais transmembrana . Geralmente sofrem oligomerização , alterações conformacionais significativas e associam-se irreversivelmente às membranas. A estrutura 3D de um desses canais transmembranares, α-hemolisina , foi determinada. Em outros casos, a estrutura experimental representa uma conformação solúvel em água que interage com a bicamada lipídica perifericamente, embora alguns dos peptídeos formadores de canal sejam bastante hidrofóbicos e, portanto, tenham sido estudados por espectroscopia de NMR em solventes orgânicos ou na presença de micelas .

Classe Proteínas Fisiologia
Toxinas venenosas Tipos bem conhecidos de biotoxinas incluem neurotoxinas , citotoxinas , hemotoxinas e necrotoxins . As biotoxinas têm duas funções principais: predação ( toxinas de cobra , escorpião e caracol-cone ) e defesa ( toxinas das abelhas e formigas ).
Toxinas de anêmona do mar A inibição dos canais de sódio e potássio e a formação dos poros da membrana são as principais ações de mais de 40 toxinas peptídicas conhecidas da anêmona do mar. As anêmonas do mar são animais carnívoros e usam toxinas na predação e defesa; a toxina da anêmona tem toxicidade semelhante à dos mais tóxicos agentes organofosforados de guerra química .
Toxinas bacterianas As toxinas microbianas são os fatores de virulência primários para uma variedade de bactérias patogênicas . Algumas toxinas são toxinas formadoras de poros que lisam as membranas celulares. Outras toxinas inibem a síntese de proteínas ou ativam as vias do segundo mensageiro , causando alterações dramáticas nas vias de transdução de sinal , críticas na manutenção de uma variedade de funções celulares. Diversas toxinas bacterianas podem atuar diretamente no sistema imunológico , agindo como superantígenos e causando proliferação massiva de células T , que sobrecarrega o sistema imunológico. A toxina botulínica é uma neurotoxina que evita que as vesículas neuro-secretoras se encaixem / se fundam com a membrana plasmática da sinapse nervosa , inibindo a liberação de neurotransmissores .
Toxinas Fúngicas Esses peptídeos são caracterizados pela presença de um aminoácido incomum, o ácido α-aminoisobutírico , e exibem propriedades antibióticas e antifúngicas devido às suas atividades formadoras de canais de membrana.
Peptídeos antimicrobianos Os modos de ação pelos quais os peptídeos antimicrobianos matam as bactérias são variados e incluem o rompimento de membranas, a interferência no metabolismo e o direcionamento de componentes citoplasmáticos . Em contraste com muitos antibióticos convencionais, esses peptídeos parecem ser bactericidas em vez de bacteriostáticos .
Defensinas As defensinas são um tipo de peptídeo antimicrobiano; e são um componente importante de praticamente todas as defesas do hospedeiro inatas contra a invasão microbiana. As defensinas penetram nas membranas das células microbianas por meio de atração elétrica e formam um poro na membrana, permitindo o efluxo, que acaba levando à lise dos microrganismos.
Peptídeos neuronais Essas proteínas excitam os neurônios, evocam respostas comportamentais , são vasodilatadores potentes e são responsáveis ​​pela contração em muitos tipos de músculo liso .
Reguladores de apoptose Membros da família Bcl-2 governam a permeabilidade da membrana externa mitocondrial . O próprio Bcl-2 suprime a apoptose em vários tipos de células, incluindo linfócitos e células neuronais .

Veja também

Referências

Referências gerais

links externos