Cuando nos referimos a biomembranas, nos referimos a todas las membranas que pueden estar dentro de la célula, no solo a la membrana plasmática. Obviamente cada una de las membranas va a tener una identidad característica dada por las proteínas.
A las proteínas se las suele denominar
proteínas asociadas a las membranas biológicas. Son proteínas que interactúan con la bicapa lipídica, son proteínas de membrana. Dentro de las proteínas asociadas a las membranas biológicas tenemos tres tipos:
• Proteínas ancladas por lípidos.
• Proteínas periféricas.
• Proteínas integrales de membrana (transmembrana)
Proteínas integrales de membrana (transmembrana)
Se las denomina también transmembrana porque atraviesan la membrana.
La
glucoforina A es una proteína integral que se encuentra asociada a la membrana plasmática del glóbulo rojo. Hasta el momento se desconoce su función. Esta proteína se encuentra asociada a otra proteína transmembrana del glóbulo rojo que se denomina
banda 3. Se cree que la glucoforina A podría tener participación en la función de la proteína banda 3.
Básicamente esta glucoforina A se encuentra formando un dímero.
En general, los dominios extracelulares de las proteínas de membrana plasmática son glucoproteínas. Entonces el dominio extracelular de la glucoforina A tiene glucosilaciones.
El dominio citosólico NO está glucosilado. Nada que esté hacia el citosol se encontrará glucosilado.
Sólo hay dominios glucosilados que se encuentran en la luz extracelular y en el interior del RE y del aparato de Golgi.En el RE se glucosilan las proteínas y en el aparato de Golgi se modifican los restos glucosídicos.
Entonces solamente podemos tener dominios glucosilados en la hemicapa externa de la membrana plasmática y en la hemicapa luminal del aparato de Golgi y del RE.
El dominio transmembrana es el dominio que permite que la proteína se ancle a la membrana a través de interacciones muy fuertes, que son interacciones hidrofóbicas entre las colas de los lípidos y entre los restos de los aminoácidos que forman, en este caso, α-hélices (restos del tipo hidrófobos). Entonces se van a establecer interacciones hidrofóbicas entre las colas de los fosfolípidos (entre los ácidos grasos de los fosfolípidos) y los restos hidrófobos que tienen estas α-hélices que atraviesan la membrana.
En el caso de una
membrana plasmática, una proteína integral consta de tres dominios: extracelular, transmembrana y citosólico. En el caso de una
organela, consta también de tres dominios: citosólico, transmembrana e intraluminal.
Esta proteína, la glucoforina A, es una proteína integral
unipaso, porque cada una de las cadenas de la glucoforina A pasa una sola vez por la membrana. Pero hay proteínas que tienen varios pasos transmembrana y a estas se las denomina
proteínas integrales transmembrana multipaso: una proteína transmembrana multipaso es
una cadena que pasa muchas veces a través de una bicapa.
Este es el ejemplo de la
bacteriorrodopsina, una proteína que se encuentra en las bacterias y contiene como grupo prostético, en el interior de esta proteína multipaso, un
resto retinal, que viene del ácido retinoico. Este retinal es capaz de ser excitado cuando recibe luz.
Esta proteína c
onsta de siete α-hélices transmembranas y todos los aminoácidos en contacto con los lípidos de la bicapa son hidrófobos.
Cuando recibe luz y es excitado este resto retinal, hay un reacomodamiento en el retinal, que induce un cambio conformacional en la proteína y abre un canal que permite que pasen H
+ desde el interior hacia el exterior celular.
Este flujo de H
+ desde el interior hacia el exterior está acoplado a una bomba que sintetiza ATP.
Receptores acoplados a proteínas G.
Las proteínas G son proteínas unidoras de GTP o GDP.
Estos receptores se activan con un ligando y esa activación genera un cambio conformacional que luego activa a la proteína G. Estos receptores (se los denomina coloquialmente GPCR) tienen 7 α-hélices que atraviesan la membrana plasmática. En el espacio extracelular tienen el sitio para interactuar con un ligando y en el espacio intracelular tienen el sitio donde interactúan con la proteína G para activarla y así activar la vía de señalización.
Proteína transmembrana multipaso: canal de potasio.
Es un canal de K
+. Es una proteína con estructura cuaternaria, tiene cuatro subunidades.
Se encuentra formada por cuatro subunidades y entre las cuatro forman el canal, lo que atraviesa la membrana son α-hélices. Tiene un dominio extracelular, citosólico y transmembrana. El dominio extracelular y el citosólico están formados por las proyecciones de cada una de las cuatro subunidades.
Visto desde arriba se observan cómo las cuatro subunidades forman un poro en el medio, un canal hidrofílico por donde va a pasar selectivamente el K
+ y ningún otro ion.
Proteínas transmembrana de cadenas β.
Las proteínas transmembranas mayoritariamente se encuentran formadas por α-hélices, pero hay proteínas transmembranas que estan formadas por hojas β.
Por ejemplo, las
porinas:
Son hojas β que atraviesan la bicapa y tienen residuos aromáticos y alifáticos que permiten que estas hojas β interactúen con los lípidos de la bicapa. Esta estructura es una subunidad de una proteína que se denomina
porina, que genera en el interior un poro hidrofílico por donde pasan iones y moléculas pequeñas; este tipo de proteínas las encontramos en bacterias y también en la membrana externa de las mitocondrias.
La membrana externa de la mitocondria es una membrana muy porosa que permite el pasaje de muchas moléculas, mientras que la membrana interna es prácticamente impermeable. Esto que vemos en la figura es un monómero pero las proteínas están formadas por tres subunidades. Cada uno de estos monómeros genera un poro hidrofílico que permite el paso de moléculas pequeñas.
Proteínas ancladas por lípidos.
Hay tres tipos de ancla:
Las proteínas sufrir modificaciones en sus restos. Una de las modificaciones es la
lipidación. En general las proteínas se lipidan para anclarse a una membrana, porque es la única forma que tienen de estar en la membrana de una manera estable, porque si solo están interactuando por cargas, cualquier cambio en la concentración de un ion o cualquier cambio de pH, las saca de la membrana, en cambio si está anclada por por un lípido no. Para poder sacarla de la membrana hay que disgregar la membrana.
Entonces, tenemos proteínas anclas por
acilos: van a estar unidas por algún resto aminoacídico o un ácido graso. Hay proteínas ancladas por
prenilos, los prenilos son estructuras terpénicas (farnesilos cis y genarigeranilos cis). O también pueden estar ancladas por lo que se denomina
GPI (glucosilfofatidilinositol).
Es importante destacar que las anclas acilo y prenilo se encuentran siempre en las hemicapas citosólicas de la membrana plasmática o de cualquier otro compartimiento. Si se encuentra en la membrana del aparato de Golgi o en una vesícula, esa proteína anclada por lípido va a dar hacia el citosol, no hacia la luz de la organela. Las anclas GPI se encuentran hacia la capa extracelular.Los acilos que permiten el anclaje de las proteínas son los que provienen del ácido mirístico o del ácido palmítico, o sea, un miristato o un palmitato. En general, estos ácidos grasos se unen a la glicina que se encuentra en el extremo NH
2-terminal de la proteína.
Ejemplo: una de las proteínas que se encuentra anclada a la membrana es la proteína vSrc, es una tirosina cinasa cuya mutación genera cáncer. Esta proteína se encuentra anclada a la membrana.
Las proteínas Rab son un ejemplo de proteínas ancladas por prenilos. Las proteínas Rab son proteínas G monoméricas (las proteínas G pueden ser monoméricas o triméricas, las triméricas son las que participan del acoplamiento de receptores de membrana y señalizan; las proteínas monoméricas, como la Rab, son proteínas que participan activamente en el tránsito vesicular.
La proteína Ras está anclada a la membrana por un palmitato. La proteínas Ras también es una proteína G monomérica, es una proteína que activa la vía de la MAP cinasa (MAPK), que es una vía proliferadora por excelencia (si la vía es proliferadora, si hay alguna mutación se produce cáncer).
Las proteínas ancladas por GPI se anclan a un fosfolípido, al PI, que ha hecho flip-flop hacia el otro lado de la membrana, y tiene unido un resto glucosídico. Es este resto glucosídico el que tiene unido la proteína. Estas proteínas ancladas por GPI son muy importantes en la señalización y suelen encontrarse en los rafts lipídicos.
Las proteínas glucosiladas pueden actuar como antígenos. Un alto grado de glucosilación en las proteínas que se encuentran del lado externo de la membrana plasmática sirve de protección.
En las células del intestino y las células renales encontramos el
glucocáliz, y esto es muy importante. El glucocáliz consiste en glucoproteínas que se proyectan desde la membrana plasmática apical de las células epiteliales absortivas. Las células del intestino y del estómago están expuestas constantemente a estímulos que vienen de los alimentos, que pueden ser abrasivos, y el alimento debe ser degradado a moléculas, entonces a parte sirven como protección.
La membrana del lisosoma tiene muchas proteínas glucosiladas para proteger al lisosoma de ser degradado por las enzimas que posee en su interior.
En el caso de los glóbulos rojos, los glúcidos unidos a lípidos o proteínas sirven como antígenos para reconocer los tipos sanguíneos.
Algunas personas expresan el gen que codifica para la N-acetilgalactosaminotransferasa, otros individuos expresan el gen que codifica para la galactosatransferasa y otros individuos no expresan ninguno de los dos genes. Como consecuencia de esto, algunas personas son grupo sanguíneo A, B o cero.
Los individuos que tienen grupo A pueden recibir sangre del grupo A y cero. Si reciben un antígeno diferente (B), el organismo no lo reconoce como propio y así el organismo activa mecanismos de defensa y genera así anticuerpos anti-B, y esto puede generar una hemólisis. Esto es lo que ocurre con algunas mujeres embarazadas cuando el feto posee otro grupo sanguíneo y hay que prevenir, para que no se produzca la hemólisis (destrucción de glóbulos rojos).
Proteínas periféricas.
Acá vemos un esquema de la membrana. Vemos la bicapa fosfolipídica en la cual, además, se encuentran insertos otros lípidos: el colesterol y los glucolípidos. Esta membrana es una membrana plasmática, por ende hacia el espacio extracelular tenemos los dominios glucídicos, y además encontramos mayoritariamene PC y SM. Hacia el espacio citoplasmático encontramos mayoritariamente PS, PE y PI y podemos encontrar también alguna PC y SM. También podemos observar proteínas transmembranas y periféricas.
Las proteínas periféricas interactúan con los lípidos de la membrana a través de interacciones electrostáticas. Estas proteínas periféricas, en general, interactúan con los lípidos, con sus cabezas cargadas con algún tipo de carga; y con las proteínas, por ejemplo las proteínas transmembrana, van a interactuar con restos aminoacídicos hidrofílicos (estos restos poseen cargas).
En el espacio extracelular podemos tener proteínas que son de la
matriz extracelular (MEC) que interactúan con los restos glucídicos, con los restos proteicos o con los restos con cargas del PI.
Las proteínas periféricas intracelulares median la unión del citoesqueleto a la membrana (el citoesqueleto NO es periférico.) Los filamentos de actina NO son proteínas periféricas.
Hay muchos motivos de unión a lípidos. En general, las proteínas se unen a través de motivos: en el dominio de unión van a tener un motivo (arreglo particular de estructura secundaria que cumple una función). Hay motivos que se encuentran dentro del dominio de unión que son capaces de interactuar con los lípidos. Por ejemplo, el motivo PH (pleckstrina), el cual permite que una proteína pueda interactuar con un PI en la membrana.
Otro ejemplo de proteínas periféricas con las fosfolipasas.
Fosfolipasa A2 (PLA2).
La fosfolipasa A cliva ácidos grasos de los fosfolípidos. La PLA
2 cliva el ácido graso que está en posición 2 en el glicerol (la PLA
1 cliva el ácido graso que está en posición 1).
En general, las fosfolipasas son proteínas pequeñas citosólicas y cuando reciben el estímulo, estas fosfolipasas se acercan a la membrana y a través de aminoácidos cargados positivamente (Arg
+ y Lys
+) interactúan con restos de PE que se encuentran, en este caso, en la cara citosólica de la membrana, para poder entrar en contacto con el sustrato, que en este caso, el sustrato es un fosfolípido.
La PLA
2 se acerca a la membrana e interactúa con los fosfolípidos (es importante que los fosfolípidos estén en la posición adecuada para que puedan interactuar). Entonces, una vez que se posiciona en la membrana ocurre un cambio conformacional de la PLA
2, lo que permite una “succión” del fosfolípido: lo coloca en un bolsillo hidrofóbico que tiene la PLA
2, y lo que hace a continuación es clivar el ácido graso que está en la posición 2, esto va a permitir una señalización intracelular.
En esta imagen vemos la membrana plasmática de un glóbulo rojo. Se puede ver la glucoforina y la banda 3 con su dominio extracelular (arriba) y citosólico (abajo). La
anquirina es una proteína periférica, y la otra proteína periférica es la que se puede unir a la glucoforina. Podemos ver que los filamentos de actina no se unen directamente a las proteínas de membrana sino que interactúan con otro tipo de proteínas que sí se unen a la membrana, entonces estas proteínas a las que se unen los filamentos de actina no son proteínas periféricas, pero sí contribuyen a formar los que se denomina
citoesqueleto de membrana. También podemos ver en la figura una proteína que va por debajo, que es muy importante para el glóbulo rojo, que es la
espectrina, lo que da a la membrana cierta resistencia, sobre todo cuando la membrana se tiene que deformar para atravesar diferentes vasos.
Estas proteínas que se encuentran unidas a filamentos de espectrina son proteínas que no pueden moverse. Tienen una movilidad reducida, por lo tanto, si hacemos un FRAP se observa poco o nada de movimiento. Las proteínas que interactúan directamente o a través de otras proteínas, con elementos del citoesqueleto se están posicionando en un lugar de la membrana, evitando así que la proteína migre.
