Tráfico de Biomoléculas en células: transporte nuclear y retículo endoplasmático

TEMA 4: TRAFICO DE BIOMOLÉCULAS

1. Las células contienen compartimentos: Las proteínas se localizan de una forma muy precisa en la célula. La célula tiene compartimentos definidos muchas veces por membranas. Cuando hay membranas es fácil definir los compartimentos. En los compartimentos suceden procesos bioquímicos vitales, como la catalización de lípidos y la generación de ATP. Las proteínas tienen un destino específico. La forma en la que llega la proteína al destino es diferente:

• Lisosomas: con enzimas digestivas que degradan orgánulos defectuosos y macromoléculas y partículas ingeridas des del exterior mediante endocitosis. El material, antes de entrar debe de pasar por los endosomas y los peroxisomas.
• Núcleo: totalmente plegada en su último estado de desarrollo, incluso formando complejos. Las puertas de entrada son muy grandes. Transporte bidireccional: entra y sale cuando se acaba su actividad. Más flexible.
• Mitocondrias, RE, peroxisoma: la proteína entra desplegándose ya que atraviesa espacios pequeños. Cuando entra una proteína no vuelve a salir, se degrada mediante proteasas pero sobretodo por autofagia.
• Proteínas del RE: entran al mismo tiempo que la traducción. Este órganulo sintetiza proteínas solubles y de membrana, muchas de las cuales se destinan fuera o a otra parte de la célula.
• Cloropastos y mitocondrias: se pliegan parcialmente después de ser traducidas.

Mapa del destino de las proteínas

Las proteínas pueden cambiar de lugar mediante tres formas y cada proteína tiene instrucciones en su estructura que le indican su destino (secuencias de señalización). 2. Transporte del núcleo al citosol:

Complejo del poro nuclear (NPC)

(b) Cytoplasmic filament Central plug Cytoplasmic ring Spoke Outer nuclear membrane Lumen Nuclear envelope Inner nuclear membrane Nuclear ring Nuclear basket Basket filament Terminal ring Complejo proteico muy grande con forma simétrica muy organizada. Sus proteínas se organizan para permitir la entrada y salida de sustancias del núcleo. Su parte central está formada por proteínas desordenadas que bloquean el paso de sustancias libres, actúa como un filtro.Partes del poro nuclear:

• Anillos nucleares de transmembrana: atraviesan la membrana nuclear y ayudan a mantener su integridad. Externos, anclan el poro a la membrana nuclear.
• Nucleoporinas de andamio: forman estructuras anulares en capas que rodean el poro. Soporta la presión y algunas de sus proteínas son las responsables de doblar la membrana nuclear para estabilizar la curvatura de la membrana donde se encuentra el poro.
• Nucleoporinas de canal: revisten el poro central y forman un canal que permite el paso de moléculas entre núcleo y citoplasma. Cruciales para regular el tráfico de sustancias a través del poro.
• Proteínas desordenadas (sin estructura concreta): parecidas a cortinas de tiras, llenan el poro central e impiden que las moléculas grandes entren por difusión pasiva. Generan capa sobre capa y tienen repeticiones de fenilalanina-glicina.
• Fibras: se extienden desde el poro en ambas direcciones, hacia el núcleo y citoplasma. En el lado del núcleo se unen a un extremo distal para formar una estructura en forma de cesta.

Entre el anillo y las de canal hay un espacio por el que atraviesan muchos cationes. Importante para la entrada de moléculas pequeñas. En una célula hay 3000-4000 poros y en las neuronas hay 20000. Cuantos más poros nucleares, más flexible es la célula a responder a estímulos externos (las neuronas necesitan estar en continuo contacto con el entorno, por lo que la regulación transcripcional debe estar muy activa) Cada complejo del poro nuclear puede transportar hasta 1000 moléculas por segundo y en ambos sentidos al mismo tiempo. Las proteínas que salen son las que ya han ejercido su función (factores de transcripción) y las que se tienen que degradar. Entran histonas.

Transporte al núcleo

Micrografías: gracias a partículas de oro recubiertas con péptidos con una secuencia de señalización nuclear se pudo observar el tránsito de las moléculas hacia el núcleo: primero en la proximidad de las fibras citosólicas del poro, luego en el centro del poro y por último en la cara nuclear. Estas moléculas se transportan mediante transporte activo. Señales de localización nuclear: señales pequeñas y suelen ser una o dos secuencias cortas ricas en aminoácidos de carga positiva (lisinas y argininas). Pueden estar en la zona N- terminal o en otras zonas. Se cree que forman bucles en la superfície de la proteína. Experimento: se unió un péptido con la señalización con una proteína GFP (emite luz). Las proteínas se encontraban en el núcleo. Si mutamos el péptido y eliminamos la señal, identificaremos la proteína en el citosol.

GTPasa RAN

El sistema funciona gracias a RAN (interruptor molecular), que puede vivir unida a GTP (núcleo) o a GDP (citoplasma) y según a qué esté unida presentará una conformación u otra. Hay unos complejos que cambian la proteína de una conformación a la otra.Proteínas reguladoras específicas de RAN Ran-GDP P GDP Ran-GAP CYTOSOL NUCLEUS Ran-GEF GDP GTP - chromatin GTP Ran-GTP

• GAP: proteína citosólica activadora de GTPasa, que desencadena la hidrólisis de GTP y convierte Ran- GTP en Ran-GDP.
• GEF: proteína reguladora localizada en el núcleo que promueve el intercambio de GDP por GTP, convirtiendo Ran-GDP en Ran-GTP.

¿Cómo ocurre este transporte?

Importación nuclear

nuclear import receptor S Ran-G protein- with nuclear localization signal Ran-GDP P G CYTOSOL NUCLEUS S Ran-GTP 1 cargo delivered to nucleus Ran-GTF receptor. 1. El receptor de importación se encuentra en el citosol. Receptor de importe nuclear: proteína que reconoce de forma específica la secuencia señal de la proteína que se tiene que transportar. 2. El receptor se une a la proteína. Como este receptor puede pasar por el poro nuclear, transporta la proteína dentro del núcleo. 3. Cuando entra en el núcleo, el receptor interacciona con Ran-GTP, que cambia la conformación del receptor haciendo que se suelte la proteína. 4. El receptor con Ran-GTP sale del poro. 5. Ran se desfosforila a Ran-GDP y se disocia del

Exportación nuclear

nuclear export receptor DP DISSOCIATION S cargo delivered to cytosol Ran-GDP S P protein with nuclear export signal ~ P BINDING Ran-GTP 1. El receptor se encuentra en el núcleo. 2. El receptor de exportación se une al RAN- GTP, que promueve la unión del receptor con la proteína. 3. El receptor sale del núcleo al citoplasma, donde Ran-GAP promueve la hidrólisis de GTP a GDP. 4. Ran GDP se disocia del receptor, liberando a su vez la proteína que tenía unida el receptor. 5. El receptor libre vuelve a entrar en el núcleo para volver a empezar el ciclo de exportación.3. Transporte en la mitocondria La proteína se puede localizar en las dos membranas, espacio intermembrana o en la matriz:

• Matriz: metabolitos y grupos hemo
• Membrana interna: transporte de electrones
• Espacio intermembrana: citocromo c (se libera al citoplasma en la apoptosis)
• Membrana externa: proteínas para el transporte del resto de proteínas

Translocación a las mitocondrias

Las proteínas mitocondriales se sintetizan por primera vez como proteínas precursoras mitocondriales en el citosol y luego se translocan en un mecanismo post-traduccional mediante una o más secuencias señal. En la zona N-terminal debe haber una señal mitocondrial. La secuencia señal se pliega y forma una alfa hélice que es reconocida por la mitocondria. Los aminoácidos con cargas positivas se agrupan en una cara de la hélice, y los no polares se agrupan en la cara opuesta. Las proteínas se deben desplegar para entrar. TOM complex INSERTION INTO MEMBRANE BY TOM COMPLEX precursor protein outer mitochondrial membrane inner mitochondrial membrane CYTOSOL signal sequence M BINDING TO IMPORT RECEPTORS TIM23 complex CLEAVAGE BY SIGNAL PEPTIDASE MATRIX SPACE & 2 receptor protein in TOM complex TRANSLOCATION INTO MATRIX BY TIM23 COMPLEX mature mitochondrial protein cleaved signal peptide 1. Los receptores del complejo proteico TOM reconocen la secuencia señal en el extremo N-terminal. 2. TOM se mueve hasta interaccionar físicamente con TIM23. 3. La proteína entra en la matriz por su extremo N-terminal gracias a TIM. 4. La proteína se pliega y las peptidasas arrancarán la secuencia señal una vez se ha producido la importación. 5. Las secuencias señales libres se degradarán rápidamente. Las proteínas de la membrana externa e interna y del espacio intermembranoso tienen secuencias señal internas que no se eliminan.

Funcionamiento incorrecto

• Síndrome de Legh: causado por mutaciones en genes relacionados con la maquinaria de translocación de las proteínas mitocondriales.
• Encefalopatía mitocondrial
• Ataxia espinocerebelosa: mutación en el gen MRPS6 involucrado en la importación de proteínas a la mitocondria.
• Síndrome de Pearson
• Parkinson: parkintina

4. Transporte al RE:

Orgánulo con un papel central en la síntesis de lípidos (produce la mayoría de lípidos de las membranas mitocondriales y peroximales) y proteínas, también es un organulo de reserva de calcio intracelular usado en respuestas de señalización celular. La membrana del RE produce muchas de las proteínas que atraviesan las membranas de la mayoría de orgánulos celulares. Las proteínas que este orgánulo forma se deben entregar primero al lumen del RE. Experimento de descubrimiento de las secuencias señal en RE: se vió que la presencia de microsomas derivados del RE producía una proteína de tamaño correcto. La diferencia de tamaño con o sin (proteína más grande) reflejaba la presencia inicial de una secuencia que dirigía la proteína al RE y luego era cortada por peptidasas.

Proceso de translocación

free ribosomal subunits 3 CYTOSOL mRNA cleaved signal peptide closed translocator -signal peptidase signal sequence on growing polypeptide chain COOH NH NH, CLEAVAGE OF SIGNAL PEPTIDE ER LUMEN mature polypeptide chain 1. Cuando la secuencia señal de la proteína que se asoma por la zona N-terminal, la proteína del ribosoma es inmediatamente llevada a un translocador del RE donde se produce la translocación de la cadena polipeptídica. 2. Una peptidasa de señal está asociada con el translocador y corta la secuencia señal durante la traducción. La señal se queda embebida en la membrana. 3. La proteína madura se libera al lumen del RE.