Las proteínas de la membrana humana alcanzan el equilibrio evolutivo

Figura 1:El proceso de plegamiento de un transportador de glucosa utilizando pinzas magnéticas. Primero se aplica una gran fuerza para desenrollar completamente la proteína. A continuación, se reduce la fuerza aplicada, lo que permite observar el proceso de plegado. En la imagen, se puede ver una parte del transportador de glucosa plegándose para formar una estructura y entrar en la bicela (de color azul). Este proceso de plegamiento no suele ocurrir sin ayuda externa, por lo que este proceso se logra con la ayuda del entorno de la membrana circundante y los complejos proteicos como el EMC. Crédito:Universidad Nacional de Seúl

Las células están compartimentadas por membranas, y las proteínas presentes en estas membranas juegan un papel importante en el transporte de información celular. Para que se produzca la función adecuada de estas proteínas, se debe formar una estructura de proteína terciaria a través del proceso de plegamiento correcto. En un estudio publicado en Nature Chemical Biology , el proceso de plegamiento de un transportador de glucosa, una proteína de membrana compleja, se identificó por primera vez utilizando pinzas magnéticas de una sola molécula.

Utilizando el complejo proteico de membrana (EMC) del retículo endoplásmico (ER) y una molécula de lípido con una estructura específica, la vía de plegamiento de un transportador de glucosa se elucidó completamente en un entorno fisiológico. A través de la bioinformática, también se descubrió que la capacidad de formación de estructuras de la proteína de membrana y su capacidad para transportar glucosa tenían que haber alcanzado un equilibrio a lo largo de su historia evolutiva.

Aunque las estructuras de muchas proteínas de membrana, incluidos los transportadores de glucosa, ya se han revelado a través de avances recientes en biología estructural, como la criomicroscopía electrónica, la vía de plegamiento en la que se forman las estructuras de estas proteínas de membrana sigue siendo casi completamente desconocida. En 2019, el equipo de investigación informó en Science que las vías de plegamiento de las proteínas de membrana pueden revelarse usando pinzas magnéticas, marcando la primera vez en el mundo que se revela la vía de plegamiento de una proteína de membrana.

Figura 2:diagrama esquemático de pinzas magnéticas y la vía de plegado de un transportador de glucosa. La izquierda muestra la aplicación de fuerza al transportador de glucosa utilizando pinzas magnéticas. Se suministraron bicelas compuestas por varias moléculas de lípidos para proporcionar el entorno necesario para que funcionen las proteínas de membrana. Además, se agregaron EMC para ayudar a formar la estructura de proteína terciaria correcta. Cuando la perla magnética se tira hacia el imán permanente, se aplica tensión a la cadena de ADN conectada a la proteína y se aplica una fuerza constante a la proteína misma. A través de este experimento, se reveló la vía de plegamiento del transportador de glucosa como se muestra en el lado derecho de la figura. En el estado completamente desplegado de las proteínas helicoidales individuales, el dominio N cercano al extremo N terminal se pliega primero para obtener la capacidad de formación de estructuras de la proteína. Luego, con la ayuda de la EMC y una molécula lipídica de forma única, el dominio C se pliega y finalmente los dos dominios se combinan para formar una estructura de proteína terciaria funcional. Crédito:Universidad Nacional de Seúl

Se pueden usar pinzas magnéticas para aplicar fuerza a una sola proteína, desplegando así completamente la estructura de una proteína. Además, si luego se reduce la fuerza aplicada, es posible observar el proceso de replegamiento de la proteína liberada a su forma plegada original (Figura 1,2).

Las proteínas transportadoras de glucosa, como su nombre indica, son un grupo de proteínas que poseen una vía a través de la cual puede pasar la glucosa. Las vías de transporte de glucosa son funcionalmente esenciales, pero estas vías también actúan como obstáculos en la formación de las estructuras terciarias de las proteínas de membrana. Las células tienen varios ayudantes para resolver estas dificultades. En este estudio, se descubrió que la EMC, un tipo de proteína chaperona, así como las moléculas de lípidos de estructura única, trabajan en conjunto para ayudar al transportador de glucosa en la formación de su estructura.

Figura 3:Análisis filogenético de varios transportadores de azúcar. Se utilizó la bioinformática para analizar la secuencia de GLUT3, así como otras proteínas transportadoras de azúcar relacionadas evolutivamente. Se analizaron un total de 143 proteínas y se presentaron como un árbol filogenético como se muestra en la figura de la izquierda. La secuencia de la proteína transportadora de azúcar de los metazoos, incluido el Homo sapiens, se analizó de cerca como se muestra a la derecha. Al combinar estos datos con la información observada sobre la vía de plegamiento obtenida a través de pinzas magnéticas, se reveló que la capacidad de formación de estructuras de las proteínas de membrana y su capacidad para transportar azúcares de manera efectiva se desarrollaron a través de un equilibrio evolutivo. Crédito:Universidad Nacional de Seúl

Específicamente, se confirmó que el dominio correspondiente a la mitad de las proteínas transportadoras de glucosa ubicadas en el extremo N-terminal contenía formaciones estructurales más estables en comparación con las proteínas del dominio C-terminal subsiguiente (Figura 2). Usando bioinformática, se encontró que esta característica de las proteínas transportadoras de glucosa se conserva en todas las proteínas transportadoras de azúcar de metazoos (Figura 3). A través de estas observaciones, se puede concluir que la célula tuvo que lograr un equilibrio en su estructura sacrificando parte de su capacidad de formación de estructuras para obtener proteínas de membrana funcionalmente superiores mediante el desarrollo de chaperonas altamente funcionales o moléculas lipídicas de estructura única. + Explora más