Transporte de proteínas

Sistemas
de
secreción
Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (November 2007)
Transporte de moléculas al
exterior del citoplasma
Translocación. Transporte de proteínas intra o a través de la
membrana.
Exportación. Cuando la proteína es translocada al periplasma.
Secreción. Cuando la proteína es transportada al medio
extracelular, dentro de otra célula o a la superficie celular.
Excreción. Transporte extracelular de moléculas que nos son de
origen proteico (por ejemplo productos de la fermentación).
Transporte de
proteínas
Ocurre en las células de los tres
dominios de la vida.
La tercera parte de las proteínas de
las células es secretada a través o
insertada en las membranas.
Bacterias Gram positivas solo en la
membrana citoplasmática.
Bacterias Gram negativos también
ocurre en la membrana externa.
Bacterias fotótrofas además en las
membranas fotosínteticas.
Mechanisms of regulated
unconventional protein secretion
Walter Nickel & Catherine Rabouille
Nature Reviews Molecular Cell Biology
10, 148-155 (February 2009)
Células eucariotas en las
membranas de los organelos.
Bacterias patógenas en la
membrana citoplasmática de las
células hospederas y las toxinas en
su sitio blanco.
Secreción de proteínas
Enzimas hidrolíticas.
Lipoproteínas periplásmicas.
Toxinas.
Apéndices de superficie.
Proteínas integrales de membrana:
~Transporte.
~Producción de energía.
~División celular.
~Receptores de señales extracelulares.
~Biogénesis.
Nature Reviews Microbiology 5, 883-891 (November 2007)
Sistemas generales de secreción
 Sistema Sec (General Secretory Pathway “GSP”). Sistema de
translocación y exportación de proteínas no plegadas.
 Sistema Tat (Twin arginine translocation). Sistema de
translocación y exportación de proteínas plegadas.
 Translocasa YidC. Sistema de translocación de proteínas de
Membrana Interna.
Nature 406, 575-577 (10 August 2000)
Sistema Sec
General Secretory Pathway (GSP). Sistema de translocación y
exportación de proteínas no plegadas.
 Componentes:
1.
2.
3.
4.
Péptido líder
Proteína chaperona (SecB)
Complejo de proteínas de unión (SecYEG)
ATPasa citoplasmática (SecA)
Sistema Sec
SecYEG + Sec A= translocasa. Es la responsable del movimiento de
la proteína a través de la membrana citoplasmática.
El complejo SecYE forma un canal conocido como translocón o
canal conductor de proteínas (CCP).
SecG, estimula el transporte y SecD, SecF y yajC son regulatorias.
Péptido líder (secuencia
líder o secuencia señal).
La proteína que será
translocada es
sintetizada con este
péptido y es removido
durante la translocación.
Peptidasa del péptido
señal (SPaseI). Libera la
proteína translocada del
translocón.
Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (Nov 2007)
Sistema Sec
1. Reconocimiento y guía a la proteína (translocación
co-traduccional y post-traduccional)
2. Translocación.
3. Liberación y maduración.
Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (Nov 2007)
Translocación post-traduccional.
Sistema Sec.
MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXVII (2003)
1) La proteína chaperona SecB se une a una preproteína naciente
en el citosol, estabilizando su conformación no plegada.
2a) El complejo SecB-preproteína es dirigido hacia la translocasa
SecYEG unida a SecA (3a).
2b) El complejo SecB-preproteína se asocia a la proteína SecA y se
dirige a SecYEG en la MI (3b).
Translocación post-traduccional.
Sistema Sec.
MENSAJE BIOQUÍMICO, Vol. XXVII (2003)
4) Se une la secuencia señal a SecA, lo cual estabiliza la interacción
SecB-SecA.
5) La preproteína se transfiere a SecA. La unión de ATP por SecA
promueve el inicio de la translocación y la liberación de SecB del
complejo ternario.
La hidrólisis del ATP permite el paso de la proteína a través del
translocón.
SecA y SecY se
muestran como
monómeros y el
extremo carboxilo de
SecA, donde se cree
que SecB se une
(etapas 1-4 y 12).
Translocación de la
pre-proteína
dependiente de
SecA
Contornos irregulares
indican cambios
conformacionales.
La línea gruesa de
color naranja
representa a la presecreción de proteínas
y el rectángulo naranja
representa el N-terminal
del péptido de señal.
D: ADP
T: ATP.
Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (Nov 2007)
Translocación co-traduccional.
Signal Recognition Particle (SRP)
La translocación de
proteínas es
mediada por una
ribonucleoproteína
(SRP), su receptor
(FtsY) en la
membrana y el
complejo SecYEG.
Requiere la hidrólisis
de GTP en la SRP y
FtsY para liberar la
proteína naciente a
través de SecYEG.
Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)
Sec en diferentes organismos
<>
Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)
Composición de la translocasa
Sec en los dominios de la vida
Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)
Sistema Tat
Twin arginine translocation (Tat).
Sistema de translocación y
exportación de proteínas
plegadas.
Se ha encontrado en:
La membrana citoplasmática en
bacterias y arqueas.
Membranas tilakoides de los
cloroplastos en plantas.
Posiblemente en la membrana
interna de la mitocondria.
Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 350-356, 2001.
Componentes twin-arginine
translocase (Tat)
Peptido señal (SRRxFLK) en el extremo amino terminal.
3 Dominios
Amino terminal, cargada positivamente.
Hidrofóbico
Carboxilo terminal
Annu. Rev. Microbiol. 2006. 60:373–95
Corte de la
peptidasa
Péptido señal
Biochemical Society Transactions (2007) Volume 35, part 5
Nomenclatura
de aminoácidos
Aminoácido
Código de tres letras
Código de una letra
Alanina
Ala
A
Arginina
Arg
R
Asparagina
Asn
N
Ácido aspártico
Asp
D
Cisteína
Cys
C
Glutamina
Gln
Q
Ácido glutámico
Glu
E
Glicina
Gly
G
Histidina
His
H
Isoleucina
Ile
I
Leucina
Leu
L
Lisina
Lys
K
Metionina
Met
M
Fenilalanina
Phe
F
Prolina
Pro
P
Serina
Ser
S
Treonina
Thr
T
Triptófano
Trp
W
Tirosina
Tyr
Y
Valina
Val
V
Proteínas TatABC
Tat translocasa: Proteínas membranales (TatA, TatB y TatC).
TatA forma el poro por medio de subunidades .
TatB tiene función semejante a TatC sin embrago no se
encuentra presente en todos los microorganismos.
TatC funciona en el reconocimiento de las proteínas.
Annu. Rev. Microbiol. 2006. 60:373–95
Presencia de
Tat B
TatA (verde)
TatB (amarillo)
TatC (púrpura)
A) E. coli K-12
B) Bacillus subtilis
C) Halobacterium sp.
D) Tilakoides de maíz
Tat B pudiera servir como
mediador entre Tat A y C.
Modelo Tat
Annu. Rev. Microbiol. 2006. 60:373–95
Translocasa YidC
Translocación e inserción de
proteínas de Membrana
Interna.
Las proteínas de membrana
interna (IMP) pueden
translocarse e insertarse a
través de tres formas
propuestas:
A. Ruta de YidC.
B. Ruta YidC-SRP ?
C. Ruta translocasa Sec-YidC
o SecSRP-YidC
EMBO reports 4, 10, 939–943 (2003)
Proteínas en las membranas
Hay dos tipos de proteínas
integrales de membrana en las
membranas celulares:
Las que contienen regiones
transmembranales (TM) a-hélices
ampliamente distribuidas.
Las que poseen múltiples
plegamientos β, que se
encuentran predominantemente
en la membrana externa de las
bacterias Gram negativas
y de la membrana externa
mitocondrial y de cloroplastos de
las eucariotas.
YidC insertasa dependiente e
independiente de Sec
Nature Reviews Microbiology 6, 234-244 (March 2008)
La insertasa YidC tienen la
función de promover la
inserción de proteínas de
membrana en
conjunción con la
translocasa Sec (o SecSRP) o independiente de
ella.
YidC como
única vía de
inserción de
proteínas de MI
Durante la inserción en la
membrana los segmentos
transmembranales de la
proteína recién sintetizada se
unen a YidC, la cual facilita el
desplazamiento lateral de los
segmentos hidrofóbicos dentro
de la bicapa y/o asiste en el
plegamiento y ensamblaje. YidC
también actúa como proteína
insertasa de membrana
independiente de Sec de ciertas
pequeñas proteínas de
membrana. Estas proteínas se
unen directamente a YidC o
posiblemente utilizan el sistema
SPR y FtsY para la unión. Aún se
desconoce que determina que
las proteínas recién sintetizadas
empleen un sistema Sec
dependiente o Sec
dependiente. PMF: fuerza protón
motriz.
Inserción por las
translocasas
Sec y YidC en la MI
Microbial Cell Factories 2008 7:10
YidC interactúa con los
segmentos TM de dos maneras
Nature Reviews Microbiology 6, 234-244 (March 2008)
En el modelo secuencial, el primer segmento TM es liberado de
YidC para entrar en la fase lipídica antes de unirse a la siguiente
hélice TM (a).
YidC interactúa con los
segmentos TM de dos maneras
Nature Reviews Microbiology 6, 234-244 (March 2008)
En el modelo de ensamblaje de sitio, YidC tiene un papel
importante en el acomodo de las regiones TM en un paquete (b).
El conjunto de los segmentos TM se libera de YidC y entran en la
bicapa lipídica al mismo tiempo.
En ambos casos, los segmentos TM pasan el canal SecYEG uno a
la vez mientras que YidC actúa como un acompañante
transfiriendo los dominios TM en la bicapa lipídica.
Sistemas de secreción en
bacterias
BMC Microbiology 2009, 9(Suppl 1):S2
Propuesta. Biogénesis de la
membrana externa
FL(LP) y LPS
LPP
Omp (Omp85)
Nature Reviews Microbiology 4, 57-66, 2006
Pie de figura.
Biogenesis of the outer membrane. After synthesis at the inner leaflet of the inner
membrane (IM), both lipopolysaccharide (LPS) and phospholipids (PL) are flipped
to the outer leaflet of the IM. MsbA is required for the translocation of LPS and
possibly phospholipids across the IM, but helical transmembrane domains have
also been shown to translocate phospholipids. How both LPS and phospholipids
travel from the IM to the outer membrane(OM), and how LPS is flipped to its outer
leaflet, remains unknown, although the OM protein (OMP) Imp is required for the
assembly of LPS. Both OM lipoproteins and OMPs are synthesized in the cytoplasm
and are translocated across the IM by the Sec translocon. After undergoing lipid
modification and signal-sequence processing (not shown), OM lipoproteins
interact with the ATP-binding cassette (ABC) transporter LolCDE, which hands them
over to the periplasmic chaperone LolA. LolA escorts OM lipoproteins across the
periplasm and delivers them to the OM-assembly site, the OM lipoprotein LolB.
After translocation through the Sec machinery, OMPs are transported to the OM
by an unknown mechanism, although the periplasmic chaperones Skp, DegP and
SurA have been implicated. At the OM, the YaeT/YfgL/YfiO/NlpB complex
assembles OMPs by an unknown mechanism.
Nature Reviews Microbiology 4, 57-66, 2006
Principales sistemas de
secreción en bacterias Gram
negativas
Nature Reviews Microbiology 7, 703-714, 2009
Chaperonas
Secreta estructuras de
virulencia como las fimbrias P y
tipo 1 en E. coli uropatógena.
1. Las subunidades son
exportadas
individualmente a través
de la membrana por el
sistema Sec y la región
amino terminal de la
secuencia señal es
procesada.
2. En el periplasma cada
subunidad se une a
proteínas chaperonas
periplásmicas.
The EMBO Journal (2005) 24, 2075–2086
Chaperonas
3. El complejo chaperona-subunidad migra a la proteína
portera (usher) que se encuentra en la membrana externa
y forma un canal.
4. La chaperona se une al usher y transfiere la subunidad a
este. Más chaperonas transfieren las subunidades para
ensamblar el filamento a través del usher.
EMBO reports 7, 7, 734–738 (2006)
SSTV. Autotransportadores
Transporta proteínas con diferentes
funciones: proteasas, tóxinas, invasinas,
adhesinas.
1. El péptido líder dirige la
secreción vía el sistema Sec y
se procesa en la cara
periplasmática de la
membrana interna (MI).
2. El dominio b del intermediario
periplásmico adquiere la
conformación de barril b y se
inserta en la membrana
externa (ME) para formar el
poro.
3. Se transloca el dominio
pasajero a la superficie.
SSTII
Principal vía para
la secreción de
proteínas en
bacterias Gram
negativas:
enzimas
hidrolíticas y
toxinas.
Emplea el sistema Sec para transportar las proteínas la
periplasma y la secuencia líder es removida por proteasas en
la cara externa de la MI. La región amino terminal de la
secuencia señal es procesada.
SSTII
1. Las proteínas se pliegan en una forma cercana a la
nativa.
2. Son excretadas por un sistema llamado secretón
que consiste de proteínas localizadas en la MI y en
la ME que presentan dominios en el periplasma.
3. Las proteínas a secretar pasan a través del poro
formado por la proteína GspD (secretina) y que es
estabilizado por las lipoproteínas chaperonas GspS
para su correcto plegamiento y actividad.
4. En el modelo de la toxina de V.cholerae Las
proteínas Gsp E , L y M regulan la secreción de la
extracelular comunicando la fosforilación o hidrólisis
del ATP entre la MI y el poro.
5. Las proteínas GspG, H, I, J y K son procesadas por
Gsp O y forman una estructura de pilus,
principalmente GspG y se postula que actúa
empujando la toxina a través del poro con
movimientos de contracción.
SSTII
El sistema de secreción tipo II es empleado para la biogénesis de
la fimbria tipo IV y para el flagelo de las arqueas.
SSTI
La secreción proteína se da en un solo paso desde el citosol hasta
el exterior de la célula. Este mecanismo lo realizan la mayoría de
las bacterias para la secreción de toxinas y exoenzimas (proteasas
y lipasas).
SSTI
1. La secuencia exportar es reconocida por la
secuencia señal del extremo carboxilo terminal por el
transportador ABC en la MI.
2. El transportador ABC interactúa con las proteínas de
fusión membranales (MFP).
3. Cuando se forma el complejo Proteína-ABC-MFP, se
produce una conexión con la proteínas de los
factores de membrana externa (OMF’s) y se forma un
poro de salida.
4. En la toxina a-hemolisina (HlyA) de E. coli interacciona
con el trasportador ABC (HlyB) y la proteína de fusión
trimérica en un proceso dependiente de la fuerza
protón motriz (FPM). La translocación de HlyA requiere
la interacción entre HlyD y el transportador trimérico
TolC, así como de la hidrólisis de ATP.
SSTIII
Sistema de secreción
que ocurre en un solo
paso y está asociado a
la secreción de factores
de virulencia en
bacterias patógenas de
humanos, animales y
plantas (Bordetella,
Chlamydia, Erwinia, E.
coli, Pseudomonas,
Ralstonia, Rhizobia,
Salmonella, Shigella,
Xanthomonas y Yersinia),
así como en la
biogénesis flagelar.
SSTIII (inyectisoma)
Nature Reviews Microbiology 4, 811-825 (November 2006)
Tanto el flagelo,
como el translocón de
secreción de moléculas
efectoras, son sistemas
complejos que requieren
de más de 20 proteínas
que se ensamblan
en largas estructuras
macromoleculares
que atraviesan
ambas membranas
bacterianas, y en los
sistemas de virulencia,
también la membrana
plasmática eucarionte.
Esta compuesto por proteínas de MI relacionadas a las del cuerpo
basal del flagelo y proteínas que formar anilllos en la MI y en la ME.
La translocación de las proteínas se lleva a cabo por el interior de las
estructuras y se requiere la energía de la hidrólisis del ATP.
Secreción de factores de
virulencia
SSTIV
Sistema versátil que se
emplea tanto para la
secreción de ácidos
nucleicos como proteínas.
Se encuentra en
bacterias Gram positivas y
Gram negativas.
Puede ser Sec
dependiente (toxina de
Bordetella pertusis ) o Sec
independiente.
Nature Reviews Microbiology 7, 703-714, 2009
SSTIV
Nature Reviews Microbiology 7, 703-714, 2009
SSTVI
Bacterias Gram
negativas.
Inyectisoma.
Es requerido para los
factores de virulencia en
patógenos de humanos,
animales y plantas.
Presente en bacterias
simbiontes (fijación de N2)
y no simbiontes
formadoras de
biopelículas)
Se asemeja al SSTIII y SSTIV
con la presencia probable
de chaperonas.
THE EMBO JOURNAL (2009) 28, 309 - 310
Infección por Rhizobium
(SSTIII y SSTIV)
Nature Reviews Microbiology 7, 312-320, 2009
SSTVII
(ESX)
Presente en
Mycobacterium.
SecA-1 (GSP)
SecA-2 (Vía
alternativa)
Tat
Sistemas
especializados
(ESAT-6-, SNM-, ESX-,
or type VII secretion)
Nature Reviews Microbiology 5, 883-891, 2007