Transporte y Tráfico Intracelular de Proteínas
Mecanismos Fundamentales del Transporte de Proteínas
Tipos de Transporte de Proteínas en la Célula Compartimentalizada
Las proteínas se transportan mediante tres mecanismos principales:
- Transporte a través de poros nucleares: Permite el paso bidireccional entre el núcleo y el citoplasma sin desnaturalizar las proteínas.
- Translocación a través de membranas: Ocurre hacia organelos como el Retículo Endoplasmático (RE) y las mitocondrias, utilizando complejos proteicos especializados como TOM/TIM y translocones.
- Transporte vesicular: Mediado por vesículas con cubiertas específicas:
- COPII: Del RE hacia el Golgi.
- COPI: Del Golgi hacia el RE.
- Clatrina: Del Golgi o la membrana plasmática hacia los endosomas.
Cada una de estas vías requiere proteínas específicas de reconocimiento y dirección, como las proteínas Rab y SNARE.
Señales de Destino de las Proteínas
Las señales de destino son secuencias peptídicas intrínsecas a las proteínas que las dirigen a sus compartimentos celulares específicos. Algunos ejemplos incluyen:
- Una secuencia N-terminal hidrofóbica para el Retículo Endoplasmático (RE).
- La secuencia NLS (Nuclear Localization Signal), rica en lisina y arginina, para el núcleo.
- La secuencia SKL para los peroxisomas.
- Secuencias pre-señal para la mitocondria.
Estas señales son reconocidas por receptores específicos, como las importinas (para el núcleo) o los receptores del complejo TOM (para la mitocondria), y son fundamentales para asegurar un tráfico intracelular ordenado y eficiente.
Procesamiento y Tráfico en el Retículo Endoplasmático (RE)
Translocación de Proteínas Solubles al Lumen del RE
Las proteínas solubles destinadas al lumen del RE poseen una señal hidrofóbica N-terminal. La Partícula de Reconocimiento de la Señal (SRP) reconoce esta secuencia y detiene temporalmente la traducción, guiando el ribosoma hacia el receptor de SRP en la membrana del RE. Una vez allí, la proteína naciente se transfiere al translocón (Sec61), y la traducción se reanuda directamente hacia el lumen del RE. La peptidasa señal escinde el péptido señal una vez que la proteína ha entrado al lumen. Dentro del lumen, proteínas chaperonas como BiP y calnexina asisten en el correcto plegamiento, y se produce la N-glicosilación catalizada por la oligosacariltransferasa.
Inserción de Proteínas Transmembrana (Monopaso y Multipaso)
Las proteínas de membrana poseen secuencias específicas de inicio de transferencia y de detención de transferencia (stop-transfer). Para la inserción de un solo paso, la traducción comienza en el translocón (Sec61) y se interrumpe cuando la secuencia stop-transfer alcanza el translocón, anclando la proteína de forma permanente en la membrana. Si una proteína contiene múltiples secuencias de inicio y detención alternantes, puede atravesar la membrana varias veces, dando lugar a una proteína multipaso. La orientación final de los extremos N- o C-terminal de la proteína en la membrana está determinada por la distribución de cargas eléctricas cercanas a la secuencia señal.
Glicosilación en el RE
La N-glicosilación es un proceso que ocurre en el RE, donde una oligosacariltransferasa transfiere un oligosacárido preensamblado (Glc3Man9GlcNAc2) desde un dolicol-pirofosfato al nitrógeno de un residuo de asparagina, siempre que este se encuentre dentro de la secuencia consenso Asn-X-Ser/Thr. Esta modificación se produce cotraduccionalmente y es crucial para el correcto plegamiento, la estabilidad y el control de calidad de las proteínas. Las glucosas terminales del oligosacárido son eliminadas secuencialmente por las glucosidasas I y II, lo que permite el reciclaje de la proteína en el sistema de chaperonas calnexina/calreticulina para asegurar su correcto plegamiento.
Plegamiento Correcto de Proteínas y el Papel de las Chaperonas
BiP, calnexina y calreticulina son chaperonas residentes del RE que desempeñan un papel vital en la prevención del plegamiento incorrecto y la agregación de proteínas. La calnexina y la calreticulina reconocen proteínas parcialmente glicosiladas que aún conservan una glucosa terminal. Por su parte, BiP se une a regiones hidrofóbicas expuestas en proteínas mal plegadas. Si el plegamiento inicial falla, ciertas glucosiltransferasas pueden regenerar la glucosa terminal, permitiendo un nuevo ciclo de plegamiento asistido por chaperonas. Si el mal plegamiento persiste, la proteína es retrotranslocada desde el RE hacia el citosol para su posterior degradación.
Ubiquitinación, Proteólisis y el Papel de los Priones
Las proteínas que persisten en un estado de mal plegamiento son expulsadas del RE mediante retrotranslocación, a través de canales específicos como Derlin-1. Una vez en el citosol, son ubiquitinadas por ligasas E3. Esta etiqueta de poliubiquitina las marca para su reconocimiento y degradación por el proteasoma 26S. Los priones son proteínas infecciosas que han adoptado una conformación anómala (PrPSc) y tienen la capacidad de inducir el mal plegamiento de sus homólogas normales (PrPC). A diferencia de las proteínas mal plegadas convencionales, los priones no se degradan eficientemente, lo que lleva a la formación de agregados neurotóxicos resistentes al proteasoma, característicos de enfermedades como la de Creutzfeldt-Jakob.
Tráfico Vesicular y Maduración de Organelos
Formación de Clústeres Vesiculares y el Compartimento Cis-Golgi
Las vesículas recubiertas de COPII, que contienen proteínas destinadas a la exportación, brotan del RE desde sitios especializados conocidos como ERES (ER Exit Sites). Este proceso se inicia mediante el reclutamiento de la pequeña GTPasa Sar1-GTP y los complejos proteicos Sec23/24 y Sec13/31. Estas vesículas nacientes se fusionan entre sí, gracias a la acción de las proteínas SNARE, para formar el compartimento intermedio ERGIC (ER-Golgi Intermediate Compartment). El conjunto de vesículas fusionadas se dirige entonces hacia la región cis del Golgi, donde se fusionan para constituir el cis-Golgi. La proteína Rab1 regula la direccionalidad de este transporte, y los complejos de anclaje aseguran la especificidad en la fusión de las membranas.
Retorno de Proteínas Residentes al RE desde el Golgi
Las proteínas que residen permanentemente en el RE, como BiP, PDI (Protein Disulfide Isomerase) y calnexina, poseen una señal de retención en su extremo C-terminal: el tetrapéptido KDEL. Si estas proteínas escapan accidentalmente al Golgi, esta señal es reconocida por receptores KDEL específicos, localizados en el Golgi, que se unen a las proteínas en el ambiente ligeramente ácido de este compartimento. Posteriormente, se forman vesículas recubiertas de COPI que transportan el complejo proteína-receptor de vuelta al RE. Una vez en el RE, el pH más neutro favorece la disociación de la proteína del receptor, permitiendo la liberación de la proteína en el RE y el reciclaje del receptor KDEL. Este mecanismo es crucial para asegurar la retención de proteínas esenciales en el RE y mantener la homeostasis del sistema.
Formación de Lisosomas y el Papel de los Sistemas Endosómicos
Las hidrolasas lisosomales, enzimas esenciales para la degradación celular, se sintetizan en el RE y son glicosiladas con residuos de manosa. En el cis-Golgi, una fosfotransferasa añade un grupo fosfato a estas manosas, formando manosa-6-fosfato (M6P). Estas enzimas marcadas con M6P son empaquetadas en vesículas recubiertas de clatrina, las cuales son dirigidas específicamente a los endosomas tardíos mediante receptores de M6P. Dentro del ambiente ácido de los endosomas, las hidrolasas se disocian de sus receptores y los endosomas maduran progresivamente hasta convertirse en lisosomas funcionales. El sistema endosómico, además, participa activamente en la internalización de membrana y receptores de la superficie celular a través de la endocitosis, contribuyendo al reciclaje y la degradación de componentes celulares.
Transporte de Proteínas a la Mitocondria
Translocación de Proteínas al Lumen Mitocondrial
Las proteínas destinadas al lumen mitocondrial poseen una pre-señal N-terminal específica, rica en residuos hidrofóbicos y cargados positivamente, que es reconocida por los receptores TOM20/TOM22 en la membrana externa mitocondrial. Estas proteínas se translocan a través del canal TOM40 en la membrana externa y, posteriormente, a través del canal TIM23 en la membrana interna. Para atravesar estas membranas, la proteína debe estar en un estado desnaturalizado, proceso asistido por la chaperona citosólica Hsp70. Una vez en el lumen, la chaperona Hsp60 y otras proteínas chaperonas asisten en el correcto replegamiento de la proteína, y la pre-señal es eliminada por las peptidasas mitocondriales (MPP).
Inserción de Proteínas en la Membrana Interna y Espacio Intermembrana Mitocondrial
Las proteínas destinadas a la membrana interna mitocondrial o al espacio intermembrana poseen señales internas específicas. Las proteínas de la membrana interna, como los transportadores de ADP/ATP, pueden ser insertadas por el complejo TIM22. Aquellas que se dirigen al espacio intermembrana pueden translocarse a través de TIM23 y ser procesadas por proteasas del espacio intermembrana (IMP). Además, algunas proteínas son ancladas en el espacio intermembrana mediante proteínas como Mia40 y Erv1, que catalizan la formación de puentes disulfuro, contribuyendo a su estabilidad y función.
Transporte Núcleo-Citoplasma
Movimiento de Proteínas Hacia y Desde el Núcleo: El Rol de Ran
El transporte de macromoléculas entre el núcleo y el citoplasma se realiza a través del complejo del poro nuclear (NPC). Las proteínas destinadas al núcleo, que poseen una señal de localización nuclear (NLS), son reconocidas por proteínas transportadoras llamadas importinas, que las trasladan al interior del núcleo. Una vez dentro del núcleo, la pequeña GTPasa Ran, en su estado unido a GTP (Ran-GTP), se une a la importina, provocando la liberación de la proteína cargada. Para la exportación de proteínas desde el núcleo, las exportinas reconocen las señales de exportación nuclear (NES) y se unen a ellas junto con Ran-GTP, exportando el complejo al citoplasma. En el citoplasma, Ran-GTP se hidroliza a Ran-GDP con la ayuda de la proteína activadora de GTPasa RanGAP, lo que provoca la disociación del complejo y la liberación de la proteína exportada. La proteína RanGEF (Guanine Nucleotide Exchange Factor) en el núcleo reinicia el ciclo, promoviendo la unión de Ran-GDP a GTP.