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Las proteínas sintetizadas por medio de la rama de distribución citosólica contienen una señal de captación, lo que les permite ser captadas hacia el orgánulo subcelular correcto o, si están destinadas para el citosol, carecen de una señal de direccionamiento. Las señales de captación específicas dirigen las proteínas a las mitocondrias, el núcleo, y peroxisomas (cuadro 49-1). Dado que la síntesis de proteína está completa antes de que ocurra transporte, estos procesos se denominan translocación postraduccional. Ahora se considerarán, a su vez, los mecanismos involucrados.
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Casi todas las proteínas mitocondriales son importadas
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Las mitocondrias contienen muchas proteínas. Trece polipéptidos (en su mayor parte componentes de membrana de la cadena de transporte de electrones) son codificados por el genoma mitocondrial (mt), y sintetizados en ese orgánulo usando su propio sistema sintetizador de proteína. Sin embargo, la mayoría (al menos varios cientos) son codificados por genes nucleares, son sintetizados fuera de las mitocondrias en polirribosomas citosólicos y deben ser importados. Las células de levadura han resultado ser un sistema en particular útil para analizar los mecanismos de importación de proteínas mitocondriales, debido en parte a que ha resultado posible generar diversos mutantes que han aclarado los procesos fundamentales involucrados. Casi todo el progreso se ha hecho en el estudio de proteínas presentes en la matriz mitocondrial, como las subunidades de ATPasa F1. Aquí sólo se comenta en detalle la vía de importación de proteínas de la matriz.
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Las proteínas de la matriz deben pasar desde polirribosomas citosólicos a través de las membranas mitocondriales externa e interna para llegar a su destino. El paso por las dos membranas se llama translocación. Tienen una secuencia líder amino terminal (presecuencia), de alrededor de 20 a 50 aminoácidos de longitud (cuadro 49-1), que no está altamente conservada, sino que es anfipática y contiene muchos aminoácidos hidrofóbicos y con carga positiva (p. ej., Lis o Arg). La presecuencia es equivalente a un péptido señal que media unión de polirribosomas a membranas del ER (véase más adelante), pero en este caso dirige proteínas a la matriz. En la figura 49-3 se muestran algunas características generales del paso de una proteína desde el citosol hacia la matriz mt.
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La translocación es postraduccional, después de que las proteínas de la matriz son liberadas desde los polirribosomas citosólicos. Antes de la translocación ocurren interacciones con diversas proteínas citosólicas que actúan como chaperonas (véase más adelante) y como factores de dirección.
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Dos complejos de translocación separados están situados en las membranas mitocondriales externa e interna, y se denominan (respectivamente) TOM (translocasa de la membrana externa) y TIM (translocasa de la membrana interna). Cada complejo se ha analizado, y se ha encontrado que está compuesto de diversas proteínas, algunas de las cuales actúan como receptores (p. ej., Tom20/22) para las proteínas que están llegando, y otras como componentes (p. ej., Tom40) de los poros transmembrana a través de los cuales deben pasar estas proteínas. Las proteínas deben encontrarse en el estado no plegado para pasar por los complejos, y esto se hace posible mediante unión (dependiente de ATP) a varias proteínas chaperonas, entre ellas Hsp70 (figura 49-3). En las mitocondrias, las chaperonas están involucradas en la translocación, distribución, plegamiento, montaje y degradación de proteínas importadas. Se requiere una fuerza motriz de protón a través de la membrana interna para la importación; está constituida del potencial eléctrico a través de la membrana (negativo en el interior) y el gradiente de pH (capítulo 13). La carga negativa en la matriz puede ayudar al paso de la secuencia líder con carga positiva a través de la membrana. La presecuencia es separada en la matriz por una proteasa procesadora de matriz (MPP). El contacto con otras chaperonas presentes en la matriz es esencial para completar el proceso general de importación. La interacción con mt-Hsp70 (mt = mitocondrial; Hsp = proteína de choque por calor; 70 = ∼ 70 kDa) asegura importación apropiada hacia la matriz, y evita plegamiento erróneo o agregación, mientras que la interacción con el sistema mt-Hsp60-Hsp10 asegura el plegamiento apropiado. Las interacciones de proteínas importadas con las chaperonas anteriores requiere hidrólisis de ATP para impulsarlas.
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No se han elucidado por completo los detalles de cómo se translocan las preproteínas. Es posible que el potencial eléctrico asociado con la membrana mitocondrial interna cause un cambio conformacional en la preproteína no plegada que se está translocando y que esto ayude a empujarla para que cruce. Además, el hecho de que la matriz es más negativa que el espacio intermembrana quizás “atraiga” el amino terminal con carga positiva de la preproteína para que entre a la matriz. Para que ocurra translocación se necesita aposición estrecha en sitios de contacto entre las membranas externa e interna.
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Lo anterior describe la principal vía de proteínas destinadas para la matriz mitocondrial. Empero, ciertas proteínas se insertan en la membrana mitocondrial externa, lo cual es facilitado por el complejo TOM. Otras se detienen en el espacio intermembrana y algunas se insertan en la membrana interna. Aún otras proceden hacia la matriz y después regresan a la membrana interna o al espacio intermembrana. Varias proteínas contienen dos secuencias de señalización (una para entrar a la matriz mitocondrial y la otra para mediar la reubicación subsiguiente [p. ej., en la membrana interna]). Ciertas proteínas mitocondriales no contienen presecuencias (p. ej., citocromo c, que se localiza en el espacio intermembrana) y otras contienen presecuencias internas. En general, las proteínas emplean diversos mecanismos y rutas para llegar a sus destinos finales en las mitocondrias.
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En el cuadro 49-3 se resumen las características generales que se aplican a la importación de proteínas hacia orgánulos, incluso mitocondrias y algunos de los otros orgánulos que se comentarán más adelante.
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El transporte de macromoléculas hacia adentro y hacia afuera del núcleo comprende señales de localización
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Se ha estimado que en una célula eucarionte activa más de un millón de macromoléculas por minuto son transportadas entre el núcleo y el citoplasma. Estas macromoléculas incluyen histonas, proteínas ribosomales y subunidades ribosomales, factores de transcripción, y moléculas de mRNA. El transporte es bidireccional y ocurre a través de los complejos de poro nuclear (NPC). Éstos son estructuras complejas con una masa de aproximadamente 15 veces la de un ribosoma, y están compuestas de agregados de alrededor de 30 proteínas diferentes. El diámetro mínimo de un NPC es de alrededor de 9 nm. Las moléculas de menos de aproximadamente 40 kDa pueden pasar por el canal del NPC mediante difusión, pero hay mecanismos de translocación especiales para moléculas más grandes. Estos mecanismos se están investigando de manera intensiva, pero ya han surgido algunas características importantes.
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Aquí se describirá principalmente la importación nuclear de ciertas macromoléculas. El cuadro general que ha surgido es que las proteínas que se van a importar (moléculas de carga) portan una señal de localización nuclear (NLS). Un ejemplo de una NLS es la secuencia de aminoácidos (Pro)2-(Lis)3-Arg-Lis-Val (cuadro 49-1), que es notoriamente rica en residuos básicos. Dependiendo de cuál NLS contiene, una molécula de carga interactúa con una de una familia de proteínas solubles llamadas importinas y el complejo se acopla transitoriamente en el NPC. Otra familia de proteínas llamadas Ran desempeña un papel regulador crucial en la interacción del complejo con el NPC y en su translocación a través del NPC. Las proteínas Ran son GTPasas nucleares monoméricas pequeñas y, al igual que otras GTPasas, existen en estados unido a GTP o unido a GDP. Están reguladas por sí mismas por factores de intercambio de nucleótido guanina (GEF), que están situados en el núcleo, y por proteínas aceleradoras de GTPasa (GAP) Ran, que son predominantemente citoplasmáticas. El estado unido a GTP de Ran es favorecido en el núcleo, y el estado unido a GDP, en el citoplasma. Las conformaciones y actividades de moléculas de Ran varían dependiendo de si está unido a ellas GTP o GDP (el estado unido a GTP es activo; véase la exposición sobre proteínas G en el capítulo 42). Se cree que la asimetría entre el núcleo y el citoplasma (respecto a cuál de estos dos nucleótidos está unido a moléculas de Ran) es crucial en el entendimiento de las funciones de Ran en la transferencia de complejos de manera unidireccional a través del NPC. Cuando se liberan moléculas de carga dentro del núcleo, las importinas recirculan al citoplasma para ser usadas de nuevo. En la figura 49-4 se resumen algunas de las características principales en el proceso anterior.
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Proteínas similares a las importinas, denominadas exportinas, participan en la exportación de muchas macromoléculas (diversas proteínas, moléculas de tRNA, subunidades ribosomales, y ciertas moléculas de mRNA) desde el núcleo. Las moléculas de carga para exportación portan señales de exportación nuclear (NES). Las proteínas Ran también están involucradas en este proceso, y ahora se encuentra establecido que los procesos de importación y exportación comparten diversas características. La familia de importinas y exportinas se denomina carioferinas.
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Otro sistema está involucrado en la translocación de casi todas las moléculas de mRNA; éstas son exportadas del núcleo al citoplasma como complejos de ribonucleoproteína (RNP) fijos a una proteína denominada exportador mRNP, que es una molécula heterodimérica (esto es, compuesta de dos subunidades diferentes, TAP [también llamada Nfx1] y Nxt-1) que transporta moléculas de RNP a través del NPC. Ran no está involucrada. Este sistema parece usar la hidrólisis de ATP por una RNA helicasa (Dbp5) para impulsar la translocación.
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Otras GTPasas monoméricas pequeñas (p. ej., ARF, Rab, Ras y Rho) son importantes en diversos procesos celulares, como la formación y el transporte de vesículas (ARF y Rab; véase más adelante), ciertos procesos de crecimiento y diferenciación (Ras), y la formación del citoesqueleto de actina (Rho). Un proceso que comprende GTP y GDP también es crucial en el transporte de proteínas a través de la membrana del ER (véase más adelante).
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Las proteínas importadas hacia peroxisomas portan secuencias de direccionamiento únicas
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El peroxisoma es un orgánulo importante involucrado en aspectos del metabolismo de muchas moléculas, entre ellas ácidos grasos y otros lípidos (p. ej., plasmalógenos, colesterol, ácidos biliares), purinas, aminoácidos, y peróxido de hidrógeno. El peroxisoma está rodeado por una membrana única, y contiene más de 50 enzimas; la catalasa y la urato oxidasa son enzimas marcadoras para este orgánulo. Sus proteínas son sintetizadas en polirribosomas citosólicos y se pliegan antes de la importación. Se han estudiado las vías de importación de varias de sus proteínas y enzimas; algunas son componentes de la matriz (figura 49-5), y otras, componentes de membrana. Se han descubierto al menos dos secuencias de direccionamiento peroxisomal-matriz (PTS). Una, PTS1, es un tripéptido (esto es, Ser-Lis-Leu [SKL], pero se han detectado variaciones de esta secuencia) situado en el carboxilo terminal de varias proteínas de la matriz, entre ellas la catalasa. Otra, PTS2, es una secuencia de nueve aminoácidos en el N terminal, y se ha encontrado en al menos cuatro proteínas de la matriz (p. ej., tiolasa). Ni una ni otra de estas dos secuencias es dividida después de que entra a la matriz. Las proteínas que contienen secuencias PTS1 forman complejos con una proteína receptora citosólica (Pex5) y las proteínas que contienen secuencias PTS2, forman complejos con otra proteína receptora (Pex7). Los complejos resultantes a continuación interactúan con un complejo de receptor de membrana, Pex2/10/12, que las transloca hacia la matriz. También hay proteínas involucradas en el transporte adicional de proteínas hacia la matriz. Pex5 es reciclada hacia el citosol. Se ha encontrado que casi todas las proteínas de membrana peroxisomales no contienen ninguna de las dos secuencias de dirección anteriores, pero parecen contener otras. El sistema de importación puede manejar oligómeros intactos (p. ej., catalasa tetramérica). La importación de proteínas de la matriz requiere ATP, no así la importación de proteínas de la membrana.
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La mayor parte de los casos de síndrome de Zellweger se debe a mutaciones en genes involucrados en la biogénesis de peroxisomas
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El interés por la importación de proteínas hacia peroxisomas ha sido estimulado por estudios sobre el síndrome de Zellweger, esta enfermedad queda de manifiesto en el momento del nacimiento, y se caracteriza por deterioro neurológico profundo; las víctimas a menudo mueren en el transcurso de un año. El número de peroxisomas puede variar desde ser casi normal hasta faltar casi por completo en algunos pacientes. Los datos bioquímicos comprenden una acumulación de ácidos grasos de cadena muy larga, anormalidades de la síntesis de ácidos biliares, y reducción notoria de plasmalógenos. La enfermedad generalmente se origina por mutaciones en genes que codifican para ciertas proteínas (la familia de genes PEX) también llamadas peroxinas (involucradas en diversos pasos de la biogénesis de peroxisoma [como la importación de proteínas antes descrita], o en genes que codifican para ciertas enzimas peroxisomales). Dos enfermedades estrechamente relacionadas son la adrenoleucodistrofia neonatal y la enfermedad de Refsum infantil. El síndrome de Zellweger y estas dos enfermedades representan un espectro de características que se superponen; el síndrome de Zellweger es el más grave (muchas proteínas afectadas), y la enfermedad de Refsum infantil es la menos grave (sólo una o algunas proteínas afectadas). En el cuadro 49-4 se listan estas enfermedades y enfermedades relacionadas.
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