Tema 4.2 – Direccionamiento de proteínas: apuntes completos

1. Contexto general: tema 4.2 – Direccionamiento de proteínas

El direccionamiento (o tráfico) proteico determina dónde funcionará cada proteína recién sintetizada.
Tres vías fundamentales de transporte:
- $\text{A través de poros nucleares}$
- $\text{A través de membranas (translocación)}$ en RE, mitocondria, cloroplasto, peroxisoma.
- $\text{Transporte vesicular}$ dentro del sistema endomembranoso.
Concepto-clave: muchas proteínas poseen “señales” (secuencias cortas de aa) que actúan como “códigos postales” celulares.

2. Organización nuclear y proteínas asociadas

Envoltura nuclear: doble membrana continua con el retículo endoplasmático (ER).
- Componentes señalados: Nucleolo, cromatina, nucleoplasma, poros nucleares (NPC), lamina nuclear.
Proteínas de la envoltura y lámina mencionadas:
- Nesprin, LAP1/2, MAN1, Emerin, LBR, HP1, BAF, SREBP1, FOS, MOK2, RB, GCL, lamins A/B/C.
- Funciones: anclaje de cromatina, mecanotransducción, regulación transcripcional.

3. Transporte núcleo ⇄ citoplasma

3.1 Entrada al núcleo (Citoplasma → núcleo)

Proteínas importadas:
- Histonas, DNA polimerasas, RNA polimerasas, factores de transcripción, enzimas de procesamiento de RNA, reguladores de expresión génica, proteínas del ensamblaje ribosomal.
Requieren señales de localización nuclear (NLS) y el complejo importina α/β + Ran-GTP (mecanismo implícito).

3.2 Salida del núcleo (Núcleo → citoplasma)

mRNA (usa complejo $\text{Nxf1-Nxt1}$ ).
tRNA (usa exportina-t).
Subunidades ribosómicas (rRNA + proteínas) salen tras pasar un “control de calidad”.

4. Flujo de información genética (visión global)

DNA $\xrightarrow[\text{replicación}]{}$ DNA.
DNA $\xrightarrow[\text{transcripción}]{}$ RNA.
RNA $\xrightarrow[\text{traducción}]{}$ Proteína.
Virus de RNA de cadena sencilla: implican $\text{transcripción inversa}$ para generar DNA intermedio.

5. Tipos de RNA y sus funciones

mRNA: codifica proteínas.
tRNA: adaptador entre codón y aa.
rRNA: forma ribosomas.
snRNA: procesamiento/splicing nuclear.
snoRNA: modificación química de otros RNA.
miRNA / siRNA: silenciamiento y regulación génica.
IncRNA: regulación a diversos niveles.

6. Ribosomas

Presentes en todas las células; constituidos por $\frac{1}{3}$ proteína + $\frac{2}{3}$ rRNA.
Localización: libres (citoplasma), adheridos al REG, dentro de mitocondrias.
Capacidad de autoensamblaje.
Funciones: posicionar tRNA y catalizar la formación del enlace peptídico.

6.1 Subunidades (eucariotas)

40S (pequeña): lectura de mRNA y acoplamiento del tRNA iniciador.
60S (grande): actividad peptidil-transferasa; contiene sitios:
- $A$ (aminoacil)
- $P$ (peptidil)
- $E$ (exit)

7. tRNA y el código genético

tRNA: molécula en “trébol” (2ª estructura) y forma en “L” (3ª estructura).
Elementos clave: extremo aceptor (CCA), anticodón complementario al codón de mRNA, nucleótidos modificados.
Aminoacil-tRNA sintetasas: enzimas específicas (una por aa) que cargan el aa usando $\text{ATP}$ → $\text{AMP + 2P}_i$ .
Ejemplo: unión de metionina al $\text{tRNA}^{\text{Met}}$ forma $\text{Met-tRNA}^{\text{Met}}$ .
Hipótesis del “bamboleo” (wobble):
- Un mismo tRNA puede reconocer múltiples codones sin error.
- Posición 5’ del anticodón permite apareamientos no canónicos.
- Garantiza rapidez pero mantiene fidelidad (reglas selectivas).

7.1 Codón

Unidad de $3$ nucleótidos que codifica un aa (total $61$ codones de sentido) o señal de paro ( $3$ codones: UAA, UAG, UGA).
Ejemplo de traducción: $5'\text{AUG AUC UCG UAA}3'$ → Met-Ile-Ser-Stop.

8. Biosíntesis (traducción) de proteínas

8.1 Etapas

Iniciación
- Identificación del primer AUG en mRNA (marco de lectura $5' \to 3'$ ).
- Complejo iniciador: subunidad 40S + $\text{Met-tRNA}^{\text{Met}}$ + factores de iniciación.
- Ensamble de la 60S, dejando el tRNA iniciador en el sitio $P$ .
Elongación
- Entrada de $\text{aa-tRNA}$ al sitio $A$ (requiere $\text{GTP}$ ).
- Peptidil-transferasa crea enlace peptídico entre peptidil (sitio P) y aa (sitio A).
- Translocación: tRNA “vacío” → $E$ ; peptidil-tRNA $A \to P$ ; sitio A vuelve a quedar libre.
Terminación
- Al llegar a codón Stop entra un factor de liberación sin aa.
- Hidroliza el enlace peptidil-tRNA → proteína libre.
- Reciclaje de ribosoma y mRNA; un mismo mRNA puede ser leído por múltiples ribosomas (polirribosoma).

8.2 Direccionalidad

Síntesis del polipéptido: extremo $N\text{-terminal} \to C\text{-terminal}$ .
Marco de lectura avanza en tripletes.

9. Modificaciones postraduccionales (PTMs)

Ocurren después de la traducción y/o tras la localización.
Objetivos: plegamiento correcto, regulación de actividad, estabilidad, interacción con otras moléculas.
Ejemplo clásico: insulina
- Pre-proinsulina → proinsulina (pérdida de péptido señal) → insulina madura (escisión de “péptido C” + formación de $\text{puentes S-S}$ ).

10. Tráfico hacia/desde el retículo endoplasmático (RE)

10.1 Péptido señal

Secuencia hidrofóbica de $16\text{–}30$ aa situada en el extremo $N$ -terminal.
Dirige la síntesis al RE rugoso (co-traduccional).

10.2 SRP (Partícula de reconocimiento de señal)

Complejo proteico-ARN (subunidades P19, P9/14, P54, P68/72).
Funciones:
- Reconoce el péptido señal emergente.
- Detiene temporalmente la traducción.
- Se une al receptor de SRP en la membrana del RE.
- Entrega el ribosoma al translocón (canal proteico).
P54 contiene residuos de metionina flexibles que se acomodan a diferentes señales.

10.3 Translocación

Ribosoma se acopla al translocón; traducción se reanuda.
El polipéptido penetra el lumen del RE.
Peptidasa señal (asociada al poro) escinde el péptido señal.
Proteína queda libre en el lumen o, si hay secuencias “stop-transfer”/“start-transfer”, se integra como proteína de membrana.
Chaperonas (p.ej. $\text{Hsc70}$ ) y N-glicosilación facilitan plegamiento.

11. Transporte vesicular vs. no vesicular

Con péptido señal RE → síntesis en ribosomas unidos → paso por Golgi → vesículas → destinos: membrana plasmática, lisosomas, secreción, endomembrana.
Sin péptido señal RE (ribosomas libres) → proteínas permanecen citosólicas o se dirigen a núcleos, mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas mediante señales específicas (no usan vesículas).

12. Importación a organelos fuera del sistema endomembranoso (tráfico NO vesicular)

Destinos: núcleo, mitocondrias, cloroplastos, peroxisomas.
Requiere señales de importación propias:
- NLS en proteínas nucleares.
- Secuencias preseñal / transit peptide en mitocondria y cloroplasto.
- $\text{PTS1/PTS2}$ en peroxisomas (ver más abajo).

13. Peroxisomas

13.1 Características generales

Orgánulos esféricos rodeados por una sola membrana.
Contienen enzimas oxidativas (catalasas, peroxidasas).
Funciones principales:
- $\beta$ -oxidación de ácidos grasos de cadena muy larga.
- Detoxificación de peróxidos.
- Síntesis de plasmalógenos y otros lípidos.

13.2 Procesos metabólicos asociados (según reino)

Biosíntesis:
- Ácidos biliares, hormonas, isoprenoides, colesterol, purinas (vía salvage), plasmalógenos, antibióticos (penicilina), etc.
Degradación:
- Prostaglandinas, aminoácidos, poliaminas, oxidación de ácidos grasos, metabolismo del glicerol, fotorrespiración (plantas), bioluminiscencia (algunos organismos), defensa antiviral, etc.

13.3 Biogénesis de peroxisomas

Formados por fusión de vesículas derivadas de mitocondrias y del RE.
Crecimiento y posterior división (estrangulamiento) para aumentar el número.

13.4 Importación peroxisomal

Requisitos:
- Señal PTS1: tripeptido $\text{Ser-Lys-Leu}_{\text{COOH}}$ en extremo C (más común).
- Señal PTS2: nona-péptido cerca del extremo N.
- Peroxinas (importinas): $\text{PEX5}$ (reconoce PTS1) o $\text{PEX7}$ (reconoce PTS2).
- Proteínas del canal: $\text{PEX14 / PEX13}$ .
Particularidad: las proteínas pueden entrar plegadas (a diferencia de mitocondria/RE).

14. Resumen integrador

El código de direcciones celular está grabado en pequeñas secuencias de aa o motivos en la proteína.
La selección de la vía de transporte (poros, translocones, vesículas) asegura que cada proteína alcance su compartimento funcional.
Los errores en cualquiera de estos procesos llevan a patologías: laminopatías (lamina A), peroxisomopatías (Síndrome de Zellweger), trastornos de secreción, etc.