Sistemas de secreción. Nature Reviews Microbiology 5, (November 2007)

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Texto completo

(1)

Sistemas

de

secreción

(2)

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

(3)

Transporte de

proteínas

dominios de la vida.Ocurre en las células de los tres

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.

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.

Mechanisms of regulated

unconventional protein secretion Walter Nickel & Catherine Rabouille Nature Reviews Molecular Cell Biology 10, 148-155 (February 2009)

(4)

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.

(5)

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.

(6)

Sistema Sec

 Componentes:

1. Péptido líder

2. Proteína chaperona (SecB)

3. Complejo de proteínas de unión (SecYEG) 4. ATPasa citoplasmática (SecA)

General Secretory Pathway (GSP). Sistema de translocación y exportación de proteínas no plegadas.

(7)

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.

Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (Nov 2007)

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.

(8)

Sistema Sec

1. Reconocimiento y guía a la proteína (translocación co-traduccional y post-traduccional)

2. Translocación.

3. Liberación y maduración.

(9)

Translocación post-traduccional.

Sistema Sec.

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).

(10)

Translocación post-traduccional.

Sistema Sec.

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.

(11)

Translocación de la

pre-proteína

dependiente de

SecA

Nature Reviews Microbiology 5, 839-851 (Nov 2007)

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). Contornos irregulares indican cambios conformacionales. La línea gruesa de color naranja representa a la pre-secreción de proteínas y el rectángulo naranja representa el N-terminal del péptido de señal.

D: ADP T: ATP.

(12)

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.

(13)

Sec en diferentes organismos

Nature Reviews Microbiology 4, 537-547 (July 2006)

(14)

Composición de la translocasa

Sec en los dominios de la vida

(15)

Sistema Tat

Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 350-356, 2001.

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

(16)

Componentes twin-arginine

translocase (Tat)

Peptido señal (SRRxFLK) en el extremo amino terminal.

3 Dominios

Amino terminal, cargada positivamente.

Hidrofóbico

Carboxilo terminal

Corte de la peptidasa

(17)

Péptido señal

(18)

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

Nomen

clatura

de aminoá

cid

os

(19)

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.

(20)

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.

(21)

Modelo Tat

(22)

Translocasa YidC

EMBO reports 4, 10, 939–943 (2003)

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

(23)

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.

(24)

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 Sec-SRP) o independiente de ella.

(25)

YidC como

única vía de

inserción de

(26)

Inserción por las

translocasas

Sec y YidC en la 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

(27)

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).

(28)

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

(29)

Sistemas de secreción en

bacterias

(30)

Propuesta. Biogénesis de la

membrana externa

Nature Reviews Microbiology 4, 57-66, 2006

(31)

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.

(32)

Principales sistemas de

secreción en bacterias Gram

negativas

(33)

Chaperonas

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. Secreta estructuras de

virulencia como las fimbrias P y tipo 1 en E. coli uropatógena.

(34)

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.

(35)

SSTV. Autotransportadores

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.

Transporta proteínas con diferentes

funciones: proteasas, tóxinas, invasinas, adhesinas.

(36)

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.

(37)

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.

(38)

SSTII

El sistema de secreción tipo II es empleado para la biogénesis de la fimbria tipo IV y para el flagelo de las arqueas.

(39)

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).

(40)

SSTI

1. La secuencia exportar es reconocida por lasecuencia 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.

(41)

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.

(42)

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.

(43)

Secreción de factores de

virulencia

(44)

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.

(45)

SSTIV

(46)

SSTVI

THE EMBO JOURNAL (2009) 28, 309 - 310

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.

(47)

Infección por Rhizobium

(SSTIII y SSTIV)

(48)

SSTVII

(ESX)

Presente en Mycobacterium. SecA-1 (GSP) SecA-2 (Vía alternativa) Tat Sistemas especializados (ESAT-6-, SNM-, ESX-, or type VII secretion)

Figure

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