miniatura|360px|La maquinaria molecular que facilita la fusión de vesículas en la secreción de un neuromediador. El núcleo del complejo SNARE está configurado por un grupo de cuatro hélices alfa formado por las proteínas sinaptobrevina, sintaxina y SNAP-25, mientras que un cuarto componente, la sinaptotagmina sirve como sensor de calcio y regula la cerradura o cremallera del complejo.
Las proteínas SNARE —acrónimo derivado de su nombre en inglés 'SNAP (Soluble NSF Attachment Protein) REceptor'— o receptores de proteínas de fijación soluble de NSF son un grupo de proteínas cuyo papel principal es facilitar la fusión de las vesículas, encargadas del transporte de moléculas necesarias para el funcionamiento de las célula, con los compartimentos celulares apropiados. Se trata de una familia de proteínas grande, con al menos 24 miembros presentes en las levaduras y más de 60 en los mamíferos.
Las SNARE más estudiadas son las que median el acoplamiento de las vesículas sinápticas con la membrana presináptica en las neuronas.
Clasificación
Las proteínas SNARE pueden ser divididas en dos tipos. Las v-SNARE —donde la 'v' denota 'vesícula'— se incorporan a las membranas de las vesículas de transporte durante su formación en el compartimento celular de origen. Las t-SNARE —la 't' significa target, palabra inglesa que designa el compartimento terminal o «diana»— están asociadas con las membranas del compartimento celular de destino. Las investigaciones realizadas sugieren que las t-SNARE forman subcomplejos estables que sirven como guías para la unión de las v-SNARE para así formar el complejo SNARE. Varias proteínas SNARE se encuentran tanto en las vesículas como en las membranas diana, por lo que un esquema de clasificación más reciente toma en cuenta las características estructurales de las SNARE, dividiéndolas en R-SNARE y Q-SNARE. A menudo, las R-SNARE actúan como las v-SNARE y las Q-SNARE como las t-SNARE. Las R-SNARE se caracterizan por aportar una arginina (R) en la formación del núcleo del complejo SNARE. Entre las R-SNARE se encuentra la sinaptobrevina, localizada en las vesículas sinápticas. Las Q-SNAREs contribuyen una glutamina (Q). Las Q-SNARE incluyen la sintaxina y la SNAP-25. Las Q-SNARE se pueden clasificar a su vez como Qa, Qb o Qc, dependiendo de su ubicación en el complejo.
Estructura derecha|Superposición del núcleo del complejo SNARE. En el centro se encuentra la capa iónica cero, rodeada por capas hidrofóbicas compuestas por las cadenas laterales de leucinas.
Las SNARE son proteínas abundantes, con una estructura bastante simple. Constan de un motivo característico o motivo SNARE compuesto por seis o siete decenas de aminoácidos dispuestos en héptadas repetitivas. La mayoría tiene un único dominio transmembranal conectado al extremo carboxilo de la cadena polipeptídica que conforma el motivo SNARE, y varios dominios aminoterminales. Existen excepciones como la brevina, sin dominios adicionales en el extremo amino, y la SNAP-25, que carece de dominio transmembranal pero que se une a la membrana por palmitoilación en la región conectora entre sus dos motivos SNARE.
Las SNARE pueden anclarse a la membrana plasmática y a las membranas del retículo endoplásmico, las mitocondrias, y los peroxisomas, aunque cada SNARE diferente se acopla solo con una membrana en particular. La adaptación de las SNARE a su membrana diana se logra mediante diferencias en los aminoácidos que rodean el extremo carboxilo o en la longitud del dominio transmembrana. La sustitución del dominio transmembrana por lípidos conduce a una fase intermedia de la fusión de las bicapas lipídicas de las membranas, en la que las capas en contacto se fusionan, pero no las dos capas distales.
Las v- y t-SNARE se unen para formar un complejo en el que los dominios SNARE se disponen en un apretado haz de cuatro hélices, conocido como complejo trans-SNARE. En las vesículas sinápticas, estos complejos «trans» son extremadamente estables y se componen de tres SNARE: sintaxina y SNAP-25, ancladas a la membrana celular y sinaptobrevina —también conocida como proteína de membrana asociada a vesículas o VAMP— asociada a la membrana de la vesícula. La sinaptobrevina y sintaxina contribuyen una hélice cada una, mientas que SNAP-25 contribuye con dos, denominadas Sn1 y Sn2. Las cadenas laterales de los aminoácidos en el núcleo del complejo SNARE forman 16 capas o anillos, numerados desde -7, en el extremo amino, hasta +8, en el extremo carboxilo. Estas capas presentan carácter hidrofóbico, excepto la capa 0, en la posición central del complejo, compuesta por una arginina (R) —procedente de la sinaptobrevina— que interactúa con tres glutaminas (Q) aportadas por la sintaxina, Sn1 y Sn2 respectivamente.
Las capas de aminoácidos hidrofóbicos que flanquean la capa 0 actúan como una tapadera impermeable que la protege de las interacciones iónicas con el solvente circundante. La rotura de esta protección impermeable y la consiguiente desestabilización del complejo tras unirse al factor sensible a la N-etilmaleimida (NFS) forma parte el mecanismo de descomposición y reciclaje de los complejos SNARE después de la finalización de la exocitosis de las vesículas sinápticas.
Se ha demostrado que las SNARE localizadas en la membrana plasmática se agrupan en microdominios, cuya integridad es crítica para el proceso de exocitosis de la célula.
Mecanismo de fusión de membranas
La fusión de membranas es una serie de acontecimientos que requieren energía para superar las fuerzas electrostáticas de repulsión entre las membranas, la interrupción de la bicapa lipídica y la reformación de una nueva membrana. Las proteínas SNARE generan energía a través interacciones proteína-lípidos y proteína-proteína, que actúan como una fuerza impulsora para la fusión de membrana.
Aunque en un principio se pensaba que la fusión de membranas se iniciaba por la disociación del complejo SNARE mediante el factor sensible a la N-etilmaleimida (NSF), posteriormente se concluyó que es el ensamblaje del complejo lo que constituye el primer paso del proceso, en el que las proteínas v-SNARE y t-SNARE presentes en las dos membranas a fusionar se combinan para formar el complejo trans-SNARE. Durante la fusión, el complejo pasa a adquirir una configuración «cis», en la que todas las proteínas SNARE participantes se encuentran ancladas a la misma membrana. El complejo cis-SNARE es inactivo, y su reciclaje requiere consumo de energía en forma de ATP. El NSF disocia el complejo a través de los cofactores conocidos como SNAP o proteínas de fijación soluble de NSF.A persar de la similitud del nombre, las proteínas de fijación soluble de NSF o SNAP no deben confundirse con la proteína SNARE SNAP-25 (Proteína Asociada al Sinaptosoma de 25 kD). Tras la unión de tres moléculas de SNAP, el NSF puede actuar sobre el complejo y posibilitar la disponibilidad de las proteínas SNARE para las reacciones de fusión futuras.
Ensamblaje
La adopción de la configuración trans entre las proteínas SNARE localizadas en las dos membranas destinadas a fusionarse es fundamental para generar la fuerza necesaria para aproximar las dos membranas. El ensamblaje del complejo tiene lugar mediante el entrecruzamiento de las hélices que conforman los motivos SNARE desde el extremo amino hacia el carboxilo, comparable al cierre de una cremallera. El proceso de ensamblaje está limitado por el dominio SNARE de la sintaxina, que habitualmente se encuentra unida a la proteína Munc18 en una conformación que le imposibilita interactuar con otras proteínas SNARE. Se cree que la sintaxina adopta una configuración «abierta» favorable a la formación del complejo cuando la proteína Munc13 en complejo con RIM desaloja a la Munc18 tras la hidrólisis de una molécula de GTP unida a un las proteínas Rab3A y RIM. miniatura|derecha|Representación de la formación de un complejo trans-SNARE. Indica cómo Munc18 puede interactuar con la proteína SNARE durante la formación del complejo. También se ha sugerido que la Munc18 actúa como un catalizador de la fusión, permaneciendo asociada con el péptido N-terminal de la sintaxina para después volverse a unir al complejo SNARE de cuatro hélices recién formado. Este posible mecanismo de disociación y reasociación con los dominios SNARE podría depender de la presencia de calcio.
Cerradura y apertura del poro de fusión
miniatura|derecha| Descripción de la interacción de la proteína SNARE con las vesículas durante la exocitosis. Ensamblaje, cerradura y desacoplamiento.
Se piensa que la fuerza necesaria para juntar las dos membranas durante su fusión surge del cambio conformacional de los complejos SNARE de «trans» a «cis». Cuando se forma el complejo trans-SNARE, las proteínas v-SNARE y t-SNARE todavía se encuentran en las membranas opuestas. Parte de la energía liberada durante la formación de la superhélice del complejo SNARE es almacenada como tensión mecánica en las zonas semirrígidas que conectan los dominios transmembrana con el complejo SNARE. Esta flexión energéticamente desfavorable se reduce al mínimo cuando la vesícula y la membrana celular se alinean con el complejo SNARE; de este modo, la reducción de la tensión supera la barrera energética de repulsión entre las membranas y sus superficies se juntan.
Los siguientes pasos en el proceso de fusión consisten en la formación de una estructura lipídica en forma de tallo entre las membranas adyacentes y su consiguiente expansión y transformación en un poro de fusión. Existen varias hipótesis sobre estos procesos, aunque su naturaleza exacta y el papel que desempeñan las proteínas SNARE es objeto de debate. Algunos autores piensan que las SNARE no solo ponen las membranas en contacto, sino que promueven la expansión del poro de fusión hasta formar el porosoma. Los extremos hidrofóbicos de los lípidos que conforman la capa exterior de una de las membranas pueden insertarse en la membrana vecina cuando esta se encuentra a una distancia de un nanómetro. Se sospecha que el dominio transmembrana de las SNARE contribuye al acercamiento, quizá produciendo un abultamiento local de la membrana, porque el tallo no se forma cuando este dominio es reemplazado por lípidos. Una vez formado el tallo, la tensión mecánica del complejo SNARE provoca su expansión y la penetración de la zona carboxilo-terminal, cargada negativamente, en la membrana puede contribuir también a la apertura del poro.
Disociación
Para disociar el complejo cis-SNARE es necesario un aporte de energía por hidrólisis de ATP mediante el NSF. El NSF es una ATPasa de la superfamilia de las AAA+ o ATPasas Asociadas a diversas Actividades). El NSF no se une directamente a las proteínas SNARE, sino que actúa por medio de su cofactor alpha-SNAP. Se precisan varios ciclos catalíticos para desmontar el complejo SNARE. Este proceso permite la recaptación de la sinaptobrevina para su uso posterior en las vesículas, mientras que las otras proteínas SNARE permanecen asociadas a la membrana celular.
La inversión de energía para disociar los complejos SNARE asegura que una vez que se desencadena la fusión de vesículas, el proceso se lleva a cabo de forma espontánea y con una velocidad óptima. Un procedimiento comparable tiene lugar en los músculos, en los que las cabezas de miosina deben hidrolizar ATP para adoptar la conformación necesaria para la interacción con la actina y la consiguiente contracción muscular.
Efectos regulatorios en la exocitosis
Regulación a través de la palmitoilación de SNAP-25
La proteína Q-SNARE asociada al sinaptosoma (SNAP-25) consta de dos dominios alpha-helicoidales conectados por un segmento sin estructura secundaria definida que contiene cuatro cisteínas. Los dominios helicoidales SNARE se combinan con los de la sintaxina y sinaptobrevina para formar el complejo SNARE.