La proteólisis es la descomposición de proteínas en polipéptidos o aminoácidos más pequeños . Sin catalizar, la hidrólisis de los enlaces peptídicos es extremadamente lenta y lleva cientos de años. La proteólisis suele ser catalizada por enzimas celulares llamadas proteasas , pero también puede ocurrir por digestión intramolecular.
La proteólisis en los organismos tiene muchos propósitos; por ejemplo, las enzimas digestivas descomponen las proteínas de los alimentos para proporcionar aminoácidos al organismo, mientras que el procesamiento proteolítico de una cadena polipeptídica después de su síntesis puede ser necesario para la producción de una proteína activa. También es importante en la regulación de algunos procesos fisiológicos y celulares, incluida la apoptosis , además de prevenir la acumulación de proteínas no deseadas o mal plegadas en las células. En consecuencia, una anomalía en la regulación de la proteólisis puede provocar enfermedades.
La proteólisis también se puede utilizar como herramienta analítica para estudiar proteínas en el laboratorio y también se puede utilizar en la industria, por ejemplo en el procesamiento de alimentos y la eliminación de manchas.
Para muchas proteínas a menudo se produce una proteólisis limitada de un polipéptido durante o después de la traducción en la síntesis de proteínas . Esto puede implicar la eliminación de la metionina N-terminal , el péptido señal y/o la conversión de una proteína inactiva o no funcional en una activa. El precursor de la forma funcional final de la proteína se denomina proproteína , y estas proproteínas pueden sintetizarse primero como preproproteína. Por ejemplo, la albúmina se sintetiza primero como preproalbúmina y contiene un péptido señal no escindido. Esto forma la proalbúmina después de que se escinde el péptido señal, y un procesamiento adicional para eliminar el propéptido de 6 residuos N-terminal produce la forma madura de la proteína. [1]
La metionina inicial (y, en procariotas, fMet ) puede eliminarse durante la traducción de la proteína naciente. Para E. coli , fMet se elimina eficazmente si el segundo residuo es pequeño y no está cargado, pero no si el segundo residuo es voluminoso y está cargado. [2] Tanto en procariotas como en eucariotas , el residuo N-terminal expuesto puede determinar la vida media de la proteína de acuerdo con la regla del extremo N.
Las proteínas que deben dirigirse a un orgánulo particular o para su secreción tienen un péptido señal N-terminal que dirige la proteína a su destino final. Este péptido señal se elimina mediante proteólisis tras su transporte a través de una membrana .
Algunas proteínas y la mayoría de las hormonas polipeptídicas eucariotas se sintetizan como un polipéptido precursor grande conocido como poliproteína que requiere escisión proteolítica en cadenas polipeptídicas individuales más pequeñas. La poliproteína proopiomelanocortina (POMC) contiene muchas hormonas polipeptídicas. Sin embargo, el patrón de escisión de POMC puede variar entre diferentes tejidos, produciendo diferentes conjuntos de hormonas polipeptídicas a partir de la misma poliproteína.
Muchos virus también producen sus proteínas inicialmente como una única cadena polipeptídica que se tradujo a partir de un ARNm policistrónico . A continuación, este polipéptido se escinde en cadenas polipeptídicas individuales. [1] Los nombres comunes para la poliproteína incluyen gag ( antígeno específico de grupo ) en los retrovirus y ORF1ab en los Nidovirales . Este último nombre se refiere al hecho de que una secuencia resbaladiza en el ARNm que codifica el polipéptido provoca un cambio de marco ribosómico , lo que lleva a dos longitudes diferentes de cadenas peptídicas ( a y ab ) en una proporción aproximadamente fija.
Muchas proteínas y hormonas se sintetizan en forma de sus precursores: zimógenos , proenzimas y prehormonas . Estas proteínas se escinden para formar sus estructuras activas finales. La insulina , por ejemplo, se sintetiza como preproinsulina , que después de escindir el péptido señal produce proinsulina . Luego, la proinsulina se escinde en dos posiciones para producir dos cadenas polipeptídicas unidas por dos enlaces disulfuro . La eliminación de dos residuos C-terminales de la cadena B produce la insulina madura. El plegamiento de proteínas se produce en la forma de proinsulina monocatenaria, lo que facilita la formación de los enlaces disulfuro interpeptídicos finales y del enlace disulfuro intrapéptido final, que se encuentra en la estructura nativa de la insulina.
Las proteasas en particular se sintetizan en forma inactiva para que puedan almacenarse de forma segura en las células y estar listas para liberarse en cantidad suficiente cuando sea necesario. Esto es para garantizar que la proteasa se active solo en el lugar o contexto correcto, ya que una activación inadecuada de estas proteasas puede ser muy destructiva para un organismo. La proteólisis del zimógeno produce una proteína activa; por ejemplo, cuando el tripsinógeno se escinde para formar tripsina , se produce un ligero reordenamiento de la estructura proteica que completa el sitio activo de la proteasa, activándose así la proteína.
Por tanto, la proteólisis puede ser un método para regular los procesos biológicos convirtiendo proteínas inactivas en activas. Un buen ejemplo es la cascada de coagulación sanguínea en la que un evento inicial desencadena una cascada de activación proteolítica secuencial de muchas proteasas específicas, lo que da como resultado la coagulación sanguínea. El sistema del complemento de la respuesta inmune también implica una compleja activación e interacción proteolítica secuencial que resulta en un ataque a patógenos invasores.
La degradación de proteínas puede tener lugar intracelular o extracelularmente. En la digestión de los alimentos, se pueden liberar enzimas digestivas al medio ambiente para la digestión extracelular mediante la cual la escisión proteolítica rompe las proteínas en péptidos y aminoácidos más pequeños para que puedan ser absorbidos y utilizados. En los animales, el alimento puede procesarse extracelularmente en órganos o intestinos especializados , pero en muchas bacterias el alimento puede internalizarse mediante fagocitosis . La degradación microbiana de las proteínas en el medio ambiente puede regularse mediante la disponibilidad de nutrientes. Por ejemplo, la limitación de elementos principales en las proteínas (carbono, nitrógeno y azufre) induce actividad proteolítica en el hongo Neurospora crassa [3] , así como en comunidades de organismos del suelo. [4]
Las proteínas de las células se descomponen en aminoácidos. Esta degradación intracelular de proteínas cumple múltiples funciones: elimina proteínas dañadas y anormales y previene su acumulación. También sirve para regular los procesos celulares eliminando enzimas y proteínas reguladoras que ya no son necesarias. Luego, los aminoácidos pueden reutilizarse para la síntesis de proteínas.
La degradación intracelular de proteínas se puede lograr de dos maneras: proteólisis en el lisosoma o un proceso dependiente de ubiquitina que dirige proteínas no deseadas al proteosoma . La vía autofagia -lisosomal normalmente es un proceso no selectivo, pero puede volverse selectivo tras la inanición, por lo que las proteínas con secuencia peptídica KFERQ o similar se descomponen selectivamente. El lisosoma contiene una gran cantidad de proteasas como las catepsinas .
El proceso mediado por ubiquitina es selectivo. Las proteínas marcadas para la degradación están unidas covalentemente a la ubiquitina. Muchas moléculas de ubiquitina pueden estar unidas en conjunto a una proteína destinada a la degradación. La proteína poliubiquinada está dirigida a un complejo de proteasa dependiente de ATP, el proteosoma. La ubiquitina se libera y se reutiliza, mientras que la proteína objetivo se degrada.
Diferentes proteínas se degradan a diferentes velocidades. Las proteínas anormales se degradan rápidamente, mientras que la velocidad de degradación de las proteínas normales puede variar ampliamente según sus funciones. Las enzimas en puntos importantes de control metabólico pueden degradarse mucho más rápido que aquellas enzimas cuya actividad es en gran medida constante en todas las condiciones fisiológicas. Una de las proteínas que se degrada más rápidamente es la ornitina descarboxilasa , que tiene una vida media de 11 minutos. Por el contrario, otras proteínas como la actina y la miosina tienen una vida media de un mes o más, mientras que, en esencia, la hemoglobina dura toda la vida de un eritrocito . [5]
La regla del extremo N puede determinar parcialmente la vida media de una proteína, y las proteínas con segmentos ricos en prolina , ácido glutámico , serina y treonina (las llamadas proteínas PEST ) tienen una vida media corta. [6] Otros factores que se sospecha que afectan la tasa de degradación incluyen la tasa de desaminación de glutamina y asparagina y la oxidación de cisteína , histidina y metionina, la ausencia de ligandos estabilizadores, la presencia de carbohidratos o grupos fosfato unidos, la presencia de α-amino libre grupo, la carga negativa de la proteína y la flexibilidad y estabilidad de la proteína. [5] Las proteínas con mayores grados de desorden intrínseco también tienden a tener una vida media celular corta, [7] habiéndose propuesto segmentos desordenados para facilitar el inicio eficiente de la degradación por parte del proteosoma . [8] [9]
La tasa de proteólisis también puede depender del estado fisiológico del organismo, como su estado hormonal y su estado nutricional. En tiempos de hambruna, la tasa de degradación de proteínas aumenta.
En la digestión humana , las proteínas de los alimentos se descomponen en cadenas peptídicas más pequeñas mediante enzimas digestivas como pepsina , tripsina , quimotripsina y elastasa , y en aminoácidos mediante diversas enzimas como carboxipeptidasa , aminopeptidasa y dipeptidasa . Es necesario descomponer las proteínas en pequeños péptidos (tripéptidos y dipéptidos) y aminoácidos para que puedan ser absorbidos por los intestinos, y los tripéptidos y dipéptidos absorbidos también se descomponen en aminoácidos intracelularmente antes de ingresar al torrente sanguíneo. [10] Diferentes enzimas tienen diferente especificidad por su sustrato; la tripsina, por ejemplo, escinde el enlace peptídico tras un residuo cargado positivamente ( arginina y lisina ); la quimotripsina escinde el enlace tras un residuo aromático ( fenilalanina , tirosina y triptófano ); La elastasa escinde el enlace después de un pequeño residuo no polar como alanina o glicina.
Para evitar una activación inadecuada o prematura de las enzimas digestivas (que pueden, por ejemplo, desencadenar la autodigestión pancreática y causar pancreatitis ), estas enzimas se secretan como zimógeno inactivo. El precursor de la pepsina , el pepsinógeno , es secretado por el estómago y se activa sólo en el ambiente ácido que se encuentra en el estómago. El páncreas secreta los precursores de una serie de proteasas como la tripsina y la quimotripsina . El zimógeno de la tripsina es el tripsinógeno , que es activado por una proteasa muy específica, la enteroquinasa , secretada por la mucosa del duodeno . La tripsina, una vez activada, también puede escindir otros tripsinógenos, así como los precursores de otras proteasas como la quimotripsina y la carboxipeptidasa, para activarlos.
En bacterias, se utiliza una estrategia similar de emplear un zimógeno o prezimógeno inactivo. La subtilisina , que es producida por Bacillus subtilis , se produce como preprosubtilisina y se libera solo si el péptido señal se escinde y se ha producido una activación proteolítica autocatalítica.
La proteólisis también participa en la regulación de muchos procesos celulares activando o desactivando enzimas, factores de transcripción y receptores, por ejemplo en la biosíntesis del colesterol, [11] o la mediación de la señalización de la trombina a través de receptores activados por proteasas . [12]
Algunas enzimas en importantes puntos de control metabólico, como la ornitina descarboxilasa, están reguladas completamente por su tasa de síntesis y su tasa de degradación. Otras proteínas que se degradan rápidamente incluyen los productos proteicos de los protooncogenes, que desempeñan funciones centrales en la regulación del crecimiento celular.
Las ciclinas son un grupo de proteínas que activan las quinasas implicadas en la división celular. La degradación de las ciclinas es el paso clave que gobierna la salida de la mitosis y el progreso hacia el siguiente ciclo celular . [13] Las ciclinas se acumulan en el curso del ciclo celular y luego desaparecen abruptamente justo antes de la anafase de la mitosis. Las ciclinas se eliminan mediante una vía proteolítica mediada por ubiquitina.
Las caspasas son un grupo importante de proteasas implicadas en la apoptosis o muerte celular programada . Los precursores de la caspasa, la procaspasa, pueden activarse mediante proteólisis mediante su asociación con un complejo proteico que forma el apoptosoma , o mediante la granzima B , o mediante las vías del receptor de muerte .
En algunas proteínas tiene lugar la autoproteólisis, mediante la cual el enlace peptídico se escinde en una reacción intramolecular autocatalizada . A diferencia de los zimógenos , estas proteínas autoproteolíticas participan en una reacción de "recambio único" y no catalizan reacciones adicionales posteriores a la escisión. Los ejemplos incluyen la escisión del enlace Asp-Pro en un subconjunto de dominios del factor von Willebrand tipo D (VWD) [14] [15] y el dominio de autoprocesamiento FrpC de Neisseria meningitidis , [16] escisión del enlace Asn-Pro en Salmonella FlhB proteína, [17] proteína Yersinia YscU, [18] así como la escisión del enlace Gly-Ser en un subconjunto de dominios de proteína, enteroquinasa y agrina (SEA) del esperma de erizo de mar. [19] En algunos casos, la escisión autoproteolítica es promovida por una tensión conformacional del enlace peptídico. [19]
La actividad proteolítica anormal está asociada con muchas enfermedades. [20] En la pancreatitis , la fuga de proteasas y su activación prematura en el páncreas da como resultado la autodigestión del páncreas . Las personas con diabetes mellitus pueden tener una mayor actividad lisosomal y la degradación de algunas proteínas puede aumentar significativamente. Las enfermedades inflamatorias crónicas, como la artritis reumatoide, pueden implicar la liberación de enzimas lisosomales al espacio extracelular que descomponen los tejidos circundantes. La proteólisis anormal puede provocar muchas enfermedades neurológicas relacionadas con la edad, como el Alzheimer , debido a la generación y eliminación ineficaz de péptidos que se agregan en las células. [21]
Las proteasas pueden estar reguladas por antiproteasas o inhibidores de proteasas , y el desequilibrio entre proteasas y antiproteasas puede provocar enfermedades, por ejemplo, la destrucción de los tejidos pulmonares en el enfisema provocado por fumar tabaco. Se cree que fumar aumenta los neutrófilos y macrófagos en los pulmones, los cuales liberan una cantidad excesiva de enzimas proteolíticas como la elastasa , de manera que ya no pueden ser inhibidas por serpinas como la α 1 -antitripsina , lo que resulta en la degradación de los tejidos conectivos en el pulmón. En esta enfermedad también pueden estar implicadas otras proteasas y sus inhibidores, por ejemplo las metaloproteinasas de matriz (MMP) y los inhibidores tisulares de metaloproteinasas (TIMP). [22]
Otras enfermedades relacionadas con la proteólisis aberrante incluyen la distrofia muscular , los trastornos degenerativos de la piel, las enfermedades respiratorias y gastrointestinales y las neoplasias malignas .
Las cadenas principales de proteínas son muy estables en agua a pH neutro y temperatura ambiente, aunque la tasa de hidrólisis de diferentes enlaces peptídicos puede variar. La vida media de un enlace peptídico en condiciones normales puede oscilar entre 7 y 350 años, incluso mayor para péptidos protegidos por un extremo modificado o dentro del interior de la proteína. [23] [24] [25] Sin embargo, la tasa de hidrólisis puede aumentar significativamente mediante niveles extremos de pH y calor. La escisión espontánea de proteínas también puede implicar catálisis por zinc sobre serina y treonina. [26]
Los ácidos minerales fuertes pueden hidrolizar fácilmente los enlaces peptídicos de una proteína ( hidrólisis ácida ). La forma estándar de hidrolizar una proteína o un péptido en sus aminoácidos constituyentes para su análisis es calentarlo a 105 °C durante unas 24 horas en ácido clorhídrico 6 M. [27] Sin embargo, algunas proteínas son resistentes a la hidrólisis ácida. Un ejemplo bien conocido es la ribonucleasa A , que puede purificarse tratando extractos crudos con ácido sulfúrico caliente para que otras proteínas se degraden mientras la ribonucleasa A se deja intacta. [28]
Ciertos productos químicos causan proteólisis sólo después de residuos específicos, y estos pueden usarse para descomponer selectivamente una proteína en polipéptidos más pequeños para análisis de laboratorio. [29] Por ejemplo, el bromuro de cianógeno escinde el enlace peptídico después de una metionina . Se pueden utilizar métodos similares para escindir específicamente enlaces peptídicos triptofanilo , aspartilo , cisteinilo y asparaginilo . Para la escisión se pueden utilizar ácidos tales como ácido trifluoroacético y ácido fórmico .
Al igual que otras biomoléculas, las proteínas también pueden descomponerse únicamente con altas temperaturas. A 250 °C, el enlace peptídico se puede hidrolizar fácilmente y su vida media se reduce a aproximadamente un minuto. [27] [30] La proteína también se puede descomponer sin hidrólisis mediante pirólisis ; pueden comenzar a formarse pequeños compuestos heterocíclicos tras la degradación. Por encima de 500 °C, también se pueden formar hidrocarburos aromáticos policíclicos , [31] [32] , lo que es de interés en el estudio de la generación de carcinógenos en el humo del tabaco y la cocción a altas temperaturas. [33] [34]
La proteólisis también se utiliza en aplicaciones de investigación y diagnóstico:
Las proteasas pueden clasificarse según el grupo catalítico implicado en su sitio activo. [39]
Ciertos tipos de veneno, como los producidos por las serpientes venenosas , también pueden provocar proteólisis. Estos venenos son, de hecho, fluidos digestivos complejos que comienzan su trabajo fuera del cuerpo. Los venenos proteolíticos causan una amplia gama de efectos tóxicos, [40] incluidos efectos que son:
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