La proteólisis es la descomposición de las 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 estar catalizada por enzimas celulares llamadas proteasas , pero también puede producirse por digestión intramolecular.
La proteólisis en los organismos cumple muchas funciones; 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 , así como para prevenir la acumulación de proteínas no deseadas o mal plegadas en las células. En consecuencia, una anomalía en la regulación de la proteólisis puede causar 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.
La proteólisis limitada de un polipéptido durante o después de la traducción en la síntesis de proteínas ocurre a menudo para muchas 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 a 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 el péptido señal se escinde, y un procesamiento posterior para eliminar el propéptido de 6 residuos N-terminal produce la forma madura de la proteína. [1]
La metionina iniciadora (y, en procariotas, fMet ) puede eliminarse durante la traducción de la proteína naciente. En E. coli , fMet se elimina de manera eficiente si el segundo residuo es pequeño y no tiene carga, pero no si el segundo residuo es voluminoso y tiene carga. [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 se dirigen a un orgánulo en particular o que se secretan tienen un péptido señal N-terminal que dirige la proteína a su destino final. Este péptido señal se elimina por proteólisis después de su transporte a través de una membrana .
Algunas proteínas y la mayoría de las hormonas polipeptídicas eucariotas se sintetizan como un gran precursor polipeptídico conocido como poliproteína, que requiere una escisión proteolítica para formar cadenas polipeptídicas individuales más pequeñas. La poliproteína proopiomelanocortina (POMC) contiene muchas hormonas polipeptídicas. Sin embargo, el patrón de escisión de la POMC puede variar entre diferentes tejidos, lo que da lugar a diferentes conjuntos de hormonas polipeptídicas a partir de la misma poliproteína.
Muchos virus también producen sus proteínas inicialmente como una sola cadena polipeptídica que se tradujo a partir de un ARNm policistrónico . Este polipéptido se escinde posteriormente en cadenas polipeptídicas individuales. [1] Los nombres comunes para la poliproteína incluyen gag ( antígeno específico de grupo ) en retrovirus y ORF1ab en Nidovirales . El último nombre se refiere al hecho de que una secuencia resbaladiza en el ARNm que codifica el polipéptido causa 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 produce proinsulina después de que se ha escindido el péptido señal. 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 ocurre en la forma de proinsulina de cadena única, lo que facilita la formación de los enlaces disulfuro interpeptídicos finales y el enlace disulfuro intrapeptídico final, que se encuentran 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 estén listas para su liberación en cantidad suficiente cuando sea necesario. Esto es para garantizar que la proteasa se active solo en la ubicación o contexto correctos, ya que la activación inapropiada 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 una ligera reorganización de la estructura de la proteína que completa el sitio activo de la proteasa, activando así la proteína.
Por lo tanto, la proteólisis puede ser un método para regular los procesos biológicos convirtiendo las 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 lugar a la coagulación sanguínea. El sistema del complemento de la respuesta inmunitaria también implica una activación proteolítica secuencial compleja y una interacción que da lugar a un ataque a los patógenos invasores.
La degradación de proteínas puede tener lugar intracelular o extracelularmente. En la digestión de los alimentos, las enzimas digestivas pueden liberarse 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 especializados o intestinos , pero en muchas bacterias el alimento puede ser internalizado a través de la fagocitosis . La degradación microbiana de proteínas en el medio ambiente puede ser regulada por la disponibilidad de nutrientes. Por ejemplo, la limitación de los elementos principales en las proteínas (carbono, nitrógeno y azufre) induce la actividad proteolítica en el hongo Neurospora crassa [3] así como en las comunidades de organismos del suelo. [4]
Las proteínas de las células se descomponen en aminoácidos. Esta degradación intracelular de las proteínas cumple múltiples funciones: elimina las proteínas dañadas y anormales y evita su acumulación. También sirve para regular los procesos celulares eliminando enzimas y proteínas reguladoras que ya no son necesarias. Los aminoácidos pueden luego 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 la ubiquitina que dirige las proteínas no deseadas al proteasoma . La vía de autofagia -lisosomal normalmente es un proceso no selectivo, pero puede volverse selectivo en caso de inanición, por lo que las proteínas con la secuencia peptídica KFERQ o similar se descomponen selectivamente. El lisosoma contiene una gran cantidad de proteasas como las catepsinas .
El proceso mediado por la ubiquitina es selectivo. Las proteínas marcadas para la degradación se unen covalentemente a la ubiquitina. Muchas moléculas de ubiquitina pueden unirse en tándem a una proteína destinada a la degradación. La proteína poliubiquinada se dirige a un complejo de proteasa dependiente de ATP, el proteasoma. La ubiquitina se libera y se reutiliza, mientras que la proteína objetivo se degrada.
Las distintas proteínas se degradan a distintas 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 de control metabólico importantes pueden degradarse mucho más rápido que aquellas enzimas cuya actividad es prácticamente constante en todas las condiciones fisiológicas. Una de las proteínas que se degradan más rápidamente es la ornitina descarboxilasa , que tiene una vida media de 11 minutos. En cambio, 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 oxidación de cisteína , histidina y metionina, la ausencia de ligandos estabilizadores, la presencia de grupos carbohidrato o fosfato unidos, la presencia de un grupo α-amino libre, 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] y se ha propuesto que los segmentos desordenados facilitan el inicio eficiente de la degradación por el proteasoma . [8] [9]
La velocidad de la proteólisis también puede depender del estado fisiológico del organismo, como su estado hormonal y su estado nutricional. En épocas de inanición, la velocidad de degradación de las proteínas aumenta.
En la digestión humana , las proteínas de los alimentos se descomponen en cadenas peptídicas más pequeñas por enzimas digestivas como la pepsina , la tripsina , la quimotripsina y la elastasa , y en aminoácidos por varias enzimas como la carboxipeptidasa , la aminopeptidasa y la 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 entrar en el torrente sanguíneo. [10] Diferentes enzimas tienen diferente especificidad para su sustrato; la tripsina, por ejemplo, escinde el enlace peptídico después de un residuo cargado positivamente ( arginina y lisina ); la quimotripsina escinde el enlace después de un residuo aromático ( fenilalanina , tirosina y triptófano ); La elastasa rompe el enlace después de un pequeño residuo no polar como la alanina o la glicina.
Para evitar una activación inapropiada o prematura de las enzimas digestivas (que pueden, por ejemplo, desencadenar una autodigestión pancreática causando pancreatitis ), estas enzimas se secretan como zimógeno inactivo. El precursor de la pepsina , el pepsinógeno , es secretado por el estómago y se activa solo en el entorno ácido que se encuentra en el estómago. El páncreas secreta los precursores de varias 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 las bacterias, se utiliza una estrategia similar que consiste en emplear un zimógeno o prezimógeno inactivo. La subtilisina , que produce Bacillus subtilis , se produce como preprosubtilisina y se libera solo si se escinde el péptido señal y se ha producido la activación proteolítica autocatalítica.
La proteólisis también está involucrada en la regulación de muchos procesos celulares mediante la activación o desactivación de 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 que desempeñan un papel importante en el 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 son los productos proteicos de los protooncogenes, que desempeñan un papel central 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 regula la salida de la mitosis y el avance hacia el siguiente ciclo celular . [13] Las ciclinas se acumulan en el transcurso del ciclo celular y luego desaparecen abruptamente justo antes de la anafase de la mitosis. Las ciclinas se eliminan a través de una vía proteolítica mediada por ubiquitina.
Las caspasas son un grupo importante de proteasas que participan en la apoptosis o muerte celular programada . Los precursores de la caspasa, la procaspasa, pueden activarse por proteólisis a través de su asociación con un complejo proteico que forma el apoptosoma , o por la granzima B , o a través de las vías del receptor de muerte .
La autoproteólisis tiene lugar en algunas proteínas, por lo que 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 posteriores a la escisión. Los ejemplos incluyen la escisión del enlace Asp-Pro en un subconjunto de dominios del factor de von Willebrand tipo D (VWD) [14] [15] y el dominio de autoprocesamiento FrpC de Neisseria meningitidis , [16] la escisión del enlace Asn-Pro en la proteína FlhB de Salmonella , [17] la proteína YscU de Yersinia , [18] así como la escisión del enlace Gly-Ser en un subconjunto de dominios de proteína de esperma de erizo de mar, enteroquinasa y agrina (SEA). [19] En algunos casos, la escisión autoproteolítica es promovida por la tensión conformacional del enlace peptídico. [19]
La actividad proteolítica anormal se asocia 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 en el espacio extracelular que descomponen los tejidos circundantes. La proteólisis anormal puede dar lugar a 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 ser reguladas por antiproteasas o inhibidores de proteasas , y el desequilibrio entre proteasas y antiproteasas puede dar lugar a enfermedades, por ejemplo, en la destrucción de tejidos pulmonares en el enfisema provocado por fumar tabaco. Se cree que fumar aumenta los neutrófilos y macrófagos en el pulmón que liberan una cantidad excesiva de enzimas proteolíticas como la elastasa , de modo que ya no pueden ser inhibidas por serpinas como la α 1 -antitripsina , lo que da lugar a la descomposición de los tejidos conectivos en el pulmón. Otras proteasas y sus inhibidores también pueden estar implicados en esta enfermedad, 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 la malignidad .
Las cadenas principales de proteínas son muy estables en agua a pH neutro y temperatura ambiente, aunque la velocidad de hidrólisis de los diferentes enlaces peptídicos puede variar. La vida media de un enlace peptídico en condiciones normales puede oscilar entre 7 y 350 años, incluso más para los péptidos protegidos por un extremo modificado o dentro del interior de la proteína. [23] [24] [25] Sin embargo, la velocidad de hidrólisis puede aumentar significativamente en condiciones extremas de pH y calor. La escisión espontánea de proteínas también puede implicar la 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 aproximadamente 24 horas en ácido clorhídrico 6M . [27] Sin embargo, algunas proteínas son resistentes a la hidrólisis ácida. Un ejemplo bien conocido es la ribonucleasa A , que se puede purificar tratando extractos crudos con ácido sulfúrico caliente de modo que otras proteínas se degraden mientras que la ribonucleasa A permanece intacta. [28]
Ciertas sustancias químicas provocan proteólisis solo después de residuos específicos, y estos pueden utilizarse para descomponer selectivamente una proteína en polipéptidos más pequeños para su análisis en el 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 . Se pueden utilizar ácidos como el ácido trifluoroacético y el ácido fórmico para la escisión.
Al igual que otras biomoléculas, las proteínas también pueden descomponerse únicamente con altas temperaturas. A 250 °C, el enlace peptídico puede hidrolizarse fácilmente, y su vida media se reduce a aproximadamente un minuto. [27] [30] Las proteínas también pueden descomponerse sin hidrólisis a través de la pirólisis ; pueden comenzar a formarse pequeños compuestos heterocíclicos tras la degradación. Por encima de los 500 °C, también pueden formarse hidrocarburos aromáticos policíclicos , [31] [32] lo que resulta de interés para 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 involucrado en su sitio activo. [39]
Ciertos tipos de veneno, como los producidos por las serpientes venenosas , también pueden causar 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 los siguientes:
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