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Clan PA de proteasas

El clan PA ( proteasas de nucleófilo mixto, superfamilia A ) es el grupo más grande de proteasas con ascendencia común identificada por homología estructural . Los miembros tienen un plegamiento similar a la quimotripsina y mecanismos de proteólisis similares , pero pueden tener una identidad de <10%. El clan contiene proteasas de cisteína y serina (diferentes nucleófilos ). [1] [2] Las proteasas del clan PA se pueden encontrar en plantas , [3] animales , [3] hongos , [3] eubacterias , [4] arqueas [5] [6] y virus . [2]

El uso común de la tríada catalítica para la hidrólisis por parte de múltiples clanes de proteasas, incluido el clan PA, representa un ejemplo de evolución convergente . [7] Las diferencias en la tríada catalítica dentro del clan PA también son un ejemplo de evolución divergente de sitios activos en enzimas. [2]

Historia

En la década de 1960, la similitud de secuencias de varias proteasas indicó que estaban relacionadas evolutivamente. [8] Estas se agruparon en las proteasas de serina similares a la quimotripsina [9] (ahora llamadas la familia S1). A medida que las estructuras de estas y otras proteasas se resolvieron mediante cristalografía de rayos X en las décadas de 1970 y 1980, se observó que varias proteasas virales, como la proteasa del virus del grabado del tabaco, mostraban homología estructural a pesar de no tener una similitud de secuencia discernible e incluso un nucleófilo diferente. [2] [10] [11] Con base en la homología estructural, se definió una superfamilia y luego se denominó clan PA (por el sistema de clasificación MEROPS ). A medida que se resuelven más estructuras, se han agregado más familias de proteasas a la superfamilia del clan PA. [12] [13]

Etimología

La P se refiere a las Proteasas de nucleófilo mixto. La A indica que fue el primer clan de este tipo en ser identificado (también existen los clanes PB, PC, PD y PE). [1]

Estructura

Homología estructural en la superfamilia PA. El doble barril beta que caracteriza a la superfamilia está resaltado en rojo. Se muestran estructuras representativas de varias familias dentro de la superfamilia PA. Nótese que algunas proteínas muestran una estructura parcialmente modificada. Quimotripsina ( PDB : 1gg6 ), trombina ( PDB : 1mkx ), proteasa del virus del grabado del tabaco ( PDB : 1lvm ), calicivirina ( PDB : 1wqs ), proteasa del virus del Nilo occidental ( PDB : 1fp7 ), toxina exfoliatina ( PDB : 1exf ), proteasa HtrA ( PDB : 1l1j ), activador del plasminógeno del veneno de serpiente ( PDB : 1bqy ), proteasa del cloroplasto ( PDB : 4fln ) y proteasa del virus de la arteritis equina ( PDB : 1mbm ).
Arriba, conservación de secuencias de 250 miembros del clan de proteasas PA ( superfamilia ). Abajo, conservación de secuencias de 70 miembros de la familia de proteasas C04. Las flechas indican residuos de la tríada catalítica . Alineado sobre la base de la estructura por DALI
Estructura superficial de la proteasa TEV. La extensión C-terminal solo está presente en los miembros virales del clan PA de proteasas similares a la quimotripsina como (a) superficie con bucle en azul (b) estructura secundaria y (c) masilla de factor b (las regiones más anchas indican mayor flexibilidad) para la estructura de la proteasa TEV. Sustrato en negro, tríada del sitio activo en rojo. Los 15 aminoácidos finales (222-236) del extremo C de la enzima no son visibles en la estructura porque son demasiado flexibles. ( PDB : 1lvm, 1lvb ​)

A pesar de retener tan sólo un 10% de identidad de secuencia, los miembros del clan PA aislados de virus, procariotas y eucariotas muestran homología estructural y pueden alinearse por similitud estructural (por ejemplo, con DALI ). [3]

Doble barril β

Todas las proteasas del clan PA comparten un motivo central de dos barriles β con catálisis covalente realizada por un motivo de tríada catalítica de ácido-histidina-nucleófilo . Los barriles están dispuestos perpendicularmente uno al lado del otro con residuos hidrofóbicos que los mantienen unidos como el andamiaje central para la enzima. Los residuos de la tríada se dividen entre los dos barriles para que la catálisis tenga lugar en su interfaz. [14]

Bucle de proteasa viral

Además del núcleo de doble barril β, algunas proteasas virales (como la proteasa TEV ) tienen un bucle C-terminal largo y flexible que forma una tapa que cubre completamente el sustrato y crea un túnel de unión. Este túnel contiene un conjunto de bolsillos de unión ajustados de modo que cada cadena lateral del péptido sustrato (P6 a P1') está unida en un sitio complementario (S6 a S1') y la especificidad está dotada por la gran área de contacto entre la enzima y el sustrato. [11] Por el contrario, las proteasas celulares que carecen de este bucle, como la tripsina , tienen una especificidad más amplia .

Evolución y función

Actividad catalítica

Divergencia evolutiva de las tríadas catalíticas para utilizar diferentes nucleófilos. Se muestran la tríada de serina de la quimotripsina ( clan PA , familia S1) y la tríada de cisteína de la proteasa TEV ( clan PA , familia C3).

La homología estructural indica que los miembros del clan PA descienden de un ancestro común del mismo pliegue. Aunque las proteasas del clan PA utilizan una tríada catalítica para realizar una catálisis nucleofílica de dos pasos , [7] algunas familias utilizan serina como nucleófilo mientras que otras utilizan cisteína . [2] Por lo tanto, la superfamilia es un ejemplo extremo de evolución enzimática divergente , ya que durante la historia evolutiva, el residuo catalítico central de la enzima ha cambiado en diferentes familias. [15] Además de su similitud estructural, se ha demostrado que la evolución dirigida puede convertir una proteasa de cisteína en una proteasa de serina activa. [16] Todas las proteasas celulares del clan PA son proteasas de serina , sin embargo, existen familias de proteasas de serina y cisteína de proteasas virales. [7] La ​​mayoría son endopeptidasas , con la excepción de la familia S46 de exopeptidasas . [17] [18]

Papel biológico y especificidad del sustrato

Además de la divergencia en su maquinaria catalítica central, las proteasas del clan PA también muestran una amplia evolución divergente en la función. Los miembros del clan PA se pueden encontrar en eucariotas , procariotas y virus y abarcan una amplia gama de funciones. En los mamíferos, algunos están involucrados en la coagulación sanguínea (por ejemplo, la trombina ) y, por lo tanto, tienen una alta especificidad de sustrato, así como en la digestión (por ejemplo, la tripsina ) con una amplia especificidad de sustrato. Varios venenos de serpiente también son proteasas del clan PA, como la hemotoxina de la víbora de foseta , e interfieren con la cascada de coagulación sanguínea de la víctima. Además, bacterias como Staphylococcus aureus secretan una toxina exfoliativa que digiere y daña los tejidos del huésped. Muchos virus expresan su genoma como una única poliproteína masiva y utilizan una proteasa del clan PA para escindirla en unidades funcionales (por ejemplo, las proteasas de la polio , el norovirus y el TEV ). [19] [20]

También hay varias pseudoenzimas en la superfamilia, donde los residuos de la tríada catalítica han sido mutados y, por lo tanto, funcionan como proteínas de unión. [21] Por ejemplo, la proteína de unión a la heparina, azurocidina, tiene una glicina en lugar del nucleófilo y una serina en lugar de la histidina. [22]

Familias

Dentro del clan PA (P=proteasas de nucleófilos mixtos ), las familias se designan por su nucleófilo catalítico (C= proteasas de cisteína , S= proteasas de serina ). A pesar de la falta de homología de secuencia para el clan PA en su conjunto, las familias individuales dentro de él pueden identificarse por similitud de secuencia.

Véase también

Referencias

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  4. ^ Barbosa JA, Saldanha JW, Garratt RC (julio de 1996). "Características novedosas de los sitios activos y los bolsillos de especificidad de las serina proteasas: análisis de secuencias y estudios de modelado de endopeptidasas específicas del glutamato y toxinas epidermolíticas". Ingeniería de proteínas . 9 (7): 591–601. doi : 10.1093/protein/9.7.591 . PMID  8844831.
  5. ^ "MEROPS - Proteasas Archaeal S01".[ enlace muerto permanente ]
  6. ^ Ruiz-Perez F, Nataro JP (marzo de 2014). "Serina proteasas bacterianas secretadas por la vía del autotransportador: clasificación, especificidad y papel en la virulencia". Ciencias de la vida celular y molecular . 71 (5): 745–70. doi :10.1007/s00018-013-1355-8. PMC 3871983 . PMID  23689588. 
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