stringtranslate.com

Proteasa

Diagrama de cinta de una proteasa ( proteasa TEV ) complejada con su sustrato peptídico en negro con residuos catalíticos en rojo. ( PDB : 1LVB ​)

Una proteasa (también llamada peptidasa , proteinasa o enzima proteolítica ) [1] es una enzima que cataliza la proteólisis , descomponiendo las proteínas en polipéptidos más pequeños o aminoácidos individuales y estimulando la formación de nuevos productos proteicos. [2] Lo hacen escindiendo los enlaces peptídicos dentro de las proteínas por hidrólisis , una reacción en la que el agua rompe los enlaces . Las proteasas están involucradas en numerosas vías biológicas, incluida la digestión de proteínas ingeridas, el catabolismo proteico (descomposición de proteínas viejas), [3] [4] y la señalización celular .

En ausencia de aceleradores funcionales, la proteólisis sería muy lenta y tardaría cientos de años . [5] Las proteasas se pueden encontrar en todas las formas de vida y en los virus . Han evolucionado de forma independiente varias veces y diferentes clases de proteasas pueden realizar la misma reacción mediante mecanismos catalíticos completamente diferentes .

Clasificación

Basado en residuo catalítico

Las proteasas se pueden clasificar en siete grandes grupos: [6]

Las proteasas se agruparon por primera vez en 84 familias según su relación evolutiva en 1993, y se clasificaron en cuatro tipos catalíticos: serina , cisteína , aspártico y metaloproteasas . [7] Las proteasas de treonina y glutámico no se describieron hasta 1995 y 2004 respectivamente. El mecanismo utilizado para escindir un enlace peptídico implica hacer que un residuo de aminoácido que tenga la cisteína y la treonina (proteasas) o una molécula de agua (aspártico, glutámico y metaloproteasas) sea nucleófilo para que pueda atacar al grupo carbonilo del péptido . Una forma de hacer un nucleófilo es mediante una tríada catalítica , donde se utiliza un residuo de histidina para activar la serina , la cisteína o la treonina como nucleófilo. Sin embargo, no se trata de una agrupación evolutiva, ya que los tipos de nucleófilos han evolucionado de manera convergente en diferentes superfamilias , y algunas superfamilias muestran una evolución divergente hacia múltiples nucleófilos diferentes. Las metaloproteasas, las proteasas aspárticas y glutámicas utilizan los residuos de su sitio activo para activar una molécula de agua, que luego ataca el enlace escindible. [8]

Liasas de péptidos

En 2011 se describió un séptimo tipo catalítico de enzimas proteolíticas, la asparagina péptido liasa . Su mecanismo proteolítico es inusual ya que, en lugar de hidrólisis , realiza una reacción de eliminación . [9] Durante esta reacción, la asparagina catalítica forma una estructura química cíclica que se escinde a sí misma en los residuos de asparagina en las proteínas en las condiciones adecuadas. Dado su mecanismo fundamentalmente diferente, su inclusión como peptidasa puede ser discutible. [9]

Basado en la filogenia evolutiva

Una clasificación actualizada de las superfamilias evolutivas de proteasas se encuentra en la base de datos MEROPS. [10] En esta base de datos, las proteasas se clasifican en primer lugar por "clan" ( superfamilia ) según la estructura, el mecanismo y el orden de los residuos catalíticos (por ejemplo, el clan PA donde P indica una mezcla de familias de nucleófilos). Dentro de cada "clan", las proteasas se clasifican en familias según la similitud de secuencia (por ejemplo, las familias S1 y C3 dentro del clan PA). Cada familia puede contener cientos de proteasas relacionadas (por ejemplo, tripsina , elastasa , trombina y estreptogrisina dentro de la familia S1).

Actualmente se conocen más de 50 clanes, cada uno de los cuales indica un origen evolutivo independiente de la proteólisis. [10]

Basado en el pH óptimo

Alternativamente, las proteasas pueden clasificarse según el pH óptimo en el que son activas:

Función y mecanismo enzimático

Comparación de los dos mecanismos hidrolíticos utilizados para la proteólisis . La enzima se muestra en negro, la proteína del sustrato en rojo y el agua en azul. El panel superior muestra la hidrólisis de 1 paso donde la enzima usa un ácido para polarizar el agua, que luego hidroliza el sustrato. El panel inferior muestra la hidrólisis de 2 pasos donde un residuo dentro de la enzima se activa para actuar como un nucleófilo (Nu) y atacar el sustrato. Esto forma un intermedio donde la enzima se une covalentemente a la mitad N-terminal del sustrato. En un segundo paso, el agua se activa para hidrolizar este intermedio y completar la catálisis. Otros residuos de enzimas (no se muestran) donan y aceptan hidrógenos y estabilizan electrostáticamente la acumulación de carga a lo largo del mecanismo de reacción.

Las proteasas intervienen en la digestión de cadenas proteicas largas en fragmentos más cortos mediante la división de los enlaces peptídicos que unen los residuos de aminoácidos . Algunas separan los aminoácidos terminales de la cadena proteica ( exopeptidasas , como las aminopeptidasas , la carboxipeptidasa A ); otras atacan los enlaces peptídicos internos de una proteína ( endopeptidasas , como la tripsina , la quimotripsina , la pepsina , la papaína , la elastasa ).

Catálisis

La catálisis se consigue mediante uno de dos mecanismos:

Especificidad

La proteólisis puede ser muy promiscua , de modo que se hidroliza una amplia gama de sustratos proteicos. Este es el caso de las enzimas digestivas como la tripsina , que deben ser capaces de escindir el conjunto de proteínas ingeridas en fragmentos peptídicos más pequeños. Las proteasas promiscuas normalmente se unen a un solo aminoácido en el sustrato y, por lo tanto, solo tienen especificidad para ese residuo. Por ejemplo, la tripsina es específica para las secuencias ...K\... o ...R\... ('\'= sitio de escisión). [12]

Por el contrario, algunas proteasas son muy específicas y solo escinden sustratos con una secuencia determinada. La coagulación sanguínea (como la trombina ) y el procesamiento de poliproteínas virales (como la proteasa TEV ) requieren este nivel de especificidad para lograr eventos de escisión precisos. Esto se logra mediante proteasas que tienen una hendidura o túnel de unión largo con varios bolsillos que se unen a residuos específicos. Por ejemplo, la proteasa TEV es específica para la secuencia ...ENLYFQ\S... ('\'=sitio de escisión). [13]

Degradación y autólisis

Las proteasas, al ser proteínas en sí mismas, son escindidas por otras moléculas de proteasa, a veces de la misma variedad. Esto actúa como un método de regulación de la actividad de la proteasa. Algunas proteasas son menos activas después de la autólisis (p. ej. , la proteasa TEV ), mientras que otras son más activas (p. ej., el tripsinógeno ).

Biodiversidad de proteasas

Las proteasas se encuentran en todos los organismos, desde procariotas hasta eucariotas y virus . Estas enzimas están involucradas en una multitud de reacciones fisiológicas, desde la digestión simple de proteínas de los alimentos hasta cascadas altamente reguladas (por ejemplo, la cascada de coagulación sanguínea , el sistema del complemento , las vías de apoptosis y la cascada de activación de la profenoloxidasa de invertebrados). Las proteasas pueden romper enlaces peptídicos específicos ( proteólisis limitada ), dependiendo de la secuencia de aminoácidos de una proteína, o descomponer completamente un péptido en aminoácidos ( proteólisis ilimitada ). La actividad puede ser un cambio destructivo (eliminación de la función de una proteína o digestión de la misma hasta sus componentes principales), puede ser una activación de una función o puede ser una señal en una vía de señalización.

Plantas

Los genomas de las plantas codifican cientos de proteasas, en su mayoría de función desconocida. Las que tienen una función conocida están involucradas en gran medida en la regulación del desarrollo . [14] Las proteasas vegetales también desempeñan un papel en la regulación de la fotosíntesis . [15]

Animales

Las proteasas se utilizan en todo el organismo para diversos procesos metabólicos. Las proteasas ácidas secretadas en el estómago (como la pepsina ) y las serina proteasas presentes en el duodeno ( tripsina y quimotripsina ) nos permiten digerir la proteína de los alimentos. Las proteasas presentes en el suero sanguíneo ( trombina , plasmina , factor de Hageman , etc.) desempeñan un papel importante en la coagulación sanguínea, así como en la lisis de los coágulos y en el correcto funcionamiento del sistema inmunitario. Otras proteasas están presentes en los leucocitos ( elastasa , catepsina G ) y desempeñan varias funciones diferentes en el control metabólico. Algunos venenos de serpientes también son proteasas, como la hemotoxina de la víbora de foseta , e interfieren en la cascada de coagulación sanguínea de la víctima. Las proteasas determinan la vida útil de otras proteínas que desempeñan importantes funciones fisiológicas, como las hormonas, los anticuerpos u otras enzimas. Este es uno de los mecanismos reguladores de “activación” y “desactivación” más rápidos en la fisiología de un organismo.

Mediante una acción cooperativa compleja, las proteasas pueden catalizar reacciones en cascada , que dan como resultado una amplificación rápida y eficiente de la respuesta de un organismo a una señal fisiológica.

Bacteria

Las bacterias secretan proteasas para hidrolizar los enlaces peptídicos en las proteínas y, por lo tanto, descomponerlas en sus aminoácidos constituyentes . Las proteasas bacterianas y fúngicas son particularmente importantes para los ciclos globales de carbono y nitrógeno en el reciclaje de proteínas, y dicha actividad tiende a estar regulada por señales nutricionales en estos organismos. [16] El impacto neto de la regulación nutricional de la actividad de las proteasas entre las miles de especies presentes en el suelo se puede observar a nivel de la comunidad microbiana general a medida que las proteínas se descomponen en respuesta a la limitación de carbono, nitrógeno o azufre. [17]

Las bacterias contienen proteasas responsables del control general de la calidad de las proteínas (por ejemplo, el proteasoma AAA+ ) al degradar proteínas desdobladas o mal plegadas .

Una proteasa bacteriana secretada también puede actuar como exotoxina y ser un ejemplo de factor de virulencia en la patogénesis bacteriana (por ejemplo, toxina exfoliativa ). Las proteasas exotóxicas bacterianas destruyen las estructuras extracelulares.

Virus

Los genomas de algunos virus codifican una poliproteína masiva , que necesita una proteasa para escindirla en unidades funcionales (por ejemplo, el virus de la hepatitis C y los picornavirus ). [18] Estas proteasas (por ejemplo, la proteasa TEV ) tienen una alta especificidad y solo escinden un conjunto muy restringido de secuencias de sustrato. Por lo tanto, son un objetivo común para los inhibidores de proteasas . [19] [20]

Arqueas

Las arqueas utilizan proteasas para regular diversos procesos celulares, desde la señalización celular , el metabolismo , la secreción y el control de calidad de las proteínas. [21] [22] Solo se encuentran dos proteasas dependientes de ATP en las arqueas: la proteasa LonB asociada a la membrana y un complejo de proteosoma 20S soluble . [21]

Usos

El campo de investigación de las proteasas es enorme. Desde 2004, se han publicado aproximadamente 8000 artículos relacionados con este campo cada año. [23] Las proteasas se utilizan en la industria, la medicina y como herramienta básica de investigación biológica. [24] [25]

Las proteasas digestivas forman parte de muchos detergentes para ropa y también se utilizan ampliamente en la industria del pan como mejorador del pan . Una variedad de proteasas se utilizan médicamente tanto por su función nativa (por ejemplo, controlar la coagulación sanguínea) como por funciones completamente artificiales ( por ejemplo, para la degradación dirigida de proteínas patógenas). Las proteasas altamente específicas, como la proteasa TEV y la trombina, se utilizan comúnmente para escindir proteínas de fusión y etiquetas de afinidad de manera controlada. Las soluciones vegetales que contienen proteasas llamadas cuajo vegetariano se han utilizado durante cientos de años en Europa y Oriente Medio para hacer quesos kosher y halal . El cuajo vegetariano de Withania coagulans se ha utilizado durante miles de años como remedio ayurvédico para la digestión y la diabetes en el subcontinente indio. También se utiliza para hacer Paneer .

Inhibidores

La actividad de las proteasas es inhibida por los inhibidores de proteasas . [26] Un ejemplo de inhibidores de proteasas es la superfamilia de las serpinas . Incluye la alfa 1-antitripsina (que protege al cuerpo de los efectos excesivos de sus propias proteasas inflamatorias ), la alfa 1-antiquimotripsina (que hace lo mismo), el inhibidor de C1 (que protege al cuerpo de la activación excesiva desencadenada por proteasas de su propio sistema de complemento ), la antitrombina (que protege al cuerpo de la coagulación excesiva ), el inhibidor del activador del plasminógeno-1 (que protege al cuerpo de la coagulación inadecuada al bloquear la fibrinólisis desencadenada por proteasas ) y la neuroserpina . [27]

Los inhibidores de proteasa naturales incluyen la familia de proteínas lipocalinas , que desempeñan un papel en la regulación y diferenciación celular. Se ha descubierto que los ligandos lipofílicos , unidos a las proteínas lipocalinas, poseen propiedades inhibidoras de proteasas tumorales. Los inhibidores de proteasa naturales no deben confundirse con los inhibidores de proteasa utilizados en la terapia antirretroviral. Algunos virus , entre ellos el VIH/SIDA , dependen de las proteasas en su ciclo reproductivo. Por ello, los inhibidores de proteasa se desarrollan como agentes terapéuticos antivirales .

Otros inhibidores naturales de la proteasa se utilizan como mecanismos de defensa. Ejemplos comunes son los inhibidores de tripsina que se encuentran en las semillas de algunas plantas, la más conocida para los humanos es la soja, un importante cultivo alimentario, donde actúan para disuadir a los depredadores. La soja cruda es tóxica para muchos animales, incluidos los humanos, hasta que se desnaturalizan los inhibidores de la proteasa que contiene.

Véase también

Referencias

  1. ^ "Enzima proteolítica | Descripción, tipos y funciones | Britannica".
  2. ^ López-Otín C, Bond JS (noviembre de 2008). "Proteasas: enzimas multifuncionales en la vida y la enfermedad". The Journal of Biological Chemistry . 283 (45): 30433–30437. doi : 10.1074/jbc.R800035200 . PMC 2576539 . PMID  18650443. 
  3. ^ ab King JV, Liang WG, Scherpelz KP, Schilling AB, Meredith SC, Tang WJ (julio de 2014). "Base molecular del reconocimiento y degradación del sustrato por la proteasa de presecuencia humana". Structure . 22 (7): 996–1007. doi :10.1016/j.str.2014.05.003. PMC 4128088 . PMID  24931469. 
  4. ^ ab Shen Y, Joachimiak A, Rosner MR, Tang WJ (octubre de 2006). "Las estructuras de la enzima degradante de insulina humana revelan un nuevo mecanismo de reconocimiento de sustrato". Nature . 443 (7113): 870–874. Bibcode :2006Natur.443..870S. doi :10.1038/nature05143. PMC 3366509 . PMID  17051221. 
  5. ^ Radzicka A, Wolfenden R (julio de 1996). "Tasas de hidrólisis de enlaces peptídicos no catalizados en solución neutra y afinidades de estado de transición de las proteasas". Journal of the American Chemical Society . 118 (26): 6105–6109. doi :10.1021/ja954077c. Evaluar las competencias relativas de las enzimas que catalizan la hidrólisis de enlaces peptídicos internos y C-terminales [...]
  6. ^ Oda K (enero de 2012). "Nuevas familias de carboxil peptidasas: serina-carboxil peptidasas y glutámicas". Journal of Biochemistry . 151 (1): 13–25. doi : 10.1093/jb/mvr129 . PMID  22016395.
  7. ^ Rawlings ND, Barrett AJ (febrero de 1993). "Familias evolutivas de peptidasas". The Biochemical Journal . 290 (Pt 1): 205–218. doi :10.1042/bj2900205. PMC 1132403 . PMID  8439290. 
  8. ^ Sanman, Laura E. (junio de 2014). "Perfiles basados ​​en la actividad de las proteasas". Revisión anual de bioquímica . 83 : 249–273. doi :10.1146/annurev-biochem-060713-035352. PMID  24905783.
  9. ^ ab Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (noviembre de 2011). "Liasas de péptidos de asparagina: un séptimo tipo catalítico de enzimas proteolíticas". The Journal of Biological Chemistry . 286 (44): 38321–38328. doi : 10.1074/jbc.M111.260026 . PMC 3207474 . PMID  21832066. 
  10. ^ ab Rawlings ND, Barrett AJ, Bateman A (enero de 2010). "MEROPS: la base de datos de peptidasas". Nucleic Acids Research . 38 (número de la base de datos): D227–D233. doi :10.1093/nar/gkp971. PMC 2808883 . PMID  19892822. 
  11. ^ Mitchell RS, Kumar V, Abbas AK, Fausto N (2007). Robbins Basic Pathology (8.ª ed.). Filadelfia: Saunders. pág. 122. ISBN 978-1-4160-2973-1.
  12. ^ Rodriguez J, Gupta N, Smith RD, Pevzner PA (enero de 2008). "¿La tripsina corta antes que la prolina?". Journal of Proteome Research . 7 (1): 300–305. doi :10.1021/pr0705035. PMID  18067249.
  13. ^ Renicke C, Spadaccini R, Taxis C (24 de junio de 2013). "Una proteasa del virus del grabado del tabaco con mayor tolerancia al sustrato en la posición P1'". PLOS ONE . ​​8 (6): e67915. Bibcode :2013PLoSO...867915R. doi : 10.1371/journal.pone.0067915 . PMC 3691164 . PMID  23826349. 
  14. ^ van der Hoorn RA (2008). "Proteasas vegetales: de fenotipos a mecanismos moleculares". Revisión anual de biología vegetal . 59 : 191–223. doi :10.1146/annurev.arplant.59.032607.092835. hdl : 11858/00-001M-0000-0012-37C7-9 . PMID:  18257708.
  15. ^ Zelisko A, Jackowski G (octubre de 2004). "La degradación dependiente de la senescencia de Lhcb3 está mediada por una proteasa unida a la membrana de los tilacoides". Journal of Plant Physiology . 161 (10): 1157–1170. doi :10.1016/j.jplph.2004.01.006. PMID  15535125.
  16. ^ Sims GK (2006). "La falta de nitrógeno promueve la biodegradación de compuestos N-heterocíclicos en el suelo". Soil Biology & Biochemistry . 38 (8): 2478–2480. doi :10.1016/j.soilbio.2006.01.006. Archivado desde el original el 28 de abril de 2021 . Consultado el 29 de diciembre de 2018 .
  17. ^ Sims GK, Wander MM (2002). "Actividad proteolítica bajo limitación de nitrógeno o azufre". Appl. Soil Ecol . 568 (3): 1–5. Bibcode :2002AppSE..19..217S. doi :10.1016/S0929-1393(01)00192-5.
  18. ^ Tong L (diciembre de 2002). "Proteasas virales". Chemical Reviews . 102 (12): 4609–4626. doi :10.1021/cr010184f. PMID  12475203.
  19. ^ Skoreński M, Sieńczyk M (2013). "Proteasas virales como objetivos para el diseño de fármacos". Current Pharmaceutical Design . 19 (6): 1126–1153. doi :10.2174/13816128130613. PMID  23016690.
  20. ^ Kurt Yilmaz N, Swanstrom R, Schiffer CA (julio de 2016). "Mejora de los inhibidores de la proteasa viral para contrarrestar la resistencia a los fármacos". Tendencias en microbiología . 24 (7): 547–557. doi :10.1016/j.tim.2016.03.010. PMC 4912444 . PMID  27090931. 
  21. ^ ab Giménez MI, Cerletti M, De Castro RE (2015). "Proteasas asociadas a la membrana arqueal: perspectivas sobre Haloferax volcanii y otras haloarchaea". Frontiers in Microbiology . 6 : 39. doi : 10.3389/fmicb.2015.00039 . PMC 4343526 . PMID  25774151. 
  22. ^ Maupin-Furlow JA (diciembre de 2018). Robinson NP (ed.). "Sistemas proteolíticos de arqueas: rebanado, troceado y picado en extremo". Temas emergentes en ciencias de la vida . 2 (4): 561–580. doi :10.1042/ETLS20180025. PMC 7497159 . PMID  32953999. 
  23. ^ Barrett AJ, Rawlings ND, Woessnerd JF (2004). Manual de enzimas proteolíticas (2.ª ed.). Londres, Reino Unido: Elsevier Academic Press. ISBN 978-0-12-079610-6.
  24. ^ Hooper NM, ed. (2002). Proteasas en biología y medicina . Londres: Portland Press. ISBN 978-1-85578-147-4.
  25. ^ Feijoo-Siota L, Villa TG (28 de septiembre de 2010). "Proteasas vegetales nativas y biotecnológicamente modificadas con aplicaciones industriales". Tecnología de alimentos y bioprocesos . 4 (6): 1066–1088. doi :10.1007/s11947-010-0431-4. S2CID  84748291.
  26. ^ Southan C (julio de 2001). "Una perspectiva genómica sobre las proteasas humanas como dianas farmacológicas". Drug Discovery Today . 6 (13): 681–688. doi :10.1016/s1359-6446(01)01793-7. PMID  11427378.
  27. ^ Puente XS, López-Otín C (abril de 2004). "Un análisis genómico de proteasas de rata e inhibidores de proteasa". Genome Research . 14 (4): 609–622. doi :10.1101/gr.1946304. PMC 383305 . PMID  15060002. 

Enlaces externos