Las proteasas similares a la papaína (o peptidasas similares a la papaína (cisteína) ; abreviadas PLP o PLCP ) son una gran familia de proteínas de enzimas proteasas de cisteína que comparten propiedades estructurales y enzimáticas con el miembro homónimo del grupo, la papaína . Se encuentran en todos los dominios de la vida . En los animales, el grupo a menudo se conoce como catepsinas de cisteína o, en la literatura más antigua, peptidasas lisosomales . [1] En el sistema de clasificación de enzimas de proteasa MEROPS , las proteasas similares a la papaína forman el Clan CA . [2] Las proteasas similares a la papaína comparten un sitio activo de díada catalítica común que presenta un residuo de aminoácido cisteína que actúa como nucleófilo . [1]
El genoma humano codifica once catepsinas de cisteína que tienen una amplia gama de funciones fisiológicas. [3] En algunos parásitos, las proteasas similares a la papaína tienen funciones en la invasión del huésped , como la cruzipaína de Trypanosoma cruzi . [1] En las plantas, están involucradas en la defensa del huésped y en el desarrollo. [4] Los estudios de proteasas similares a la papaína de procariotas han quedado rezagados con respecto a sus contrapartes eucariotas . [1] En los organismos celulares, se sintetizan como preproenzimas que no son enzimáticamente activas hasta que maduran, y sus actividades están estrechamente reguladas, a menudo por la presencia de inhibidores de proteasa endógenos como las cistatinas . [3] En muchos virus de ARN , incluidos patógenos humanos importantes como los coronavirus SARS-CoV y SARS-CoV-2 , los dominios de proteína de proteasa similar a la papaína a menudo tienen funciones en el procesamiento de poliproteínas en proteínas virales no estructurales maduras . [5] [6] Muchas proteasas similares a la papaína se consideran posibles objetivos farmacológicos . [3] [7]
El sistema MEROPS de clasificación de enzimas proteasas define al clan CA como el que contiene las proteasas similares a la papaína. Se cree que tienen un origen evolutivo compartido . En 2021, el clan contenía 45 familias. [2] [8]
La estructura de la papaína fue una de las primeras estructuras proteicas determinadas experimentalmente mediante cristalografía de rayos X. [3] [10] [9] Muchas enzimas proteasas similares a la papaína funcionan como monómeros , aunque unas pocas, como la catepsina C (dipeptidil-peptidasa I), son homotetrámeros . La estructura del monómero maduro se divide característicamente en dos lóbulos o subdominios, conocidos como el dominio L ( N-terminal ) y el dominio R ( C-terminal ), donde el sitio activo se encuentra entre ellos. [1] El dominio L es principalmente helicoidal mientras que el dominio R contiene láminas beta en forma de barril beta , rodeadas por una hélice. [3] El sustrato enzimático interactúa con ambos dominios en una conformación extendida. [1] [3]
Las proteasas similares a la papaína se sintetizan a menudo como preproenzimas o precursores enzimáticamente inactivos. Un péptido señal en el extremo N , que sirve como señal de localización subcelular , es escindido por la peptidasa señal para formar un zimógeno . La modificación postraduccional en forma de glicosilación ligada a N también ocurre en paralelo. [3] El zimógeno todavía está inactivo debido a la presencia de un propéptido que funciona como un inhibidor que bloquea el acceso al sitio activo. El propéptido se elimina por proteólisis para formar la enzima madura. [1] [3] [11]
Las proteasas similares a la papaína tienen una díada catalítica que consiste en un residuo de cisteína y un residuo de histidina , que forman un par de iones a través de sus cadenas laterales cargadas de tiolato e imidazolio . El tiolato de cisteína con carga negativa funciona como un nucleófilo . [1] [2] Residuos vecinos adicionales ( aspartato , asparagina o glutamina ) posicionan los residuos catalíticos; [1] [2] en la papaína, los residuos catalíticos requeridos cisteína, histidina y aspartato a veces se denominan tríada catalítica (similar a las serina proteasas ). [11] Las proteasas similares a la papaína suelen ser endopeptidasas , pero algunos miembros del grupo también son, o incluso exclusivamente, exopeptidasas . [1] Algunas proteasas virales similares a la papaína, incluidas las de los coronavirus , también pueden escindir enlaces isopeptídicos y pueden funcionar como desubiquitinasas . [5]
En los animales, especialmente en la biología de los mamíferos, los miembros de la familia de las proteasas similares a la papaína suelen denominarse catepsinas de cisteína, es decir, los miembros de la proteasa de cisteína del grupo de proteasas conocidas como catepsinas (que incluye las proteasas de cisteína, serina y aspártico ). En los seres humanos, hay 11 catepsinas de cisteína: B , C , F , H , K , L , O , S , V , X y W . La mayoría de las catepsinas se expresan en todo el cuerpo, pero algunas tienen una distribución tisular más estrecha . [1] [3]
Aunque históricamente se las conocía como proteasas lisosomales y se las estudiaba principalmente por su papel en el catabolismo proteico , desde entonces se ha identificado que las catepsinas de cisteína desempeñan papeles importantes en varios procesos fisiológicos y estados patológicos. Como parte de los procesos fisiológicos normales, están implicadas en pasos clave de la presentación de antígenos como parte del sistema inmunitario adaptativo , la remodelación de la matriz extracelular , la diferenciación de los queratinocitos y el procesamiento de las hormonas peptídicas . [1] [3] Las catepsinas de cisteína se han asociado con el cáncer y la progresión tumoral , la enfermedad cardiovascular , la enfermedad autoinmune y otras afecciones de salud humana. [11] [13] [14] La catepsina K tiene un papel en la resorción ósea y se ha estudiado como diana farmacológica para la osteoporosis . [15]
Varios parásitos , incluidos los helmintos (gusanos parásitos), utilizan proteasas similares a la papaína como mecanismos para la invasión de sus huéspedes . Los ejemplos incluyen Toxoplasma gondii y Giardia lamblia . En muchos platelmintos, hay niveles muy altos de expresión de catepsinas de cisteína; en la duela del hígado Fasciola hepatica , las duplicaciones genéticas han producido más de 20 parálogos de una enzima similar a la catepsina L. [1] Las catepsinas de cisteína también son parte del ciclo de vida normal del parásito unicelular Leishmania , donde funcionan como factores de virulencia . [16] La enzima y el objetivo farmacológico potencial cruzipaína es importante para el ciclo de vida del parásito Trypanosoma cruzi , que causa la enfermedad de Chagas . [17]
Los miembros de la familia de proteasas similares a la papaína desempeñan una serie de funciones importantes en el desarrollo de las plantas , incluida la germinación de las semillas , la senescencia de las hojas y la respuesta al estrés abiótico . Las proteasas similares a la papaína están involucradas en la regulación de la muerte celular programada en las plantas, por ejemplo, en el tapete durante el desarrollo del polen . También son importantes en la inmunidad de las plantas, proporcionando defensa contra plagas y patógenos . [4] La relación entre las proteasas similares a la papaína de las plantas y las respuestas a los patógenos, como los inhibidores de la cistatina , se ha descrito como una carrera armamentista evolutiva . [19]
Algunos miembros de la familia PLP en plantas tienen aplicaciones culinarias y comerciales. El miembro homónimo de la familia, la papaína , es una proteasa derivada de la papaya , que se utiliza como ablandador de carne . [20] Otros productos vegetales similares pero menos utilizados incluyen la bromelina de la piña y la ficina de los higos . [1] [20]
Aunque las proteasas similares a la papaína se encuentran en todos los dominios de la vida , han sido menos estudiadas en procariotas que en eucariotas . [1] Solo unas pocas enzimas PLP procariotas se han caracterizado por cristalografía de rayos X o estudios enzimáticos, principalmente de bacterias patógenas, incluyendo estreptopaína de Streptococcus pyogenes ; xilelaína, del patógeno vegetal Xylella fastidiosa ; [21] Cwp84 de Clostridium difficile ; [22] y Lpg2622 de Legionella pneumophila . [23]
La familia de proteasas similares a la papaína incluye una serie de dominios proteicos que se encuentran en poliproteínas grandes expresadas por virus de ARN . [2] Entre las PLP virales mejor estudiadas se encuentran los dominios de proteasas similares a la papaína nidovirales de los nidovirus , en particular los de los coronavirus . Estas PLP son responsables de varios eventos de escisión que procesan una poliproteína grande en proteínas virales no estructurales , aunque realizan menos escisiones que la proteasa similar a 3C (también conocida como proteasa principal). [5] Las PLP de coronavirus son enzimas multifuncionales que también pueden actuar como desubiquitinasas (escindiendo el enlace isopeptídico a la ubiquitina ) y "enzimas deISGylating" con actividad análoga contra la proteína similar a la ubiquitina ISG15 . [5] [6] En patógenos humanos como el SARS-CoV , el MERS-CoV y el SARS-CoV-2 , el dominio PLP es esencial para la replicación viral y, por lo tanto, se considera un objetivo farmacológico para el desarrollo de fármacos antivirales . [6] [7] Uno de esos medicamentos antivirales experimentales, Jun12682 , se está estudiando como un posible tratamiento para la COVID-19, y se cree que funciona inhibiendo la proteasa similar a la papaína (PLpro) del SARS-CoV-2. [25]