En bioquímica , una quinasa ( / ˈ k aɪ n eɪ s , ˈ k ɪ n eɪ s , -eɪ z / ) [2] es una enzima que cataliza la transferencia de grupos fosfato desde moléculas donadoras de fosfato de alta energía a moléculas específicas. sustratos . Este proceso se conoce como fosforilación , donde la molécula de ATP de alta energía dona un grupo fosfato a la molécula del sustrato . Esta transesterificación produce un sustrato fosforilado y ADP . Por el contrario, se denomina desfosforilación cuando el sustrato fosforilado dona un grupo fosfato y el ADP gana un grupo fosfato (produciendo un sustrato desfosforilado y la molécula de alta energía de ATP). Estos dos procesos, fosforilación y desfosforilación, ocurren cuatro veces durante la glucólisis . [3] [4] [5]
Las quinasas son parte de la familia más grande de las fosfotransferasas . No deben confundirse las quinasas con las fosforilasas , que catalizan la adición de grupos fosfato inorgánicos a un aceptor, ni con las fosfatasas , que eliminan los grupos fosfato (desfosforilación). El estado de fosforilación de una molécula, ya sea una proteína , un lípido o un carbohidrato , puede afectar su actividad, reactividad y su capacidad para unirse a otras moléculas. Por lo tanto, las quinasas son fundamentales en el metabolismo , la señalización celular , la regulación de proteínas , el transporte celular , los procesos secretores y muchas otras vías celulares, lo que las hace muy importantes para la fisiología.
Las quinasas median la transferencia de un resto de fosfato desde una molécula de alta energía (como el ATP ) a su molécula sustrato, como se ve en la figura siguiente. Se necesitan quinasas para estabilizar esta reacción porque el enlace fosfoanhídrido contiene un alto nivel de energía. Las quinasas orientan adecuadamente su sustrato y el grupo fosforilo dentro de sus sitios activos, lo que aumenta la velocidad de la reacción. Además, suelen utilizar residuos de aminoácidos cargados positivamente , que estabilizan electrostáticamente el estado de transición al interactuar con los grupos fosfato cargados negativamente. Alternativamente, algunas quinasas utilizan cofactores metálicos unidos en sus sitios activos para coordinar los grupos fosfato. Las proteínas quinasas se pueden clasificar como catalíticamente activas (canónicas) o pseudoquinasas, lo que refleja la pérdida evolutiva de uno o más de los aminoácidos catalíticos que posicionan o hidrolizan el ATP. [6] Sin embargo, en términos de resultados de señalización y relevancia de la enfermedad, tanto las quinasas como las pseudoquinasas son moduladores de señalización importantes en las células humanas, lo que hace que las quinasas sean objetivos farmacológicos importantes. [7]
Las quinasas se utilizan ampliamente para transmitir señales y regular procesos complejos en las células. La fosforilación de moléculas puede mejorar o inhibir su actividad y modular su capacidad para interactuar con otras moléculas. La adición y eliminación de grupos fosforilo proporciona a la célula un medio de control porque varias quinasas pueden responder a diferentes condiciones o señales. Las mutaciones en las quinasas que conducen a una pérdida o ganancia de función pueden causar cáncer [8] y enfermedades en humanos, incluidos ciertos tipos de leucemia y neuroblastomas , glioblastoma , [9] ataxia espinocerebelosa (tipo 14), formas de agammaglobulinemia , y muchos otros. [10]
La primera proteína reconocida como catalizadora de la fosforilación de otra proteína utilizando ATP fue observada en 1954 por Eugene P. Kennedy, momento en el que describió una enzima hepática que catalizó la fosforilación de la caseína. [ cita necesaria ] En 1956, Edmond H. Fischer y Edwin G. Krebs descubrieron que la interconversión entre la fosforilasa a y la fosforilasa b estaba mediada por la fosforilación y la desfosforilación. [11] La quinasa que transfirió un grupo fosforilo a la fosforilasa b, convirtiéndola en fosforilasa a, se denominó fosforilasa quinasa. Años más tarde, se identificó el primer ejemplo de una cascada de quinasas, mediante la cual la proteína quinasa A (PKA) fosforila la fosforilasa quinasa. Al mismo tiempo, se descubrió que la PKA inhibe la glucógeno sintasa , lo que fue el primer ejemplo de un evento de fosforilación que resultó en una inhibición. En 1969, Lester Reed descubrió que la piruvato deshidrogenasa se inactivaba mediante fosforilación, y este descubrimiento fue la primera pista de que la fosforilación podría servir como medio de regulación en otras vías metabólicas además del metabolismo del glucógeno . Ese mismo año, Tom Langan descubrió que la PKA fosforila la histona H1, lo que sugirió que la fosforilación podría regular las proteínas no enzimáticas. La década de 1970 incluyó el descubrimiento de las proteínas quinasas dependientes de calmodulina y el descubrimiento de que las proteínas pueden fosforilarse en más de un residuo de aminoácido. La década de 1990 puede describirse como la "década de las cascadas de proteínas quinasas". Durante este tiempo, se descubrieron la vía MAPK/ERK , las quinasas JAK (una familia de proteínas tirosina quinasas) y la cascada de quinasas dependiente de PIP3. [12]
Las quinasas se clasifican en amplios grupos según el sustrato sobre el que actúan: proteínas quinasas, lípidos quinasas y carbohidratos quinasas. Las quinasas se pueden encontrar en una variedad de especies, desde bacterias hasta moho, gusanos y mamíferos. [13] Se han identificado más de quinientas quinasas diferentes en humanos. [3] Su diversidad y su papel en la señalización los convierte en un interesante objeto de estudio. Varias otras quinasas actúan sobre moléculas pequeñas como lípidos , carbohidratos , aminoácidos y nucleótidos , ya sea para señalización o para prepararlas para vías metabólicas. Las quinasas específicas suelen recibir el nombre de sus sustratos. Las proteínas quinasas suelen tener múltiples sustratos y las proteínas pueden servir como sustratos para más de una quinasa específica. Por esta razón, las proteínas quinasas se denominan según lo que regula su actividad (es decir, proteínas quinasas dependientes de calmodulina). A veces se subdividen en categorías porque existen varias formas isoenzimáticas. Por ejemplo, las proteínas quinasas dependientes de AMP cíclico de tipo I y tipo II tienen subunidades catalíticas idénticas pero diferentes subunidades reguladoras que se unen al AMP cíclico. [14]
Las proteínas quinasas actúan sobre las proteínas fosforilándolas en sus residuos de serina, treonina, tirosina o histidina. La fosforilación puede modificar la función de una proteína de muchas maneras. Puede aumentar o disminuir la actividad de una proteína, estabilizarla o marcarla para su destrucción, localizarla dentro de un compartimento celular específico y puede iniciar o interrumpir su interacción con otras proteínas. Las proteínas quinasas constituyen la mayoría de todas las quinasas y están ampliamente estudiadas. [15] Estas quinasas, junto con las fosfatasas , desempeñan un papel importante en la regulación de proteínas y enzimas , así como en la señalización en la célula.
Un punto común de confusión surge al pensar en las diferentes formas en que una célula logra la regulación biológica. Existen innumerables ejemplos de modificaciones covalentes que pueden sufrir las proteínas celulares; sin embargo, la fosforilación es una de las pocas modificaciones covalentes reversibles. Esto proporcionó la justificación de que la fosforilación de proteínas es reguladora. El potencial para regular la función de las proteínas es enorme dado que hay muchas formas de modificar covalentemente una proteína además de la regulación proporcionada por el control alostérico. En su conferencia en memoria de Hopkins, Edwin Krebs afirmó que el control alostérico evolucionó para responder a señales que surgen desde el interior de la célula, mientras que la fosforilación evolucionó para responder a señales fuera de la célula. Esta idea es consistente con el hecho de que la fosforilación de proteínas ocurre con mucha más frecuencia en las células eucariotas en comparación con las células procarióticas porque el tipo de célula más compleja evolucionó para responder a una gama más amplia de señales. [14]
Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son un grupo de varias quinasas diferentes involucradas en la regulación del ciclo celular . Fosforilan otras proteínas en sus residuos de serina o treonina, pero las CDK primero deben unirse a una proteína ciclina para estar activas. [16] Diferentes combinaciones de CDK y ciclinas específicas marcan diferentes partes del ciclo celular. Además, el estado de fosforilación de las CDK también es fundamental para su actividad, ya que están sujetas a regulación por otras quinasas (como la quinasa activadora de CDK ) y fosfatasas (como Cdc25 ). [17] Una vez que las CDK están activas, fosforilan otras proteínas para cambiar su actividad, lo que conduce a eventos necesarios para la siguiente etapa del ciclo celular. Si bien son más conocidas por su función en el control del ciclo celular, las CDK también desempeñan funciones en la transcripción, el metabolismo y otros eventos celulares. [18]
Debido a su papel clave en el control de la división celular, las mutaciones en las CDK se encuentran a menudo en células cancerosas. Estas mutaciones conducen a un crecimiento incontrolado de las células, donde pasan rápidamente por todo el ciclo celular repetidamente. [19] Las mutaciones CDK se pueden encontrar en linfomas , cáncer de mama , tumores de páncreas y cáncer de pulmón . Por tanto, se han desarrollado inhibidores de CDK como tratamientos para algunos tipos de cáncer. [19]
Las MAP quinasas (MAPK) son una familia de serina/treonina quinasas que responden a una variedad de señales de crecimiento extracelular. Por ejemplo, la hormona del crecimiento, el factor de crecimiento epidérmico, el factor de crecimiento derivado de plaquetas y la insulina se consideran estímulos mitogénicos que pueden activar la vía MAPK. La activación de esta vía a nivel del receptor inicia una cascada de señalización mediante la cual la Ras GTPasa intercambia GDP por GTP . A continuación, Ras activa la quinasa Raf (también conocida como MAPKKK), que activa MEK (MAPKK). MEK activa MAPK (también conocido como ERK), que puede regular la transcripción y la traducción . Mientras que RAF y MAPK son serina/treonina quinasas, MAPKK es una tirosina/treonina quinasa.
MAPK puede regular factores de transcripción directa o indirectamente. Sus principales objetivos transcripcionales incluyen ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB y Myc. MAPK también puede regular la traducción fosforilando la quinasa S6 en la subunidad ribosómica grande. También puede fosforilar componentes en la porción aguas arriba de la cascada de señalización MAPK, incluidos Ras, Sos y el propio receptor de EGF . [20]
El potencial carcinogénico de la vía MAPK la hace clínicamente significativa. Está implicado en procesos celulares que pueden provocar un crecimiento descontrolado y la posterior formación de tumores. Las mutaciones dentro de esta vía alteran sus efectos reguladores sobre la diferenciación , proliferación, supervivencia y apoptosis celular , todos los cuales están implicados en diversas formas de cáncer . [20]
Las lípido quinasas fosforilan los lípidos de la célula, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los orgánulos. La adición de grupos fosfato puede cambiar la reactividad y localización del lípido y puede usarse en la transmisión de señales.
Las fosfatidilinositol quinasas fosforilan especies de fosfatidilinositol , para crear especies como el fosfatidilinositol 3,4-bisfosfato (PI(3,4)P 2 ), el fosfatidilinositol 3,4,5-trifosfato (PIP 3 ) y el fosfatidilinositol 3-fosfato (PI3P). Las quinasas incluyen fosfoinositido 3-quinasa (PI3K), fosfatidilinositol-4-fosfato 3-quinasa y fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato 3-quinasa . El estado de fosforilación del fosfatidilinositol desempeña un papel importante en la señalización celular , como en la vía de señalización de la insulina, y también desempeña funciones en la endocitosis , exocitosis y otros eventos de tráfico. [21] [22] Las mutaciones en estas quinasas, como PI3K, pueden provocar cáncer o resistencia a la insulina . [23]
Las enzimas quinasas aumentan la velocidad de las reacciones al hacer que el grupo hidroxilo del inositol sea más nucleofílico, a menudo utilizando la cadena lateral de un residuo de aminoácido para actuar como base general y desprotonar el hidroxilo, como se ve en el mecanismo siguiente. [24] Aquí se coordina una reacción entre el trifosfato de adenosina (ATP) y el fosfatidilinositol. El resultado final es un fosfatidilinositol-3-fosfato y también un difosfato de adenosina (ADP) . Las enzimas también pueden ayudar a orientar adecuadamente la molécula de ATP, así como el grupo inositol, para acelerar la reacción. Para ello, a menudo se coordinan los iones metálicos. [24]
La esfingosina quinasa (SK) es una lípido quinasa que cataliza la conversión de esfingosina en esfingosina-1-fosfato (S1P). Los esfingolípidos son lípidos de membrana ubicuos. Tras la activación, la esfingosina quinasa migra desde el citosol a la membrana plasmática donde transfiere un fosfato γ (que es el último fosfato o terminal) del ATP o GTP a la esfingosina. El receptor S1P es un receptor GPCR , por lo que S1P tiene la capacidad de regular la señalización de la proteína G. La señal resultante puede activar efectores intracelulares como ERK, Rho GTPase , Rac GTPase , PLC y AKT/PI3K. También puede ejercer su efecto sobre las moléculas diana dentro de la célula. Se ha demostrado que S1P inhibe directamente la actividad histona desacetilasa de las HDAC . Por el contrario, la esfingosina desfosforilada promueve la apoptosis celular y, por lo tanto, es fundamental comprender la regulación de las SK debido a su papel en la determinación del destino celular. Investigaciones anteriores muestran que las SK pueden sostener el crecimiento de las células cancerosas porque promueven la proliferación celular, y la SK1 (un tipo específico de SK) está presente en concentraciones más altas en ciertos tipos de cánceres.
Hay dos quinasas presentes en las células de mamíferos, SK1 y SK2. SK1 es más específico en comparación con SK2 y sus patrones de expresión también difieren. SK1 se expresa en células de pulmón, bazo y leucocitos, mientras que SK2 se expresa en células de riñón y hígado. La participación de estas dos quinasas en la supervivencia, proliferación, diferenciación e inflamación celular las convierte en candidatos viables para terapias quimioterapéuticas . [25]
Para muchos mamíferos, los carbohidratos proporcionan una gran parte del requerimiento calórico diario . Para recolectar energía de los oligosacáridos , primero deben descomponerse en monosacáridos para que puedan ingresar al metabolismo . Las quinasas juegan un papel importante en casi todas las vías metabólicas. La figura de la izquierda muestra la segunda fase de la glucólisis , que contiene dos reacciones importantes catalizadas por quinasas. El enlace anhídrido en el 1,3 bisfosfoglicerato es inestable y tiene una alta energía. La 1,3-bisfosfoglicerato quinasa requiere ADP para llevar a cabo su reacción produciendo 3-fosfoglicerato y ATP. En el paso final de la glucólisis, la piruvato quinasa transfiere un grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato al ADP, generando ATP y piruvato.
La hexoquinasa es la enzima más común que utiliza la glucosa cuando ingresa por primera vez a la célula. Convierte D-glucosa en glucosa-6-fosfato transfiriendo el gamma fosfato de un ATP a la posición C6. Este es un paso importante en la glucólisis porque atrapa la glucosa dentro de la célula debido a la carga negativa. En su forma desfosforilada, la glucosa puede moverse hacia adelante y hacia atrás a través de la membrana con mucha facilidad. [26] Las mutaciones en el gen de la hexoquinasa pueden provocar una deficiencia de hexoquinasa que puede causar anemia hemolítica no esferocítica . [27]
La fosfofructocinasa , o PFK, cataliza la conversión de fructosa-6-fosfato en fructosa-1,6-bifosfato y es un punto importante en la regulación de la glucólisis. Los niveles elevados de ATP, H + y citrato inhiben la PFK. Si los niveles de citrato son altos, significa que la glucólisis está funcionando a un ritmo óptimo. Los altos niveles de AMP estimulan la PFK. La enfermedad de Tarui , una enfermedad por almacenamiento de glucógeno que conduce a intolerancia al ejercicio, se debe a una mutación en el gen PFK que reduce su actividad. [28]
Las quinasas actúan sobre muchas otras moléculas además de proteínas, lípidos y carbohidratos. Hay muchos que actúan sobre los nucleótidos (ADN y ARN), incluidos los involucrados en la interconversión de nucleótidos, como las nucleósido-fosfato quinasas y las nucleósido-difosfato quinasas . [30] Otras moléculas pequeñas que son sustratos de las quinasas incluyen creatina , fosfoglicerato , riboflavina , dihidroxiacetona , shikimato y muchas otras.
La riboflavina quinasa cataliza la fosforilación de la riboflavina para crear mononucleótido de flavina (FMN). Tiene un mecanismo de unión ordenado donde la riboflavina debe unirse a la quinasa antes de que se una a la molécula de ATP. [31] Los cationes divalentes ayudan a coordinar el nucleótido . [31] El mecanismo general se muestra en la siguiente figura.
La riboflavina quinasa juega un papel importante en las células, ya que FMN es un cofactor importante . FMN también es un precursor del dinucleótido de flavina adenina (FAD), un cofactor redox utilizado por muchas enzimas, incluidas muchas en el metabolismo . De hecho, existen algunas enzimas que son capaces de llevar a cabo tanto la fosforilación de la riboflavina a FMN , como la reacción de FMN a FAD . [32] La riboflavina quinasa puede ayudar a prevenir los accidentes cerebrovasculares y posiblemente podría usarse como tratamiento en el futuro. [33] También está implicado en la infección, cuando se estudia en ratones. [34]
La timidina quinasa es una de las muchas nucleósido quinasas responsables de la fosforilación de nucleósidos. Fosforila la timidina para crear monofosfato de timidina (dTMP). Esta quinasa utiliza una molécula de ATP para suministrar fosfato a la timidina, como se muestra a continuación. Esta transferencia de un fosfato de un nucleótido a otro por la timidina quinasa, así como por otros nucleósidos y nucleótidos quinasas, funciona para ayudar a controlar el nivel de cada uno de los diferentes nucleótidos.
Después de la creación de la molécula de dTMP, otra quinasa, la timidilato quinasa , puede actuar sobre el dTMP para crear la forma de difosfato , dTDP. La nucleósido difosfato quinasa cataliza la producción de trifosfato de timidina , dTTP, que se utiliza en la síntesis de ADN . Debido a esto, la actividad de la timidina quinasa está estrechamente relacionada con el ciclo celular y se utiliza como marcador tumoral en química clínica . [35] Por lo tanto, en ocasiones se puede utilizar para predecir el pronóstico del paciente. [36] Los pacientes con mutaciones en el gen de la timidina quinasa pueden tener cierto tipo de síndrome de agotamiento del ADN mitocondrial , una enfermedad que provoca la muerte en la primera infancia. [37]
