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 cisteína proteasa que comparten propiedades estructurales y enzimáticas con el miembro homónimo del grupo, la papaína . Se encuentran en todos los ámbitos de la vida . En animales, el grupo a menudo se conoce como cisteína catepsinas o, en la literatura más antigua, peptidasas lisosomales . [1] En el sistema de clasificación de enzimas proteasas 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 cisteína catepsinas que tienen una amplia gama de funciones fisiológicas. [3] En algunos parásitos , las proteasas similares a la papaína desempeñan funciones en la invasión del huésped , como la cruzipaína de Trypanosoma cruzi . [1] En las plantas, participan 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 homólogos 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 proteínas proteasas similares a la papaína a menudo desempeñan funciones en el procesamiento de poliproteínas en proteínas virales no estructurales maduras . [5] [6] Muchas proteasas similares a la papaína se consideran objetivos farmacológicos potenciales . [3] [7]
El sistema MEROPS de clasificación de enzimas proteasas define que el clan CA contiene proteasas similares a la papaína. Se cree que tienen un origen evolutivo compartido . En 2021, el clan constaba de 45 familias. [2] [8]
La estructura de la papaína estuvo entre 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 algunas, como la catepsina C (dipeptidil-peptidasa I), son homotetrámeros . La estructura del monómero maduro se divide característicamente en dos lóbulos o subdominios, conocidos como dominio L ( N-terminal ) y dominio R ( C-terminal ), donde el sitio activo se ubica 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 de la enzima interactúa con ambos dominios en una conformación extendida. [1] [3]
Las proteasas similares a la papaína a menudo se sintetizan 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 . En paralelo también se produce una modificación postraduccional en forma de glicosilación ligada a N. [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 mediante proteólisis para formar la enzima madura. [1] [3] [11]
Las proteasas tipo papaína tienen una díada catalítica que consiste en un residuo de cisteína y histidina , que forman un par iónico a través de sus cadenas laterales cargadas de tiolato e imidazolio . El tiolato de cisteína cargado negativamente funciona como 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 son también, o incluso exclusivamente, exopeptidasas . [1] Algunas proteasas virales similares a la papaína, incluidas las de los coronavirus , también pueden romper enlaces isopeptídicos y funcionar como deubiquitinasas . [5]
En los animales, especialmente en la biología de los mamíferos, los miembros de la familia de las proteasas similares a la papaína generalmente se denominan cisteína catepsinas, es decir, las cisteína proteasas miembros del grupo de proteasas conocidas como catepsinas (que incluye cisteína, serina y proteasas aspárticas ). . En los seres humanos, existen 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 conocieron como proteasas lisosomales y se estudiaron principalmente por su papel en el catabolismo de las proteínas , desde entonces se ha identificado que las cisteína catepsinas desempeñan funciones importantes en una serie de procesos fisiológicos y estados patológicos. Como parte de los procesos fisiológicos normales, participan en pasos clave de la presentación de antígenos como parte del sistema inmunológico adaptativo , la remodelación de la matriz extracelular , la diferenciación de los queratinocitos y el procesamiento de hormonas peptídicas . [1] [3] Las cisteína catepsinas se han asociado con el cáncer y la progresión tumoral , enfermedades cardiovasculares , enfermedades autoinmunes y otras afecciones de salud humana. [11] [13] [14] La catepsina K tiene un papel en la resorción ósea y se ha estudiado como un fármaco diana 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, existen niveles muy altos de expresión de cisteína catepsinas; En la duela hepática Fasciola hepatica , las duplicaciones genéticas han producido más de 20 parálogos de una enzima similar a la catepsina L. [1] Las cisteína catepsinas también son parte del ciclo de vida normal del parásito unicelular Leishmania , donde funcionan como factores de virulencia . [16] La enzima y posible fármaco objetivo 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 las 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 participan en la regulación de la muerte celular programada en plantas, por ejemplo en el tapete durante el desarrollo del polen . También son importantes en la inmunidad de las plantas al proporcionar defensa contra plagas y patógenos . [4] La relación entre las proteasas vegetales similares a la papaína y las respuestas a patógenos, como los inhibidores de 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 , utilizada como ablandador de carne . [20] 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 ámbitos de la vida , han sido menos estudiadas en procariotas que en eucariotas . [1] Sólo unas pocas enzimas PLP procarióticas se han caracterizado mediante cristalografía de rayos X o estudios enzimáticos, principalmente de bacterias patógenas, incluida la estreptopaína de Streptococcus pyogenes ; xilellaina, 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 proteasa tipo papaína de los nidovirus , particularmente 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 tipo 3C (también conocida como proteasa principal). [5] Las PLP del coronavirus son enzimas multifuncionales que también pueden actuar como deubiquitinasas (escindiendo el enlace isopéptido de la ubiquitina ) y "enzimas desGilantes" con actividad análoga contra la proteína ISG15 similar a la ubiquitina . [5] [6] En patógenos humanos, incluidos 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]