El proceso de degradación del proteasoma
La proteína que necesita ser degradada por el proteosoma se unirá primero a la ubiquitina como etiqueta, es decir, una lisina en la proteína y la ubiquitina forman un enlace valeroso. Este proceso es una reacción en cascada de tres enzimas, que requiere una serie de reacciones catalizadas por tres enzimas. Todo el proceso se denomina vía de señalización de ubiquitinación. En el primer paso de la reacción, la enzima activadora de ubiquitina (también conocida como E1) hidroliza el ATP y adenila una molécula de ubiquitina. A continuación, la ubiquitina se transfiere a un residuo de cisteína en el centro activo de E1, acompañada de la adenilación de una segunda molécula de ubiquitina. La molécula de ubiquitina adenilada luego se transfiere a un residuo de cisteína en una segunda enzima, la enzima reticulante de ubiquitina (E2). Finalmente, los miembros de la familia de ubiquitina ligasa (E3) altamente conservada (que varían según la proteína sustrato) reconocen proteínas diana específicas que deben ubiquitinarse y catalizan la transferencia de moléculas de ubiquitina desde E2 a la diana. La proteína objetivo debe marcarse con al menos cuatro moléculas de monómero de ubiquitina (en forma de cadenas de poliubiquitina) antes de que el proteasoma pueda reconocerla. Por tanto, es el E3 el que confiere especificidad de sustrato a este sistema. Las cantidades de proteínas E1, E2 y E3 dependen del organismo y del tipo de célula. Hay una gran cantidad de proteínas E3 diferentes en el cuerpo humano, lo que demuestra que el sistema ubiquitina-proteasoma puede actuar sobre una gran cantidad de proteínas diana.
Aún no se comprende completamente cómo el proteosoma reconoce las proteínas poliubiquitinadas. El extremo N-terminal de la proteína receptora de ubiquitina tiene un dominio similar a la ubiquitina y uno o más dominios de unión a ubiquitina. El dominio similar a la ubiquitina puede ser reconocido por partículas reguladoras 19S, mientras que el dominio de unión a ubiquitina puede unirse a la ubiquitina formando un haz de triple hélice. Estas proteínas receptoras pueden unirse a proteínas poliubiquitinadas y transportarlas al proteosoma, pero la especificidad y los mecanismos reguladores de esta unión no están claros. Pero recientemente, los investigadores han descubierto que la subunidad Rpn13 de la partícula reguladora puede funcionar como receptor de ubiquitina.
La proteína ubiquitina en sí está compuesta por 76 residuos. Se denomina "ubiquitina" porque existe ampliamente en los organismos: tiene una secuencia altamente conservada y está presente en todos los eucariotas conocidos de los organismos vivos. Los genes que codifican la ubiquitina en eucariotas están dispuestos en repeticiones en tándem, probablemente debido a la necesidad de una transcripción extensa para producir suficiente ubiquitina para las células. Se ha sugerido que la ubiquitina es la proteína de evolución más lenta descubierta hasta ahora. Vía de señalización de la ubiquitinación. Entre ellos, "Ub" significa ubiquitina.
La proteína ubiquitinada (en adelante denominada proteína sustrato) es reconocida por la partícula reguladora 19S. Este proceso es un proceso de unión dependiente de ATP. Luego, la proteína sustrato debe ingresar a los poros internos de la partícula central 20S para entrar en contacto con los sitios hidrolíticamente activos ubicados allí. Dado que los poros de las partículas 20S son relativamente estrechos y ambos extremos están controlados y conmutados por los extremos N de las subunidades en el anillo α, la proteína sustrato debe desplegarse al menos parcialmente antes de ingresar a la partícula central. El proceso de entregar proteínas desplegadas a las partículas centrales se llama translocación, y la translocación debe ocurrir después de la desubiquitinación. Sin embargo, actualmente no se comprenden los mecanismos de desubiquitinación y despliegue de las proteínas sustrato. En todo el proceso de reacción de degradación, qué paso es el paso limitante de la velocidad depende del tipo de proteína sustrato. Para algunas proteínas, el proceso de desarrollo es el paso limitante de la velocidad, mientras que para otras proteínas, la desubiquitinación puede ser el factor limitante de la velocidad; . Aún no se ha determinado qué proteínas sustrato deben desplegarse antes de la translocación, pero una fuerte estructura terciaria y algunas interacciones especiales no locales, como los enlaces disulfuro, pueden inhibir la degradación.
La "puerta" formada por la subunidad α impide que polipéptidos de más de cuatro residuos entren en el interior de la partícula 20S. Las moléculas de ATP unidas antes de que comience el paso de reconocimiento se hidrolizan antes de que se produzca la translocación, y existe controversia sobre si la energía generada por la hidrólisis se utiliza para el desarrollo de proteínas o para la apertura de la "puerta". El proteosoma 26S aún puede degradar proteínas desplegadas en presencia de análogos de ATP que no pueden hidrolizarse (es decir, no puede obtener la energía generada por la hidrólisis), pero no puede degradar proteínas plegadas. Este resultado ilustra la energía generada por la hidrólisis de ATP utilizada. , al menos en parte, para el desarrollo de proteínas. Cuando la tapa 19S está unida a ATP, la proteína sustrato desplegada puede transportarse a través de la "puerta" abierta mediante difusión facilitada.
El mecanismo de despliegue de la globulina es básicamente similar, pero también depende en cierta medida de la secuencia de aminoácidos de la proteína.
Los investigadores descubrieron que contener secuencias más largas de glicina o alanina inhibe el desarrollo, reduciendo así la eficiencia de la degradación proteasomal; el resultado es una mezcla que contiene proteínas parcialmente desplegadas, lo que puede deberse a la brecha entre la hidrólisis del ATP y los pasos de desarrollo causados por la desconexión. Algunas proteínas en la naturaleza también tienen secuencias repetidas de glicina-alanina, como la fibroína en la seda; vale la pena mencionar que los productos de expresión de genes específicos del virus del herpes humano también contienen tales secuencias, al inhibir la acción del proteasoma previene la presentación de antígenos al organismo; complejo mayor de histocompatibilidad, ayudando así a la propagación viral.
Una sección transversal de la partícula central 20S que muestra la ubicación del sitio activo. Entre ellos, la subunidad α está representada por una bola verde, el esqueleto proteico de la subunidad β se muestra como una serpentina y las diferentes cadenas polipeptídicas están representadas por diferentes colores. Las pequeñas bolas rosadas indican la posición del residuo de treonina en el sitio activo de cada subunidad. La estructura química de color azul claro es el inhibidor bortezomib unido al sitio activo. La degradación de proteínas se lleva a cabo por la subunidad β en la partícula central 20S, y se cree que el mecanismo es un ataque nucleofílico dependiente de treonina. Este mecanismo puede requerir la presencia de una molécula de agua unida implicada en la desprotonación del grupo hidroxilo de la treonina reactiva. La degradación ocurre en los poros de los dos anillos β en el medio de la partícula central. Generalmente, no se generan productos de degradación parcial, pero la proteína sustrato se degrada completamente en fragmentos peptídicos de cierta longitud; 7-9 residuos de base, pero su longitud puede variar de 4 a 25 residuos dependiendo del organismo y la proteína del sustrato. Los mecanismos que determinan la longitud de los péptidos en los productos de descomposición aún no se comprenden del todo. Aunque las tres subunidades β catalíticamente activas tienen el mismo mecanismo de degradación, tienen especificidades de sustrato ligeramente diferentes: tipo quimotripsina, tipo tripsina y péptido glutamilo. Esta diferencia en la especificidad del sustrato resulta de diferencias en las interacciones entre los residuos locales cercanos al sitio activo y el sustrato. Cada subunidad β catalíticamente activa también contiene una lisina conservada necesaria para la degradación.
Aunque el proteosoma suele generar fragmentos de degradación muy cortos, en algunos casos estos productos de degradación son en sí mismos moléculas funcionales biológicamente activas. Los factores de transcripción específicos, incluido un componente del complejo NF-κB de los mamíferos, existen como moléculas precursoras inactivas después de la síntesis y se convierten en moléculas activas después de la ubiquitinación y la degradación de las proteasas. Esta degradación requiere que el proteosoma escinda la parte media de la proteína, en lugar de la escisión habitual que comienza en un extremo de la proteína. Se ha sugerido que la parte media que necesita ser escindida es un bucle largo, ubicado en la superficie de la proteína, para que pueda servir como sustrato para el proteosoma y entrar en sus poros internos, mientras que otras partes de la proteína permanecen. fuera de los poros y no se degradará. Se ha encontrado un fenómeno similar en las proteínas de levadura; esta degradación selectiva se conoce como procesamiento regulado dependiente de ubiquitina/proteosoma. Aunque la mayoría de los sustratos proteasómicos deben estar ubiquitinados antes de la degradación, existen algunas excepciones, especialmente cuando el proteosoma participa en el procesamiento postraduccional de proteínas. Un buen ejemplo es la activación de NF-κB por el proteosoma al escindir la proteína p105 en proteína p50. Algunas proteínas que se presumen inestables debido a la presencia de regiones no estructuradas (ver proteínas intrínsecamente no estructuradas) también pueden degradarse a través de vías independientes de la ubiquitina. La ornitina descarboxilasa es el sustrato proteosoma más conocido en la vía no dependiente de ubiquitina. Se han informado mecanismos de degradación independientes de la ubiquitina de reguladores clave del ciclo celular, como la proteína p53, aunque la proteína p53 también puede degradarse a través de vías dependientes de la ubiquitina. Además, bajo ciertas condiciones de estrés celular, las proteínas con estructura anormal, mal plegamiento o sobreoxidación también entrarán en vías de degradación independientes de la ubiquitina y de los gránulos 19S.