Bioquímica del Metabolismo

La degradación de proteínas

Contenido de esta página: serina proteasas 
Otras clases de proteasas
lisosomas y el volumen de negocios de proteína 
ubiquitina 
proteasoma centrales complejas 
complejos capitalización Regulatorios
Las clases de enzimas proteolíticas:

Las proteasas de serina incluyen el enzimas digestivas tripsina , quimotripsina , y elastasa . Diferentes proteasas de serina difieren en la especificidad de sustrato. Por ejemplo, la quimotripsina prefiere una cadena lateral aromática en el residuo cuyo carbono del carbonilo es parte del enlace peptídico que se escinde ( R -Grupo de color azul a continuación). Tripsina prefiere un residuo Lys o Arg cargado positivamente en esta posición.

Durante la catálisis, no hay ataque nucleofílico del oxígeno de hidroxilo de un residuo de serina de la proteasa en el carbono carbonilo del enlace peptídico que va a ser escindido. Un intermedio de acil-enzima se forma transitoria. El mecanismo de reacción se presenta en la página 522 de Bioquímica por Voet y Voet, tercera edición.La hidrólisis del enlace éster se obtiene el segundo producto peptídico.

Serina proteasa

En el diagrama por encima de un pequeño péptido se muestra ser escindido, mientras que el sustrato habitual sería un polipéptido mayor.El sitio activo de la serina proteasa en cada uno incluye una serina residuo, una histidina residuo, y un aspartato residuo. Durante el ataque del oxígeno hidroxilo de la serina, un protón se transfiere desde el hidroxilo de serina para el anillo de imidazol de la histidina, como el carboxilo aspartato adyacente es H unido a la histidina.

Aspartato proteasas incluyen la enzima digestiva pepsina , algunas proteasas encontradas en lisosomas , la enzima renal de renina y la proteasa del VIH .Dos residuos de aspartato participan en la catálisis ácido / base en el sitio activo. En la reacción inicial, un aspartato acepta un protón de un sitio activo H 2 O , que ataca el carbono del carbonilo del enlace peptídico. Simultáneamente, el otro aspartato dona un protón al oxígeno del grupo carbonilo del péptido.

Zinc proteasas (metaloproteasas) incluyen las enzimas digestivas carboxipeptidasas , varios de matriz metaloproteasas ( MMPs ) que son secretadas por las células, y una proteasa lisosomal. Algunos MMPs (por ejemplo, colagenasa) están involucrados en la degradación de la matriz extracelular durante la remodelación del tejido.Algunos MMPs tienen papeles en la señalización celular relacionadas con su capacidad para liberar citocinas o factores de crecimiento de la superficie celular mediante la escisión de pre-proteínas unidas a membrana.Un motivo de unión de cinc en el sitio activo de una metaloproteasa incluye dos histidina residuos cuyas cadenas laterales de imidazol son ligandos al Zn ++ . A la derecha, el zinc átomo en carboxipeptidasa (rojo oscuro) se muestra complejado con dos anillos histidina N átomos (azul) y el oxígeno átomo de una molécula de agua (rojo). Durante la catálisis, el Zn ++  promueve ataque nucleófilo sobre el carbono del carbonilo por el átomo de oxígeno de un agua molécula en el sitio activo. Una base sitio activo (un residuo de glutamato en carboxipeptidasa) facilita esta reacción mediante la extracción de un protón de la molécula de agua atacante.

La carboxipeptidasa sitio activo:  Zinc, histidinas que interactúan y agua muestran como spacefill, con el resto de la proteína en la pantalla de dibujos animados.

Las cisteína proteasas tienen un mecanismo catalítico que implica una cisteína sulfhidrilo grupo. La desprotonación de la sulfhidrilo de cisteína por un residuo de histidina adyacente es seguido por ataque nucleófilo de la cisteína S en el carbono del carbonilo del péptido. Un tioéster que une el nuevo extremo carboxi-terminal en el tiol de cisteína es un intermedio de la reacción (comparable a la acil-enzima intermedio de una serina proteasa). Las cisteína proteasas incluyen los siguientes:

• La papaína es un bien estudiado planta proteasa cisteína.
• Catepsinas son una gran familia de lisosomales cisteína proteasas, con variadas especificidades de sustrato.
• Las caspasas son proteasas de cisteína implicados en la activación y la ejecución de la apoptosis (muerte celular programada). Las caspasas obtienen su nombre del hecho de que se escinden en el lado carboxilo de un residuo de aspartato.
• Las calpaínas son Ca ⁺⁺ activados por proteasas de cisteína que escinden proteínas intracelulares implicadas en la motilidad celular y la adhesión. Regulan procesos tales como la migración celular y la cicatrización de heridas.

La activación de proteasas:

• La mayoría de las proteasas se sintetizan como grandes pre-proteínas . Durante la activación, la pre-proteína se escinde para eliminar un segmento inhibidora.
• En algunos casos la activación implica la disociación de una proteína inhibidora (véase más adelante).
• La activación puede ocurrir después de una proteasa se ​​entrega a un determinado compartimento dentro de una célula o al medio extracelular. 
• Las caspasas intervienen en la iniciación de la apoptosis se activan mediante la interacción con los grandes complejos de andamios y proteínas activadoras llamadas apoptosomes . Para ver un diagrama de un complejo apopotosome ver una Universidad de Londres página web .

Inhibidores de la proteasa: La mayoría de los inhibidores de la proteasa son proteínas con dominios que entran o bloquean un sitio activo de la proteasa para evitar el acceso de sustrato.

• IAPs son proteínas que bloquean la apoptosis mediante la unión a y la inhibición de caspasas . La proteína estimulante de la apoptosis Smac antagoniza el efecto de los PAI en las caspasas.
• TIMPs son inhibidores de metaloproteasas que son secretadas por las células. Un dominio de la proteína interactúa con el inhibidor catalítico Zn ⁺⁺ . 
• Cistatinas son inhibidores de lisosomales catepsinas . Algunos de éstos (también llamados stefins) se encuentran en el citosol y otros en el espacio extracelular. Cistatinas protegen a las células contra las catepsinas que pueden escapar de los lisosomas. 
• Serpins están ampliamente distribuidos proteínas que utilizan un único suicidio mecanismo para inhibir la serina o cisteína proteasas.
  Un gran cambio conformacional en la serpina acompaña a la escisión de su bucle sustrato. Esto conduce a disordering del sitio activo de la proteasa, la prevención de la finalización de la reacción. La serpina permanece unido covalentemente a la proteasa como un acil-enzima intermedio.
  Ver la película "La inhibición de la proteasa" en el sitio web de Medicina Estructural de la Universidad de Cambridge.
  Serpins están ampliamente distribuidos dentro y fuera de las células, y tienen diversas funciones , incluyendo la regulación de coagulación de la sangre, la escisión de fibrina, y la inhibición de la apoptosis.

Los lisosomas contienen una gran variedad de enzimas hidrolíticas que degradan las proteínas y otras sustancias tomadas en por endocitosis . Materiales tomadas en una célula por gemación hacia el interior de las vesículas de la membrana plasmática pueden ser procesadas primero en un compartimiento endosomal y luego entregados en el lumen de un lisosoma por fusión de una vesícula de transporte. Para una breve introducción a la endocitosis mediada por receptor, consulte los materiales de clase sobre las lipoproteínas . Transportadores de soluto incrustadas en la membrana lisosomal catalizan la salida de productos de la digestión lisosomal (por ejemplo, aminoácidos, azúcares, colesterol) al citosol. Los lisosomas tienen un pH interno de baja debido a la actividad de la ATPasa vacuolar , un H + bomba homóloga a (pero diferente de) la mitocondrial F 1 F oATPasa . Todas las hidrolasas lisosomales intra-exhiben optima pH ácido . Proteasas lisosomales incluyen muchas catepsinas (proteasas de cisteína), así como algunos aspartato proteasas y una proteasa de zinc. La activación de las proteasas lisosomales por escisión puede ser catalizada por otras enzimas lisosomales o ser autocatalítico, promovido por el pH ácido dentro del lisosoma.

En la autofagia , parte del citoplasma puede quedar rodeado por dos membranas concéntricas. La fusión de la membrana externa de esta autophagosomecon una vesícula lisosomal resulta en la degradación de las estructuras citoplásmicas y macromoléculas cerrados.Estudios genéticos en levaduras han identificado proteínas únicas implicadas en la formación autofagosoma. Alternativamente, un orgánulo o complejo macromolecular podrán tomarse en un autophagosome por un proceso que se asemeja endocitosis.

Un modelo para la formación de vacuolas autofagia.

El volumen de negocios de proteínas y la degradación selectiva o escisión:
Proteínas celulares individuales se vuelven más (se degradan y re-sintetizado) a un ritmo diferente. Por ejemplo, las vidas medias de las enzimas seleccionadas de células de hígado de rata intervalo de 0,2 a 150 horas (Tabla p. 1352).
Regla del extremo N : En promedio, de una proteína de vida media se correlaciona con su residuo N-terminal . Ver tabla pág. 1357.

• Las proteínas con N-terminal Met, Ser, Ala, Thr, Val, Gly o tienen vidas medias de más de 20 horas.
• Las proteínas con N-terminal de Phe, Leu, Asp, Lys, Arg o tienen una vida media de 3 min o menos.

PLAGAS proteínas, rica en Pro (P), Glu (E), Ser (S) y Thr (T), son más degrada rápidamente que otras proteínas.
La mayoría de la autofagia es no un mecanismo para selectivo degradación de las macromoléculas individuales. Sin embargo, las proteínas citosólicas que incluyen la secuencia KFERQ pueden serselectivamente absorbidos por los lisosomas en un proceso llamado autofagia mediada chaperona . Este proceso, que es estimulada en condiciones de oxidativo nutricional o estrés , implica la interacción de las proteínas que se degrade con:

• Chaperonas citosólicas que se despliegan las proteínas.
• Una membrana lisosomal receptor (LAMP-2A) que pueden proporcionar una vía a través de la membrana.
• Los acompañantes de los lisosomales lumen que pueden ayudar con translocación a través de la membrana.

Proteasas intramembrane de escisión ( I-clips ) escinden proteínas reguladoras , tales como factores de transcripción de proteínas precursoras ancladas a la membrana.Por ejemplo, los precursores de SREBP (proteína de unión a elemento de respuesta a esterol) factores de transcripción son proteínas integrales embebidos en las membranas del retículo endoplásmico. La activación de SREBP implica su translocación a las membranas de Golgi donde la escisión secuencial por dos proteasas comunicados al citosol un dominio con actividad de factor de transcripción. El SREBP liberado puede entonces trasladar al núcleo de la célula para regular la transcripción de genes para enzimas que participan, por ejemplo, en la síntesis de colesterol. S2P (sitio 2 proteasa, una I-clip ) es una metaloproteasa de membrana integrado que escinde un una hélice del precursor SREBP dentro del dominio transmembrana.

La ubiquitina :Las proteínas son generalmente etiquetados para selectiva destrucción en complejos proteolíticas llamados proteasomas por la unión covalente de ubiquitina , una proteína pequeña, compacta que está altamente conservada. Sin embargo, algunas proteínas pueden ser degradados por proteasomas sin ubiquitinación.

Un enlace isopeptídico une el carboxilo terminal de la ubiquitina a la dirección amino grupo de una lisina residuos de una proteína "condenado". La unión de ubiquitina a una proteína condenado es dependiente de ATP . Tres enzimas están implicadas, designado E1, E2 y E3. (Ver también pág. 1354.)Inicialmente, el grupo carboxilo terminal de la ubiquitina se une en un enlace tioéster a un residuo de cisteína en la ubiquitina-activación de la enzima ( E1 ). Este es el paso dependiente de ATP.

La ubiquitina se transfiere entonces a un grupo sulfhidrilo en un ubiquitina-conjugación de la enzima ( E2 ). A ubiquitina ligasa-Proteína ( E3 ) a continuación, promueve la transferencia de ubiquitina de E2 a la e -amino grupo de un residuo de lisina de una proteína reconocida por que E3, formando un enlace isopeptídico. Hay muchas distintas ubiquitina ligasas con diferentes especificidad de sustrato. Uno E3 es responsable de la N-end regla. Algunos E3s son específicos para proteínas particulares. Algunas proteínas (por ejemplo, ciclinas mitóticas implicados en la regulación del ciclo celular) tienen una secuencia llamada una caja de destrucción que es reconocido por un dominio correspondiente de la ubiquitina ligasa.

Más ubiquitinas pueden añadirse para formar una cadena de ubiquitinas . El carboxilo terminal de cada ubiquitina está vinculada a la e -amino grupo de un residuo de lisina (Lys29 o Lys48) de la ubiquitina adyacente en la cadena.  Una cadena de cuatro o más ubiquitinas se dirige a las proteínas para la degradación en proteasomas. (Adjunto de un solo ubiquitina a una proteína tiene otros efectos regulatorios.)

La ubiquitina ligasas (E3) consiste principalmente de dos familias.

• Algunos ubiquitina ligasas tienen un HECT dominio que contiene un conservado de cisteína residuo que participa en la transferencia de ubiquitina activada a partir de E2 a una proteína diana.
• Algunos ubiquitina ligasas contienen un dedo anular de dominio en el que cisteína e histidina residuos son ligandos a 2 Zn ⁺⁺ iones. UN ANILLO (realmente interesante nuevo gen) dedo no es inherentemente catalítico. Se estabiliza una conformación del dominio globular característico que sirve como un andamio molecular de los residuos que interactúan con E2.

Reglamento de ubiquitinación :

Las proteínas se han identificado que regulan o facilitar la conjugación de la ubiquitina. Reglamento de la fosforilación de algunas proteínas diana se ha observado.  Por ejemplo, la fosforilación de PLAGAS dominios activa ubiquitinación de proteínas ricas en los aminoácidos de plagas. La glicosilación de algunas proteínas PLAGAS con N acetilglucosamina ( GlcNAc ) tiene el efecto contrario, la prolongación de la vida media de estas proteínas. Apego GlcNAc aumenta con elevada glucosa extra-celular, lo que sugiere un papel como un sensor de la nutrición .

• Una proteína de tipo ubiquitina llamado Nedd8 puede estar unido a ligasas de ubiquitina ( E3 ) que tienen una subunidad "cullin", incluyendo un dominio de dedos de anillo. De-neddylation(eliminación de la proteína Nedd8), catalizada por una subunidad metaloproteasa de un complejo denominado el signalosome COP9, activa las E3 ligasas.
• Algunos causantes de enfermedades virus se dirigen a proteínas de la célula huésped para la degradación en el proteasoma. Activan ya sea una célula huésped u biquitin ligasa para ubiquitinate proteínas del huésped, o codificar su propia ubiquitina ligasa.

Explora a la derecha de la estructura de un dímero de ubiquitina, en el que Lys48 de una ubiquitina está vinculada al extremo carboxi de la otra ubiquitina.

La ubiquitina

Proteasomas:S electiva degradación de la proteína se produce en el proteasoma, un complejo de proteína grande situado en el núcleo y el citosol de las células eucariotas. El núcleo complejo proteasoma , que tiene un coeficiente de sedimentación de 20S , contiene 2 copias de cada uno de los 14 polipéptidos diferentes. 7 a las proteínas de tipo forman cada uno de los dos a los anillos, en los extremos de la estructura cilíndrica. 7 b proteínas de tipo forman cada uno de los dos centrales b anillos. El 20S núcleo complejo proteasoma encierra una cavidad que consta de 3 compartimientos unidos por estrechos pasillos. Ver diagramas p. 1360, 1362.

La proteasa actividades se asocian con tres de los b subunidades, teniendo cada uno diferente especificidad de sustrato:

• Una catalítica b subunidad tiene un tipo quimotripsina actividad con preferencia por tirosina o fenilalanina en la posición P1 (cabonyl péptido).
• Uno tiene un tipo tripsina actividad con preferencia por arginina o lisina en la posición P1.
• Uno tiene un post-glutamil actividad con preferencia por glutamato u otro residuo ácido en la posición P1.

Diferentes variantes de las tres subunidades catalíticas, con diferente especificidad de sustrato, se producen en las células del sistema inmunológico que escinden proteínas para la visualización del antígeno.

Las hidrolasas del proteasoma constituyen una familia única de proteasas de treonina . A treonina N-terminal conservada está implicada en la catálisis en cada sitio activo. Los tres catalíticos b subunidades se sintetizan como pre-proteínas. Se activan cuando el N-terminal se escinde, por lo que el residuo de treonina N-terminal. Treoninas catalíticos están expuestos en la superficie luminal.

La degradación proteasomal de determinadas proteínas es un mecanismo esencial por el cual los procesos celulares están regulados , tales como la división celular, la apoptosis, la diferenciación y el desarrollo. Por ejemplo, la progresión a través del ciclo celular está controlada en parte a través de degradación de proteínas llamadas regulados ciclinas que activan las quinasas dependientes de ciclina .

Muchos inhibidores de actividad de la proteasa del proteasoma son conocidos, algunos de los cuales son productos naturales y otros producidos experimentalmente. Por ejemplo, TMC son de origen natural inhibidores del proteasoma. Se unen con alta afinidad junto a treoninas sitio activo dentro del núcleo complejo proteasoma. TMC tiene una estructura de anillo heterocíclico derivado de aminoácidos modificados.

Los inhibidores del proteasoma causan detención del ciclo celular y la inducción de apoptosis (muerte celular programada) cuando se añade a las células que se dividen rápidamente. El uso potencial de los inhibidores del proteasoma en el tratamiento de cáncer está siendo investigado.

Varias subunidades del proteasoma están glicosiladas con GlcNAc ( N acetilglucosamina ) cuando la glucosa extracelular es alta, lo que lleva a una disminución de la proteolisis intracelular. Por el contrario, en condiciones de baja nutrición, disminución de la modificación por GlcNAc conduce a un aumento de la proteólisis. Por lo tanto la degradación de proteínas es sensible a la nutrición a través de glicosilación tanto de ubiquitina ligasa (ver más arriba ) y el propio proteasoma.

Evolución proteasoma: proteasomas son considerados muy viejos. Están en arqueobacterias, pero no la mayoría de las eubacterias, aunque eubacterias tienen complejos proteína degradante alternativos. El archaebacterial proteasoma tiene sólo dos tipos de proteínas, un y b , con 14 copias de cada una. El proteasoma eucariota ha evolucionado 14 proteínas distintas que ocupan posiciones únicas dentro del proteasoma (7 una de tipo y 7 b de tipo). Explore a la derecha de la estructura del 20S levadura núcleo complejo proteasoma.

20S proteasoma

Complejos Regulatorios cap: En las estructuras cristalinas del núcleo complejo proteasoma solo, no hay aparente apertura al exterior. Los extremos de la compleja cilíndrica son bloqueados por los dominios N-terminales de un subunidades que funcionan como una puerta. Interacción con un complejo tapa provoca un cambio conformacional que abre una vía de paso en el complejo núcleo.
El complejo 19S reguladora tapa reconoce proteínas multi-ubiquitinada, ellos se desarrolla, elimina las cadenas de ubiquitina, y proporciona un paso para el roscado de proteínas desplegadas en el núcleo complejo proteasoma. La tapa 19S es un 20-subunidad complejo de 700 kDa, también conocida como PA700. Cuando se combina con un núcleo complejo 20S, se produce un proteasoma 26S. Sólo baja resolución información estructural, obtenida por microscopía electrónica, está disponible para la tapa 19S (ver p.1355). Ubicación y funciones de algunas proteínas constituyentes han sido establecidas.

• El "más externa tapa "de la tapa 19S consiste en un anillo de ocho proteínas.
• El "más interno de base "de la tapa 19S incluye un anillo de seis miembros de la familia AAA de ATPasas . Estos son los acompañantes que realizan-ATP dependiente de desdoblamiento de las proteínas antes de su ser roscado en el complejo central. Es típico de las ATPasas AAA que se ensamblan en anillos hexaméricos.
• Yo sopeptidases en los 19S cap cadenas de ubiquitina desmonte. Ubiquitinas puede entonces ser reutilizado. Al menos una enzima deubiquitylating se sabe que se encuentra entre las regiones tapa y la base de la tapa 19S.

Un simple tapón archaebacterial complejo llamado PAN se compone sólo de un hexameric anillo de ATPasas AAA , comparables a la base de la tapa reguladora 19S. PAN, en presencia de ATP, fue encontrado para causar la apertura de una puerta en el extremo de la proteasoma 20S a través del cual una proteína desplegada pudiera entrar. La base de la tapa the19S se asume a hacer lo mismo, a pesar de alta resolución evidencia estructural para esto todavía es insuficiente.

El 11S casquillo de regulación es un complejo heptameric de una proteína PA28 . Permite pequeños , no ubiquitinated proteínas y péptidos que pasan al núcleo complejo proteasoma. Esto no requiere la hidrólisis de ATP.La tapa 11S es en forma de cúpula , con una amplia abertura en cada extremo. La unión de la tapa 11S altera la conformación de N -terminal de los dominios de núcleo complejo un subunidades, la apertura de una puerta en el núcleo del proteasoma. Para las imágenes que muestran los cambios conformacionales implicados en apertura de la puerta por los 11S coronar ver el sitio web de Christopher Hill. Ha habido muchos estudios estructurales de aislado proteasoma núcleo complejo, ya sea con la tapa de 19S o 11S (como a la derecha). Formación de complejos mixtos , en los que un núcleo del proteasoma 19S se intercala entre y 11S caps, se ha demostrado por microscopía electrónica. In vivo , una tapa 19S puede reconocer, de-ubiquitinate, despliegue y alimentar a las proteínas en un complejo de núcleo en un extremo, mientras que una tapa de 11S en el otro extremo puede proporcionar una trayectoria de salida para los productos peptídicos.