Procesamiento Postraduccional de Proteínas

Descripción General de los Aminoácidos

Los aminoácidos son los componentes básicos de las proteínas. Entender los fundamentos de los aminoácidos permite comprender mejor el plegamiento y la modificación de las proteínas.

Estructura de los aminoácidos

Los aminoácidos que componen las proteínas se conocen como α-aminoácidos. Cada uno de estos aminoácidos tiene un carbono central conocido como “carbono alfa”, que realiza 4 enlaces:

• Ion de hidrógeno
• Grupo carboxilo: formado por ácido carboxílico (–COOH), que crea el extremo C-terminal del aminoácido
• Grupo amino: formado por un grupo amino (–NH₂), que crea el extremo N-terminal del aminoácido
• Cadena lateral R: el único grupo funcional de un aminoácido

Propiedades de los aminoácidos

Los aminoácidos pueden clasificarse por las características de sus grupos R, que pueden ser:

• Polar o no polar
• Hidrofóbico o hidrofílico
• Cargado o no cargado a pH fisiológico
• Ácido o básico

Plegamiento de Proteínas

Niveles de estructura de las proteínas

La estructura de las proteínas, que a menudo se denomina plegado de proteínas, tiene 4 niveles. Estos niveles son:

1. Primario
2. Secundario
3. Terciario
4. Cuaternario

Estructura primaria

• La estructura primaria es la secuencia lineal de los aminoácidos de la cadena peptídica.
• “Cuentas en una cuerda” unidas por enlaces peptídicos
• Esta estructura determina en última instancia todas las propiedades de la proteína.

Estructura secundaria

• Se produce entre aminoácidos que están relativamente cerca unos de otros (normalmente entre 3–10 aminoácidos)
• Entre los 3 motivos más comunes se encuentran:
  • α-hélice: una espiral con los grupos R en el exterior
  • Las láminas y cadenas β:
    • Estructura plana formada por hebras de aminoácidos en zigzag
    • Los grupos R sobresalen de la parte superior e inferior de la lámina.
  • Giros inversos: una secuencia corta, que suele incluir prolina y/o glicina, que se produce entre α-hélices y/o láminas β-plegadas
• Las estructuras secundarias se estabilizan mediante enlaces de hidrógeno entre el oxígeno carboxilo y los hidrógenos de la amina.
• Algunas proteínas fibrosas simples (e.g., queratina) solamente tienen estructuras primarias y secundarias.
• Los modelos informáticos suelen ser capaces de predecir las estructuras secundarias a partir de la secuencia de aminoácidos.

Estructura terciaria

La estructura terciaria es el complejo bucle y plegado que se produce como resultado de las interacciones y los enlaces entre las porciones de la proteína que están más separadas. Algunos ejemplos de interacciones que crean una estructura terciaria son:

• Enlaces de hidrógeno: se forman entre cadenas laterales polares
• Puentes disulfuro: fuertes enlaces covalentes que se forman entre dos cisteínas
• Enlaces iónicos: se forman entre un grupo R cargado positivamente/ácido (e.g., el grupo carboxilo del ácido aspártico) y un grupo R cargado negativamente/básico (e.g., el grupo amina de la lisina)
• Enlaces metálicos: 2 regiones de una proteína unidas a un metal (e.g., hierro)
• Interacciones hidrofóbicas entre cadenas laterales no polares: se orientan hacia adentro, lejos del agua, para crear espacios de exclusión hidrofóbica.

Estructura cuaternaria

En una estructura cuaternaria, varias subunidades de una proteína se unen para formar una única proteína.

• Cada subunidad tiene sus propias estructuras primaria, secundaria y terciaria
• Las subunidades se mantienen unidas por las mismas fuerzas que generan la estructura terciaria:
  • Enlaces de hidrógeno
  • Enlaces iónicos
  • Puentes disulfuro (enlaces covalentes)
  • Enlaces metálicos
  • Interacciones hidrofóbicas
• El plegado terciario y cuaternario producen varios motivos comunes:
  • β-α-β
  • Barras β (comunes en los canales de membrana)
  • Hélice-giro-hélice

Proteínas chaperonas

Las proteínas chaperonas ayudan al plegado de las proteínas.

• Las chaperonas son proteínas en forma de barril que recogen las proteínas mal plegadas y utilizan la energía del adenosin trifosfato (ATP, por sus siglas en inglés) para volver a plegarlas correctamente.
• Estas proteínas pueden unirse a las regiones hidrofóbicas de las proteínas no plegadas, lo que permite que se produzca un plegado adecuado.
• Se encuentra en varios compartimentos celulares como:
  • Citosol
  • Mitocondrias
  • Lumen del retículo endoplásmico

Desnaturalización de proteínas

Una proteína desnaturalizada es una proteína que se ha desdoblado y ya no es funcional. Este desdoblamiento se produce bajo ciertas condiciones, que incluyen cambios en:

• pH
• Temperatura
• Concentración iónica

Clasificación de Proteínas

Las proteínas deben ser clasificadas y acabarán permaneciendo en la célula, colocándose en la pared celular o siendo exportadas/secretadas.

Proteínas exportadas y de superficie

Las proteínas destinadas a la superficie celular y/o a la secreción de la célula se sintetizan en el retículo endoplásmico rugoso:

• Durante la traducción, una secuencia de péptido señala el extremo de la cadena polipeptídica en crecimiento e indica que una proteína está destinada a ser secretada por la célula.
• Una proteína de reconocimiento de señales se une a la secuencia del péptido señal, deteniendo la elongación.
• La proteína de reconocimiento de señales, guía a todo el ribosoma hacia el retículo endoplásmico rugoso y lo asocia a un poro.
• Cuando se reanuda la síntesis, el polipéptido en crecimiento se deposita dentro del retículo endoplásmico rugoso.
• A continuación, las proteínas se dirigen a los lisosomas o a la membrana plasmática o se empaquetan para su exocitosis (secreción):
  • Las proteínas secretadas siguen la vía exocítica (secretora): retículo endoplásmico rugoso → aparato de Golgi → membrana plasmática
  • Las proteínas destinadas al aparato de Golgi, a la membrana plasmática o a la secreción, se mueven con la ayuda de vesículas de transporte.

Proteínas intracelulares

• Las proteínas sintetizadas en el citosol, no asociadas al retículo endoplasmático rugoso, se mantienen dentro de la célula.
• Otros péptidos señal específicos pueden dirigir estas proteínas a su ubicación final en la célula (e.g., el núcleo).

Modificación de Proteínas

Después de sintetizar un polipéptido, se somete a una nueva modificación para formar una proteína funcional. Esta modificación puede incluir el corte de partes de la cadena polipeptídica o la adición de un grupo funcional.

Escisión de proteínas

La escisión de proteínas es el proceso de eliminación de ciertos polipéptidos para que la proteína sea funcional.

• Muchas proteínas no son funcionales inmediatamente después de la traducción; estas proteínas se denominan proproteínas.
• Los polipéptidos son escindidos por enzimas proteolíticas.
• Ejemplos de aminoácidos o péptidos que se suelen escindir:
  • El primer aminoácido (metionina) coincide con el codón de inicio del ácido ribonucleico mensajero (ARNm), lo que indica el comienzo de la traducción.
  • Los péptidos señalizadores ayudan a la proteína a llegar a su ubicación correcta, pero no forman parte de la proteína funcional en sí.
  • Las enzimas y las hormonas se traducen con frecuencia como proproteínas, que requieren ser escindidas para convertirse en funcionales/activas (e.g., el péptido C precursor de la insulina (proinsulina) se escinde en el aparato de Golgi).

Adición de un grupo funcional

Las proteínas se modifican además mediante la adición covalente de grupos funcionales y otras moléculas.

• Las modificaciones más comunes son:
  • Fosforilación
  • Acetilación
  • Metilación
  • Ubiquitinación
  • Glicosilación
  • Lipidación
• Sitios comunes que se modifican:
  • Grupos hidroxilos en serina, treonina y tirosina
  • Grupos aminos en la lisina, la arginina y la histidina
  • Grupos carboxilato en aspartato y glutamato
  • Los terminales N y C
• Principios generales:
  • Los grupos hidrofóbicos pueden ayudar a una proteína a incorporarse a una membrana.
  • La adición de cofactores puede mejorar la actividad enzimática.

Fosforilación

• Adición del grupo fosforilo (más común)
• Funciones comunes:
  • Regula la actividad enzimática
  • Intercambio de energía celular: ATP, guanosina trifosfato, nicotinamida adenina dinucleótido fosfato

Acetilación y metilación

• Adición del grupo acetilo o del grupo metilo
• Funciones comunes:
  • Activa muchos productos farmacéuticos
  • Regula la expresión genética y la síntesis de proteínas
  • Modificaciones de las histonas

Ubiquitinación

• Adición de ubiquitina
• Funciones:
  • Marca las proteínas para su degradación en el proteasoma
  • Modificaciones de las histonas

Glicosilación

• Adición de carbohidratos para crear una glicoproteína
• Los tipos de glicoproteínas incluyen:
  • N-glicoproteínas: unidas al nitrógeno de la cadena lateral de la asparagina
  • O-glicoproteínas: unidas al oxígeno en la cadena lateral de la serina o la treonina
• Las proteínas glicosiladas suelen estar asociadas a la membrana celular o son secretadas; algunos ejemplos comunes son:
  • Hormonas
  • Funciones del sistema inmunitario (e.g., se encuentran en algunos anticuerpos)
  • Identidad celular (e.g., tipos de sangre ABO)
• La glicosilación afecta a muchos procesos celulares diferentes y está implicada en:
  • Cáncer
  • Diabetes
  • Enfermedad de Alzheimer

Lipidación

• Adición de una molécula lipídica para crear un proteolípido
• Suele aparecer en proteínas asociadas a una membrana de fosfolípidos
• Ejemplos de lipidación:
  • Adición de un “ancla” de glucosilfosfatidilinositol: comúnmente utilizado para anclar proteínas de la superficie celular
  • N-miristoilación: adición de un grupo miristoilo a algunas proteínas implicadas en la transducción de señales, oncogénesis y defensa del huésped
  • Prenilación o palmitoilación: adición de un grupo de prenilo o de ácido palmítico a las proteínas de membrana, haciéndolas más hidrofóbicas

Relevancia Clínica

Las anomalías en la modificación postraduccional y/o en el plegamiento o la clasificación de las proteínas pueden dar lugar a una serie de afecciones clínicamente importantes.

• Inhibidores de la proteasa: el virus de inmunodeficiencia humana (VIH) utiliza el proceso de proteólisis durante su ciclo vital para crear proteínas estructurales funcionales a partir de precursores. Estas proteasas son el objetivo de los medicamentos contra el VIH llamados inhibidores de la proteasa.
• Enfermedad de Alzheimer: enfermedad neurodegenerativa que provoca demencia: se cree que las proteínas mal plegadas y/o anormalmente modificadas, entre ellas el péptido β-amiloide y las proteínas tau, están asociadas a la enfermedad de Alzheimer. Todavía se está estudiando si la enfermedad de Alzheimer provoca un aumento de las proteínas mal plegadas o si son las proteínas mal plegadas las que provocan la enfermedad.
• Enfermedad de Parkinson: trastorno neurodegenerativo progresivo del movimiento que se presenta con temblores, rigidez y ralentización del movimiento: Se cree que la enfermedad de Parkinson está causada, al menos en parte, por la acumulación de una proteína llamada α-sinucleína en las neuronas de la vía nigroestriada, lo que provoca la muerte de estas neuronas. El mal plegamiento de la α-sinucleína conduce a la formación de agregados insolubles, que se acumulan e interrumpen la señalización.
• Fibrosis quística: trastorno autosómico recesivo causado por mutaciones en el gen CFTR. Las mutaciones conducen a una disfunción de los canales de cloruro, lo que da lugar a una mucosidad hiperviscosa y a la acumulación de secreciones. Hay 5 clases de mutaciones. La clase II es un grupo de mutaciones que causan un procesamiento postraduccional anormal; debido a estas anormalidades, las proteínas no son llevadas a las ubicaciones celulares correctas (y a menudo son defectuosas). Esta clase incluye la mutación común F508del. Las presentaciones más comunes de la fibrosis quística son las infecciones respiratorias crónicas, el retraso en el desarrollo y la insuficiencia pancreática.