La degradación de proteínas es un proceso altamente regulado que elimina proteínas dañadas, mal plegadas o innecesarias, manteniendo la homeostasis celular y controlando los niveles de proteínas reguladoras. Dos sistemas principales realizan la degradación de proteínas intracelulares: el sistema ubiquitina-proteasoma y la ruta autofagia-lisosoma.
El Sistema Ubiquitina-Proteasoma
El sistema ubiquitina-proteasoma es la ruta principal para la degradación selectiva de proteínas en células eucariotas. Las proteínas son marcadas para degradación mediante la unión covalente de ubiquitina, una proteína de 76 aminoácidos, a través de un enlace isopeptídico entre la glicina C-terminal de la ubiquitina y un residuo de lisina en la proteína diana. La ubiquitinación es reversible, y las enzimas desubiquitinantes eliminan la ubiquitina de los sustratos.
Cascada de Ubiquitinación
La ubiquitinación requiere tres enzimas que actúan secuencialmente. La enzima activadora de ubiquitina usa ATP para formar un enlace tioéster de alta energía entre su cisteína del sitio activo y el extremo C-terminal de la ubiquitina. La ubiquitina activada se transfiere a una enzima conjugadora de ubiquitina. Una ubiquitina ligasa luego cataliza la transferencia de ubiquitina desde la E2 a la proteína diana, formando un enlace isopeptídico. El genoma humano codifica aproximadamente 35 enzimas E2 y más de 600 ligasas E3, proporcionando una enorme especificidad de sustrato.
La ubiquitinación procesiva añade moléculas adicionales de ubiquitina a la lisina 48 de la ubiquitina anterior, formando una cadena de poliubiquitina. Las cadenas de al menos cuatro ubiquitinas unidas a través de la lisina 48 son la señal canónica para la degradación por el proteasoma. Otros tipos de enlace, como las cadenas de lisina 63, señalan funciones no proteolíticas como la reparación del ADN y la señalización celular.
El Proteasoma
El proteasoma 26S es un gran complejo proteasa que consiste en una partícula central 20S coronada por una o dos partículas reguladoras 19S. El núcleo 20S es una estructura en forma de barril de cuatro anillos apilados, con los anillos alfa externos formando un canal con compuerta y los anillos beta internos conteniendo los sitios activos proteolíticos. Tres tipos de subunidades catalíticas tienen actividades similares a quimotripsina, tripsina y caspasa, cortando después de residuos hidrofóbicos, básicos y ácidos respectivamente.
La partícula reguladora 19S reconoce las proteínas ubiquitinadas, elimina la cadena de ubiquitina mediante enzimas desubiquitinantes, despliega el sustrato y lo transloca a través del canal estrecho hacia el núcleo 20S. La hidrólisis de ATP por las subunidades ATPasa de la partícula reguladora alimenta estos procesos. El proteasoma degrada las proteínas en péptidos de 7 a 9 aminoácidos, que luego son degradados por peptidasas citosólicas o utilizados para la presentación de antígenos.
Autofagia
La autofagia entrega material citoplasmático al lisosoma para su degradación. En la macroautofagia, una estructura de doble membrana llamada fagóforo se alarga y engloba una porción del citoplasma, formando un autofagosoma que se fusiona con el lisosoma. El contenido es degradado por hidrolasas lisosomales, y los aminoácidos resultantes y otros metabolitos se liberan de vuelta al citosol.
La autofagia está regulada por la ruta de señalización de mTOR, que inhibe la autofagia cuando los nutrientes son abundantes. La inanición, la privación de factores de crecimiento y el estrés celular activan la autofagia. La autofagia es esencial para el control de calidad, eliminando orgánulos dañados y agregados de proteínas. La autofagia defectuosa contribuye a enfermedades neurodegenerativas, cáncer y envejecimiento.
El Sistema Ubiquitina-Proteasoma en la Enfermedad
El UPS está implicado en muchas enfermedades. En el cáncer, las ligasas E3 como MDM2 que regulan p53 están a menudo desreguladas, y los componentes del complejo SCF están mutados en ciertas neoplasias malignas. Los inhibidores del proteasoma como el bortezomib son tratamientos efectivos para el mieloma múltiple. Las enfermedades neurodegenerativas presentan acumulación de agregados de proteínas ubiquitinadas, sugiriendo deterioro del UPS. El síndrome de Angelman es causado por la pérdida de función de la ligasa E3 UBE3A.
La Regla del N-Extremo
La regla del N-extremo relaciona la vida media de una proteína con la identidad de su residuo N-terminal. Ciertos aminoácidos N-terminales, como arginina, lisina y leucina, son desestabilizantes y marcan las proteínas para degradación rápida mediante el reconocimiento por ligasas E3 específicas. La ruta de la regla del N-extremo es importante para regular el control de calidad de proteínas, la detección de hemo y la segregación cromosómica. Los residuos N-terminales pueden generarse mediante escisión proteolítica, proporcionando un mecanismo para la degradación regulada de proteínas específicas.
