A degradação de proteínas é um processo altamente regulado que remove proteínas danificadas, mal-enoveladas ou desnecessárias, mantendo a homeostase celular e controlando os níveis de proteínas reguladoras. Dois sistemas principais realizam a degradação intracelular de proteínas: o sistema ubiquitina-proteassomo e a via autofagia-lisossomo.
O Sistema Ubiquitina-Proteassomo
O sistema ubiquitina-proteassomo é a principal via para degradação seletiva de proteínas em células eucarióticas. As proteínas são marcadas para degradação pela ligação covalente de ubiquitina, uma proteína de 76 aminoácidos, através de uma ligação isopeptídica entre a glicina C-terminal da ubiquitina e um resíduo de lisina na proteína alvo. A ubiquitinação é reversível, e enzimas desubiquitinantes removem a ubiquitina dos substratos.
Cascata de Ubiquitinação
A ubiquitinação requer três enzimas agindo sequencialmente. A enzima ativadora de ubiquitina usa ATP para formar uma ligação tioéster de alta energia entre sua cisteína do sítio ativo e o C-terminal da ubiquitina. A ubiquitina ativada é transferida para uma enzima conjugadora de ubiquitina. Uma ubiquitina ligase então catalisa a transferência da ubiquitina da E2 para a proteína alvo, formando uma ligação isopeptídica. O genoma humano codifica cerca de 35 enzimas E2 e mais de 600 ligases E3, fornecendo enorme especificidade de substrato.
A ubiquitinação processiva adiciona moléculas adicionais de ubiquitina à lisina 48 da ubiquitina anterior, formando uma cadeia de poliubiquitina. Cadeias de pelo menos quatro ubiquitinas ligadas através da lisina 48 são o sinal canônico para degradação proteassomal. Outros tipos de ligação, como cadeias de lisina 63, sinalizam para funções não proteolíticas, incluindo reparo de DNA e sinalização celular.
O Proteassomo
O proteassomo 26S é um grande complexo protease consistindo de uma partícula central 20S coberta por uma ou duas partículas reguladoras 19S. O núcleo 20S é uma estrutura em forma de barril de quatro anéis empilhados, com os anéis alfa externos formando um canal com portão e os anéis beta internos contendo sítios ativos proteolíticos. Três tipos de subunidades catalíticas têm atividades semelhantes a quimotripsina, tripsina e caspase, clivando após resíduos hidrofóbicos, básicos e ácidos, respectivamente.
A partícula reguladora 19S reconhece proteínas ubiquitinadas, remove a cadeia de ubiquitina através de enzimas desubiquitinantes, desenovela o substrato e o transloca através do canal estreito para o núcleo 20S. A hidrólise de ATP pelas subunidades ATPase da partícula reguladora alimenta esses processos. O proteassomo degrada proteínas em peptídeos de 7 a 9 aminoácidos, que são então degradados por peptidases citosólicas ou usados para apresentação de antígenos.
Autofagia
A autofagia entrega material citoplasmático ao lisossomo para degradação. Na macroautofagia, uma estrutura de membrana dupla chamada fagóforo elonga e envolve uma porção do citoplasma, formando um autofagossomo que se funde com o lisossomo. O conteúdo é degradado por hidrolases lisossômicas, e os aminoácidos e outros metabólitos resultantes são liberados de volta ao citosol.
A autofagia é regulada pela via de sinalização mTOR, que inibe a autofagia quando os nutrientes são abundantes. Inanição, privação de fator de crescimento e estresse celular ativam a autofagia. A autofagia é essencial para o controle de qualidade, removendo organelas danificadas e agregados proteicos. A autofagia defeituosa contribui para doenças neurodegenerativas, câncer e envelhecimento.
O Sistema Ubiquitina-Proteassomo na Doença
O UPS está implicado em muitas doenças. No câncer, ligases E3 como MDM2 que regulam p53 são frequentemente desreguladas, e componentes do complexo SCF são mutados em certas malignidades. Inibidores do proteassomo como bortezomibe são tratamentos eficazes para mieloma múltiplo. Doenças neurodegenerativas apresentam acúmulo de agregados proteicos ubiquitinados, sugerindo comprometimento do UPS. A síndrome de Angelman é causada pela perda de função da ligase E3 UBE3A.
A Regra do N-Terminal
A regra do N-terminal relaciona a meia-vida de uma proteína à identidade de seu resíduo N-terminal. Certos aminoácidos N-terminais, como arginina, lisina e leucina, são desestabilizadores e marcam proteínas para degradação rápida através do reconhecimento por ligases E3 específicas. A via da regra do N-terminal é importante para regular o controle de qualidade de proteínas, detecção de heme e segregação cromossômica. Resíduos N-terminais podem ser gerados por clivagem proteolítica, fornecendo um mecanismo para degradação regulada de proteínas específicas.
