Los proteasomas son las mayores proteasas dependientes de ATP de subunidades múltiples que son esenciales para todos los dominios de la vida. Son necesarios para la degradación de proteínas mal plegadas, dañadas e inexplicablemente sintetizadas, manteniendo así un control sobre el control de la calidad de las proteínas dentro de la célula. Los proteasomas también juegan un papel crucial en casi todos los procesos celulares, ya que son necesarios para la destrucción oportuna de diversas proteínas reguladoras que de lo contrario pueden inducir efectos no deseados.
Las proteínas dirigidas a los proteasomas a menudo contienen secuencias de aminoácidos específicas que actúan como señales de degradación o “degron”. Los Degrons varían mucho en diferentes sistemas y generalmente implican modificar las proteínas diana de alguna manera. En eucariotas, los degones a menudo son reconocidos por ubiquitin ligasas, lo que resulta en la unión covalente de cadenas de poliubiquitina a la proteína diana, que luego puede ser reconocida por el proteosoma para la degradación.
El proteasoma es indiscutiblemente un complejo extremadamente versátil e intrincado, y para comprender cómo se puede unir, desplegar y cortar las proteínas en pequeños péptidos, debemos analizar su estructura de cerca.
Estructura del proteosoma:
El proteosoma eucariota 26S está compuesto por una partícula central 20S (CP) que contiene la cámara proteolítica, junto con dos partículas reguladoras (RP) 19S que cubren la PC 20S en cualquier lado que se requieren para la unión, desubiquitilación, despliegue y translocación de sustratos en la partícula núcleo (Figura 1).
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Figura 1. Estructura del proteasoma . La partícula de núcleo 20S (CP) (azul), la base de partículas 19S (naranja) y la tapa (gris) y el sustrato (verde). Diferentes tipos de proteasomas pueden cumplir funciones en diferentes organismos. Imagen de [1].
La partícula del núcleo 20S:
La partícula de núcleo 20S es un gran complejo simétrico doble que consta de cuatro anillos heteroheptaméricos apilados axialmente. Los anillos internos están formados por siete subunidades β distintas (β1-β7), mientras que los anillos externos contienen siete subunidades α distintas (α1-α7) (Figura 2). Las subunidades β1, β2 y β5 contienen los sitios activos proteolíticos que se escinden preferentemente después de ciertos aminoácidos, y entre ellos pueden escindir casi cualquier secuencia peptídica (Figura 3). Las subunidades α no contienen ninguna actividad endopeptidasa, en cambio, los anillos α funcionan al activar las entradas a la cámara proteolítica interna; estos poros estrechos normalmente están ocluidos por las colas N-terminales de subunidades α específicas.
Figura 2. Estructura de la partícula de núcleo 20S. Vistas lateral (izquierda) y seccional (medio) de la CP 20S que indican los anillos α y β en azul claro y azul oscuro, respectivamente, y la cámara proteolítica. Vistas superiores de los anillos α y β (derecha). Imágenes hechas de 3WXR.
Figura 3. Mecanismos proteolíticos del proteasoma 20S. La hidrólisis del enlace peptídico se lleva a cabo mediante el residuo Thr N-terminal de las subunidades β activas. Imagen de [2].
Las puertas de las partículas del núcleo 20S existen en un equilibrio dinámico entre los estados cerrado y abierto que está sesgado hacia el primero. Los activadores proteasómicos 20S, que incluyen ciertas subunidades del RP 19S, contienen motivos conservados en su extremo C que pueden insertarse en bolsas de las subunidades α e inducen cambios conformacionales que desplazan las colas N-terminales del anillo α del poro del CP, lo que garantiza la entrada de sustrato [3]. Los mecanismos de activación del CP también son bidireccionales; la apertura de la puerta de un extremo alostéricamente induce la apertura del otro extremo [2]. Este mecanismo también permite el procesamiento del sustrato en ambos extremos; se ha demostrado que los CP 20S pueden procesar dos sustratos simultáneamente por ciclo de degradación [2].
La partícula reguladora 19S:
La partícula reguladora 19S está compuesta de dos complejos bioquímicamente separados: la “base” y la “tapa” . Estos dos complejos se asocian en la parte superior de la partícula central para regular la entrada de sustratos en la cámara proteolítica de la partícula central.
Figura 4. La partícula reguladora 19S. Ubicaciones de la tapa (amarillo) y la base (azul) del complejo 19S. La base se encuentra en la parte superior del núcleo 20S (gris). Imagen de [4].
La base RP consta de 10 subunidades. 6 de estos son Rpt1-6, estos son ATPasas distintas que forman un anillo heterohexamérico y pueden considerarse como la verdadera “base” del RP (Figura 5). Estas ATPasas funcionan para proporcionar la fuerza dependiente de ATP requerida para el despliegue del sustrato y la posterior translocación al CP para la degradación.
Figura 5. Estructura del anillo hexacícico de la ATPasa proteasomal. Se indican diferentes dominios de las ATPasas: espirales en espiral (azul), pliegue oligonucleótido / oligosacárido (OB) (magenta), núcleo ATPasa (gris), dominio C-terminal (amarillo). Imagen de [5].
Las otras 4 subunidades de la base son Rpn1, Rpn2 y los receptores de ubiquitina Rpn10 y Rpn13 (Figura 6). Rpn1 y Rpn2 son las dos subunidades más grandes del proteasoma, y se cree que forman andamios sobre los cuales el sustrato y otros factores pueden atracar. Rpn10 y Rpn13 pueden unir directamente ubiquitina y funcionar como receptores para sustratos poliubiquitinados.
Figura 6. Localización de Rpn1, Rpn2 y los receptores de ubiquitina. Se indican las posiciones de diferentes subunidades de RP. El sitio activo de Rpn11 (punto rojo) está muy cerca del poro central del anillo de ATPasa hexamérica. Imagen de [4].
La tapa RP no es estrictamente una tapa; no tapa la base del RP, sino que parece actuar como una pinza para mantener el RP y el CP juntos. La tapa consiste en 8 proteínas no enzimáticas (Rpn3, Rpn5-9, Rpn12 y Sem1 en levadura) y la enzima deubiquitinante (DUB) Rpn11. Con la excepción de Rpn11, se cree que las subunidades de tapa tienen funciones de andamiaje, y se requiere que coloquen las subunidades de RP para la unión del sustrato, la desubiquitinación y la transferencia del sustrato a la base.
Figura 7. La tapa RP. Las subunidades de la tapa (excepto Sem1) se indican en diferentes colores. La imagen más a la izquierda corresponde a la imagen a la derecha en la Figura 2. Imagen de [4].
Mecanismo de degradación proteica por el proteosoma 26S:
La degradación de los sustratos por el proteosoma es procesiva, es decir, el proteasoma rara vez libera sustratos parcialmente degradados. El proteosoma lo logra mediante un mecanismo complejo como se detalla a continuación:
1) Antes de la unión del sustrato, el proteasoma existe en un estado “cerrado”, es decir, la arquitectura general de las partículas reguladoras y del núcleo es tal que carecen de un canal claro y continuo a través del cual los sustratos pueden alcanzar los sitios proteolíticos (Figura 8) . El anillo OB de las subunidades ATPasa (mostrado en azul oscuro), el anillo ATPasa mismo (azul claro) y el anillo α adyacente de la partícula central (gris) forman canales centrales, pero los anillos y canales están desplazados e inclinados con respecto a cada uno de tal manera que no se alinean. El sitio activo de la deubiquitinasa Rpn11 también está ocluido (Figura 9, punto rosado), lo que impide la desubiquitinación prematura del sustrato antes de la interacción con el anillo de ATPasa.
Figura 8. Reordenación estructural en la unión del sustrato. El anillo OB (azul oscuro), el anillo ATPasa (azul claro) y la partícula central (gris) alinean sus canales centrales al unirse al sustrato. Rpn11 se muestra en verde. Explicación de la figura detallada en el texto. Imagen de [6].
Figura 9. Modelo funcional para la degradación del sustrato por el proteasoma. El sustrato está indicado en rojo, restos de ubiquitina en púrpura, Rpn11 en verde, base RP en azul claro. Explicación de la figura detallada en el texto. Imagen de [7].
2) Los substratos poliubiquitinados son reconocidos por los dos receptores de ubiquitina intrínsecos Rpn10 y Rpn13, así como por los receptores de ubiquitina separables adicionales, que pueden acoplarse a la proteína Rpn1 del armazón (Figuras 5 y 9). Aunque los motivos que interactúan con ubiquitina (UIM) de estos receptores solo pueden reconocer uno o dos restos de ubiquitina en cualquier momento, el posicionamiento de Rpn10 y RPn13 es tal que pueden unir simultáneamente sustratos marcados con una cadena de cuatro fracciones de ubiquitina o más largas, que puede ayudar a discriminar las proteínas monoubiquitinadas (a veces utilizadas como señales de interacción de proteínas) y poliubiquitinadas (utilizadas en degones). La cadena de ubiquitina también debe ser capaz de abarcar la distancia entre el receptor y la enzima desubiquitinante Rpn11, que puede servir como un mecanismo regulador adicional para reconocer cadenas poliubiquitinadas.
3) Debe producirse una conmutación conformacional sobre el acoplamiento del sustrato para permitir la entrada del sustrato en la cámara proteolítica del núcleo del proteasoma. Cuando el sustrato poliubiquitinado es absorbido por los receptores de ubiquitina, la cola flexible (generalmente desordenada) del sustrato puede entrar al anillo OB y entrar en contacto con la parte superior del anillo de ATPasa (Figura 9) [8]. Esto desencadena la reordenación del anillo ATPasa de manera que se alinea con la partícula central y se ensancha para formar un poro central que permite la entrada del sustrato. Tras esta reorganización del anillo ATPasa, los dominios C-terminales de 3 de sus subunidades pueden acoplarse en los bolsillos del anillo α de CP, abriendo así el canal central de la partícula central también [2].
4) La desubiquitinación del sustrato se lleva a cabo por el DUB Rpn11. Aunque Rpn11 se parece a las metaloproteasas convencionales, en el contexto del proteasoma, la división de ubiquitina por Rpn11 está acoplada a la translocación dependiente de ATP del sustrato a través del canal central. La conmutación conformacional sobre la unión del sustrato gira Rpn11 de modo que el sitio activo se reubica en la parte superior del poro central (Figura 9, punto rosa), que puede explorar y eliminar las modificaciones de ubiquitina a medida que el sustrato se transloca a través del canal central. Tenga en cuenta que los restos de ubiquitina en sí mismos no están realmente degradados, simplemente se dividen y se reciclan.
5) La translocación del sustrato por los motores ATPasa ocurre por ondas rápidas y altamente coordinadas de cambios conformacionales dependientes de la hidrólisis de ATP alrededor del anillo de ATPasa, que impulsan el sustrato al núcleo proteolítico del proteosoma. Se requiere que estas ATPasas sean capaces de reconocer casi cualquier secuencia y generar fuerzas de arrastre sobre el péptido para desplegar y translocar la proteína completa. Las 6 subunidades del anillo ATPasa, Rpt1-6 no son redundantes en este proceso, forman una disposición en espiral no simétrica, y todas contienen un motivo Gly hidrofóbico-aromático que se requiere para “remar” sustratos a través del canal . Estas ATPasas hexámericas se “tambalean” sobre la partícula del núcleo 20S: un mecanismo cíclico ordenado garantiza que en un momento dado solo dos subunidades ATPas se unan al ATP simultáneamente y se acoplen al 20S [9]. Sin embargo, el principal impedimento para la translocación de sustratos en la partícula central es el despliegue de dominios plegados por la acción de estos motores ATPasa, y el mecanismo por el cual las ATPasas proteasómicas se despliegan y translocan sustratos todavía no se conoce del todo.
6) La proteólisis en la partícula central se inicia cuando el sustrato desplegado alcanza los sitios catalíticos de los anillos β de la partícula central (Figura 9). Los sitios proteolíticos de las subunidades β1, β2 y β5 son tales que entre ellos pueden escindir casi cualquier secuencia peptídica. Los péptidos fragmentados se escinden progresivamente en péptidos más pequeños, y permanecen en la cavidad central de la partícula del núcleo del proteasoma hasta que son lo suficientemente pequeños como para difundirse a través de las puertas en cualquier extremo [4]. Estos péptidos varían entre 2 a 20 aminoácidos de longitud, con una longitud promedio de 7-8 residuos. Los péptidos que finalmente son liberados por el proteasoma se someten a un procesamiento adicional por otras peptidasas presentes en la célula.
Notas adicionales:
- La proteolisis independiente de ubiquitina se lleva a cabo principalmente por el 20S proteasoma solamente, esta vía puede identificar proteínas mal plegadas y dañadas. Los mecanismos de degradación en esta vía pueden ser algo diferentes, ya que implica reguladores y activadores distintos del complejo 19S. La composición de la subunidad del 20S también puede variar según el tipo de actividad requerida [10] [11].
Fuentes y lecturas adicionales:
[1] conjugaciones de proteasoma y proteína en todos los dominios de la vida
[2] Mecanismo catalítico y montaje del proteasoma
[3] Mecanismo de apertura de puerta en el proteasoma 20S por las ATPasas proteasómicas
[4] Completa la arquitectura de subunidades de la partícula reguladora del proteosoma
[5] Arquitectura molecular y montaje del proteosoma eucariótico
[6] Recambio de proteína regulado: instantáneas del proteasoma en acción
[7] La conmutación conformacional del proteasoma 26S permite la degradación del sustrato
[8] Funciones del complejo 19S en la degradación proteasomal
[9] AAA-ATPasas proteasómicas: estructura y función
[10] Regulación de la vía de degradación independiente de ubiquitina 20S proteasoma
[11] El proteasoma y la degradación de proteínas oxidadas: Parte II: oxidación de proteínas y degradación proteasomal
De la degradación de proteínas por la vía ubiquitina-proteasoma en estados normales y de enfermedad 