EL PROTEOSOMA
JD. Franco, E. Fagundo, R. Gómez-Antúnez, R. Gómez- Domínguez
1) INTRODUCCIÓN 1- Concepto 2- Función 3- Características 4- Tipos de Proteosomas 2) SUBUNIDAD 20S 1- Características estructurales
2- Comparación entre las chaperoninas GroEL – y el complejo 20S 3- Anillos alpha
4- Anillos Beta
3) SUBUNIDAD 19S. Características estructurales y funcionales
4) FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO EN GENERAL DE LA RUTA UBIQUITINA PROTEOSOMA
5) MORFOGÉNESIS DEL PROTEOSOMA 26S, 30S y INMUNOPROTEOSOMA
4) PATOLOGIAS DERIVADAS DEL MALFUNCIONAMIENTO
A- Patologías asociadas al malfuncionaiento del complejo proteosómico. Parkinson. Huntigton. B- El Cancer: últimas investigaciones sobre la regulación del cáncer mediante inhibidores de proteosomas.
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1) INTRODUCCIÓN:
El proteosoma es un complejo macromolecular compuesto por múltiples subunidades protéicas, y que sirve para degradar proteínas de forma selectiva, asociadas al complejo de señalización de ubiquitina. Entre otras funciones encontramos:
Destruyen proteínas malformadas
Papel regulador como parte del sistema ubiquitina Diferenciación celular
Sistema inmunológico (inmunoproteosoma) Regula el ciclo celular
Defensa contra toxinas
Asociada a la hidrólisis de ATP Maquinaria degradativa de proteínas
Debido a todo esto, podemos entender que es importantísimo para la célula.
Es visible al microscopio electrónico, y mide alrededor de 15 nm de longitud, y 12 nm de diámetro.
Hay tres tipos de proteosomas funcionales: el proteosoma 26S, el proteosoma 30S, y el inmunoproteosoma. El proteosoma 26S, se compone del cap 19S formado por el lid y la base, y cuyo peso molecular es de 890 KDa; y también se compone del complejo 20S, con 720 KDa.
El proteosoma 30S, se compone igual que el proteosoma 26S solo que lleva un cap 19S más.
El inmunoproteosoma, está formado por un complejo 20S, del mismo peso y tamaño que el de los dos proteosomas anteriores; pero los cap son 11S en lugar de 19S.
2) COMPLEJO ESTRUCTURAL 20S:
A- CARACTERÍSTICAS ESTRUCTURALES: El complejo estructural es la partícula central del proteosoma, que está compuesta por 2 anillos de subunidades alpha y 2 anillos de subunidades beta, 2 a 2 formando el 20S (alpha y beta forman heterodímero que engarzan el complejo 20S). Tiene una longitud de 148 Å (alrededor de 15 nm), y un diámetro de 113 Å (alrededor de 12 nm).
En su interior encontramos 3 cámaras: precámara, cámara de reacción y postcámara. El poro de entrada a la precámara es de 13 Å (1,3 nm) y el poro de entrada a la cámara de reacción es de 22 Å. (2,2 nm)
B- ANALOGÍA GroEL – 20S: Una comparación curiosa, es la que encontramos entre las chaperoninas GroEL, y el complejo 20S, puesto que también está formado por anillos y tienen cámaras internas que catalizan diferentes reacciones enzimáticas. Son por tanto, dos complejos análogos estructuralmente, pero con diferentes funciones: uno pliega proteínas para darles forma y el otro despliega las proteínas para degradarlo en sus monómeros esenciales: los aminoácidos. Otra diferencia que los caracteriza es el tamaño del poro de salida, siendo el del proteosoma muy pequeño (para la salida de aminoácidos) y el de las chaperoninas mayor (para la salida de proteínas replegadas).
C- ANILLOS ALPHA: El complejo 20S está formado por 2 anillos alpha. Uno en la parte superior del complejo 20S y otra en la parte inferior de éste. Cada uno está compuesto por 7 subunidades alpha. Una subunidad alpha está compuesta por 6 hélices alpha hacia fuera y 10
láminas beta plegadas hacia el interior. Su peso es de 25,8 KDa y tiene 233 aas. El poro tiene 1,3 nm y 7 residuos de Lys-Tyr-Gly-Gly por cada subunidad alpha.
D- ANILLOS BETA: El complejo 20S está formado por 2 anillos beta. Los dos en la parte interior del complejo 20S. Cada uno está compuesto por 7 subunidades beta. Una subunidad beta está compuesta por 5 hélices alpha hacia fuera y 10 láminas beta plegadas hacia el interior. Su peso es de 22,3 KDa y tiene 211 aas.
El poro tiene 2,2 nm y 7 residuos de Tyr-Met por cada subunidad alpha.
Cada subunidad beta dispone de un residuo de Treonina del extremo N-Terminal hacia el interior de la cámara de reacción, que es el que lleva a cabo la función catalítica de cada una de las Subunidades Beta. Como hay 2 anillos beta, hay 14 residuos de Thr hacia el interior.
3) COMPLEJO ESTRUCTURAL 19S:
El complejo 19S es un complejo regulador de la degradación de proteínas, que está ligado a la ruta de señalización de ubiquitina. Se divide en 2 dominios diferentes:
a. LID
• Posee un poro de entrada
• Interviene en la
desubiquitinización (n10) • Ensamblamiento 19S – 20S
• Posee sitios específicos para la unión de determinadas proteínas (n5, n6, n7, n9, n11). Por ejemplo, un ligando para cdc28 es n3
• Mantenimiento de la integridad del núcleo (n12)
b. BASE
• Contiene todas las ATPasas (t1, t2, t3, t4, t5, t6) • Ensamblamiento 19S – 20S
• Efectora de la Traslocación
• Desplegamiento de las proteínas (n1, n2) • Unión a poliubiquitina (n10)
4) FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO:
La subunidad E1 se une a una ubiquitina mediante un grupo sulfhidrilo que posee (con requerimiento de energía mediante hidrólisis de ATP). Una vez que ocurre esto, entra el grupo formado por las subunidades E2/E3, que posee otro grupo sulfhidrilo que reacciona con el enlace formado antes entre la ubiquitina y E1. Así, lo que ocurre es que la ubiquitina queda unida a E2/E3 y sale E1 (que puede volver a empezar el ciclo). Ahora, la proteína diana (proteína que queremos degradar en el proteosoma), posee una zona de reconocimiento de E3, y por ello puede interaccionar y unirse a él. Seguidamente, se produce un ataque del grupo amino (NH2) de la proteína diana, sobre el grupo carbonilo (C=O) que posee la ubiquitina unida a E2: como producto de ello se forma un enlace covalente (base de Schiff) y queda unida la ubiquitina a la proteína diana. Esto se repite varias veces, consiguiendo la poliubiquitinización de la proteína diana.
La proteína diana poliubiquitinizada es llevada al cap 19S y se asocia a la subunidad n10 de la base, se produce un cambio de ATP (llevado a cabo por las ATPasas t1, t2, t3, t4, t5, t6 de la base) y se libera de la proteína la poliubiquitina, que será degradada por UCHL-1 (ubiquitin Carboxiterminal 1a Hidrolasa) para volver a unir más proteínas diana. Por otro lado la proteína diana será desplegada a una estructura primaria por las subunidades n1 y n2 de la base del cap19S, para poder ser introducida en el proteosoma por el proceso conocido como translocación.
Una vez en la cámara de reacción, las Thr de los extremos aminos de las subunidades beta, llevan a cabo un ataque nucleofílico (-OH) sobre el enlace peptídico (–C-N-), se va uniendo parte de la proteína a estos residuos, y por hidrólisis se liberan los oligopéptidos. Poco a poco se van liberando los aminoácidos que le dan una alta versatilidad al proteosoma:
• Nuevos Aminoácidos para síntesis de nuevas proteínas. • Elimina y regula un exceso de enzimas.
• Elimina toxinas que son dañinas y anormales para la célula, evitando agregados moleculares que dan lugar a las enfermedades degenerativas.
• Elimina factores de trascripción, regulando el ciclo celular y otras rutas metabólicas.
• Impide que un virus ensamble y siga su ciclo.
• Producción importante de Anticuerpos, que impide que un virus ensamble y siga su ciclo.
5) MORFOGÉNESIS DEL PROTEOSOMA:
El complejo macromolecular 20S, nace de la unión en heterodímeros de subunidades alpha y beta, con un precursor de 8 aminoácidos. Estos heterodímeros se unen dos a dos lateralmente formando un medioproteosoma, que al unirse los dos medioproteosomas, forman el preholoproteosoma, que al romper los precursores, forman el holoproteosoma 20S, que tras unirse a los CAP forman el proteosoma 26S, 30S y el inmunoproteosoma.
5) COMPLEJO ESTRUCTURAL 19S:
1) INTRODUCCIÓN
• Los 2 anillos externos compuestos de subunidades Alfa inactivas y los 2 internos compuestos de subunidades Beta.
• Los 4 anillos definen 3 compartimentos siendo el central el más importante Centros activos
19S Compuesto por 20 proteinas, 6 de las cuales son ATPasa
Además es muy flexible para permitir el movimiento implicado en la captura de las proteinas Ub-conjugada
4) PATOLOGIAS DERIVADAS DEL MALFUNCIONAMIENTO A- PATOLOGIAS ASOCIADAS AL MALFUNCIONAMIENTO DEL COMPLEJO PROTEOSOMICO:
1. Acumulación de proteínas ubiquitinizadas que forma placas amiloides (Enfermedades degenerativas)
2. Sobreexpresión del Proteosoma que lleva a procesos oncológicos 3. Susceptibilidad a enfermedades infecciosas (Sida)
Las enfermedades neurodegenerativas son consecuencia del primer punto expuesto anteriormente (punto 1); es decir, una acumulación de proteínas que por una mutación espontánea o hereditaria, tienen mayor cantidad de aminoácidos apolares y láminas beta plegadas de lo normal, por lo que son proteínas aberrantes que tienden a unirse entre sí para evitar su contacto con el liquido celular, formando lo que se conoce como
pentámeros SAP (Serum Amiloid Fosfate) que tienden a unirse 2 a 2 con una unión CPHPC. Esto origina placas amiloideas que se acumulan en el citosol y atascan las rutas celulares produciendo un malfuncionamiento de éstas o su apoptosis.
El proteosoma en este caso, no puede eliminar el exceso de proteínas aberrantes: Malfuncionamiento del proteosoma (mutaciones puntuales, inhibición…) Alta concentración de proteínas aberrantes, imposibles de degradar.
Dentro de las enfermedades neurodegenerativas, encontramos las siguientes:
PARKINSON
HUNTINGTON
ENFERMEDAD DE PICK
ATAXIAS
ATAXIA DE JOSÉ MACHADO
....
Puesto que no se puede abarcar en este trabajo todas las enfermedades
neurodegenerativas, vamos a explicar un par de ejemplos que pueden resumir los aspectos básicos de éste tipo de enfermedades:
Enfermedad de Parkinson: Es resultado de un fallo en el proceso proteolítico del proteosoma:
• Fallo de la enzima UCHL-1 (ubiquitina carboxiterminal 1a hidrolasa), que se ocupa de despolimerizar las poliubiquitinas. Si no se despolimerizasen, no podrían volver a unir proteínas diana, con lo que no irían al proteosoma.
• La PARKINA, es un transportador que se ocupa de llevar la alpha synuclein al proteosoma, si falla ésta, se origina un parkinsonismo juvenil (Como lo que ocurre con Michael J. Fox).
• Las chaperonas y chaperoninas no dan abasto con la ingente cantidad de proteínas aberrantes, al igual que ocurre con el proteosoma.
La consecuencia de estos errores, conlleva a la consiguiente acumulación de α
-sinucleina que forman los Cuerpos de Lewy (Lewis Bodies = LW), lo que lleva al deterioro de las neuronas dopaminérgicas y de la sustancia negra la cual, produce DOPAMINA que se envía al tejido estriado y actúa en el mecanismo del movimiento. Cuando se va deteriorando, se produce menos dopamina y surge la enfermedad debido al desequilibrio químico.
Enfermedad de Huntington: Es resultado de una mutación genética sobre el gen concreto de la huntingtina, en el que se produce una multiplicación de bases CAG que
codifican para la glutamina, originando unos residuos entre 200 y 300 poliglutaminas, lo que origina una cremallera polar que se une a una proteínas HAP-1, lo que produce un colapso en la célula (cuerpos de inclusión de huntingtina), que lleva a la muerte de neuronas del tejido cerebral que produce atrofia del estriado, a altura del caudado y putamen, originando esta enfermedad conocida como la Corea de Huntington.
Solo hay que comprobar como afecta esta degradación a los enfermos, viendo las imágenes de cerebros normales y cerebros con enfermedades neurodegenerativas.
B- EL CANCER: ÚLTIMAS INVESTIGACIONES SOBRE LA REGULACIÓN DEL CANCER MEDIANTE INHIBIDORES DE PROTEOSOMAS.
El cáncer es una patología que afecta directamente a las células, que tienen mutados una serie de genes que afectan a la supervivencia y al ciclo celular de éstas células, haciendo que sean células quiescentes (inmortales). El proteosoma, esta sobreexpresado y
degrada CICLINA en exceso, por lo que la célula nunca para de dividirse, aparte de que esta célula crea sus propias señales de supervivencia (IL-6) gracias a la destrucción del factor de regulación IkB-NFKB, y gracias a la destrucción constantes de los CDK-inhibidores (p21,p27)
Debido a esto, la inhibición del proteosoma podría ser un buen punto de partida para parar la erradicación del cáncer, ya que afectaría al proceso de creación de IL-6 y
destruiría las CICLINAS, liberaría p21 y p27, con lo que el cáncer se pararía y la célula, pasaría a estado un APOPTÓTICO.
En el ciclo celular en células normales, el proteosoma degrada ciclina en anafase, para poder pasar a telofase. Al final de la interfase se comienza a sintetizar ciclina que une CDK, formando el complejo MPF (factor promotor de mitosis), que permite el paso de metafase, dando lugar a un ciclo celular.
Lo que ocurre en células aberrantes, es que la ciclina b se degrada continuamente por sobreexpresión del proteosoma, por alguna mutación o activador que hace que el proteosoma esté descontrolado. Esto permite la destrucción y renovación de ciclina que une a CDK 1, dando lugar a una mitosis continua e invasiva, que produce tumores, metástasis, etc…
No solo existen este tipo de ciclinas, sino que para cada fase del ciclo celular hay una ciclina que une específicamente a un tipo de cdk, por ello, hay otro nivel de regulación que afecta al ciclo celular: los CDK-INHIBIDORES, dentro de los cuales
entrontramos el p21 y p27, que actúan cuando hay daño celular o cromosómico, parando el ciclo hasta que se repara el daño, siempre y cuando el proteosoma este inhibido o regulado de forma normal, puesto que en condiciones oncogénicas, el proteosoma esta sobreexpresado y degrada continuamente los cdk inhibidores, impidiendo que este punto de control funcione correctamente.
El tercer nivel de control que da lugar a procesos oncológicos, es la de los señales de regulación de los factores de supervivencia celular: IkB y NFKB que originan Interleuquinas 3 y 6, VEGF y VCAM1. Las células cancerosas resisten cualquier radiación o quimioterapia, de hecho, cuando se les irradia, destruyen IkB que regula al factor de trascripción NFkB, liberando el NFkB que va al núcleo y genera factores de supervivencia que llevan a la célula saltarse la apoptosis, de este modo, las células cancerosas nunca mueren. La inhibición del proteosoma a este nivel, también podría
provocar que las células cancerosas llegasen a la APOPTOSIS al no haber señales de supervivencia (IL-3, IL-6).
