Modificación post-traduccional

Modificación post-translacional de la insulina. En la parte superior, el ribosoma traduce una secuencia de mRNA en una proteína, insulina y pasa la proteína a través del reticulum endoplasmático, donde se corta, se dobla y se mantiene en forma por los lazos disulfudos (-S-S-). Luego la proteína pasa por el aparato golgi, donde se envasa en una vesícula. En la vesícula se cortan más partes y se convierte en insulina madura.

La modificación postraduccional (PTM) es la modificación covalente y generalmente enzimática de proteínas después de la biosíntesis de proteínas. Este proceso ocurre en el retículo endoplásmico y el aparato de Golgi. Las proteínas son sintetizadas por los ribosomas que traducen el ARNm en cadenas polipeptídicas, que luego pueden someterse a PTM para formar el producto de proteína madura. Los PTM son componentes importantes en la señalización celular, como por ejemplo cuando las prohormonas se convierten en hormonas.

Las modificaciones postraduccionales pueden ocurrir en las cadenas laterales de aminoácidos o en los extremos C o N de la proteína. Pueden ampliar el repertorio químico de los 22 aminoácidos proteinogénicos modificando un grupo funcional existente o introduciendo uno nuevo como el fosfato. La fosforilación es un mecanismo muy eficaz para regular la actividad de las enzimas y es la modificación postraduccional más común. Muchas proteínas eucariotas y procariotas también tienen moléculas de carbohidratos unidas a ellas en un proceso llamado glicosilación, que puede promover el plegamiento de proteínas y mejorar la estabilidad, además de desempeñar funciones reguladoras. La unión de moléculas de lípidos, conocida como lipidación, a menudo se dirige a una proteína o parte de una proteína unida a la membrana celular.

Otras formas de modificación postraduccional consisten en escindir enlaces peptídicos, como en el procesamiento de un propéptido a una forma madura o la eliminación del residuo de metionina iniciador. La formación de enlaces disulfuro a partir de residuos de cisteína también puede denominarse modificación postraduccional. Por ejemplo, la hormona peptídica insulina se corta dos veces después de que se forman los enlaces disulfuro y se elimina un propéptido del medio de la cadena; la proteína resultante consta de dos cadenas polipeptídicas conectadas por enlaces disulfuro.

Algunos tipos de modificaciones postraduccionales son consecuencia del estrés oxidativo. La carbonilación es un ejemplo que se dirige a la proteína modificada para su degradación y puede dar como resultado la formación de agregados de proteína. Las modificaciones específicas de aminoácidos se pueden usar como biomarcadores que indican daño oxidativo.

Los sitios que suelen sufrir modificaciones postraduccionales son aquellos que tienen un grupo funcional que puede actuar como nucleófilo en la reacción: los grupos hidroxilo de serina, treonina y tirosina; las formas amínicas de lisina, arginina e histidina; el anión tiolato de cisteína; los carboxilatos de aspartato y glutamato; y los extremos N y C. Además, aunque la amida de la asparagina es un nucleófilo débil, puede servir como punto de unión para los glicanos. Pueden ocurrir modificaciones más raras en las metioninas oxidadas y en algunos grupos metileno en las cadenas laterales.

La modificación postraduccional de las proteínas se puede detectar experimentalmente mediante una variedad de técnicas, incluida la espectrometría de masas, la transferencia Eastern y la transferencia Western. Se proporcionan métodos adicionales en la sección #Enlaces externos.

PTM que implican la adición de grupos funcionales

Adición por una enzima in vivo

Grupos hidrófobos para la localización de membranas

• miristoylación (un tipo de acilacion), apego de miristate, a C₁₄ Ácido saturado
• palmitoilación (tipo de acilacion), apego de palmitate, a C₁₆ Ácido saturado
• isoprenylation or prenylation, the addition of an isoprenoid group (e.g. farnesol and geranylgeraniol)
  • Farnesylation
  • geranilgeranylation
• glypiation, glycosylphosphatidylinositol (GPI) ancla formation via anida bond to C-terminal tail

Cofactores para mejorar la actividad enzimática

• lipoatación (tipo de acilación), apego de un lipoato (C)₈) grupo funcional
• flavin moiety (FMN o FAD) puede estar covalentemente unido
• heme C adjunto a través de enlaces thioether con cisteínas
• fosfopantetheinylation, la adición de un 4'-fosphopantetheinyl moiety de coenzyme A, como en ácido graso, poliketide, peptide no-ribosomal y biosíntesis de leucina
• retinylidene Formación de base de Schiff

Modificaciones de factores de traducción

• formación de difthamide (en una histidina encontrada en eEF2)
• apego fosfoglicerol de etanol (en glutamato encontrado en eEF1α)
• Formación hipusina (en lisina conservada de eIF5A (eukaryotic) y aIF5A (arqueal))
• beta-Lysine adición en una lisina conservada del factor de alongación P (EFP) en la mayoría de las bacterias. EFP es un homolog a eIF5A (eukaryotic) y aIF5A (archaeal) (ver arriba).

Grupos químicos más pequeños

• acylation, por ejemplo. O-acylation (esters), N-acitolación (amidas), S- la acilación (tiostras)
  • acetilación, la adición de un grupo acetil, ya sea en el N-terminus de la proteína o en residuos de lisina. El reverso se llama desacetilación.
  • formylation
• alquilatación, la adición de un grupo alquilo, por ejemplo metil, etil
  • Metilación de la adición de un grupo de metil, generalmente en lysine o residuos de arginina. El reverso se llama demetilación.
• amidation en C-terminus. Formado por la disociación oxidativa de un residuo Gly C-terminal.
• formación de lazos
  • aminoácidos
    • arginylation, a tRNA-mediation addition
    • poliglutamylation, covalent linkage of glutamic acid residues to the N-terminus of tubulin and some other proteins. (Ver la tubulina poliglutamylase)
    • poliglycylation, covalent linkage of one to more than 40 glycine residues to the tubulin C-terminal tail
• perorylation
• gamma-carboxilación dependiente de la vitamina K
• glicosilación, la adición de un grupo de glicosil a la arginina, asparagina, cisteína, hidroxilysina, serina, threonina, tirosina o triptófano resultando en una glucoproteína. Distinto de la glucocación, que se considera un apego no enzimático de los azúcares.
  • O-GlcNAc, adición de N-acetilglucosamina a residuos de serina o toronina en un enlace β-glucosidic
  • polisialatación, adición de ácido polisiaico, PSA, a NCAM
• malonimato
• hidroxilación: adición de un átomo de oxígeno a la cadena lateral de un residuo Pro o Lys
• iodination: addition of an iodine atom to the aromatic ring of a tyrosine waste (e.g. in thyroglobulin)
• nucleótido adicional como ADP-ribosylation
• ester de fosfatoO-vinculado) o fosforramidato (N-Enlazado) formación
  • fosforilación, la adición de un grupo de fosfato, generalmente a serine, threonina y tirosina (O- Vinculado), o histidina (N-Enlazados)
  • adenilación, la adición de una moiedad adenyl, generalmente a la tirosina (O-enlazado), o histidina y lisina (N-Enlazados)
  • uridylylation, the addition of an uridylyl-group (i.e. uridine monophosphate, UMP), usually to tyrosine
• propionylation
• formación de piroglutamato
• S-glutationylation
• S-nitrosylation
• S-sufenilaciónaka S-sulphenylation), la adición covalente reversible de un átomo de oxígeno al grupo tiol de un residuo de cisteína
• S-finificación, adición covalente normalmente irreversible de dos átomos de oxígeno al grupo tiol de residuos de cisteína
• S-sulfonylation, normalmente irreversible covalent addition of three oxígeno atoms to the thiol group of a cysteine residue, resulting in the formation of a cysteic acid residue
• succinylation addition of a succinyl group to lysine
• sulfación, la adición de un grupo de sulfato a una tirosina.

Adiciones no enzimáticas in vivo

• glicación, la adición de una molécula de azúcar a una proteína sin la acción controladora de una enzima.
• carbamylation la adición de ácido isonico a la proteína N-terminus o la cadena lateral de Lys.
• carbonilación la adición de monóxido de carbono a otros compuestos orgánicos/inorgánicos.
• formación espontánea de la unión isopeptida, como se encuentra en muchas proteínas superficiales de bacterias grampositivas.

Adiciones no enzimáticas in vitro

• biotinilación: apego covalente de una mezcla de biotina utilizando un reactivo de biotinilación, típicamente con el propósito de etiquetar una proteína.
• carbamylation: la adición de ácido isocyanico a la N-terminus de una proteína o la cadena lateral de los residuos de Lys o Cys, generalmente resultando de la exposición a soluciones de urea.
• oxidación: adición de uno o más átomos de oxígeno a una cadena lateral susceptible, principalmente de residuos de Met, Trp, His o Cys. Formación de vínculos desulfidos entre residuos Cys.
• pegylation: covalent attached of polyethylene glycol (PEG) using a pegylation reagent, usually to the N-terminus or the side-chains of Lys residues. La pegilación se utiliza para mejorar la eficacia de los fármacos de proteínas.

Conjugación con otras proteínas o péptidos

• ubiquitination, the covalent linkage to the protein ubiquitin.
• SUMOylation, el enlace covalente con la proteína SUMO (Modificador pequeño relacionado con la Ubiquitina)
• neddylation, el enlace covalente con la proteína Nedd
• ISGylation, the covalent linkage to the ISG15 protein (Interferon-Stimulated Gene 15)
• pupilación, el vínculo covalente con la proteína procariota como la ubiquitina

Modificación química de aminoácidos

• citrullination, or deimination, la conversión de arginina a citrulline
• deamidación, la conversión de glutamina a ácido glutámico o asparagina a ácido aspartico
• eliminylation, the conversion to an alkene by beta-elimination of phosphothreonine and phosphoserine, or dehydration of threonine and serine

Cambios estructurales

• puentes disulfudos, la conexión covalente de dos aminoácidos cisteína
• escote proteolítico, escote de una proteína en un enlace péptido
• formación isoaspartada, a través de la ciclización de residuos aminoácidos asparagina o ácido aspartico
• racemization
  • de serina por epimerasa proteína-serina
  • de alanina en dermorfina, un péptido de rana opioides
  • de metionina en deltorfina, también una rana opioides
• proteína espolvorear, extracción autocatalítica de inteinas análogas al procesamiento de mRNA

Estadísticas

PTM comunes por frecuencia

En 2011, se compilaron estadísticas de cada modificación postraduccional detectada experimental y supuestamente utilizando información de todo el proteoma de la base de datos Swiss-Prot. Las 10 modificaciones más comunes encontradas experimentalmente fueron las siguientes:

PTM comunes por residuo

A continuación se muestran algunas modificaciones postraduccionales comunes a residuos de aminoácidos específicos. Las modificaciones ocurren en la cadena lateral a menos que se indique lo contrario.

Bases de datos y herramientas

Flowchart of the process and the data sources to predict PTMs.

Las secuencias de proteínas contienen motivos de secuencia que se reconocen modificando las enzimas y que se pueden documentar o predecir en las bases de datos de PTM. Con la gran cantidad de modificaciones diferentes que se están descubriendo, existe la necesidad de documentar este tipo de información en bases de datos. La información de PTM se puede recopilar a través de medios experimentales o se puede predecir a partir de datos seleccionados manualmente de alta calidad. Se han creado numerosas bases de datos, a menudo centradas en determinados grupos taxonómicos (p. ej., proteínas humanas) u otras características.

Lista de recursos

• PhosphoSite Más – Una base de datos de información y herramientas integrales para el estudio de la modificación post-traducción de proteínas mamíferas
• ProteomeScout – Una base de datos de proteínas y modificaciones post-translacionales experimentalmente
• Base de datos de referencia de proteínas humanas: una base de datos para diferentes modificaciones y entender diferentes proteínas, su clase y función/proceso relacionados con las proteínas que causan enfermedades
• PROSITE – Una base de datos de patrones de consenso para muchos tipos de PTM incluyendo sitios
• RESID – Una base de datos que consiste en una colección de anotaciones y estructuras para los PTMs.
• iPTMnet – Una base de datos que integra la información PTM de varios conocimientos y resultados de extracción de texto.
• dbPTM – Una base de datos que muestra diferentes PTM e información sobre sus componentes/estructuras químicas y una frecuencia para el sitio modificado aminoácidos
• Uniprot tiene información de PTM, aunque puede ser menos completa que en bases de datos más especializadas.
  

  Efecto de los PTM sobre función de proteínas y procesos fisiológicos.
• La base de datos O-GlcNAc - Una base de datos curada para proteínas O-GlcNAcylation y referencias más de 14 000 entradas de proteínas y 10 000 O- Sitios de GlcNAc.

Herramientas

Lista de software para visualización de proteínas y sus PTM

• PyMOL – introducir un conjunto de PTM común en modelos de proteínas
• AWESOME – Herramienta interactiva para ver el papel de los polimorfismos de nucleótido único a los PTM
• Chimera – Base de datos interactiva para visualizar moléculas

Ejemplos de casos

• Cleavage y formación de puentes disulfudos durante la producción de insulina
• PTM de histonas como regulación de la transcripción: Control de polimerasa RNA por estructura de cromatina
• PTM de la polimerasa RNA II como regulación de la transcripción
• Cleavage of polypeptide chains as crucial for lectin specificity