Proteasa

Una proteasa (también llamada peptidasa o proteinasa) es una enzima que cataliza (aumenta la velocidad de reacción o "acelera") la proteólisis, descompone las proteínas en polipéptidos más pequeños o aminoácidos individuales y estimula la formación de nuevos productos proteicos. Lo hacen rompiendo los enlaces peptídicos dentro de las proteínas por hidrólisis, una reacción en la que el agua rompe los enlaces. Las proteasas están involucradas en muchas funciones biológicas, incluida la digestión de las proteínas ingeridas, el catabolismo de proteínas (descomposición de proteínas viejas) y la señalización celular.

En ausencia de aceleradores funcionales, la proteólisis sería muy lenta y llevaría cientos de años. Las proteasas se pueden encontrar en todas las formas de vida y virus. Han evolucionado independientemente varias veces, y diferentes clases de proteasas pueden realizar la misma reacción mediante mecanismos catalíticos completamente diferentes.

Jerarquía de proteasas

A base de residuos catalíticos

Las proteasas se pueden clasificar en siete grandes grupos:

• Proteasas de serina - usando un alcohol de serina
• Proteasas de cisteína: uso de un tiol de cisteína
• Proteasas de treonina: utilizando un alcohol secundario de treonina
• Proteasas aspárticas - utilizando un ácido carboxílico de aspartato
• Proteasas glutámicas: utilizando un ácido glutamato carboxílico
• Metaloproteasas - usando un metal, generalmente zinc
• Liasa peptídica de asparagina: uso de una asparagina para realizar una reacción de eliminación (que no requiere agua)

Las proteasas se agruparon por primera vez en 84 familias según su relación evolutiva en 1993 y se clasificaron en cuatro tipos catalíticos: serina, cisteína, aspártico y metaloproteasas. Las proteasas de treonina y ácido glutámico no se describieron hasta 1995 y 2004 respectivamente. El mecanismo utilizado para escindir un enlace peptídico consiste en convertir un residuo de aminoácido que tiene cisteína y treonina (proteasas) o una molécula de agua (ácido aspártico, metaloproteasas y ácido proteasas) en nucleofílico para que pueda atacar el grupo carbonilo del péptido. Una forma de hacer un nucleófilo es mediante una tríada catalítica, en la que se utiliza un residuo de histidina para activar la serina, la cisteína o la treonina como nucleófilos. Sin embargo, esta no es una agrupación evolutiva, ya que los tipos de nucleófilos han evolucionado de manera convergente en diferentes superfamilias, y algunas superfamilias muestran una evolución divergente a múltiples nucleófilos diferentes.

Liasa peptídica

En 2011 se describió un séptimo tipo catalítico de enzimas proteolíticas, la péptido liasa de asparagina. Su mecanismo proteolítico es inusual ya que, en lugar de hidrólisis, realiza una reacción de eliminación. Durante esta reacción, la asparagina catalítica forma una estructura química cíclica que se escinde en los residuos de asparagina en las proteínas en las condiciones adecuadas. Dado su mecanismo fundamentalmente diferente, su inclusión como peptidasa puede ser discutible.

Filogenia evolutiva

En la base de datos MEROPS se encuentra una clasificación actualizada de superfamilias evolutivas de proteasas. En esta base de datos, las proteasas se clasifican en primer lugar por 'clan' (superfamilia) en función de la estructura, el mecanismo y el orden de los residuos catalíticos (p. ej., el clan PA, donde P indica una mezcla de familias nucleófilas). Dentro de cada 'clan', las proteasas se clasifican en familias según la similitud de secuencia (p. ej., las familias S1 y C3 dentro del clan PA). Cada familia puede contener muchos cientos de proteasas relacionadas (por ejemplo, tripsina, elastasa, trombina y estreptogrisina dentro de la familia S1).

Actualmente se conocen más de 50 clanes, cada uno de los cuales indica un origen evolutivo independiente de la proteólisis.

Clasificación basada en el pH óptimo

Alternativamente, las proteasas pueden clasificarse por el pH óptimo en el que son activas:

• proteasas ácidas
• Proteasas neutras implicadas en la hipersensibilidad tipo 1. Aquí, es liberado por los mastocitos y provoca la activación del complemento y las cininas. En este grupo se incluyen las calpaínas.
• Proteasas básicas (o proteasas alcalinas)

Función y mecanismo enzimático

Las proteasas participan en la digestión de cadenas largas de proteínas en fragmentos más cortos al dividir los enlaces peptídicos que unen los residuos de aminoácidos. Algunas separan los aminoácidos terminales de la cadena proteica (exopeptidasas, como las aminopeptidasas, la carboxipeptidasa A); otros atacan los enlaces peptídicos internos de una proteína (endopeptidasas, como tripsina, quimotripsina, pepsina, papaína, elastasa).

Catálisis

La catálisis se logra mediante uno de dos mecanismos:

• Las aspárticas, glutámicas y metaloproteasas activan una molécula de agua, que realiza un ataque nucleofílico sobre el enlace peptídico para hidrolizarlo.
• Las proteasas de serina, treonina y cisteína utilizan un residuo nucleofílico (generalmente en una tríada catalítica). Ese residuo realiza un ataque nucleofílico para unir covalentemente la proteasa a la proteína sustrato, liberando la primera mitad del producto. Este intermedio de acil-enzima covalente luego se hidroliza con agua activada para completar la catálisis mediante la liberación de la segunda mitad del producto y la regeneración de la enzima libre.

Especificidad

La proteólisis puede ser muy promiscua, de modo que se hidroliza una amplia gama de sustratos proteicos. Este es el caso de las enzimas digestivas como la tripsina, que deben ser capaces de escindir el conjunto de proteínas ingeridas en fragmentos peptídicos más pequeños. Las proteasas promiscuas generalmente se unen a un solo aminoácido en el sustrato y, por lo tanto, solo tienen especificidad por ese residuo. Por ejemplo, la tripsina es específica para las secuencias...K... o...R... (''=sitio de escisión).

Por el contrario, algunas proteasas son altamente específicas y solo escinden sustratos con una determinada secuencia. La coagulación sanguínea (como la trombina) y el procesamiento de poliproteínas virales (como la proteasa TEV) requieren este nivel de especificidad para lograr eventos de escisión precisos. Esto se logra mediante proteasas que tienen una hendidura o túnel de unión largo con varios bolsillos que se unen a residuos específicos. Por ejemplo, la proteasa TEV es específica para la secuencia...ENLYFQS... (''=sitio de escisión).

Degradación y autólisis

Las proteasas, al ser ellas mismas proteínas, son escindidas por otras moléculas de proteasa, a veces de la misma variedad. Esto actúa como un método de regulación de la actividad de la proteasa. Algunas proteasas son menos activas después de la autolisis (por ejemplo, la proteasa TEV) mientras que otras son más activas (por ejemplo, el tripsinógeno).

Biodiversidad de proteasas

Las proteasas se encuentran en todos los organismos, desde procariotas hasta eucariotas y virus. Estas enzimas están involucradas en una multitud de reacciones fisiológicas, desde la digestión simple de las proteínas de los alimentos hasta cascadas altamente reguladas (p. ej., la cascada de la coagulación sanguínea, el sistema del complemento, las vías de apoptosis y la cascada activadora de la profenoloxidasa de los invertebrados). Las proteasas pueden romper enlaces peptídicos específicos (proteólisis limitada), dependiendo de la secuencia de aminoácidos de una proteína, o descomponer completamente un péptido en aminoácidos (proteólisis ilimitada). La actividad puede ser un cambio destructivo (abolir la función de una proteína o digerirla en sus componentes principales), puede ser la activación de una función o puede ser una señal en una vía de señalización.

Plantas

Las soluciones vegetales que contienen proteasa llamadas cuajo vegetariano se han utilizado durante cientos de años en Europa y Oriente Medio para hacer quesos kosher y halal. El cuajo vegetariano de Withania coagulans se ha utilizado durante miles de años como remedio ayurvédico para la digestión y la diabetes en el subcontinente indio. También se utiliza para hacer Paneer.

Los genomas de las plantas codifican cientos de proteasas, en gran parte de función desconocida. Los que tienen una función conocida participan en gran medida en la regulación del desarrollo. Las proteasas vegetales también juegan un papel en la regulación de la fotosíntesis.

Animales

Las proteasas se utilizan en todo el organismo para varios procesos metabólicos. Las proteasas ácidas secretadas en el estómago (como la pepsina) y las serina proteasas presentes en el duodeno (tripsina y quimotripsina) nos permiten digerir las proteínas de los alimentos. Las proteasas presentes en el suero sanguíneo (trombina, plasmina, factor de Hageman, etc.) juegan un papel importante en la coagulación de la sangre, así como en la lisis de los coágulos y la correcta acción del sistema inmunitario. Otras proteasas están presentes en los leucocitos (elastasa, catepsina G) y desempeñan varias funciones diferentes en el control metabólico. Algunos venenos de serpiente también son proteasas, como la hemotoxina de la víbora e interfieren con la cascada de coagulación de la sangre de la víctima. Las proteasas determinan la vida útil de otras proteínas que desempeñan funciones fisiológicas importantes, como hormonas, anticuerpos u otras enzimas. Este es uno de los más rápidos"

Mediante una acción cooperativa compleja, las proteasas pueden catalizar reacciones en cascada, que dan como resultado una amplificación rápida y eficiente de la respuesta de un organismo a una señal fisiológica.

Bacterias

Las bacterias secretan proteasas para hidrolizar los enlaces peptídicos de las proteínas y, por lo tanto, descomponer las proteínas en sus aminoácidos constituyentes. Las proteasas bacterianas y fúngicas son particularmente importantes para los ciclos globales de carbono y nitrógeno en el reciclaje de proteínas, y dicha actividad tiende a estar regulada por señales nutricionales en estos organismos. El impacto neto de la regulación nutricional de la actividad de la proteasa entre las miles de especies presentes en el suelo se puede observar a nivel de la comunidad microbiana general a medida que las proteínas se descomponen en respuesta a la limitación de carbono, nitrógeno o azufre.

Las bacterias contienen proteasas responsables del control general de la calidad de las proteínas (p. ej., el proteasoma AAA+) al degradar las proteínas desplegadas o mal plegadas.

Una proteasa bacteriana secretada también puede actuar como exotoxina y ser un ejemplo de factor de virulencia en la patogénesis bacteriana (por ejemplo, toxina exfoliativa). Las proteasas exotóxicas bacterianas destruyen las estructuras extracelulares.

Virus

Los genomas de algunos virus codifican una poliproteína masiva, que necesita una proteasa para dividirla en unidades funcionales (p. ej., el virus de la hepatitis C y los picornavirus). Estas proteasas (por ejemplo, la proteasa TEV) tienen una alta especificidad y solo escinden un conjunto muy restringido de secuencias de sustrato. Por lo tanto, son un objetivo común para los inhibidores de la proteasa.

Usos

El campo de la investigación de proteasas es enorme. Desde 2004, cada año se publican aproximadamente 8000 artículos relacionados con este campo. Las proteasas se utilizan en la industria, la medicina y como herramienta básica de investigación biológica.

Las proteasas digestivas son parte de muchos detergentes para ropa y también se usan ampliamente en la industria del pan como mejorador de pan. Una variedad de proteasas se utilizan médicamente tanto para su función nativa (p. ej., controlar la coagulación de la sangre) como para funciones completamente artificiales (p. ej., para la degradación dirigida de proteínas patógenas). Las proteasas altamente específicas, como la proteasa TEV y la trombina, se usan comúnmente para escindir proteínas de fusión y etiquetas de afinidad de manera controlada.

Inhibidores

La actividad de las proteasas es inhibida por inhibidores de proteasas. Un ejemplo de inhibidores de la proteasa es la superfamilia de las serpinas. Incluye alfa 1-antitripsina (que protege al cuerpo de los efectos excesivos de sus propias proteasas inflamatorias), alfa 1-antiquimotripsina (que hace lo mismo), inhibidor de C1 (que protege al cuerpo de la activación excesiva provocada por proteasas de su propio sistema de complemento), antitrombina (que protege al cuerpo de la coagulación excesiva), inhibidor del activador del plasminógeno-1 (que protege al cuerpo de la coagulación inadecuada al bloquear la fibrinólisis desencadenada por proteasa) y neuroserpina.

Los inhibidores de proteasa naturales incluyen la familia de proteínas lipocalina, que desempeñan un papel en la regulación y diferenciación celular. Se ha descubierto que los ligandos lipofílicos, unidos a las proteínas lipocalina, poseen propiedades inhibidoras de la proteasa tumoral. Los inhibidores de proteasa naturales no deben confundirse con los inhibidores de proteasa utilizados en la terapia antirretroviral. Algunos virus, entre ellos el VIH/SIDA, dependen de proteasas en su ciclo reproductivo. Por tanto, los inhibidores de la proteasa se desarrollan como agentes terapéuticos antivirales.

Otros inhibidores de proteasa naturales se utilizan como mecanismos de defensa. Ejemplos comunes son los inhibidores de tripsina que se encuentran en las semillas de algunas plantas, siendo los más notables para los humanos la soja, un cultivo alimentario importante, donde actúan para desalentar a los depredadores. La soja cruda es tóxica para muchos animales, incluidos los humanos, hasta que se desnaturalizan los inhibidores de la proteasa que contienen.