Degradación de Proteínas: Mecanismos Celulares y su Impacto en la Salud

Los aminoácidos, como unidades básicas de las proteínas, están continuamente reutilizándose y secretándose. Este recambio proteico es esencial para diversos procesos celulares, incluyendo:

• Flexibilidad metabólica
• Control de calidad proteico
• Adaptación celular
• Procesos patológicos
• Mecanismos fisiológicos

La degradación intracelular de proteínas ocurre principalmente a través de tres mecanismos:

• Ubiquitina-proteasoma
• Calpaínas
• Lisosomas

Para que una proteína sea degradada, necesita una serie de señales químicas específicas que determinen el mecanismo a utilizar. Estas señales consisten en residuos de aminoácidos específicos.

Principales Señales Químicas para el Recambio Proteico

Las señales químicas que conducen a la degradación endógena de proteínas incluyen:

• Residuos oxidados: Lisina (Lys), Arginina (Arg), Prolina (Pro)
• Secuencias PEST: Prolina (Pro) – Glutamato (Glu) – Serina (Ser) – Treonina (Thr)
• «Cajas de destrucción de ciclinas»: RAALGNISN
• «Regla del N-terminal»: La composición de aminoácidos en la región N-terminal influye en la propensión a la degradación. Se diferencian:
  • Residuos muy estabilizadores (vida media > 20 horas)
  • Residuos estabilizadores (vida media entre 2 y 20 minutos)
  • Residuos desestabilizadores tras modificación química (vida media entre 3 y 30 minutos)
• Marcaje con ubiquitina
• Secuencias KFERQ: Lisina (Lys) – Fenilalanina (Phe) – Glutamato (Glu) – Arginina (Arg) – Glutamina (Gln)

Lisosomas

Los lisosomas son orgánulos celulares rodeados por una membrana rica en bombas de protones, lo que les confiere un pH ácido. Contienen enzimas proteolíticas, como las catepsinas, especializadas en la degradación de proteínas, lípidos e hidratos de carbono.

Tipos de Catepsinas

Existen más de 20 tipos de catepsinas, cada una con una especificidad particular:

• Catepsina B: Cisteín proteasa; actúa como endopeptidasa o carboxipeptidasa según el sustrato.
• Catepsina L: Cisteín proteasa; actúa como endopeptidasa.
• Catepsina H: Cisteín proteasa; tiene actividad endopeptidasa o aminopeptidasa.
• Catepsina D: Aspartil proteasa; actúa como endopeptidasa con un pH óptimo de 3,5.

Degradación Lisosómica Selectiva

Las proteínas destinadas a la degradación lisosómica selectiva poseen una secuencia KFERQ. A esta secuencia se une una proteína de choque térmico (Hsc73), formando un complejo. En la membrana del lisosoma, un receptor (Igp96) reconoce este complejo. Tras la unión, la proteína de choque térmico se separa y el complejo proteína-receptor se internaliza. Dentro del lisosoma, la proteína a degradar se une a otra Hsc73, que actúa como señal para la acción de las catepsinas.

Es importante destacar que las dos proteínas Hsc73, aunque idénticas, no intercambian sus posiciones intra o extralisosómicas. La Hsc73 extralisosómica facilita la unión al receptor, mientras que la intralisosómica actúa como señal para las catepsinas. Esta última se separa de la proteína a degradar para evitar su propia degradación.

Relevancia Patológica de los Lisosomas

• Procesos inflamatorios y traumáticos: Los macrófagos y la disminución del pH aumentan la actividad de las catepsinas, incrementando la degradación proteica.
• Células tumorales: La acidificación del medio alrededor de las células tumorales activa las catepsinas, aumentando la degradación proteica y facilitando la extravasación, progresión tumoral y metástasis.
• Distrofia muscular: Las catepsinas degradan las distrofinas debido a una alteración en el gen de la distrofina, provocando degeneración y distrofia muscular.

Calpaínas

Las calpaínas son proteasas dependientes de Ca²⁺, activas a pH neutro-básico. Actúan como cisteín-proteasas y su actividad está finamente regulada por su unión a la membrana. Degradan proteínas específicas como el receptor de eritropoyetina, proteínas del citoesqueleto, proteínas quinasas, proteínas miofibrilares y proteínas relacionadas con la apoptosis. Las secuencias PEST sirven como señal de degradación por calpaínas.

Relevancia Patológica de las Calpaínas

• Paraplejia: La degradación incontrolada de proteínas del citoesqueleto conduce a la muerte neuronal.
• Daño de la columna vertebral: Degradación de proteínas mielínicas.
• Isquemias cardíacas: Ruptura de proteínas miofibrilares.
• Cataratas: Degradación de proteínas del cristalino, causando precipitación proteica.
• Trombosis: Proteólisis de agreguina, provocando agregación plaquetaria.
• Artritis: Ruptura del cartílago y proteoglucanos.
• Distrofia muscular: Aumento de la degradación de miofibrillas (complejo actina-miosina).
• Alzheimer: Procesamiento anormal del péptido β-amiloide. Se ha propuesto que las proteínas cerebrales necesitan la contribución de la proteína p35, que permite la movilidad de otras proteínas, como la proteína TAU, a través del citoesqueleto y su adhesión a las membranas. Las calpaínas, cuando funcionan incorrectamente, pueden romper la p35 en dos fragmentos: p10 y p25. p25 mantiene la función de p35 pero, al perder p10, pierde su regulación y no se ancla correctamente, acumulándose y formando nudos neurofibrilares. Estos agregados, junto con los de beta-amiloide en el Parkinson, contribuyen a la enfermedad. Sin embargo, estas enfermedades son multifactoriales y no se deben únicamente a la disfunción de p35.

Sistema Ubiquitina-Proteasoma

El sistema ubiquitina-proteasoma es el principal mecanismo de degradación de proteínas endógenas.

Proteasoma

El proteasoma es un complejo multiproteico compuesto por dos partes:

• Subunidad central o catalítica (20S): Estructura cilíndrica formada por cuatro anillos: dos anillos α en los extremos y dos anillos β en el centro.
• Subunidad reguladora (19S o PA700): Puede estar presente o no, y actúa como activadora o inhibidora del proteasoma.

Subunidades α

Localizadas en los extremos del proteasoma, forman dos anillos simétricos, cada uno con siete subunidades diferentes (α1-α7). No tienen actividad catalítica. Constituyen el canal de entrada para la proteína a degradar y el punto de anclaje para la subunidad reguladora. En el extremo amino terminal, presentan una secuencia altamente conservada YDR (Tyr(8)-Asp(9)-Arg(10)), cuya función exacta se desconoce, pero se cree que participa en el reconocimiento de la proteína a degradar.

Subunidades β

Forman dos anillos simétricos, cada uno con siete subunidades (β1-β7). En el extremo amino terminal, poseen una treonina (Thr), lo que determina su actividad treonín-proteasa. Las subunidades β1, β2 y β5 tienen actividad catalítica propia: β1 hidroliza residuos ácidos, β2 residuos básicos y β5 residuos hidrofóbicos. Las subunidades β se sintetizan como pro-péptidos, especialmente β1, β2 y β5, con ocho aminoácidos adicionales en el extremo amino terminal que impiden su funcionamiento. En la formación del proteasoma completo intervienen proteínas de estrés térmico, que ensamblan las subunidades. Una proteína de choque térmico bloquea el canal de entrada para evitar la degradación prematura. Las subunidades β se activan al eliminarse la parte «pro» y la proteína de estrés térmico que bloquea el canal. Si se sintetizaran de forma activa, comenzarían a degradar inmediatamente.

Subunidad Reguladora (19S o PA700)

La subunidad reguladora más común es la 19S o PA700. Se compone de una base y una tapa.

• Base: Zona de contacto con la partícula central, formada por más de 17 subunidades. Rpt2, Rpt3 y Rpt5 están implicadas en la unión a la partícula central, la apertura del canal y el desplegamiento de la proteína. Presenta actividad ATPasa.
• Tapa: Formada por más de 10 subunidades, se sitúa sobre la base. No tiene actividad ATPasa ni proteolítica. Reconoce la proteína a degradar a través de las subunidades Rpn10 y Rpn13. Rpn2 regula la entrada y salida de productos. Rpn11 se encarga de la desubiquitinación del sustrato para que pueda entrar en el proteasoma.