9. MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES DE LAS PROTEINAS

9. MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES
DE LAS PROTEINAS
Verónica González Núñez
Universidad de Salamanca

ESQUEMA. Modificaciones postraduccionales de las proteínas
1. Introducción
- Tipos de modificaciones postraduccionales en las proteínas
- Localización de las modificaciones postraduccionales
- Función de las modificaciones postraduccionales
2. Modificaciones N- y C-terminales
3. Glicosilación
N-glicosilación
O-glicosilación
4. Fosforilación
5. Ubiquitinación
6. Acilación
7. Otras modificaciones postraduccionales

INTRODUCCION
Genoma
Aprox. 21000 genes que
codifican proteínas
Modificaciones
postraduccionales
Transcriptoma
Aprox. 10 5 transcritos ≠
Proteoma
Aprox. 10 6 proteínas ≠
Splicing alternativo
Empleo de promotores alternativos
Edición del mRNA
Sitios alternativos del inicio de la
traducción
“Sortear” un codon de STOP

Las modificaciones postraduccionales
Modificación postraduccional
Modificaciones covalentes de la estructura de una proteína
Función: regular la funcionalidad
localización celular
interacción con otras proteínas
>200 tipos: gran variabilidad
presentes en el 80% de las proteínas de eucariontes: alta frecuencia
Secuencias consenso que determinan la existencia de una modificación
Predicción bioinformática

TIPOS DE MODIFICACIONES EN LAS PROTEINAS (I)
Formación de enlaces covalentes
Puentes disulfuro entre Cys
Unión de pequeñas moléculas
fosforilación – grupos fosfato
O- y N-glicosilación – monosacáridos
hidroxilación – grupos hidroxilo
acilación – grupos acilo
metilación – grupos metilo
amidación – grupos amida
Union de otras proteínas: ubiquitinación
SUMOilación

Tipos de modificaciones en las proteínas (II)
Rotura de enlaces covalentes
Proteolisis: escisión de un fragmento proteico y activación de la proteína
Autoproteolisis
Rotura de secuencias señal: peptidasas de la señal
Proteolisis intramolecular
neuropéptidos
hormonas (insulina)
morfógenos (notch, shh)
activación de zimógenos
cascada de coagulación sanguínea

Tipos de modificaciones en las proteínas (III)
Según el aminoácido modificado
Extremo N-t: formilación, acetilación, acilación, mistirilación, glicosilación
Extremo C-t: metilación, ADP-ribosilación
Arg: acetilación, metilación, ADP-ribosilación
Asn: N-glicosilación, metilación, desamidación
Asp: metilación, hidroxilación
Cys: formación de puentes disulfuro, de SelenoCys
acilación, prenilación, unión de grupos prostéticos (hemo)
Glu: metilación, carboxilación, ADP-ribosilación
Gln: desamidación

Tipos de modificaciones en las proteínas (IV)
His: metilación, fosforilación, ADP-ribosilación
Lys: N-acetilación, metilación, oxidación, hidroxilación, ubiquitinación
Met: formación de sulfóxidos
Phe: β-hidroxilación, O-glucosilación
Pro: hidroxilación, O-glicosilación
Ser: fosforilación, O-glicosilación, acetilación
Thr: fosforilación, O-glicosilación, metilación
Trp: β-hidroxilación
Tyr: fosforilación, yodación, adenilación, sulfatación, hidroxilación

LOCALIZACION DE LAS MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES (I)
Núcleo: acetilación, fosforilación (no exclusivas)
Lisosoma: resto manosa-6P en proteínas lisosomales
Mitocondria: N-formilación
Aparato de Golgi: N- y O-glicosilación, sulfatación, palmitiolación
Retículo endoplasmático (ER): N-glicosilación, unión a fosfatidil-inositol
Citosol: acetilación, metilación, fosforilación
Ribosoma: mistirilación
Membrana plasmática: N- y O-glicosilación, unión a fosfatidil-inositol
Fluido extracelular: N- y O-glicosilación, acetilación, fosforilación
Matriz extracelular: N- y O-glicosilación, fosforilacion, hidroxilacion, sulfatación

Localización de las modificaciones postraduccionales (II)
H H2N- 2N- 2N- 2N- M E P P T VTV S D
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Una misma proteína puede presentar mas de una modificación postraduccional

FUNCION DE LAS MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES
Protein targetting
Tráfico intra ó intercelular. Por ejemplo, manosa-6P, ubiquitinación
Estabilidad de la proteína
Sialo vs. asialoglicoproteínas, ubiquitinación
Determinante clave para la actividad proteica
Bolsillo de unión de receptores de membrana
Control de la actividad
Fosforilación / defosforilación
Proteolisis: activación de caspasas, de factores de coagulación
Regulación de la expresión génica: acetilación de histonas

IDENTIFICACION DE LAS MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES
Secuencias consenso
Prediccion bioinformática
Herramientas bioinformáticas para predecir modificaciones postraduccionales
Bases de datos & software: ExPASy the proteomic server, PFAM, SMART, ELM,
UNI-PROT etc
Espectrometría de masas
Especialmente en combinación con 2D SDS-PAGE, digestiones y HPLC
Incorporación de grupos marcados radiactivamente, con Bpa, digoxigenina…
Cross-reactividad con anticuerpos

MODIFICACIONES N- & C-TERMINALES (I)
Eliminación de la Met N-terminal
muy común MASRP + H 2 O M + ASRP
Eliminación del péptido señal
Por las enzimas peptidasas de la señal
Gran utilidad en las predicciones bioinformáticas del destino celular de una
proteína
Proinsulina humana
Met‐Ala‐Leu‐Trp‐Met‐Arg‐Leu‐Leu‐Pro‐Leu‐Leu‐Ala‐Leu‐Leu‐Ala‐Leu‐Trp‐
Gly‐Pro‐Asp‐Pro‐Ala‐Ala‐Ala ‐‐ [ROTURA DEL PEPTIDO SEÑAL] ‐‐Phe‐Val

Modificaciones N- & C-terminales (II)
Acilación N-terminal
Acetilación, formilación (bacterias) o mistirilación
CH 3 -COOH + NH 2 -Prot CH 3 -CONH-Prot + H 2 O
Amidación C-terminal
Tras la proteolisis de la última Gly: muchos neuropéptidos
Prot-Gly-COOH + NH 2 -group Prot-CONH 2 + Gly

GLICOSILACION
La modificación postraduccional más importante y más compleja
Adición de unidades glucídicas sobre cadenas laterales de αα
Muy frecuente en proteínas extracelulares de membrana plasmática o secretadas
Glucoproteínas: Pm de la cadena proteica > Pm de la parte glucídica
vs.
Proteoglucanos: Pm de la parte glucídica > Pm de la cadena proteica
Monosacáridos
Glc, Gal, Man, NAcGlc, NAcGal, fucosa, ñacidos siálicos
Glicosil tansferasas
Enzimas con alta especificidad de monosacárido
estructura del aceptor
sitio del enlace
configuración del enlace

Funciones de la Glicosilación
Aumenta la solubilidad de la proteína
Aumenta la vida media de las proteínas secretadas
protección contra proteasas y otras enzimas proteolíticas
Reconocimiento celular por proteínas de membrana
Marcador específico de tejidos
Desarrollo de tejidos y modificación de señales extracelulares
Soporte estructural
Proteoglucanos de la matriz extracelular

Glicosilacion de proteínas
La glicosilación tiene lugar fundamentalmente en el ER y Golgi
El plegamiento de glicoproteínas requiere de chaperones del ER
Lectinas: proteínas que “leen” el código glucídico e intervienen en el
reconocimiento celular, señalización, adhesión y destino celular de las proteínas
Tipos de glicosilación
GalNAc Ser
O-glicosilación
GlcNAc
N-glicosilación
Asn

N-GLICOSILACION (I)
Sobre Asn
Secuencia consenso N-X-T/S/C; X ≠ Pro predicción bioinformática
Tiene lugar en el ER
Núcleo común para todas las N-glicosilaciones: NAcGlc 2 Man 3
Reconocido por las lectinas y por las N-glicanasas (PNGaseF)
Man
Man
α 1,6
α 1,3
Man
Núcleo de las N‐glicosilaciones
NAcGlc 2Man 3
β 1,4
NAcGlc
β 1,4
NAcGlc
Asn

N-glicosilación (II)
Modelos de glicosilación
Tipo rico en manosa
Tipo complejo: NAcGlc, Gal, manosa, ácido siálico y fucosa
Híbrido
Síntesis en varios pasos
1. Síntesis sobre de un intermediario sobre el dolicol-P de la membrana del ER
2. Transferencia sobre la proteína que tenga la secuencia consenso

N-glicosilación (III)
Dolicol-P
Lípido altamente hidrofóbico compuesto por 20 isoprenos (C5)
Localizado en la membrana del retículo endoplasmático liso
Estructura del dolicol‐P
Dadores de azúcares activados y del dolicol
UDP, GDP & dolicol-PP
n = 15 ‐ 19

N-glicosilación (IV)
1. Transferasas citosólicas
Síntesis del núcleo del oligosacárido sobre el dolicol-P
El grupo P del dolicol se sitúa en la cara citosólica de la membrana del ER
Se transfieren 2 GlcNAc y 5 Man
2. Traslocación del glicolípido a través de la membrana del ER
3. Las transferasas del ER prosiguen con la glicosilación
Síntesis del oligosárido nuclear sobre el dolicol-P: (GlcNAc) 2 -(Man) 9 -(Glc) 3
4. Transferencia del oligosacárido sobre un residuo de Asn (secuencia consenso)
5. Reciclaje del dolicol-P: dolicol-PP dolicol-P + Pi
Enzima: fosfatasa

Importancia de la N-glicosilación. Ejemplos
Protein targetting, intra- ó extracelular
Receptor de asialoglicoporteínas en el hígado eliminación del torrente
sanguíneo (turnover)
Resto de Manosa-6P marcaje de proteínas hacia los lisosomas
Interacción parásito – huésped
Unión de E. coli a las células epiteliales del tubo digestivo
N. gonorrhoeae
Interacción óvulo – espermatozoide
Glúcidos de la zona pelucida con proteína ZP3
Man‐6P

O-GLICOSILACION
Ausencia de secuencia consenso no predicción bioinformática
Adición de residuos de GlcNAc
Unión β-O-N-acetilglucosamina sobre Ser ó Thr
En el núcleo y en el citosol
Enzimas:O-linked GlcNAc transferasas
Adición de residuos de GalNAc
Sobre Ser ó Thr
Estructura tipo mucina
Tiene lugar en el Golgi
N-acetil-galactosaminil-transferasas
Ejemplo de O-glicosilación
Antígenos de los grupos sanguíneos A, B, O

FOSFORILACIÓN (I)
Formación de un éster fosfórico
Entre un grupo –OH de la cadena lateral de Ser, Thr & Tyr y un grupo fosfato
Fosfato donado por el ATP
Alta frecuencia de aparición
1 de cada 8 proteínas esta fosforilada, muchas veces, en varios residuos
Función
Regulación de la función proteica: al alterar la estructura y la actividad de una
proteína (aparición de un grupo cargado negativamente)
Fosfo‐Ser Fosfo‐Thr Fosfo‐Tyr

Fosforilación (II)
Modificación postraduccional rápida y reversible
Acciones mediadas por proteín kinasas vs. fosfatasas
Tipos de proteín kinasas
Ser/Thr proteín kinasas
PK A , PK C , CAM PK. Generalmente solubles
Transducción de señales, activación de kinasas (cascadas de fosforilación)
Tyr proteín kinasas
Dominios TyrK en receptores de membrana para insulina y factores de
crecimiento transfosforilación, dimerización y activación
Proteín kinasas multifuncionales

UBIQUITINACION (I)
Ubiquitina (Ub)
Proteína pequeña de 76 αα (8.5 KDa)
Presente en todos los organismos eucariontes
Se une a otras proteínas
Enlace entre la Gly C-terminal de la Ub y el ε –NH 2 de una Lys de la
proteína diana
Forma cadenas de poliubiquitina
Marca las proteínas para su degradación en el proteasoma 26S

Ubiquitinación (II)
Actualmente se admite que la ubiquitinación puede tener funciones de
señalización intracelular = protein targetting / trafficking
- reciclaje vs. degradación de receptores de m.p. que han sido internalizados
- mecanismo de señalización = protein targetting
SUMOilación
Adición de proteínas similares a la ubiquitina
Importancia en las casadas de señalización
el control de la expresión génica por modificación de histonas

Ubiquitinacion (III)
Proceso dependiente de ATP en el que participan 3 proteínas
E1: enzima activadora de la ubiquitina
Ub-Gly + ATP Ub-C=O-AMP + PPi (PPi 2Pi)
Ub-C=O-AMP: Ubiquitinil acil adenilato
Ub-C=O-AMP + E1-SH Ub-C=O-S-E1 + AMP
Formación de un enlace tioséster
E2: Proteína transportadora de la ubiquitina
Ub-C=O-S-E1 + E2 Ub-C=O-S-E2 + E1-SH
E3: ubiquitina ligasa
E3 + Proteína E3:Proteína
Ub-C=O-S-E2 + E3:Proteína Proteína-Ub + E2-SH + E3

ACILACIÓN (I)
Unión de restos lipídicos
Consecuencias
- Generalmente se produce una pérdida de Q +
- Aumento en la hidrofobicidad
Función
- Interacción de la proteína con las membranas biológicas
- Anclaje de las proteínas en las membranas
Mistirilación (C14:0)
Gly amidada N-terminal (Met-Gly-X-X-X-Ser/Thr), en Lys ó Cys

Acilación (II)
Palmitoilación (C16:0)
En residuos de Cys de la cara citosólica de la membrana plasmática
Formación de un enlace tioéster
Importancia en GPCRs y proteínas G
Cys Palmitoil‐CoA
Proteína palmitoilada
Protein acil‐transferasa

Acilación (III)
Prenilación
Farnesilación, geranil-geranilación
En Cys del dominio C-terminal
Secuencias consenso: CxC, Cxxx, xCC
Farnesilación del oncogen ras con farnesil-PP
Ras se une a la membrana plasmática, permitiendo la transmisión de
las señales de receptores de membrana al interior celular
Ras + farnesil-PP Ras-farnesilado + PPi
Union GPI-anchor, a DAG o a CHO
En un residuo de Gly C-terminal
Característico de proteínas integrales de membrana
La proteína se sitúa en la cara extracelular de la membrana plasmática

OTRAS MODIFICACIONES POSTRADUCCIONALES (I)
Formación de puentes disulfuro
Entre dos residuos de Cys
Inter- ó intramoleculares
Funcion: La dimerización de cisteínas = αα cistina contribuye al mantenimiento
de la estructura 3D de las proteínas
Interconversión de puentes disulfuro por las Proteínas disulfuro isomerasas
es imprescindible que el puente disulfuro se forme entre las dos Cys correctas
Formación de un puente
disulfuro entre dos Cys

Otras modificaciones postraduccionales (II)
Hidroxilación
5-hidroxi-Lys, 4-hidroxi-Pro, Asn, Asp
Presentes en el colágeno, hidroxilación por la Prolil-hidroxilasa (proceso
dependiente de vitamina C)
ADP-ribosilación
Introducción de una molécula de ADP-ribosa (del NAD) sobre His, Arg & Glu
Enzima: ADP-ribosil transferasa
4‐hidroxi‐Pro 5‐hidroxi‐Lys
- Bacterianas: inactivación de proteínas del huésped
toxina colérica, toxina pertúsica: sobre proteínas G heterotrimñericas
toxina diftérica: sobre el factor EF-2 de la traducción de proteínas
- Intracelulares: implicadas en la transducción de señales
ADP-ribosilación de histonas control de la expresión génica

Otras modificaciones postraduccionales (III)
Metilación ó alquilación
En Lys, Arg, His, Asn, Glu, Phe N-terminal & Cys C-terminal
Función: generalmente produce la pérdida de una Q + en un grupo amino lateral
6-N-Me-Lys: presente en la miosina
Acetilación
En Lys y en el extremo N-terminal
Funcion: generalmente produce la pérdida de una Q + en un grupo amino lateral
Ejemplo: Acetilación de la histona H3 en Lys 56
muy frecuente en genes transcripcionalmente activos
permite el acceso del complejo remodelador de la cromatina
6‐N‐metil‐Lys
Acetil‐Lys

Otras modificaciones postraduccionales (IV)
Carboxilación
γ-carboxi-Glu: en los factores de coagulación
carboxilación dependiente de vitamina K
Selenización
αα con Se: Selenocisteína, Selenometionina
γ‐carboxi‐Glu
La Selenocisteína está presente en el centro activo de enzimas, que catalizan
procesos redox, como la glutation peroxidasa
La Selenocisteína viene codificada por un codon UGA (= STOP) en
presencia de elementos SECIS en el RNA
SelenoCys = ‘the twenty first amino acid”
Selenocisteína

Otras modificaciones postraduccionales (V)
Sulfatación
Tyr, Ser, Thr
Presente en proteoglucanos
Enzima Sulfotransferasa
Ejemplo: la sulfatación de glicosamino-glicanos es clave para la activación de
factores de crecimiento
Nitrosilación
Adición de un grupo NO a un residuo de Cys formación de un S-nitrosotiol
Importante para la activación de metaloproteínasas
Unión de iones metálicos
inactivación de proteínas (caspasas)
Forman parte del centro activo de muchas enzimas

Otras modificaciones postraduccionales (VI)
Unión de grupos prostéticos
Ejemplo: piridoxal-fosfato (PLP)
- coenzima en todas las reacciones de aminotransferencia
algunas reacciones de descarboxilación
reacciones de desaminación de los aminoácidos
- actúa como una base de Shiff
Desmosina
Cross-link formado por 4 cadenas polipeptidicas distintas: 3 alílicas + Lys
Función clave en el mantenimiento de la matriz extracelular
Presente en la elastina