EL PROTEOSOMA - BioScripts

EL PROTEOSOMAJD. Franco, E. Fagundo, R. Gómez-Antúnez, R. Gómez- Domínguez1) INTRODUCCIÓN1- Concepto2- Función3- Características4- Tipos de Proteosomas2) SUBUNIDAD 20S1- Características estructurales2- Comparación entre las chaperoninas GroEL – y el complejo 20S3- Anillos alpha4- Anillos Beta3) SUBUNIDAD 19S. Características estructurales y funcionales4) FUNCIONAMIENTO DEL PROCESO EN GENERAL DE LA RUTAUBIQUITINA PROTEOSOMA5) MORFOGÉNESIS DEL PROTEOSOMA 26S, 30S y INMUNOPROTEOSOMA4) PATOLOGIAS DERIVADAS DEL MALFUNCIONAMIENTOA- Patologías asociadas al malfuncionaiento del complejo proteosómico. Parkinson. Huntigton.B- El Cancer: últimas investigaciones sobre la regulación del cáncer mediante inhibidores deproteosomas.

EL PROTEOSOMA1) INTRODUCCIÓN:El proteosoma es un complejo macromolecular compuesto por múltiples subunidadesprotéicas, y que sirve para degradar proteínas de forma selectiva, asociadas al complejode 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 proteínasDebido 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 nmde diámetro.Hay tres tipos de proteosomas funcionales: el proteosoma 26S, el proteosoma 30S, y elinmunoproteosoma. El proteosoma 26S, se compone del cap 19S formado por el lid y labase, 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 19Smás.El inmunoproteosoma, está formado por un complejo 20S, del mismo peso y tamañoque 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 lapartícula central del proteosoma, que está compuesta por 2 anillos de subunidades alphay 2 anillos de subunidades beta, 2 a 2 formando el 20S (alpha y beta formanheterodímero que engarzan el complejo 20S). Tiene una longitud de 148 Å (alrededorde 15 nm), y un diámetro de 113 Å (alrededor de 12 nm).En su interior encontramos 3 cámaras: precámara, cámara de reacción y postcámara. Elporo de entrada a la precámara es de 13 Å (1,3 nm) y el poro de entrada a la cámara dereacción es de 22 Å. (2,2 nm)B- ANALOGÍA GroEL – 20S: Una comparación curiosa, es la que encontramos entrelas chaperoninas GroEL, y el complejo 20S, puesto que también está formado poranillos y tienen cámaras internas que catalizan diferentes reacciones enzimáticas. Sonpor tanto, dos complejos análogos estructuralmente, pero con diferentes funciones: unopliega proteínas para darles forma y el otro despliega las proteínas para degradarlo ensus monómeros esenciales: los aminoácidos. Otra diferencia que los caracteriza es eltamaño del poro de salida, siendo el del proteosoma muy pequeño (para la salida deaminoácidos) y el de las chaperoninas mayor (para la salida de proteínas replegadas).C- ANILLOS ALPHA: El complejo 20S estáformado por 2 anillos alpha. Uno en la partesuperior del complejo 20S y otra en la parteinferior de éste. Cada uno está compuesto por 7subunidades alpha. Una subunidad alpha estácompuesta 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 porotiene 1,3 nm y 7 residuos de Lys-Tyr-Gly-Gly por cada subunidad alpha.D- ANILLOS BETA: El complejo 20S estáformado por 2 anillos beta. Los dos en la parteinterior del complejo 20S. Cada uno estácompuesto por 7 subunidades beta. Unasubunidad beta está compuesta por 5 hélices alphahacia fuera y 10 láminas beta plegadas hacia elinterior. 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 haciael interior de la cámara de reacción, que es el que lleva a cabo la función catalítica decada una de las Subunidades Beta. Como hay 2 anillos beta, hay 14 residuos de Thrhacia el interior.3) COMPLEJO ESTRUCTURAL 19S:El complejo 19S es un complejo regulador de la degradación de proteínas, que estáligado a la ruta de señalización de ubiquitina. Se divide en 2 dominios diferentes:a. LID• Posee un poro de entrada• Interviene en ladesubiquitinización (n10)• Ensamblamiento 19S – 20S(n8)

• 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 (conrequerimiento de energía mediante hidrólisis de ATP). Una vez que ocurre esto, entra elgrupo formado por las subunidades E2/E3, que posee otro grupo sulfhidrilo quereacciona con el enlace formado antes entre la ubiquitina y E1. Así, lo que ocurre es quela 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 unazona de reconocimiento de E3, y por ello puede interaccionar y unirse a él.Seguidamente, se produce un ataque del grupo amino (NH 2 ) de la proteína diana, sobreel grupo carbonilo (C=O) que posee la ubiquitina unida a E2: como producto de ello seforma un enlace covalente (base de Schiff) y queda unida la ubiquitina a la proteínadiana. Esto se repite varias veces, consiguiendo la poliubiquitinización de la proteínadiana.

La proteína diana poliubiquitinizada es llevada al cap 19S y se asocia a la subunidadn10 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 porUCHL-1 (ubiquitin Carboxiterminal 1a Hidrolasa) para volver a unir más proteínasdiana. Por otro lado la proteína diana será desplegada a una estructura primaria por lassubunidades n1 y n2 de la base del cap19S, para poder ser introducida en el proteosomapor el proceso conocido como translocación.Una vez en la cámara de reacción, las Thr de los extremos aminos de las subunidadesbeta, llevan a cabo un ataque nucleofílico (-OH) sobre el enlace peptídico (–C-N-), se vauniendo parte de la proteína a estos residuos, y por hidrólisis se liberan losoligopéptidos. Poco a poco se van liberando los aminoácidos que le dan una altaversatilidad al proteosoma:• Nuevos Aminoácidos para síntesis de nuevas proteínas.• Elimina y regula un exceso de enzimas.• Regulando el ciclo celular y otras rutas metabólicas.

• Elimina toxinas que son dañinas y anormales para la célula, evitando agregadosmoleculares que dan lugar a las enfermedades degenerativas.• Elimina factores de trascripción, regulando el ciclo celular y otras rutasmetabólicas.• Impide que un virus ensamble y siga su ciclo.• Producción importante de Anticuerpos, que impide que un virus ensamble y sigasu ciclo.5) MORFOGÉNESIS DEL PROTEOSOMA:El complejo macromolecular 20S, nace de la unión en heterodímeros de subunidadesalpha y beta, con un precursor de 8 aminoácidos. Estos heterodímeros se unen dos a doslateralmente formando un medioproteosoma, que al unirse los dos medioproteosomas,forman el preholoproteosoma, que al romper los precursores, forman el holoproteosoma20S, que tras unirse a los CAP forman el proteosoma 26S, 30S y el inmunoproteosoma.

5) COMPLEJO ESTRUCTURAL 19S:1) INTRODUCCIÓN• 4 Anillos apilados con 7 subunidades cada uno

• Los 2 anillos externos compuestos de subunidades Alfa inactivas y los 2 internoscompuestos de subunidades Beta.• Los 4 anillos definen 3 compartimentos siendo el central el más importanteCentros activos19S Compuesto por 20 proteinas, 6 de las cuales son ATPasaAdemás es muy flexible para permitir el movimiento implicado en la captura de las proteinasUb-conjugada

4) PATOLOGIAS DERIVADAS DEL MALFUNCIONAMIENTOA- PATOLOGIAS ASOCIADAS AL MALFUNCIONAMIENTO DELCOMPLEJO PROTEOSOMICO:1. Acumulación de proteínas ubiquitinizadas que forma placas amiloides(Enfermedades degenerativas)2. Sobreexpresión del Proteosoma que lleva a procesos oncológicos3. Susceptibilidad a enfermedades infecciosas (Sida)Las enfermedades neurodegenerativas son consecuencia del primer punto expuestoanteriormente (punto 1); es decir, una acumulación de proteínas que por una mutaciónespontánea o hereditaria, tienen mayor cantidad de aminoácidos apolares y láminas betaplegadas de lo normal, por lo que son proteínas aberrantes que tienden a unirse entre sípara evitar su contacto con el liquido celular, formando lo que se conoce comopentámeros SAP (Serum Amiloid Fosfate) que tienden a unirse 2 a 2 con una uniónCPHPC. Esto origina placas amiloideas que se acumulan en el citosol y atascan las rutascelulares 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 ALZHEIMER

ENFERMEDAD DE PICK ATAXIAS ATAXIA DE JOSÉ MACHADO ....Puesto que no se puede abarcar en este trabajo todas las enfermedadesneurodegenerativas, vamos a explicar un par de ejemplos que pueden resumir losaspectos básicos de éste tipo de enfermedades:Enfermedad de Parkinson: Es resultado de un fallo en el proceso proteolítico delproteosoma:• Fallo de la enzima UCHL-1 (ubiquitina carboxiterminal 1a hidrolasa), que seocupa de despolimerizar las poliubiquitinas. Si no se despolimerizasen, nopodrían 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 alproteosoma, si falla ésta, se origina un parkinsonismo juvenil (Como lo queocurre con Michael J. Fox).• Las chaperonas y chaperoninas no dan abasto con la ingente cantidad deproteínas 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 aldeterioro de las neuronas dopaminérgicas y de la sustancia negra la cual, produceDOPAMINA 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 debidoal desequilibrio químico.Enfermedad de Huntington: Es resultado de una mutación genética sobre el genconcreto 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 produceun colapso en la célula (cuerpos de inclusión de huntingtina), que lleva a la muerte deneuronas del tejido cerebral que produce atrofia del estriado, a altura del caudado yputamen, originando esta enfermedad conocida como la Corea de Huntington.Solo hay que comprobar como afecta esta degradación a los enfermos, viendo lasimágenes de cerebros normales y cerebros con enfermedades neurodegenerativas.B- EL CANCER: ÚLTIMAS INVESTIGACIONES SOBRE LA REGULACIÓNDEL CANCER MEDIANTE INHIBIDORES DE PROTEOSOMAS.El cáncer es una patología que afecta directamente a las células, que tienen mutados unaserie de genes que afectan a la supervivencia y al ciclo celular de éstas células, haciendoque sean células quiescentes (inmortales). El proteosoma, esta sobreexpresado ydegrada CICLINA en exceso, por lo que la célula nunca para de dividirse, aparte de queesta célula crea sus propias señales de supervivencia (IL-6) gracias a la destrucción delfactor de regulación IkB-NFKB, y gracias a la destrucción constantes de los CDKinhibidores(p21,p27)Debido a esto, la inhibición del proteosoma podría ser un buen punto de partida paraparar la erradicación del cáncer, ya que afectaría al proceso de creación de IL-6 ydestruiría 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, parapoder pasar a telofase. Al final de la interfase se comienza a sintetizar ciclina que uneCDK, formando el complejo MPF (factor promotor de mitosis), que permite el paso demetafase, dando lugar a un ciclo celular.Lo que ocurre en células aberrantes, es que la ciclina b se degrada continuamente porsobreexpresión del proteosoma, por alguna mutación o activador que hace que elproteosoma esté descontrolado. Esto permite la destrucción y renovación de ciclina queune 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 unaciclina que une específicamente a un tipo de cdk, por ello, hay otro nivel de regulaciónque afecta al ciclo celular: los CDK-INHIBIDORES, dentro de los cualesentrontramos 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 esteinhibido o regulado de forma normal, puesto que en condiciones oncogénicas, elproteosoma 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 señalesde regulación de los factores de supervivencia celular: IkB y NFKB que originanInterleuquinas 3 y 6, VEGF y VCAM1. Las células cancerosas resisten cualquierradiación o quimioterapia, de hecho, cuando se les irradia, destruyen IkB que regula alfactor de trascripción NFkB, liberando el NFkB que va al núcleo y genera factores desupervivencia que llevan a la célula saltarse la apoptosis, de este modo, las célulascancerosas nunca mueren. La inhibición del proteosoma a este nivel, también podría

provocar que las células cancerosas llegasen a la APOPTOSIS al no haber señales desupervivencia (IL-3, IL-6).