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La expresión de los genes en todos los organismos procariotas y eucariotas, está controlada por una gran variedad de mecanismos (cuadro 6-4). La mayoría de los procesos biológicos son regulados por modificaciones postraduccionales de las proteínas, y las condiciones que interrumpen la regulación de tales acontecimientos pueden conducir al desarrollo de una enfermedad.
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Diversos aminoácidos que forman la cadena polipeptídica sufren modificaciones químicas en sitios específicos, que pueden afectar la estructura o la función de la proteína. Estas modificaciones se correlacionan con la estabilidad y la capacidad de presentar giros en la proteína y, en un grado menor, en la función.
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Muchas cadenas polipeptídicas se modifican mientras están unidas al complejo ribosomal o cuando finaliza su síntesis. Como las modificaciones se realizan ya iniciada la traducción se denominan modificaciones postraduccionales. Tras la traducción hay proteínas enzimáticas que ya son activas y otras que precisan ser modificadas. En estas modificaciones participan remociones de aminoácidos (generalmente se separa el aminoácido metionina o aminoácido iniciador); la adición de uno o varios grupos químicos, y la asociación de iones o coenzimas (grupo prostético) en algunas enzimas. Todas estas modificaciones son necesarias para darle actividad a la proteína.
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Las proteínas pueden estar constituidas por una cadena polipeptídica o por varias subunidades, y estas últimas pueden ser iguales o distintas, según provengan del mismo gen o de genes diferentes. El control de calidad del plegamiento de las proteínas para adquirir la estructura cuaternaria o conformación tridimensional se lleva a cabo por chaperonas y proteasas. Las proteínas chaperonas tienen la función de plegar o replegar de forma correcta las proteínas recién sintetizadas (modificación postraduccional), y las proteasas deben degradar aquellas proteínas que, a pesar de la acción de las chaperonas, no se pliegan de forma correcta.
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Las modificaciones postraduccionales son importantes para determinar la función y la actividad de la proteína. De las casi 200 modificaciones distintas que se conocen, la fosforilación es una de las modificaciones más importantes y abundantes, con más del 30% de proteínas modificadas por este proceso. Tales modificaciones tienen un papel importante en la estabilidad, plegamiento y reconocimiento. Las proteínas glucosiladas pueden ser encontradas en los compartimientos intracelulares.
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Los principales mecanismos de modificaciones postraduccionales son los producidos en la etiqueta señal, en algunos residuos de aminoácidos (glucosilación, fosforilación, hidroxilación, acetilación, etcétera) y la proteólisis.
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Dentro de las modificaciones covalentes, se encuentran las modificaciones a grupos funcionales (R) y cadenas laterales amino y carboxiloterminales. Para el grupo R se han encontrado más de 150 modificaciones covalentes diferentes. Estas modificaciones se conocen para los siguientes aminoácidos: Ala, Gli, Ile, Leu, Met y Val. Las modificaciones postraduccionales más importantes son:
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Muchas proteínas están modificadas en su N-terminal. En la mayoría de los casos, la metionina (iniciador) es hidroxilada y un grupo acetilo se agrega al nuevo aminoácido N-terminal; se observa hasta en un 50% en proteínas de eucariotas. Uno de los efectos que presentan esta modificación es el incremento de la resistencia a su degradación. También se observa una acetilación en la lisina de la histona H4 de manera reversible, que le hace responsable de la regulación de la condensación de la cromatina.
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El Acetil-CoA es el donador del acetilo para estas reacciones. Algunas proteínas tienen el grupo de miristoil de 14 carbonos agregado a su N-terminal. El donador para esta modificación es el miristoil-CoA. Esta última modificación permite la asociación de la proteína modificada con las membranas. La subunidad catalítica de la proteincinasa dependiente del cAMP (PKA) se encuentra miristoilado.
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En los aminoácidos de algunas proteínas, se añade un grupo carboxilo a la cadena lateral de un aminoácido, como en el -CH+2 del aspartato (β-carboxiaspartato), o del glutamato (γ-carboxiglutamato). Este último es esencial para la trombina como factor de coagulación por su acción quelante hacia el Ca+2. También participan en proteínas estructurales del hueso. La carencia de vitamina K, que participa como cofactor en la carboxilación del ácido glutámico, permite que se carboxile de manera insuficiente durante la biosíntesis de aminoácidos, y ocasiona la generación del síndrome hemorrágico.
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La metilación postraduccional de las proteínas ocurre en los nitrógenos y en los oxígenos; el donador de grupos metilo activado es la S-adenosilmetionina (SAM). Las metilaciones más comunes están en la ε-amina de los residuos de lisina, y algunas metilaciones de nitrógeno adicionales se encuentran en el anillo imidasólico de la histidina, en el grupo guanino de la arginina y en los grupos R del glutamato y del aspartato. La N metilación es una modificación permanente y no se conocen enzimas en los mamíferos que puedan eliminar el grupo metilo. La metilación del oxígeno de los grupos R del glutamato y del aspartato también puede formar ésteres metilados. Las proteínas también pueden metilarse en los grupos R-tioles de la cisteína. La metilación de las histonas en el ADN es un regulador importante de la estructura de la cromatina y en consecuencia de la actividad transcripcional. Esta regulación se da en el Lis-20 de las H4, en proteínas musculares y en el citocromo C; estos dos últimos contienen monometil y dimetil-lisina.
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La fosforilación postraduccional es una de las modificaciones de la proteína más comunes que ocurren en las células animales y actúa casi siempre de forma reversible (fosforilación y desfosforilación). La gran mayoría de fosforilaciones ocurren como un mecanismo para regular la actividad biológica de una proteína (regulación por modificación covalente). En otros términos, un fosfato (o más de uno en muchos casos) se agrega y después se quita.
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Fisiológicamente, los ejemplos pertinentes son que las fosforilaciones que ocurren en la síntesis de glucógeno y fosforilación del glucógeno en los hepatocitos, en respuesta al glucagon que libera el páncreas. Las fosforilaciones que ocurren en la síntesis inhiben su actividad, considerando que la actividad de la fosforilasa se aumenta.
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La versatilidad de la fosforilación de los grupos fosfato es un interruptor que, según donde ocurra, provoca el encendido o el apagado del proceso de división celular. El proceso de fosforilación también permite entender por qué una pequeña mutación en el material genético, que da lugar a un cambio de un aminoácido por otro en una proteína participante en la división celular, puede hacer que las células proliferen continuamente, al perderse el sitio en el que se introduce un grupo fosfato para bloquear su actividad.
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Las proteínas que provocan la fosforilación son las cinasas y las que eliminan los fosfatos son las fosfatasas. Las cinasas catalizan la siguiente reacción:
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En células animales, la serina, la treonina y la tirosina están sujetas a la fosforilación, que afecta a su grupo -OH. Aunque el nivel de fosforilación de la tirosina es menor, su fosforilación es funcionalmente muy importante. Como un ejemplo, la actividad de numerosos receptores del factor de crecimiento es controlada por la fosforilación de la tirosina.
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La modificación del sulfato en algunas proteínas ocurre en los residuos de tirosina, como se observa en el fibrinógeno y en algunas proteínas secretoras. El donador del sulfato universal es el 3’-fosfoadenosil-5’-fosfosulfato (PAPS). Puesto que el sulfato es agregado de forma permanente, es necesario para la actividad biológica y no se utiliza como una modificación regulatoria, como sucede en la fosforilación de tirosina.
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Glicosilación o glucosilación
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Una de las formas más comunes de modificación proteica está representada por la glucosilación. Se le da este nombre debido a que se unen de manera covalente las cadenas de oligosacáridos (glicanos), con algunos aminoácidos de la cadena proteica y en general no desempeña un papel en la regulación de la actividad de la proteína. Sin embargo, debido al fenómeno hidrofílico de los azúcares, mantienen la solubilidad de las glicoproteínas y aseguran el plegamiento correcto de los dominios, por lo que dan la estabilidad extracelular de la proteína contra la degradación. Esta modificación es frecuente en proteínas de membrana, y casi no se observan en proteínas intracelulares; se observa en eucariotas y virus, pero no en procariotas.
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La función de un gran número de hidroxilasas, presentes en el RE, es la de catalizar la incorporación de grupos -OH a algunas proteínas. Estas modificaciones que dependen de la vitamina C como cofactor incluyen hidroxilaciones de prolina, lisina (se observa en 50% de las prolinas presentes en colágeno) y la amidación del C-terminal. Las enzimas que se hidroxilan se identifican como prolil hidroxilasa y lisil hidroxilasa. El donante de la amida para la amidación del C-terminal es la glicina. Las proteínas hidroxiladas más importantes son los colágenos. Varias hormonas peptídicas, como la oxitocina y la vasopresina, tienen amidación el C-terminal. Debido a lo anterior, una mala hidroxilación del colágeno podría derivar en el desarrollo de escorbuto, acompañado con déficit de vitamina C.
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Modificación con lípidos
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En general, esta reacción tiene lugar en proteínas citosólicas insolubles, sintetizadas en ribosomas libres. Afecta las cadenas laterales y/o los extremos del polipéptido, incrementando su hidrofobicidad y proporcionando a la proteína un punto de anclaje en la membrana. Los principales ácidos grasos que se incorporan por acilación son: el miristato (14C), el palmitato (16C) y el estearato u oleato (18C), en las cadenas laterales de serina y treonina, formando un enlace éster con el grupo -OH, y en cisteína formando enlace tioéster con el SH.
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Prenilación (terpenos)
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Se refiere a la adición del grupo geranilo (10C) farnesil (15C) o el geranilgeranilo (20C) a proteínas receptoras, que son compuestos isoprenoides derivados, los dos primeros, de la vía biosintética del colesterol. Los grupos isoprenoides se unen a residuos de cisteína en el extremo C-terminal de las proteínas, con la formación de un enlace tioéter (C-S-C). Se ha identificado una secuencia consenso común en el extremo C-terminal de las proteínas preniladas y se compone de CAAX, donde C es cisteína, A es cualquier aminoácido alifático (excepto alanina) y X es el aminoácido C-terminal. Para que la reacción de prenilación ocurra, los tres aminoácidos C-terminal (AAX) son retirados. Después de unirse el grupo prenilado, el carboxilato de la cisteína se metila en una reacción que utiliza S-adenosilmetionina como donante de metilenos.
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Algunas de las proteínas más importantes, cuyas funciones dependen de la prenilación, son aquellas que modulan la respuesta inmune. Estas proteínas incluyen las involucradas en la motilidad, la activación y la proliferación de los leucocitos y en las funciones inmunes de las células endoteliales. Otras de las proteínas modificadas con farnesilo son la proteína ligadora e hidrolizante de GTP, llamada RAS, y las proteínas-G, que se unen e hidrolizan el GTP en las cascadas de señalización intracelular. Estas funciones modifican la respuesta inmune de muchas proteínas preniladas, que son la base de las acciones antiinflamatorias de los fármacos que inhiben las síntesis de colesterol, llamadas estatinas, debido a que disminuyen la síntesis de farnesil pirofosfato y geranil pirofosfato y, por tanto, reducen los episodios inflamatorios.
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Formación de puentes disulfuro
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Los enlaces de disulfuro se forman generalmente en el lumen del RER, pero no en el citosol, por la enzima proteína-disulfuro isomerasa. Esto se debe al ambiente oxidante del retículo endoplásmico y al ambiente reductor del citosol. Así, los enlaces de disulfuro se encuentran, sobre todo, en proteínas secretoras, lisosomales, y en los dominios exoplasmáticos de las proteínas de la membrana. Hay excepciones notables a esta regla. Un número de proteínas citosólicas tienen residuos de cisteína próximos uno contra el otro, que funcionan como los sensores de la oxidación; cuando el potencial reductor de la célula falla, oxidan y accionan mecanismos celulares de respuesta. Varias proteínas forman enlaces covalentes mediante puentes disulfuro entre la cisteína de la misma cadena (intracatenaria) o con otra de una cadena distinta (intercatenaria). Este tipo de enlaces se dan en menor cantidad en las proteínas intracelulares que en las extracelulares, favorecen un correcto plegamiento y ayudan a la protección de la conformación nativa de la proteína de la desnaturalización.
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Procesamiento proteolítico
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También llamada por algunos científicos recorte, es el mecanismo más común de modificaciones, aunque también se presenta la derivación de aminoácidos específicos. Probablemente la gran mayoría de las proteínas maduras deben modificarse de esta manera: a todas se les deben retirar algunas porciones de la cadena [metionina (o-Met)], después de emerger del ribosoma. Muchas proteínas involucradas en una gama de procesos biológicos se sintetizan como precursores inactivos, que se activan en condiciones adecuadas mediante la proteólisis limitada.
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En todos los casos, las flechas significan corte proteolítico.
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A las proteínas inactivas, activadas al retirarles segmentos de la cadena, se las denomina proproteínas, y a los segmentos extraídos, propéptidos.