Modificaciones Postraduccionales de Proteínas: Mecanismos y Funciones

Las modificaciones postraduccionales (MPT) son alteraciones químicas que sufre una proteína después de su síntesis en los ribosomas. Estos cambios son cruciales para la función, localización y estabilidad de las proteínas, y son fundamentales para la regulación de casi todos los procesos celulares.

Glucosilación

Se trata de la unión covalente de varios glucosilos (radicales de glúcidos) encadenados (es decir, oligosacáridos o glucanos). Se glucosilan proteínas que se van a secretar o son de membrana, y nunca se produce en procariotas.

La función de estos oligosacáridos añadidos es:

1. Favorecer o estabilizar la conformación final de la proteína extracelular o membranaria.
2. Aumentar la vida media de la proteína, incrementando su estabilidad y su resistencia a la digestión por las proteasas.
3. Aumentar la solubilidad en un medio acuoso.
4. Aportar las estructuras que van a reconocer algunos receptores (por ejemplo, los antígenos).

La adición de los oligosacáridos tiene lugar tanto cotraduccional (mientras se importa al RER) como postraduccionalmente (en el Golgi). Dado que no es un proceso fijo, las proteínas se identifican en gel como una banda borrosa.

Fosforilación

Se trata de una modificación estrictamente postraduccional, una vez que la proteína está completamente sintetizada y plegada. Afecta a los grupos OH de Ser, Thr y Tyr, ocasionando un incremento notable de carga negativa en la proteína. Es reversible y muy frecuente. La fosforilación la realizan las proteína-cinasas (o quinasas) transfiriendo el grupo γ del ATP. La desfosforilación la catalizan las proteína-fosfatasas.

Acetilación

Se trata de una modificación covalente por introducción de un grupo acetilo en el grupo amino de un aminoácido. Lo más frecuente es la acetilación de la Met del extremo N-terminal (lo que impide la secuenciación de la proteína), pero también puede ocurrir sobre las Lys de las histonas para cambiar su afinidad por el ADN.

Carboxilación

Se puede producir la carboxilación del CH₂ en posición β de un Asp o el CH₂ en posición γ de un Glu. Para la carboxilación de los factores sanguíneos se necesita vitamina K, que actúa como cofactor de la carboxilasa. La presencia de γ-carboxiglutamato actúa como quelante de Ca²⁺, lo cual es imprescindible para la coagulación.

Metilación

La metilación no es un fenómeno exclusivo de los ácidos nucleicos o de la síntesis de metabolitos. En las proteínas se pueden incorporar grupos metilo en el ε-amino de una cadena de Lys o en el γ-carboxilo de un Glu. La reacción está catalizada por metil-transferasas que utilizan S-adenosilmetionina (SAM) como donador de los grupos metilo. En el caso de la Lys, se pueden incorporar hasta tres grupos metilo en el mismo grupo amino. Ejemplos de proteínas que sufren este tipo de modificaciones son la histona H4, algunas proteínas musculares, el citocromo c y la calmodulina (esta última contiene trimetil-Lys).

Hidroxilación

Consiste en la incorporación de grupos OH en residuos de Pro y Lys, especialmente en el colágeno. Esta modificación la realizan varias hidroxilasas presentes en el retículo endoplásmico. La reacción es químicamente compleja, pues conlleva la descarboxilación de la molécula donadora del grupo OH.

Acilación

Se trata de una modificación cotraduccional que consiste en la unión de un ácido graso para aumentar la hidrofobia de la proteína, permitiendo que el lípido actúe como anclaje a la membrana, normalmente por la cara interna. Suele ocurrir sobre residuos de Ser, Thr o Cys. Muchas proteínas implicadas en la transducción de señales (Ser/Thr/Tyr quinasas, proteínas G, etc.) están miristoiladas (14C) y ocurre sobre una secuencia N-terminal que incluye Glu-X-X-X-(Ser,Thr)-Y-Y, donde Y son aminoácidos básicos. Otras proteínas como la rodopsina están palmitoiladas (16C).

Otras Modificaciones Postraduccionales

La prenilación consiste en unir radicales terpenoides (derivados del isopreno) a las Cys de las proteínas citosólicas, sirviéndoles de anclaje a la membrana, de manera similar a la acilación. Los terpenoides más habituales son el geranilo (10C), farnesilo (15C) y el geranilgeranilo (20C). La oncoproteína Ras debe estar farnesilada para ser oncogénica. También se prenilan las proteínas G y algunas proteínas de la matriz nuclear (lamininas).

La proteólisis parcial de un péptido puede servir para generar la proteína madura. Se produce en el retículo endoplásmico, el Golgi o el citoplasma. Ocurre durante la activación de los zimógenos (de proproteínas a proteínas), las proteínas con péptidos de tránsito (de preproteína a proteína madura) y las caspasas durante la apoptosis. Ejemplos incluyen el procolágeno y la protrombina, así como la preproinsulina y el preprocolágeno.

Algunos grupos prostéticos se unen covalentemente a la enzima, como por ejemplo la biotina en la acetil-CoA carboxilasa, o el grupo hemo del citocromo c.

En otros casos, como el de la glutamina sintetasa de procariotas, las enzimas se pueden adenilar (añadir AMP) para regular su actividad.

La ADP-ribosilación es una modificación reversible sobre residuos de His, Arg, Asn, Lys o Glu, empleando NAD⁺ como cosustrato. Las toxinas diftérica, colérica y pertúsica ADP-ribosilan proteínas intracelulares (por ejemplo, eIF-2) de forma inespecífica, lo que perturba la fisiología celular. También existe esta actividad en una proteína telomérica para regular el ensamblaje y desensamblaje del telómero.

En algunas proteínas se pueden sulfatar los residuos de Tyr en el Golgi.

También se pueden ubicuitinar los residuos de Lys, pero esto es una señal de degradación. También se ha observado que la SUMOilación (adición de radicales SUMO: small ubiquitin-related modifier) de las lisinas, además de modular la capacidad de interacción de la proteína con otras y alterar su patrón de localización intracelular, también controla su estabilidad, actuando como un antagonista de la ubicuitina.

Vías de Apoptosis: Muerte Celular Programada

Vía Extrínseca

La vía extrínseca, o de los «receptores de muerte», establece conexiones con el espacio extracelular, recibiendo señales proapoptóticas desde el exterior y de las células vecinas. Dos familias de receptores se han identificado con estas características: la proteína Fas y el factor de necrosis tumoral (TNF).

La proteína transmembrana Fas, en su porción intracelular, enlaza con un factor intermedio denominado FADD (Fas-Associated Death Domain), el cual está comprometido con la zona de la molécula Fas que participa en la muerte celular, activando las caspasas-8 y -10. En cambio, si la parte interna de la molécula se asocia a otro factor llamado DaXX, se activan proteínas quinasas que conducen al efecto contrario, es decir, estimulan el ciclo celular y la mitosis. Esta vía Fas permanece inactiva hasta que se produce en su parte externa el enlace con un cofactor llamado ligando Fas, una proteína que actúa como detonador que inicia una vía en la que solo las caspasas están inactivas y el resto de la cadena está preparado para recibir la señal exterior. Esta característica permite actuar con gran rapidez sin necesidad de sintetizar otros factores.

Algo similar sucede con el otro receptor de membrana, el TNF. Su porción intracelular conecta con proteínas como TRADD (TNF Receptor-Associated Death Domain) y RAIDD (Receptor-Associated Interleukin-1-Converting Enzyme-Like Protease-Associated Apoptosis-Inducing Death Domain) que activan caspasas «iniciadoras» de la apoptosis. Pero si se asocian a otro complejo llamado TRAF (TNF Receptor-Associated Factor), activan proteínas quinasas y estimulan la proliferación celular, es decir, el efecto contrario.

Vía Intrínseca o Mitocondrial

Otra vía de inducción de apoptosis es la vía mitocondrial. Las proteínas de la familia Bcl-2 regulan la apoptosis ejerciendo su acción sobre la mitocondria. La activación de proteínas pro-apoptóticas de la familia Bcl-2 produce un poro en la membrana externa de las mitocondrias que permite la liberación de numerosas proteínas del espacio intermembrana, entre ellas, el citocromo c.

El citocromo c, una vez en el citosol, activa un complejo proteico denominado «apoptosoma», que a su vez activa directamente a la caspasa-9. Una vez que la caspasa-9 está activada, esta activa a las caspasas efectoras como la caspasa-3, lo que desencadena las últimas fases de la apoptosis.

Las proteínas de la familia Bcl-2 se agrupan en tres familias: la familia de las proteínas antiapoptóticas (Bcl-2, Bcl-Xl, Mcl-1 y otras); la familia de proteínas proapoptóticas de tipo «multidominio» (Bax y Bak); y las proteínas proapoptóticas de tipo «BH3-only» (Bid, Bim, Bad y otras). Las proteínas de tipo multidominio pueden producir poros por sí solas en liposomas, lo que indica que probablemente son suficientes para formar el poro mitocondrial que permite la liberación del citocromo c. Las proteínas de tipo BH3-only activan a estas proteínas, y las antiapoptóticas inhiben la formación del poro. Estas proteínas son los reguladores más importantes del proceso de apoptosis.

Además de la salida de citocromo c desde la mitocondria, otra proteína llamada SMAC/DIABLO, que es un inhibidor de los inhibidores de caspasas (IAPs), también se libera. Así, se establece una vía en la que la caspasa efectora está libre para actuar (dado que sus inhibidores fueron neutralizados por SMAC/DIABLO).

La vía mitocondrial puede conectarse también con la vía de receptores de muerte, ya que una vez activada la caspasa-8 por dichos receptores, esta caspasa activa a la proteína Bid, lo que provoca la apertura del poro mitocondrial y la activación de la caspasa-9.