Plegado oxidativo - Oxidative folding
El plegamiento de proteínas oxidativas es un proceso que es responsable de la formación de enlaces disulfuro entre los residuos de cisteína en las proteínas . La fuerza impulsora detrás de este proceso es una reacción redox , en la que los electrones pasan entre varias proteínas y finalmente a un aceptor de electrones terminal .
En procariotas
En procariotas , el mecanismo de plegamiento oxidativo se estudia mejor en bacterias Gram-negativas . Este proceso es catalizado por la maquinaria proteica que reside en el espacio periplásmico de las bacterias. La formación de enlaces disulfuro en una proteína es posible por dos vías relacionadas: una vía oxidativa, que es responsable de la formación de los disulfuros, y una vía de isomerización que baraja los disulfuros formados incorrectamente.
Vía oxidativa
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La vía oxidativa se basa, al igual que la vía de isomerización, en un relé de proteínas. El primer miembro de este relevo de proteínas es una pequeña proteína periplásmica (21 kDa) llamada DsbA , que tiene dos residuos de cisteína que deben oxidarse para que sea activa. Cuando está en su estado oxidado, la proteína es capaz de formar enlaces disulfuro entre residuos de cisteína en proteínas recién sintetizadas y aún sin plegar mediante la transferencia de su propio enlace disulfuro a la proteína de plegado. Después de la transferencia de este enlace disulfuro, DsbA se encuentra en un estado reducido. Para que vuelva a actuar catalíticamente, debe reoxidarse. Esto es posible gracias a una proteína de membrana interna de 21 kDa , llamada DsbB , que tiene dos pares de residuos de cisteína. Se forma un disulfuro mixto entre un residuo de cisteína de DsbB y uno de DsbA. Finalmente, este entrecruzamiento entre las dos proteínas se rompe por un ataque nucleofílico del segundo residuo de cisteína en el sitio activo de DsbA . A su vez, DsbB se reoxida transfiriendo electrones a ubiquinona oxidada , que los pasa a citocromo oxidasas, que finalmente reducen el oxígeno ; esto es en condiciones aeróbicas . Como el oxígeno molecular sirve como aceptor terminal de electrones en condiciones aeróbicas, el plegamiento oxidativo se acopla convenientemente a él a través de la cadena respiratoria . Sin embargo, en condiciones anaeróbicas, DsbB pasa sus electrones a la menaquinona , seguido de una transferencia de electrones a la fumarato reductasa o nitrato reductasa .
Vía de isomerización
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Especialmente para las proteínas que contienen más de un enlace disulfuro, es importante que los enlaces disulfuro incorrectos se reorganicen. Esto se lleva a cabo en la vía de isomerización por la proteína DsbC, que actúa como disulfuro isomerasa . DsbC es un dímero , que consta de dos subunidades idénticas de 23 kDa y tiene cuatro residuos de cisteína en cada subunidad. Una de estas cisteínas (Cys-98) ataca un disulfuro incorrecto en una proteína mal plegada y se forma un disulfuro mixto entre DsbC y esta proteína. A continuación, el ataque de un segundo residuo de cisteína da como resultado la formación de un disulfuro más estable en la proteína replegada. Este puede ser un residuo de cisteína de la proteína mal plegada anterior o uno de DsbC. En el último caso, la DsbC se oxida y debe reducirse para desempeñar otro papel catalítico. También hay una segunda isomerasa que puede reorganizar los enlaces disulfuro incorrectos. Esta proteína se llama DsbG y también es un dímero que sirve como acompañante . Para cumplir su función como isomerasas, DsbC y DsbG deben mantenerse en un estado reducido. Esto lo lleva a cabo DsbD, que debe reducirse a sí mismo para ser funcional. La tiorredoxina, que a su vez es reducida por la tiorredoxina reductasa y NADPH , asegura la reducción de la proteína DsbD.
Debido a que estas dos vías coexisten una junto a la otra en el mismo compartimento periplásmico, debe haber un mecanismo para prevenir la oxidación de DsbC por DsbB. De hecho, este mecanismo existe ya que DsbB puede distinguir entre DsbA y DsbC porque este último tiene la capacidad de dimerizar.
En eucariotas
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En eucariotas se sigue una ruta muy similar , en la que el relevo de proteínas está formado por proteínas con propiedades muy análogas a las del relevo de proteínas en bacterias Gram-negativas. Sin embargo, una diferencia importante entre procariotas y eucariotas se encuentra en el hecho de que el proceso de plegamiento de proteínas oxidativas ocurre en el retículo endoplasmático (RE) en eucariotas. Una segunda diferencia es que en eucariotas, el uso de oxígeno molecular como aceptor terminal de electrones no está vinculado al proceso de plegamiento oxidativo a través de la cadena respiratoria como es el caso de las bacterias. De hecho, una de las proteínas implicadas en el proceso de plegamiento oxidativo utiliza una reacción dependiente de la flavina para pasar electrones directamente al oxígeno molecular.
Un homólogo de DsbA, llamado proteína disulfuro isomerasa (PDI), es responsable de la formación de enlaces disulfuro en proteínas eucariotas desplegadas. Esta proteína tiene dos sitios activos de tipo tiorredoxina, que contienen dos residuos de cisteína. Al transferir el enlace disulfuro entre estos dos residuos de cisteína a la proteína de plegamiento, es responsable de la oxidación de esta última. A diferencia de las bacterias, donde las vías oxidativas y de isomerización las llevan a cabo diferentes proteínas, la PDI también es responsable de la reducción e isomerización de los enlaces disulfuro. Para que PDI catalice la formación de enlaces disulfuro en proteínas desplegadas, debe reoxidarse. Esto lo lleva a cabo una proteína asociada a la membrana ER, Ero1p, que no es homóloga de DsbB. Esta proteína Ero1p forma un disulfuro mixto con PDI, que se resuelve mediante un ataque nucleofílico del segundo residuo de cisteína en uno de los sitios activos de PDI. Como resultado, se obtiene PDI oxidado. El propio Ero1p se oxida transfiriendo electrones al oxígeno molecular. Como es una proteína de unión a FAD , esta transferencia de electrones se ve fuertemente favorecida cuando Ero1p se une a FAD. También se ha descrito en eucariotas un sistema de transporte que importa FAD al lumen del RE. Además, se ha demostrado que la capacidad de reducir o reorganizar los enlaces disulfuro incorrectos en proteínas mal plegadas es proporcionada por la oxidación del glutatión reducido (GSH) a glutatión oxidado (GSSG).
ROS y enfermedades
Debido a la propiedad de Ero1p de transferir electrones directamente al oxígeno molecular a través de una reacción dependiente de flavina, su actividad puede producir especies reactivas de oxígeno (ROS). En las bacterias, este problema se resuelve acoplando el plegamiento oxidativo a la cadena respiratoria. Allí, la reducción del oxígeno molecular a agua se lleva a cabo mediante una serie compleja de proteínas, que catalizan esta reacción de manera muy eficiente. En eucariotas, la cadena respiratoria se separa del plegamiento oxidativo ya que la respiración celular tiene lugar en las mitocondrias y la formación de enlaces disulfuro ocurre en el RE. Debido a esto, existe mucho más riesgo de que se produzcan ROS en las células eucariotas durante el plegamiento oxidativo. Como se sabe, estos ROS pueden causar muchas enfermedades como la aterosclerosis y algunas enfermedades neurodegenerativas .
Ejemplos de
Ejemplos clásicos de proteínas en las que el proceso de plegamiento oxidativo está bien estudiado son el inhibidor de tripsina pancreática bovina ( BPTI ) y la ribonucleasa A (RNaseA). Estas dos proteínas tienen múltiples enlaces disulfuro, por lo que son muy útiles para seguir y comprender el proceso de plegamiento oxidativo. Otro ejemplo es la fosfatasa alcalina , que contiene dos disulfuros esenciales. Se utilizó como proteína indicadora para detectar el efecto de mutaciones en DsbA.
Referencias
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- Benjamin P. Tu y Jonathan S. Weissman. (2004). Plegamiento de proteínas oxidativas en eucariotas: mecanismos y consecuencias. La revista de Biología Celular 164 , 341-346
- Benjamin P. Tu, Siew C. Ho-Schleyer, Kevin J. Travers, Jonathan S. Weissman. (2000). Bases bioquímicas del plegamiento oxidativo en el retículo endoplasmático. Ciencia 290 , 1571-1574
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