Un enlace isopéptido es un enlace amida que se puede formar, por ejemplo, entre el grupo carboxilo de un aminoácido y el grupo amino de otro. Al menos uno de estos grupos de unión es parte de la cadena lateral de uno de estos aminoácidos. Esto es diferente a un enlace peptídico que a veces se denomina enlace eupeptídico , [1] especialmente cuando se habla de estos dos tipos de enlaces en el mismo contexto para hacer una distinción entre los dos.
La lisina, por ejemplo, tiene un grupo amino en su cadena lateral y el ácido glutámico tiene un grupo carboxi en su cadena lateral. Estos aminoácidos, entre otros aminoácidos similares, pueden unirse o con algunos otros aminoácidos para formar un enlace isopéptido.
El enlace isopéptido también se puede formar entre un grupo γ- carboxamida ( - (C = O) NH
2 ) de glutamina y amina primaria (RNH 2 ) de algún aminoácido de la siguiente manera [2]
- Gln− (C = O) NH
2 + RNH
2 → Gln− (C = O) NH − R + NH
3
La formación de enlaces puede ser catalizada por enzimas , como en el caso del enlace isopéptido formado entre lisina y glutamina catalizada por transglutaminasas (su reacción es similar a la reacción anterior), [2] o puede formarse espontáneamente como se observa en la formación de la cápside del bacteriófago HK97. [3] y pili bacterianos Gram-positivos. [4] La formación espontánea de enlaces isopéptidos requiere la presencia de otro residuo, ácido glutámico, que cataliza la formación de enlaces de una manera inducida por la proximidad. [5]
Un ejemplo de un péptido pequeño que contiene un enlace isopéptido es el glutatión , que tiene un enlace entre la cadena lateral de un residuo de glutamato y el grupo amino de un residuo de cisteína. Un ejemplo de una proteína involucrada en la unión de isopéptidos es la ubiquitina , que se une a otras proteínas con un enlace entre el residuo de glicina C-terminal de ubiquitina y una cadena lateral de lisina de la proteína sustrato.
Funciones de bioseñalización y bioestructura
La función de los enlaces isopéptidos generados por enzimas se puede dividir aproximadamente en dos categorías separadas; señalización y estructura. En el caso del primero, estas pueden ser una amplia gama de funciones, que influyen en la función de la proteína, [6] la condensación de la cromatina, [7] o la vida media de la proteína. [8] Con respecto a la última categoría, los isopéptidos pueden desempeñar un papel en una variedad de aspectos estructurales, desde ayudar a formar los coágulos en la cicatrización de heridas, [9] roles en el mantenimiento de la matriz extracelular y la vía de apoptosis, [10] roles en la formación de pilina patógena, [11] la reestructuración del esqueleto de actina de una célula huésped para ayudar en la patogenicidad de V. cholerae, [12] y la modificación de las propiedades de la micro-tubilina para influir en su papel en la estructura de una célula. [13]
La química involucrada en la formación de estos enlaces isopéptidos también tiende a caer en estas dos categorías. En el caso de la ubiquitina y las proteínas similares a la ubiquitina , tienden a tener una ruta estructurada de paso continuo a lo largo del péptido con una serie de reacciones, utilizando múltiples enzimas intermedias para alcanzar la proteína diana para la reacción de conjugación. [6] Las enzimas estructurales, aunque varían de dominios bacterianos y eucariotas, tienden a ser enzimas individuales que, por lo general, en un solo paso, fusionan los dos sustratos juntos para un proceso repetitivo más grande de unir e interrelacionar dichos sustratos para formar e influir en grandes estructuras macromoleculares. [14] [15] [12] [16]
Química de enlaces enzimáticos
Química del enlace de bioseñalización
Las químicas de la formación de enlaces isopéptidos se dividen de la misma manera que sus funciones biológicas. En el caso de isopéptidos usados para conjugar una proteína con otra con el propósito de transducción de señales, la literatura está generalmente dominada por la proteína ubiquitina muy bien estudiada y proteínas relacionadas. Si bien hay muchas proteínas relacionadas con la ubiquitina, como SUMO, Atg8, Atg12, etc., todas tienden a seguir relativamente la misma ruta de ligación de proteínas. [6]
Por tanto, el mejor ejemplo es mirar a la Ubiquitina, ya que si bien puede haber ciertas diferencias, la Ubiquitina es esencialmente el modelo que se sigue en todos estos casos. El proceso tiene esencialmente tres niveles, en el paso inicial, la proteína activadora generalmente denominada E1 activa la proteína Ubiquitina adenilándola con ATP. Luego, la ubiquitina adenilada se activa esencialmente y se puede transferir a una cisteína conservada usando un enlace tioéster que se encuentra entre el grupo carboxilo de la glicina c-terminal de la ubiquitina y el azufre de la cisteína E1. [6] [8] La enzima activadora E1 se une y transfiere la ubiquitina al siguiente nivel, la enzima E2 que acepta la proteína y una vez más forma un tioéster con un enlace conservado. El E2 actúa hasta cierto punto como un intermediario que luego se une a la enzima ligasa E3 para el nivel final, lo que conduce a la transferencia eventual de la ubiquitina o proteína relacionada con ubiquitina a un sitio de lisina en la proteína objetivo, o más comúnmente para ubiquitina, en ubiquitina misma para formar cadenas de dicha proteína. [6]
Sin embargo, en el último nivel, también hay una divergencia, ya que dependiendo del tipo de ligasa E3, es posible que en realidad no esté causando la conjugación. Como existen las ligasas E3 que contienen dominios HECT, en las que continúan esta "cadena de transferencia" aceptando una vez más la ubiquitina a través de otra cisteína conservada y luego dirigiéndola y transfiriéndola a la diana deseada. Sin embargo, en el caso de que el dominio de dedo RING contenga enlaces de coordinación con iones de zinc para estabilizar sus estructuras, actúan más para dirigir la reacción. Con eso, significa que una vez que la ligasa RING finger E3 se une con el E2 que contiene la ubiquitina, simplemente actúa como un dispositivo de direccionamiento que indica al E2 que ligue directamente la proteína diana en el sitio de la lisina. [6] [17]
Aunque en este caso la ubiquitina representa bien otras proteínas relacionadas con ella, cada proteína obviamente tendrá sus propias molestias, como SUMO, que tiende a ser ligasas de dominio de dedo RING, donde la E3 simplemente actúa como el dispositivo de direccionamiento para dirigir la ligadura por el E2, y no realizar realmente la reacción en sí, como las ligasas Ubiquitin E3-HECT. [8] Por lo tanto, aunque los mecanismos internos difieren, como la forma en que las proteínas participan en la cadena de transferencia, los aspectos químicos generales, como el uso de tioésteres y ligasas específicas para la orientación, siguen siendo los mismos.
Química de enlaces bioestructurales
La química enzimática implicada en la formación de isopéptidos con fines estructurales es diferente del caso de la ubiquitina y las proteínas relacionadas con ubiquitina. En eso, en lugar de pasos secuenciales que involucran múltiples enzimas para activar, conjugar y apuntar al sustrato. [18] La catálisis es realizada por una enzima y el único paso precursor, si existe, es generalmente la escisión para activarlo a partir de un zimógeno. Sin embargo, la uniformidad que existe en el caso de la ubiquitina no es así, ya que hay numerosas enzimas diferentes que realizan la reacción de formar el enlace isopéptido.
El primer caso es el de las sortasas, una familia de enzimas que se propaga a través de numerosas bacterias gram positivas. Se ha demostrado que es un factor importante de patogenicidad y virulencia. La reacción general realizada por las sortasas implica el uso de su propia marca de la "tríada catalítica": es decir, el uso de histidina, arginina y cisteína para el mecanismo reactivo. His y Arg actúan para ayudar a crear el entorno reactivo, y Cys actúa una vez más como el centro de reacción mediante el uso de un tioéster que ayuda a mantener un grupo carboxilo hasta que la amina de una lisina puede realizar un ataque nucleofílico para transferir la proteína y formar el enlace isopéptido. Un ion que a veces puede desempeñar un papel importante, aunque indirecto, en la reacción enzimática es el calcio, que está unido por la sortasa. Desempeña un papel importante en mantener la estructura de la enzima en la conformación óptima para la catálisis. Sin embargo, hay casos en los que se ha demostrado que el calcio no es esencial para que se produzca la catálisis. [15]
Otro aspecto que distingue a los sorbos en general es que tienen un direccionamiento muy específico para su sustrato, ya que los sordos generalmente tienen dos funciones, la primera es la fusión de proteínas a la pared celular de las bacterias y la segunda es la polimerización de pilina. Para el proceso de localización de proteínas en la pared celular, existe un requisito triple de que la proteína contenga un dominio hidrófobo, una región de la cola cargada positivamente y una secuencia específica final utilizada para el reconocimiento. [19] La mejor estudiada de estas señales es la LPXTG, que actúa como punto de escisión, donde la sortasa ataca entre Thr y Gly, conjugándose con el grupo carboxilo Thr. [15] Luego, el tioéster se resuelve mediante la transferencia del péptido a una amina primaria, y esto generalmente tiene una especificidad muy alta, como se ve en el ejemplo de B. cereus, donde la enzima sortasa D ayuda a polimerizar la proteína BcpA a través de dos señales de reconocimiento, el LPXTG como punto de escisión y formación de tioéster, y el sitio YPKN que actúa como señal de reconocimiento donde se formará el isopéptido. [20] Si bien los detalles pueden variar entre las bacterias, los fundamentos de la química enzimática de la sortasa siguen siendo los mismos.
El siguiente caso es el de las transglutaminasas (TGasas), que actúan principalmente dentro de los eucariotas para fusionar diferentes proteínas por diversas razones, como la cicatrización de heridas o la unión de proteínas a las membranas lipídicas. [21] [9] Las propias TGasas también contienen su propia 'tríada catalítica' con histidina, aspartato y cisteína. Las funciones de estos residuos son análogas o iguales a las de las Sortasas descritas anteriormente, ya que His y Asp juegan un papel de apoyo en la interacción con el residuo diana, mientras que la Cys forma un tioéster con un grupo carboxilo para un ataque nucleofílico posterior por un primario. amina, en este caso debido al interés de la Lisina. Aunque las similitudes con la sortasa catalíticamente comienzan a terminar ahí, ya que la enzima y la familia dependen del calcio, que juega un papel estructural crucial para mantener una conformación estrecha de la enzima. Las TGasas también tienen una especificidad de sustrato muy diferente en el sentido de que se dirigen específicamente a la Gln media, en la secuencia 'Gln-Gln-Val'. La especificidad general del sustrato, es decir, la proteína específica, se debe a la estructura general de diferentes TGasas que las dirige al sustrato. [22]
Se ha observado la especificidad en TGasas de tal manera que diferentes TGasas reaccionarán con diferentes Gln en la misma proteína, lo que significa que las enzimas tienen un direccionamiento inicial muy específico. [23] También se ha demostrado que tiene cierta especificidad en cuanto a qué lisina diana transfiere la proteína, como en el caso del factor XIII, donde el residuo adyacente al Lys decide si se producirá la reacción. [9] Por lo tanto, aunque las TGasas pueden parecer inicialmente una sortasa eucariota, se mantienen por sí solas como un conjunto separado de enzimas.
Otro caso de una enzima de unión de isopéptidos con fines estructurales es el dominio de entrecruzamiento de actina (ACD) de la proteína de la toxina MARTX generada por V. cholerae. Si bien se ha demostrado que el ACD al realizar la catálisis utiliza magnesio y ATP para la formación de enlaces cruzados, los detalles del mecanismo son inciertos. Aunque un aspecto interesante del entrecruzamiento formado en este caso, es que utiliza un Glu no terminal para ligar a un Lys no terminal, lo que parece ser raro en el proceso de formación de un enlace isopéptido. [12] Aunque la química de la ACD aún no se ha resuelto, muestra que la formación de enlaces isopéptidos no depende simplemente de Asp / Asn para los enlaces isopeptídicos no terminales entre proteínas.
El último caso a examinar es el curioso caso de las modificaciones postraduccionales de la microtubilina (MT). MT contiene una amplia gama de modificaciones postraduccionales; sin embargo, los dos de mayor interés son la poliglutamilación y la poliglicilación. Ambas modificaciones son similares en el sentido de que son tramos repetidos del mismo aminoácido fusionado al grupo carboxilo de cadena lateral del glutamato en la región c-terminal del MT. Los mecanismos enzimáticos no están completamente desarrollados ya que no se sabe mucho sobre la enzima poliglicante. En el caso de la poliglutamilación, el mecanismo exacto también se desconoce, pero parece ser dependiente de ATP. [24] Aunque nuevamente hay una falta de claridad con respecto a la química enzimática, todavía hay información valiosa en la formación de enlaces isopéptidos usando el carboxilo del grupo R de Glu junto con el amino N-terminal de los péptidos modificadores.
Formación espontánea
Los investigadores han aprovechado la formación espontánea de enlaces isopéptidos para desarrollar una etiqueta peptídica llamada SpyTag . SpyTag puede reaccionar de forma espontánea e irreversible con su socio de unión (una proteína denominada SpyCatcher) a través de un enlace isopéptido covalente. [5] Esta herramienta molecular puede tener aplicaciones para el direccionamiento de proteínas in vivo , microscopía fluorescente y unión irreversible para un microarreglo de proteínas . Después de esto, se desarrollaron otros sistemas Tag / Catcher como SnoopTag / SnoopCatcher [25] y SdyTag / SdyCatcher [26] que complementan SpyTag / SpyCatcher.
Ver también
- Química Orgánica
- Bioquímica
- Etiquetas de proteína
- Agente de contraespionaje
Referencias
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