La Proteína Disulfuro Isomerasa, clave en el control del plegamiento proteico

Introducción

La formación de puentes disulfuro es un proceso clave en el correcto plegamiento de las proteínas. En el retículo endoplásmico (RE) de eucariotas, la formación de puentes disulfuro está catalizada por las enzimas Proteína Disulfuro Isomerasas, PDI, siendo análogas a las proteínas Dsb (del inglés Disulfide bridge-forming enzymes), que son oxidorreductasas que actúan en el periplasma de procariotas.
En eucariotas, la mayoría de las proteínas se pliegan en la luz del RE (unos de los pocos lugares en los que se pueden formar puentes disulfuro), donde hay chaperonas, peptidilprolil cis-trans isomerasas, PDI y otras enzimas que llevan a cabo modificaciones postraduccionales. La PDI, además de formar puentes disulfuro de novo, puede corregir puentes disulfuro erróneos. A mayores, puede actuar como una chaperona. La familia PDI es la familia de proteínas más abundante en células de mamíferos y levaduras.

Estructura

Las PDIs pertenecen a la superfamilia tiorredoxina (TRX), caracterizada por la presencia de dominios tipo tiorredoxina (TXR-like) con similitud estructural con la TRX.
La estructura de la PDI se organiza en cuatro dominios denominados a, b, b’ y a’ que adquieren una conformación en forma de “U”. Situado entre los dominios b’ y a’ hay un lazo o conector (X) y un dominio C-terminal (c) a continuación del dominio a´. La organización global de la proteína es abb'Xa’c

Los dominios a, a´, b y b´ son dominios tipo tiorredoxina que se pliegan con el siguiente motivo: β1 α1 β2 - α2 - β3 β4 α3 como puede observarse en el siguiente enlace.

De los cuatro dominios tipo TRX, solo a y a´ poseen un motivo catalítico CXXC en su sitio activo, en el que los dos aminoácidos intermedios son claves para determinar el potencial redox, siendo XX: GH.
El motivo CXXC se encuentra en el N-terminal de la primera hélice α1. En la PDI de levadura mostrada en el enlace inferior, se resaltan en azul los residuos Cys61-Gly62-His63-Cys64 y Cys406-Gly407-His408-Cys409 de los motivos CXXC de a y a´ respectivamente. También todos los dominios tipoTRX tienen un bucle cis-Pro que precede al motivo β3 β4 α3 y permite interaccionar con otras proteínas. Además, permite reducir el pKa de la cisteína N-terminal del motivo CXXC de tal manera que a pH fisiológico se desprotona. Por otra parte, el Glu30 en el dominio a y el Glu372 del dominio a’ presentes en la hebra β1 intervienen también en el proceso redox.
El dominio c está compuesto sobre todo por aminoácidos cargados negativamente. Este dominio tiene una hélice α que parece estabilizar el dominio a’, aunque no parece intervenir en el mecanismo catalítico.

Mecanismo de acción

Recordemos que la PDI lleva a cabo dos tipos de reacciones: corrección de puentes disulfuro erróneos, y formación de puentes disulfuro correctos. En el proceso de revertir puentes disulfuro erróneos, es necesario que la PDI esté en su estado reducido, aunque no se sabe si tienen que estar los dos dominios redox de a y a´ reducidos.

La reacción es iniciada por un ataque nucleofílico del tiolato expuesto a un puente disulfuro no nativo, formando un intermediario con un puente disulfuro entre la PDI y la proteína mal plegada. El otro tiolato de la proteína mal plegada ahora puede generar un puente disulfuro con otra cisteína, en este caso con una cisteína correcta. El puente disulfuro entre las dos proteínas se rompe gracias al otro tiolato de la PDI (Figura 1).

En la síntesis de novo de puentes disulfuro, la PDI activa está oxidada.

Después de la catálisis, la PDI se ha reducido para oxidar dos cisteínas de la proteína sustrato por lo que es necesaria la intervención de la flavoproteína Ero1 (ER oxidoreductin 1), que transfiere equivalentes oxidantes a la PDI para recuperar su estado redox activo (Figura 2 y Figura 3).

Ero1 transfiere los electrones desde la PDI reducida hasta el aceptor final de electrones, que suele ser el oxígeno molecular, que se reduce a H₂O₂.

La unión del sustrato se cree que se realiza en la cavidad U. Algunos estudios indican que la región C-terminal del dominio a’ y los primeros residuos del dominio c son los más importantes para la unión del sustrato. No obstante, b’ también puede unir pequeños péptidos. Aunque la PDI es una proteína soluble, presenta parches hidrofóbicos en a y a’, además de en b y b’, que serían importantes para unir proteínas desplegadas o parcialmente desplegadas, por lo que presentan residuos hidrofóbicos expuestos en la superficie. Como ya se ha dicho antes, la PDI también puede actuar como chaperona, siendo importantes en este caso los dominios a’ y c.
Los dos sitios activos se enfrentan en la U, y se crea un bolsillo hidrofóbico lo suficientemente grande como para acomodar 100 residuos de la proteína sustrato. La mayor diferencia entre los sitios activos a y a’ es el estado de oxidación de sus cisteínas. Los dominios a’ están en su estado reducido y los dominios a pueden estar oxidados (80%) o reducidos (20%).

La mayoría de los residuos cercanos a las cisteínas de los sitios activos son idénticos en ambos dominios, como los residuos H64 y R126 de a y H408 y R471 de a’, que regulan el potencial redox. No obstante, por ejemplo, E55 y Q87 del dominio a se cambian por L400 y K434 de a’. E55 se cree que es útil para facilitar la salida del sitio activo. En el dominio a’ no existe dicho mecanismo de salida del sitio activo, ya que se sustituye por L400, aunque es cierto que L400 explica por qué a es más activo en su forma oxidada.

En cuanto al acceso al sitio activo, en el dominio a hay un triptófano, W60, próximo al sitio activo que presenta poca movilidad, ya que interacciona con el dominio b; sin embargo, en la subunidad a’ el W405 sí que es muy móvil y no participa en ninguna interacción. Además, C406 está más expuesta al solvente que C61 debido a estos cambios del triptófano; no obstante, en ambos casos este triptófano es importante para interaccionar con el substrato.

El acceso al sitio activo también está facilitado por la glicina del motivo C-G-H-C, ya que permite tomar ángulos de torsión alcanzables por otros residuos, además de que al carecer de cadena lateral permite la acomodación de diferentes sustratos.

Cuestiones

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Referencias

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