Quinasa
Enzima que cataliza la transferencia de grupos fosfato a sustratos específicos.
Dihidroxiacetona quinasa en complejo con un análogo de ATP no hidrolizable (AMP-PNP). Coordenadas del PDB ID:1UN9. [1]

En bioquímica , una quinasa ( / ˈkaɪneɪs , ˈkɪneɪs , -eɪz / ) [2] es una enzima que cataliza la transferencia de grupos fosfato desde moléculas de alta energía que donan fosfato a sustratos específicos . Este proceso se conoce como fosforilación , donde la molécula de ATP de alta energía dona un grupo fosfato a la molécula de sustrato . Como resultado, la quinasa produce un sustrato fosforilado y ADP . Por el contrario, se denomina desfosforilación cuando el sustrato fosforilado dona un grupo fosfato y el ADP gana un grupo fosfato (produciendo un sustrato desfosforilado y la molécula de alta energía de ATP). Estos dos procesos, fosforilación y desfosforilación, ocurren cuatro veces durante la glucólisis . [3] [4] [5]

Las quinasas son parte de la familia más grande de las fosfotransferasas . Las quinasas no deben confundirse con las fosforilasas , que catalizan la adición de grupos fosfato inorgánicos a un aceptor, ni con las fosfatasas , que eliminan los grupos fosfato (desfosforilación). El estado de fosforilación de una molécula, ya sea una proteína , un lípido o un carbohidrato , puede afectar su actividad, reactividad y su capacidad para unirse a otras moléculas. Por lo tanto, las quinasas son fundamentales en el metabolismo , la señalización celular , la regulación de proteínas , el transporte celular , los procesos secretores y muchas otras vías celulares, lo que las hace muy importantes para la fisiología.

Bioquímica y relevancia funcional

Reacción general catalizada por quinasas

Las quinasas median la transferencia de una fracción de fosfato desde una molécula de alta energía (como el ATP ) a su molécula de sustrato, como se ve en la figura siguiente. Las quinasas son necesarias para estabilizar esta reacción porque el enlace fosfoanhídrido contiene un alto nivel de energía. Las quinasas orientan adecuadamente su sustrato y el grupo fosforilo dentro de sus sitios activos, lo que aumenta la velocidad de la reacción. Además, comúnmente utilizan residuos de aminoácidos cargados positivamente, que estabilizan electrostáticamente el estado de transición al interactuar con los grupos fosfato cargados negativamente. Alternativamente, algunas quinasas utilizan cofactores metálicos unidos en sus sitios activos para coordinar los grupos fosfato. Las proteínas quinasas se pueden clasificar como catalíticamente activas (canónicas) o como pseudoquinasas, lo que refleja la pérdida evolutiva de uno o más de los aminoácidos catalíticos que posicionan o hidrolizan el ATP. [6] Sin embargo, en términos de salidas de señalización y relevancia de la enfermedad, tanto las quinasas como las pseudoquinasas son moduladores de señalización importantes en las células humanas, lo que hace que las quinasas sean objetivos farmacológicos importantes. [7]

Las quinasas se utilizan ampliamente para transmitir señales y regular procesos complejos en las células. La fosforilación de moléculas puede mejorar o inhibir su actividad y modular su capacidad para interactuar con otras moléculas. La adición y eliminación de grupos fosforilo proporciona a la célula un medio de control porque varias quinasas pueden responder a diferentes condiciones o señales. Las mutaciones en las quinasas que conducen a una pérdida de función o ganancia de función pueden causar cáncer [8] y enfermedades en humanos, incluidos ciertos tipos de leucemia y neuroblastomas , glioblastoma [9] , ataxia espinocerebelosa (tipo 14), formas de agammaglobulinemia y muchas otras. [10]

Historia y clasificación

La primera proteína que se reconoció como catalizadora de la fosforilación de otra proteína usando ATP fue observada en 1954 por Eugene P. Kennedy , momento en el que describió una enzima hepática que catalizaba la fosforilación de la caseína. [ cita requerida ] En 1956, Edmond H. Fischer y Edwin G. Krebs descubrieron que la interconversión entre la fosforilasa a y la fosforilasa b estaba mediada por fosforilación y desfosforilación. [11] La quinasa que transfirió un grupo fosforilo a la fosforilasa b, convirtiéndola en fosforilasa a, se denominó fosforilasa quinasa. Años más tarde, se identificó el primer ejemplo de una cascada de quinasas, mediante la cual la proteína quinasa A (PKA) fosforila a la fosforilasa quinasa. Al mismo tiempo, se descubrió que la PKA inhibe la glucógeno sintasa , que fue el primer ejemplo de un evento de fosforilación que resultó en inhibición. En 1969, Lester Reed descubrió que la piruvato deshidrogenasa se inactivaba por fosforilación, y este descubrimiento fue la primera pista de que la fosforilación podría servir como un medio de regulación en otras vías metabólicas además del metabolismo del glucógeno . En el mismo año, Tom Langan descubrió que la PKA fosforila la histona H1, lo que sugirió que la fosforilación podría regular las proteínas no enzimáticas. La década de 1970 incluyó el descubrimiento de las quinasas de proteína dependientes de calmodulina y el hallazgo de que las proteínas pueden ser fosforiladas en más de un residuo de aminoácido. La década de 1990 puede describirse como la "década de las cascadas de quinasas de proteína". Durante este tiempo, se descubrieron la vía MAPK/ERK , las quinasas JAK (una familia de quinasas de proteína tirosina) y la cascada de quinasas dependiente de PIP3. [12]

Las quinasas se clasifican en grandes grupos según el sustrato sobre el que actúan: quinasas proteínicas, quinasas lipídicas y quinasas de carbohidratos. Las quinasas se pueden encontrar en una variedad de especies, desde bacterias hasta mohos, gusanos y mamíferos. [13] Se han identificado más de quinientas quinasas diferentes en humanos. [3] Su diversidad y su papel en la señalización las convierte en un objeto de estudio interesante. Varias otras quinasas actúan sobre moléculas pequeñas como lípidos , carbohidratos , aminoácidos y nucleótidos , ya sea para la señalización o para prepararlas para vías metabólicas. Las quinasas específicas a menudo reciben el nombre de sus sustratos. Las quinasas proteínicas a menudo tienen múltiples sustratos y las proteínas pueden servir como sustratos para más de una quinasa específica. Por esta razón, las quinasas proteínicas se nombran en función de lo que regula su actividad (es decir, las quinasas proteínicas dependientes de calmodulina). A veces se subdividen en categorías porque hay varias formas isoenzimáticas. Por ejemplo, las proteínas quinasas dependientes de AMP cíclico tipo I y tipo II tienen subunidades catalíticas idénticas pero diferentes subunidades reguladoras que se unen al AMP cíclico. [14]

Proteínas quinasas

Descripción general de las vías de transducción de señales. Muchas de las proteínas implicadas son quinasas, incluidas las quinasas proteínicas (como MAPK y JAK ) y las quinasas lipídicas (como PI3K ).

Las proteínas quinasas actúan sobre las proteínas fosforilándolas en sus residuos de serina, treonina, tirosina o histidina. La fosforilación puede modificar la función de una proteína de muchas maneras. Puede aumentar o disminuir la actividad de una proteína, estabilizarla o marcarla para su destrucción, localizarla dentro de un compartimento celular específico y puede iniciar o interrumpir su interacción con otras proteínas. Las proteínas quinasas constituyen la mayoría de todas las quinasas y se estudian ampliamente. [15] Estas quinasas, junto con las fosfatasas , desempeñan un papel importante en la regulación de proteínas y enzimas , así como en la señalización en la célula.

Un punto de confusión común surge cuando se piensa en las diferentes formas en que una célula logra la regulación biológica. Hay innumerables ejemplos de modificaciones covalentes que pueden sufrir las proteínas celulares; sin embargo, la fosforilación es una de las pocas modificaciones covalentes reversibles. Esto proporcionó la razón de que la fosforilación de proteínas es reguladora. El potencial para regular la función de las proteínas es enorme, dado que hay muchas formas de modificar covalentemente una proteína además de la regulación proporcionada por el control alostérico. En su conferencia Hopkins Memorial, Edwin Krebs afirmó que el control alostérico evolucionó para responder a señales que surgen desde el interior de la célula, mientras que la fosforilación evolucionó para responder a señales fuera de la célula. Esta idea es coherente con el hecho de que la fosforilación de proteínas ocurre con mucha más frecuencia en las células eucariotas en comparación con las células procariotas porque el tipo de célula más complejo evolucionó para responder a una gama más amplia de señales. [14]

Quinasas dependientes de ciclina

Las quinasas dependientes de ciclina (CDK) son un grupo de varias quinasas diferentes involucradas en la regulación del ciclo celular . Fosforilan otras proteínas en sus residuos de serina o treonina, pero las CDK primero deben unirse a una proteína ciclina para ser activas. [16] Diferentes combinaciones de CDK y ciclinas específicas marcan diferentes partes del ciclo celular. Además, el estado de fosforilación de las CDK también es crítico para su actividad, ya que están sujetas a la regulación de otras quinasas (como la quinasa activadora de CDK ) y fosfatasas (como Cdc25 ). [17] Una vez que las CDK están activas, fosforilan otras proteínas para cambiar su actividad, lo que conduce a eventos necesarios para la siguiente etapa del ciclo celular. Si bien son más conocidas por su función en el control del ciclo celular, las CDK también tienen roles en la transcripción, el metabolismo y otros eventos celulares. [18]

Debido a su papel clave en el control de la división celular, las mutaciones en las CDK se encuentran a menudo en células cancerosas. Estas mutaciones conducen a un crecimiento descontrolado de las células, donde pasan rápidamente por todo el ciclo celular repetidamente. [19] Las mutaciones de CDK se pueden encontrar en linfomas , cáncer de mama , tumores pancreáticos y cáncer de pulmón . Por lo tanto, los inhibidores de CDK se han desarrollado como tratamientos para algunos tipos de cáncer. [19]

Proteínas quinasas activadas por mitógenos

Las quinasas MAP (MAPK) son una familia de quinasas de serina/treonina que responden a una variedad de señales de crecimiento extracelular. Por ejemplo, la hormona del crecimiento, el factor de crecimiento epidérmico, el factor de crecimiento derivado de plaquetas y la insulina se consideran estímulos mitogénicos que pueden activar la vía MAPK. La activación de esta vía a nivel del receptor inicia una cascada de señalización mediante la cual la GTPasa Ras intercambia GDP por GTP . A continuación, Ras activa la quinasa Raf (también conocida como MAPKKK), que activa MEK (MAPKK). MEK activa MAPK (también conocida como ERK), que puede continuar regulando la transcripción y la traducción . Mientras que RAF y MAPK son ambas quinasas de serina/treonina, MAPKK es una quinasa de tirosina/treonina.

Una variedad de señales mitogénicas activan la vía MAPK y promueven el crecimiento y la diferenciación celular a través de una cascada de quinasas.

La MAPK puede regular los factores de transcripción de forma directa o indirecta. Sus principales dianas transcripcionales incluyen ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB y Myc. La MAPK también puede regular la traducción mediante la fosforilación de la quinasa S6 en la subunidad ribosómica grande. También puede fosforilar componentes en la parte anterior de la cascada de señalización de la MAPK, incluidos Ras, Sos y el propio receptor de EGF . [20]

El potencial carcinogénico de la vía MAPK la hace clínicamente significativa. Está implicada en procesos celulares que pueden conducir al crecimiento descontrolado y la posterior formación de tumores. Las mutaciones dentro de esta vía alteran sus efectos reguladores sobre la diferenciación celular , la proliferación, la supervivencia y la apoptosis , todos los cuales están implicados en varias formas de cáncer . [20]

Quinasas lipídicas

Las quinasas lipídicas fosforilan los lípidos en la célula, tanto en la membrana plasmática como en las membranas de los orgánulos. La adición de grupos fosfato puede cambiar la reactividad y la localización del lípido y puede utilizarse en la transmisión de señales.

Quinasas de fosfatidilinositol

La unión de la insulina a su receptor permite que la quinasa PI3 se acople a la membrana donde puede fosforilar los lípidos PI.

Las fosfatidilinositol quinasas fosforilan especies de fosfatidilinositol , para crear especies como fosfatidilinositol 3,4-bisfosfato (PI(3,4)P 2 ), fosfatidilinositol 3,4,5-trisfosfato (PIP 3 ) y fosfatidilinositol 3-fosfato (PI3P). Las quinasas incluyen fosfoinosítido 3-quinasa (PI3K), fosfatidilinositol-4-fosfato 3-quinasa y fosfatidilinositol-4,5-bisfosfato 3-quinasa . El estado de fosforilación del fosfatidilinositol juega un papel importante en la señalización celular , como en la vía de señalización de la insulina, y también tiene papeles en la endocitosis , exocitosis y otros eventos de tráfico. [21] [22] Las mutaciones en estas quinasas, como PI3K, pueden provocar cáncer o resistencia a la insulina . [23]

Las enzimas quinasas aumentan la velocidad de las reacciones al hacer que el grupo hidroxilo del inositol sea más nucleofílico, a menudo utilizando la cadena lateral de un residuo de aminoácido para actuar como una base general y desprotonar el hidroxilo, como se ve en el mecanismo a continuación. [24] Aquí, se coordina una reacción entre el trifosfato de adenosina (ATP) y el fosfatidilinositol. El resultado final es un fosfatidilinositol-3-fosfato, así como un difosfato de adenosina (ADP) . Las enzimas también pueden ayudar a orientar adecuadamente la molécula de ATP, así como el grupo inositol, para que la reacción se realice más rápido. Los iones metálicos a menudo se coordinan para este propósito. [24]

Mecanismo de la fosfatidilinositol-3 quinasa. El ATP y el fosfatidilinositol reaccionan para formar fosfatidilinositol - 3-fosfato y ADP, con la ayuda de la base general B. [24]

Esfingosina quinasas

La esfingosina quinasa (SK) es una lípido quinasa que cataliza la conversión de esfingosina en esfingosina-1-fosfato (S1P). Los esfingolípidos son lípidos de membrana ubicuos. Tras la activación, la esfingosina quinasa migra del citosol a la membrana plasmática, donde transfiere un fosfato γ (que es el último fosfato o fosfato terminal) de ATP o GTP a la esfingosina. El receptor S1P es un receptor GPCR , por lo que S1P tiene la capacidad de regular la señalización de la proteína G. La señal resultante puede activar efectores intracelulares como ERK, Rho GTPasa , Rac GTPasa , PLC y AKT/PI3K. También puede ejercer su efecto sobre moléculas diana dentro de la célula. Se ha demostrado que S1P inhibe directamente la actividad de la histona desacetilasa de las HDAC . Por el contrario, la esfingosina desfosforilada promueve la apoptosis celular y, por lo tanto, es fundamental comprender la regulación de las SK debido a su papel en la determinación del destino celular. Investigaciones anteriores muestran que las SK pueden sostener el crecimiento de las células cancerosas porque promueven la proliferación celular y la SK1 (un tipo específico de SK) está presente en concentraciones más altas en ciertos tipos de cáncer.

Existen dos quinasas presentes en las células de los mamíferos: SK1 y SK2. La SK1 es más específica que la SK2 y sus patrones de expresión también difieren. La SK1 se expresa en las células pulmonares, del bazo y leucocitarias, mientras que la SK2 se expresa en las células renales y hepáticas. La participación de estas dos quinasas en la supervivencia, proliferación, diferenciación e inflamación celular las convierte en candidatas viables para terapias quimioterapéuticas . [25]

Carbohidratos quinasas

La glucólisis incluye cuatro fosforilaciones, dos que crean ATP a partir de ADP y dos que utilizan ATP y lo convierten en ADP. La glucólisis es el primer paso del metabolismo e incluye diez reacciones que finalmente dan como resultado una molécula de glucosa que produce dos moléculas de piruvato.

Para muchos mamíferos, los carbohidratos proporcionan una gran parte del requerimiento calórico diario . Para obtener energía de los oligosacáridos , primero deben descomponerse en monosacáridos para que puedan entrar en el metabolismo . Las quinasas juegan un papel importante en casi todas las vías metabólicas. La figura de la izquierda muestra la segunda fase de la glucólisis , que contiene dos reacciones importantes catalizadas por las quinasas. El enlace anhídrido en el 1,3-bisfosfoglicerato es inestable y tiene una alta energía. La 1,3-bisfosfoglicerato quinasa requiere ADP para llevar a cabo su reacción produciendo 3-fosfoglicerato y ATP. En el paso final de la glucólisis, la piruvato quinasa transfiere un grupo fosforilo del fosfoenolpiruvato al ADP, generando ATP y piruvato.

La hexoquinasa es la enzima más común que utiliza la glucosa cuando ingresa por primera vez a la célula. Convierte la D-glucosa en glucosa-6-fosfato al transferir el fosfato gamma de un ATP a la posición C6. Este es un paso importante en la glucólisis porque atrapa la glucosa dentro de la célula debido a la carga negativa. En su forma desfosforilada, la glucosa puede moverse de un lado a otro a través de la membrana con mucha facilidad. [26] Las mutaciones en el gen de la hexoquinasa pueden provocar una deficiencia de hexoquinasa que puede causar anemia hemolítica no esferocítica . [27]

La fosfofructoquinasa , o PFK, cataliza la conversión de fructosa-6-fosfato a fructosa-1,6-bisfosfato y es un punto importante en la regulación de la glucólisis. Los altos niveles de ATP, H + y citrato inhiben la PFK. Si los niveles de citrato son altos, significa que la glucólisis está funcionando a un ritmo óptimo. Los altos niveles de AMP estimulan la PFK. La enfermedad de Tarui , una enfermedad de almacenamiento de glucógeno que conduce a la intolerancia al ejercicio, se debe a una mutación en el gen PFK que reduce su actividad. [28]

Otras quinasas

El sitio activo de la riboflavina quinasa unido a sus productos: FMN (a la izquierda) y ADP (a la derecha). Coordenadas del PDB ID: 1N07. [29]

Las quinasas actúan sobre muchas otras moléculas además de proteínas, lípidos y carbohidratos. Hay muchas que actúan sobre nucleótidos (ADN y ARN), incluyendo aquellas involucradas en la interconversión de nucleótidos, como las quinasas de nucleósido-fosfato y las quinasas de nucleósido-difosfato . [30] Otras moléculas pequeñas que son sustratos de las quinasas incluyen creatina , fosfoglicerato , riboflavina , dihidroxiacetona , shikimato y muchas otras.

Riboflavina quinasa

La riboflavina quinasa cataliza la fosforilación de la riboflavina para crear el mononucleótido de flavina (FMN). Tiene un mecanismo de unión ordenado donde la riboflavina debe unirse a la quinasa antes de unirse a la molécula de ATP. [31] Los cationes divalentes ayudan a coordinar el nucleótido . [31] El mecanismo general se muestra en la siguiente figura.

Mecanismo de la riboflavina quinasa.

La riboflavina quinasa desempeña un papel importante en las células, ya que el FMN es un cofactor importante . El FMN también es un precursor del dinucleótido de flavina y adenina (FAD), un cofactor redox utilizado por muchas enzimas, incluidas muchas en el metabolismo . De hecho, hay algunas enzimas que son capaces de llevar a cabo tanto la fosforilación de la riboflavina a FMN , como la reacción de FMN a FAD . [32] La riboflavina quinasa puede ayudar a prevenir el accidente cerebrovascular y posiblemente podría usarse como tratamiento en el futuro. [33] También está implicada en la infección, cuando se estudió en ratones. [34]

Timidina quinasa

La timidina quinasa es una de las muchas quinasas de nucleósidos que se encargan de la fosforilación de nucleósidos. Fosforila la timidina para crear monofosfato de timidina (dTMP). Esta quinasa utiliza una molécula de ATP para suministrar el fosfato a la timidina, como se muestra a continuación. Esta transferencia de un fosfato de un nucleótido a otro por parte de la timidina quinasa, así como de otras quinasas de nucleósidos y nucleótidos, funciona para ayudar a controlar el nivel de cada uno de los diferentes nucleótidos.

Reacción global catalizada por la timidina quinasa.

Después de la creación de la molécula de dTMP, otra quinasa, la timidilato quinasa , puede actuar sobre dTMP para crear la forma difosfato , dTDP. La nucleósido difosfato quinasa cataliza la producción de timidina trifosfato , dTTP, que se utiliza en la síntesis de ADN . Debido a esto, la actividad de la timidina quinasa está estrechamente correlacionada con el ciclo celular y se utiliza como marcador tumoral en química clínica . [35] Por lo tanto, a veces se puede utilizar para predecir el pronóstico del paciente. [36] Los pacientes con mutaciones en el gen de la timidina quinasa pueden tener un cierto tipo de síndrome de depleción del ADN mitocondrial , una enfermedad que conduce a la muerte en la primera infancia. [37]

Véase también

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Referencias

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