UBIQUITINA

Paula Pérez Palomares, Beatriz Valdés Collante e Irene Rodrigo Herrero

Introducción

La ubiquitina es una proteína de pequeño tamaño constituida por 76 aminoácidos que se encuentra en todas las células eucariotas y cuya estructura se ha mantenido a lo largo del proceso evolutivo.

Su principal función está implicada en la degradación de proteínas, por lo que también se ve involucrada en el control de importantes funciones celulares (como la regulación del crecimiento  y reproducción celular).

La importancia de esta proteína radica en que una alteración en su función puede llevar al desarrollo de una variedad de patologías entre las que se encuentran  el cáncer y enfermedades neurodegenerativas.

Estructura

Se trata de una estructura tipo alfa/beta formada un dominio ß-grasp, que consiste en 5 láminas beta antiparalelas plegadas y 2 hélices alfa. La longitud de 4 de las láminas beta es similar, y la quinta es de menor tamaño. Las hélices alfa son de distinto tamaño. La estructura se construye alternando una hélice alfa tras cada 2 láminas beta.
Su estructura es globular

La ubiquitina es una proteína muy compacta, que tiene muchos puentes de hidrógeno, aproximadamente el 87% de la cadena participa en la formación de puentes de hidrógeno en la estructura secundaria. 

También es una proteína muy hidrofóbica, y presenta zonas muy hidrofóbicas entre la lámina ß y la α-hélice.

Destacan los residuos de lisinas, ya que son clave para la formación de los enlaces isopetídicos. Las lisinas se encuentran tanto en las hélices alfa, como en las láminas beta y en las horquillas que las unen. El enlace isopeptídico  entre dos moléculas de ubiquitina se establece entre el aminoácido lisina de una de ellas y la glicina del grupo carboxilo terminal de la segunda ubiquitina.

Debido a que la ubiquitina tiene 7 lisinas (en las posiciones 6, 11, 27, 29, 33, 48 y 93), las cadenas de adoptan distintas formas dependiendo de a que lisina se una la glicina. Esto está muy relacionado con su función, ya que el destino final de la proteína depende de la conformación de la ubiquitina

Figura 1. Representación de la ubiquitina con las lisinas marcadas

Función bioquímica

Las proteínas pueden degradarse con el tiempo. La relación entre la degradación de una proteína y su síntesis determinará la concentración de esa proteína dentro de la célula. Algunas proteínas tendrán una vida más larga y otras más corta. Las de vida corta suelen ser proteínas reguladoras clave y proteínas anormales o defectuosas. 

El objetivo de la ubiquitina es marcar aquellas proteínas que deben ser degradadas. Para ello el aminoácido glicina del extremo carboxilo de la ubiquitina se une por un enlace covalente a los grupos amino de las lisinas de las proteínas a marcar. Se forma el denominado enlace isopeptídico, que requiere la hidrólisis de ATP.

El enlace isopeptídico precisa de la activación del grupo carboxilo mencionado para poder formarse,  y para ello es necesario que la ubiquitina se una a través de un enlace tioéster a al grupo sulfhídrilo (-SH) de la cisteína de la enzima E1. La formación de este enlace consume dos enlaces fosfato de una molécula de ATP (ATP→ AMP). Después, es transferida a un grupo -SH de otra enzima transportadora de ubiquitinas llamada E2 ubiquitina conjugada, a la que se une formando un complejo. La ubiquitina  puede ser transferida directamente desde el enzima E2 al sustrato proteico o hacerlo a través de la enzima E3. En este último caso ambas se van a unir a la enzima E3 ligasa. La enzima E3 ligasa actúa como plataforma para que la proteína diana y el complejo E2-ubiquitina puedan unirse e interactuar. La proteína que se va a degradar se va a unir de manera específica a la enzima E3. La responsable de la especificidad del sustrato, es decir, de “elegir” la proteína que se va a degradar, y qué E2 debe utilizarse es la enzima E3. Cuando la proteína diana y la ubiquitina se unen a la E3, estas se acercan y la ubiquitina se transfiere a la proteína diana. Para ello la enzima E3 ligasa transfiere la ubiquitina en E2 a un grupo ε amino de una lisina de la proteína formando un enlace isopeptídico.

La unión de una sola ubiquitina a la proteína diana no es suficiente para que la célula la identifique como una proteína que necesita degradar. Normalmente, es necesaria la unión de 4 ubiquitinas para que el proceso de degradación se lleve a cabo. Esta es la razón por la que el proceso anterior se repite varias veces, creándose una cadena de ubiquitinas en la proteína diana. Esto también previene que la rotura de alguna ubiquitina impida el marcaje de la proteína diana. A continuación a enzima E3 libera la proteína ya etiquetada.

Una vez formada la cadena de ubiquitinas, esta suministra una señal a la célula para la eliminación de la proteína, de la cual se encarga el proteosoma (un complejo proteico). Este solamente va a reconocer las proteínas que se necesitan degradar si están unidas a la cadena de ubiquitinas. La degradación de proteínas es irreversible.  Las ubiquitinas posteriormente podrán ser recicladas.  El proteosoma degradará las proteínas hasta el nivel de pequeños péptidos de 7 a 9 aminoácidos y estos serán hidrolizados hasta aminoácidos por proteasas citosólicas inespecíficas.

Resultado de imagen de proceso de ubiquitinación
Figura 2. Proceso de ubiquitinación


VÍDEO: https://www.youtube.com/watch?v=_exc2c2VRKM


Interés biomédico o biotecnológico

El interés biomédico de la ubiquitina en que además de ser causante o estar relacionada con determinadas enfermedades, se puede utilizar como un marcador biológico que permita diagnosticarlas.

Normalmente, son las alteraciones en la presencia y la función de las ubiquitinas en un individuo las que están relacionadas con la aparición de enfermedades neurodegenerativas; aunque también pueden causar otras patologías, como las que afectan a los sistemas inmune e inflamatorio y cáncer. Esto es debido a que se acumulan proteínas que deberían degradarse o a que se degradan proteínas que no deberían eliminarse.

En enfermedades como el Alzheimer o el Parkinson se han encontrado isoformas de ubiquitina-1. Una proporción demasiado baja de esta proteína aumenta la proporción de las proteínas precursoras del amiloide, que es un precursor del Alzheimer, mal formadas. Al contrario, niveles altos de la ubiquitina disminuyen la proporción.

Otras enfermedades asociadas a la ubiquitina son:

  • Síndrome de Angelman: es causada por un mal funcionamiento de la UBE3A, que es la responsable de codificar la ubiquitina ligasa E3. Entre los síntomas de esta enfermedad se encuentran un retraso en el desarrollo y el aprendizaje, perturbación del sueño, convulsiones y movimientos espasmódicos.
  • Síndrome Von Hippel-Lindau: el incorrecto funcionamiento de la ubiquitina E3 también da lugar a esta enfermedad genética que se caracteriza por provocar dolores de cabeza y problemas de equilibrio.
  • Anemia de Fanconi: está ligada a una anormalidad en el complejo ubiquitina-ligasa, pues más de la mitad de los genes precursores de esta enfermedad están asociados con el papel de la ubiquitina.
  • Síndrome 3M: ciertas mutaciones en la ubiquitina ligasa E3 causan esta patología genética que provoca un gran retraso en el crecimiento y desarrollo.

Es importante conocer el funcionamiento de la ubiquitina para poder desarrollar tratamientos contra estas enfermedades y contra ciertos virus, como el VPH, que se aprovecha de la actividad degradadora de la ubiquitina para entrar en las células.

Es por ello, por lo que tiene cierto interés en la rama biomédica y farmacéutica.

Por otra parte, el sistema de la ubiquitina se utiliza en la rama farmacéutica para sintetizar fármacos dirigidos a diferentes componentes del sistema de degradación de proteínas para prevenir la degradación de ciertas proteínas o para activar el sistema, de forma que destruya proteínas que no son deseadas. Un ejemplo es el Bortezombib, que se utiliza contra el mieloma múltiple bloqueando la degradación de determinadas proteínas, impidiendo el desarrollo del cáncer de las células plasmáticas.

Cabe mencionar que existe una droga que se aprovecha del sistema proteína – ubiquitina, la MLN4924. Permite que las células cancerosas inhiban el proteosoma por sí mismas conduciendo a la destrucción de proteínas tóxicas por apoptosis.

Por otra parte, interviene en la supresión del tumor VHL; y, además, es un buen marcador biológico que se utiliza para el diagnóstico de enfermedades.

Los anticuerpos de la proteína se usan en inmunohistoquímica para detectar concentraciones anormales de ciertas proteínas que suelen indicadores de ciertas enfermedades. Determinadas inclusiones que contienen materiales anormales en la célula se pueden encontrar en distintas enfermedades como:

  • Alzheimer (red de neurofibrillas).
  • Parkinson: Las mutaciones en la parkina son las causante de esta enfermedad. La parkina se acumula en los cuerpos de Lewy, cuyo componente principal es la ubiquitina. Recientemente se ha descubierto que la parkina es una E3 ligasa, que por ubiquitinación regula proteínas del ciclo celular, por lo tanto una mutación en la parkina provoca la acumulacion de protinas, lo que lleva a muertre neuronal por apoptosis
  • Enfermedad de Pick (cuerpos de Pick).
  • Enfermedad de Huntington.
  • enfermedad neuromotora.
  • Enfermedad del hígado alcohólico (cuerpos de Mallory).
  • Fibras de Rosenthal en astrocitos.

Además, se utiliza en la rama biotecnológica. Para estudiar las proteínas o utilizarlas en industria (farmacéutica por ejemplo) se necesitan sintetizar grandes cantidades. Clonar genes en células eucariotas es muy costoso, por lo que normalmente se introduce el gen de interés en una bacteria, que resulta más eficiente. El problema radica en que las proteínas resultantes se ven ligeramente modificadas, bien por el sistema de traducción de la bacteria o por el ambiente bioquímico en el que se pliegan las proteínas. Si se hibrida este gen con uno de la ubiquitina se consigue solucionar el problema, pues el gen híbrido dará lugar a una proteína recombinante formada que por acción de una encima la escinde por la última glicina de la ubiquitina y el primer aminoácido de la proteína de interés dejándolas libres.

Figura 3: Unión del gen de la ubiquitina con el de la proteína problema

Por último, se utiliza para realizar estudios de plegamientos de proteínas basados en resonancia magnética nuclear. Esto se debe a que la ubiquitina tiene varias características que la hacen ideal para este proceso, como:

  • Pequeño tamaño.
  • Gran estabilidad
  • Ausencia de enlaces disulfuro
  • Gran solubilidad.
  • Predominio de estructuras secundarias con puentes de hidrógeno.

ALZHEIMER

Hipótesis amiloide del alzheimer: La proteína precursora de la amiloide se corta, dejando un fragmento extracelular y otro intracelular. Si el corte se produce de manera incorrecta, se forma un péptido B-amiloide extracelular, que puede formar las láminas amiloides

Ese péptido B-amiloide se puede plegar: correctamente, por lo que se degradaria rápidamente y no pasaria nada o plegarse incorrectamente, por lo que formaria  fibrillas que se juntan para formar placas amiloides, que son las que causan el alzheimer.

Evolución

La ubiquitina se ha conservado a lo largo de la evolución; de hecho, su secuencia es la más conservada de todas las proteínas conocidas (una evidencia de ello es que la ubiquitina de las levaduras y la humana solo se diferencian en 3 de los 76 aminoácidos que la componen). Debido a esto, se piensa que la mayor parte de los aminoácidos que forman la ubiquitina son esenciales, ya que si no por cualquier mutación a lo largo del proceso evolutivo, se hubieran eliminado algunos por selección natural.

Se ha descubierto que las células procariotas tienen sistemas de postraducción equivalentes a la ubiquitinación y proteínas homólogas a la ubiquitina, como ThiS y MoaD. Por ello, se intuye que tienen un origen común. ThiS se encuentra en todos las células procariotas, y al igual que la ubiquitina contiene el dominio “β- grasp”. Las glicinas  del carboxilo terminal de ambas proteínas se adenilan, sin embargo, este proceso ocurre en reacciones que no están relacionadas con la ubiquitinación, como procesos en los que se asimila el azufre o la biosíntesis de tiamina.

Los procariotas también tienen enzimas como ThiF y MoeB, que son equivalentes a E1 y su función es activar a las proteínas ThiS y MoaD en reacciones en las que se utiliza ATP. También poseen enzimas similares a E2. 

De todo esto deriva la idea de que el sistema de la ubiquitina se adaptó desde la síntesis de la tiamina, que ocurre en procariotas, y se diversificó para realizar las funciones en eucariotas.

Bibliografía

  1. Clínica universidad de Navarra: Diccionario médico: ubiquitina. https://www.cun.es/diccionario-medico/terminos/ubiquitina.
  2. COCINET (Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas): Ubiquitina. https://www.conicet.gov.ar/ubiquitina-la-importancia-de-las-pequenas-cosas/. Publicado el 2 de septiembre de 2013.
  3. SINC: Un estudio sobre la proteína ubiquitina avanza contra el alzhéimer y el párkinson. https://www.agenciasinc.es/Noticias/Un-estudio-sobre-la-proteina-ubiquitina-avanza-contra-el-alzheimer-y-el-parkinson.
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  5. Vijau-Kumar, Senadhi; Bugg, Charles; Cook, William: Structure of ubiquitin refined at 1’8 amstrong resolution. Journal of Molecular Biology: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0022283687906796
  6. Dr. López Tricas: PROTEOSOMA: DESCUBRIMIENTO, ESTRUCTURA Y FUNCIÓN. http://www.info-farmacia.com/bioquimica/proteosoma
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  8. Zamudio Arroyo, José Manuel; Peña Rangel, María Teresa; Riesgo Escovar, Juan Rafael: La ubiquitinación: un sistema de regulación dinámico de los organismos. https://www.medigraphic.com/pdfs/revespciequibio/cqb-2012/cqb122f.pdf
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  10. Casales Angosto, María: Vía de la ubiquitina-proteosma. Real Academia Nacional de Farmacia, 2005.
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