La degradación de proteínas en el interior celular desempeña importantes funciones, ya sea por la modulación de los niveles intracelulares de proteínas específicas como por la eliminación de proteínas aberrantes. Durante mucho tiempo los procesos de degradación de los biopolímeros han sido considerados más una curiosidad que unos mecanismos vitales en la homeostasis celular. Actualmente se sabe que en la degradación de determinadas proteínas se encuentra el punto de control de diversos procesos biológicos, algunos tan fundamentales como la progresión del ciclo celular. Existen evidencias de proteínas degradadas en las mitocondrias, en los cloroplastos, en el lumen del retículo endoplásmico y en endosomas; sin embargo, los dos sistemas principales de proteolisis caracterizados se encuentran en el citosol y en los lisosomas. Se sabe que las proteínas pertenecientes a membranas intracelulares así como a la membrana plásmatica suelen ser degradadas por el sistema lisosomal. Las proteínas nucleares parecen ser degradadas fuera del núcleo por mecanismos lisosomales y no-lisosomales. Aquellas proteínas citosólicas con un recambio elevado (esto es, con una vida media corta: entre 10 y 120 minutos) suelen ser degradadas en el citosol por alguno de los sistemas proteolíticos existentes, mientras que la mayoría de las proteínas de larga vida media (24-72 horas como media) son probablemente llevadas al lisosoma. Hay diversos mecanismos responsables del transporte de proteínas desde el citosol al lisosoma, en un proceso que globalmente se conoce como autofagia. Las proteínas extracelulares también pueden ser degradadas en el lisosoma tras la entrada al interior celular por pinocitosis, fagocitosis o endocitosis mediada por receptor, para formar vesículas intracelulares que se fusionarán con los lisosomas.

 Señales para la proteolisis.

En todas las ocasiones, la célula debe reconocer a aquellas proteínas que por una causa u otra han de ser degradadas. Se han encontrado distintas señales proteolíticas:

1. La regla del extremo amino ('N-end rule'): las proteínas de eucariotas cuando son sintetizadas siempre presentan en su extremo amino un residuo de metionina. Posteriormente, esta metionina inicial puede ser retirada dejando otro aminoácido como cabeza del extremo amino. En levaduras se ha comprobado que existen una serie de aminoácidos desestabilizantes (fundamentalmente los básicos, ácidos e hidrofóbicos) y otros aminoácidos estabilizantes. Además, parece que la mayoría de las proteínas citosólicas maduras llevan el extremo amino bloqueado por acetilación.
2. Secuencias PEST: son un motivo proteico que se encuentra en un gran número de proteínas de corta vida media. Estas regiones se caracterizan por ser ricas en residuos de prolina (P), glutamato/aspartato (E/D), serina (S) y treonina (T) flanqueadas por aminoácidos básicos. Las secuencias PEST se encuentran en enzimas claves del control metabólico, en factores de transcripción, en proteínas quinasas, fosfatasas y en ciclinas.
3. Ciclinas y Cajas de destrucción: las ciclinas son proteínas relacionadas con el control del ciclo celular de eucariotas que han de ser degradadas para que la célula continúe desde metafase a anafase; se trata de una degradación muy controlada, dependiente de un paso previo de 'marcado' de la ciclina con un polipéptido llamado ubiquitina (ver más adelante). En todas las ciclinas se ha localizado una secuencia señal (caja de destrucción) formada por 9 aminoácidos (RAALGNISN) que se encuentra presente entre los residuos 13 y 66 de la secuencia proteica.
4. Motivos KFERQ: son secuencias peptídicas que marcan proteínas citosólicas para la proteolisis lisosomal, siendo este motivo una de las señales para que las proteínas entren en los lisosomas. Esta secuencia hace susceptibles de degradación lisosomal a aquellas proteínas que la presentan en ciertas condiciones de estrés, como puede ser la retirada del suero en células en cultivo o en tejidos y organismos en inanición.

 
Sistemas de proteolisis intracelular.

1. Lisosomas: son orgánulos celulares que contienen una gran variedad de enzimas hidrolíticas capaces de degradar las distintas macromoléculas de la célula. Sus enzimas pertenecen a dos tipos generales: endoproteasas y exopeptidasas (tanto carboxi- como aminopeptidasas) que en conjunto reducen las proteínas a pequeños péptidos. Una característica de los lisosomas es el bajo valor de pH en su interior, al cual todas estas proteasas son especialmente activas.
2. Ubiquitinación: funciona como un sistema unificador de la degradación de proteínas, es decir, entre las proteínas se presentan distintas señales para la proteolisis pero muchas de ellas requieren la unión previa de la ubiquitina para que ocurra el paso final de la degradación. La ubiquitina es un polipéptido de 76 aminoácidos que sólo se conoce en eucariotas y que se une a las proteínas que va a marcar para su degradación mediante un enlace isopeptídico con un residuo de lisina determinado. La unión de la ubiquitina al sustrato requiere de una serie de pasos catalizados por tres enzimas: primero se produce la activación de la ubiquitina por la enzima E1, seguidamente la enzima E2 (proteína transportadora de ubiquitina) se encarga de transferir la ubiquitina activada desde E1 hasta el sustrato que está ligado a la enzima E3 (ubiquitina-proteína ligasa). Las proteínas que van a ser degradadas pueden encontrarse monoubiquitinadas o poliubiquitinadas.
3. Calpaínas: son una familia de proteasas dependientes de calcio relacionadas con el procesamiento de numerosas enzimas y proteínas del citoesqueleto. El control de la actividad de estas proteasas está determinado por las concentraciones de calcio y por la presencia de calpastatina (que por el momento es el único inhibidor endógeno conocido). La calpaína completa es una molécula heterodimérica de 80 kDa. El monómero mayor es de 50 kDa, presenta el dominio que produce la proteolisis y es variable según la calpaína, mientras que el monómero de 30 kDa es la subunidad reguladora y está conservada en todas las calpaínas.
4. Proteosoma 26S: de manera simplificada, el proteosoma 26S es un complejo multicatalítico constituido por el proteosoma 20S y dos partículas 19S. El proteosoma 20S es una estructura cilíndrica compuesta por numerosas subunidades de bajo peso molecular ensambladas en cuatro anillos; se trata del cuerpo catalítico del complejo. Las partículas 19S contienen cada una cinco ATPasas diferentes y un sitio de unión para las cadenas de ubiquitina. Estas partículas se sitúan en los extremos del complejo y se piensa que son las responsables de cambiar la conformación de las proteínas y dirigirlas al interior del proteosoma. Se conocen una gran variedad de sustratos del proteosoma 26S, relacionados con muy diversos procesos celulares: proliferación y diferenciación celular, regulación metabólica, control del ciclo celular, respuesta al estrés y eliminación de proteínas anormales. Todos estos sustratos, con la notable excepción de la ornitina descarboxilasa, tienen en común el que necesitan ser ubiquitinados antes de ser degradados en el proteosoma. La ornitina descarboxilasa es la enzima limitante en la síntesis de las poliaminas (cationes orgánicos esenciales para la viabilidad celular). Cuando las concentraciones intracelulares de las poliaminas exceden el 'umbral permitido', se activa la traducción de un inhibidor específico llamado antizima; esta proteína se une a la ornitina descarboxilasa de manera que queda expuesta la secuencia PEST presente en el extremo carboxilo de la enzima, siendo, entonces, reconocida por el 'túnel de degradación'.

 María Teresa Olmo Aparicio es becaria predoctoral en el Departamento de Biología Molecular y Bioquímica de la Universidad de Málaga.
Daniel Rodríguez Agudo es estudiante de 5º curso de Biología.