Calpaína
| Calpaína | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Estrutura cristalina do núcleo peptidase da Calpaína II. | |||||||||||
| Identificadores | |||||||||||
| Símbolo | Calpaína | ||||||||||
| Pfam | PF00648 | ||||||||||
| Pfam clan | CL0125 | ||||||||||
| InterPro | IPR001300 | ||||||||||
| SMART | CysPc | ||||||||||
| PROSITE | PDOC50203 | ||||||||||
| MEROPS | C2 | ||||||||||
| SCOPe | 1mdw / SUPFAM | ||||||||||
| |||||||||||
| calpaína-1 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identificadores | |||||||||
| Número EC | 3.4.22.52 | ||||||||
| Número CAS | 689772-75-6 | ||||||||
| Bases de datos | |||||||||
| IntEnz | vista de IntEnz | ||||||||
| BRENDA | entrada de BRENDA | ||||||||
| ExPASy | vista de NiceZyme | ||||||||
| KEGG | entrada de KEGG | ||||||||
| MetaCyc | vía metabólica | ||||||||
| PRIAM | perfil | ||||||||
| Estruturas PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum | ||||||||
| |||||||||
| calpaína-2 | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Identificadores | |||||||||
| Número EC | 3.4.22.53 | ||||||||
| Número CAS | 702693-80-9 | ||||||||
| Bases de datos | |||||||||
| IntEnz | vista de IntEnz | ||||||||
| BRENDA | entrada de BRENDA | ||||||||
| ExPASy | vista de NiceZyme | ||||||||
| KEGG | entrada de KEGG | ||||||||
| MetaCyc | vía metabólica | ||||||||
| PRIAM | perfil | ||||||||
| Estruturas PDB | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum | ||||||||
| |||||||||
Unha calpaína [1] (EC 3.4.22.52, EC 3.4.22.53) é unha proteína que pertence á familia das cisteína proteases non lisosómicas dependentes de calcio (encimas proteolíticos) expresados abundantemente en mamíferos e moitos outros organismos. As calpaínas constitúen a familia C2 de proteases clan CA da base de datos MEROPS. O sistema proteolítico das calpaínas inclúe as calpaína proteases, a pequena subunidade regulatoria CAPNS1, tamén chamada CAPN4, e o inhibidor específico de calpaína endóxeno, calpastatina.
Descubrimento
[editar | editar a fonte]A historia do descubrimento da calpaína enpeza en 1964 cando se detectaron as actividades proteolíticoas dependentes do calcio causadas por unha "protease neutra activada por calcio" (CANP, calcium activated neutral protease) no cerebro, cristalino dos ollos e outros tecidos. A finais da década de 1960 estes encimas foron illados e caracterizados independentemente no cerebro e músculo esquelético de rata. Estas actividades estaban causadas por unha cisteína protease intracelular non asociada cos lisosomas e cunha actividade óptima a pH neutro, o que a distinguía claramente da familia da catepsina de proteases. A actividade depenente do calcio, a localización intracelular e a proteólise específica limitada sobre os seus substratos, salientaron o papel da calpaína como protease regulatoria en vez de como dixestiva. Cando se coñeceu a secuencia deste encima,[2] déuselle o nome de "calpaína", para recoñecer as súas propiedades comúns con dúas proteínas ben coñecidas daquela, a proteína de sinalización regulada por calcio calmodulina e a cisteína protease da papaia, a papaína. Pouco despois, viuse que a actividade era atribuíble a dúas isoformas principais, denominadas μ ("mu")-calpaína e m-calpaína (ou calpaína I e II), que se diferenciaban principalmente nos seus requirimentos de calcio in vitro. Os seus nomes reflicten que son activadas por concentracións micro- e case milimolares de Ca2+ no interior da célula, respectivamente.[3]
Ata agora, estas dúas isoformas seguen sendo os membros mellor caracterizados da familia das calpaínas. Estruturalmente, estas dúas isoformas dímeras comparten unha pequena subunidade idéntica de 28 kDa (CAPNS1, antes CAPN4), pero teñen unhaas subunidades grandes distintas de 80 kDa, coñecidas como calpaína 1 e calpaína 2 (codificadas, respectivamente, nos xenes CAPN1 e CAPN2).
Especificidade de clivaxe
[editar | editar a fonte]As calpaínas non recoñecen unha secuencia específica de aminoácidos. Nos substratos proteicos, probablemente son os elementos de estrutura terciaria e non as secuencias de aminoácidos da estrutura primaria os responsables de dirixir a clivaxe a un substrato determinado. Entre os substratos que son péptidos e pequenas moléculas, a especificidade da que se informou máis consistentemente é a de pequenos aminoácidos hidrófobos (por exemplo, leucina, valina e isoleucina) na posición P2 e grandes aminoácidos hidrófobos (por exemplo, fenilalanina e tirosina) na posición P1.[4] Pódese dicir que o mellor substrato fluoroxénico actualmente dispoñible da calpaína é (EDANS)-Glu-Pro-Leu-Phe=Ala-Glu-Arg-Lys-(DABCYL), cuxa clivaxe ocorre no enlace Phe=Ala.
Familia ampliada
[editar | editar a fonte]O Proxecto Xenoma Humano revelou que existe máis dunha ducia doutras isoformas de calpaínas, algunhas con moitas variantes de empalme.[5][6][7] A primeira calpaína da que se determinou a estrutura tridimensional, a m-calpaína, é a protease tipo para a familia C2 (calpaína) na base de datos MEROPS.
| Xene | Proteína | Alias | Expresión nos tecidos | Ligazón con enfermidades |
|---|---|---|---|---|
| CAPN1 | Calpaína 1 | Subunidade grande da calpaína-1, calpaína de tipo mu | Moi estendida | |
| CAPN2 | Calpaína 2 | Subunidade grande da calpaína-2, calpaína de tipo m | Moi estendida | |
| CAPN3 | Calpaína 3 | Específica do músculo esquelético, retina e cristalina | Distrofia 2A da cintura muscular das extremidades | |
| CAPN5 | Calpaína 5 | Moi estendida (alta no colon, intestino delgado e testículo) | Podería estar ligada á necrose, como no ortólogo do xene da necrose tra-3 de Caenorhabditis elegans | |
| CAPN6 | Calpaína 6 | CAPNX, calpamodulina | ||
| CAPN7 | Calpaína 7 | palBH | Moi estendida | |
| CAPN8 | Calpaína 8 | Exclusiva da mucosa do estómago e tracto gastrointestinal | Podería estar ligada á formación de pólipos no colon | |
| CAPN9 | Calpaína 9 | Exclusiva da nmucosa do estómago e tracto gastrointestinal | Podería estar ligada á formación de pólipos no colon | |
| CAPN10 | Calpaína 10 | Susceptibilidade xénica á diabetes tipo II | ||
| CAPN11 | Calpaína 11 | Testículo | ||
| CAPN12 | Calpaína 12 | Moi estendida pero alta no folículo piloso | ||
| CAPN13 | Calpaína 13 | Testículos e pulmóns | ||
| CAPN14 | Calpaína 14 | Moi estendida | ||
| CAPN17 | Calpaína 17 | Só en peixes e anfibios | ||
| SOLH | Calpaína 15 | Sol H (homólogo do xene sol de Drosophila) | ||
| CAPNS1 | Subunidade pequena da calpaína-1 | Calpaína 4 | ||
| CAPNS2 | Subunidade pequena da calpaína-2 |
Función
[editar | editar a fonte]Aínda que a función fisiolóxica das calpaínas aínd non se comprende de todo, sábese que participan activamente en procesos como a mobilidade celular e progresión do ciclo celular, e en funcións específicas de células como a potenciación a longo prazo nas neuronas e a fusión celular en mioblastos. Baixo esas condicións fisiolóxicas, un influxo transitorio e localizado de calcio nas células activa unha pequena poboación local de calpaínas (por exemplo, as que están preto das canles de Ca2+), que despois avanzan na vía da transdución de sinais ao catalizaren a proteólise controlada das súas proteínas diana.[8] Ademais, a fosforilación pola proteía quinase A e a desfosforilación pola fosfatase alcalina regulan positivamente a actividade de μ-calpaínas ao incrementaren as zonas de enrolamento ao azar e diminuíren as zonas con folla β da súa estrutura proteica. A fosforilación potencia a actividade proteolítica e estimula a autoactivación de μ-calpaínas. Porén, o aumento da concentración de calcio supera os efectos da fosforilación e desfosforilación na actividade das calpaínas e así dita actividade depende finalmente da presenza de calcio.[9] Outros papeis coñecidos das calpaínas teñen que ver co funcionamento da célula, ou axudan a regular a coagulación do sangue e o diámetro dos vasos sanguíneos e interveñen na memoria. As calpaínas foron implicadas na morte celular apoptótica e parecen ser un compoñente esencial da necrose. O fraccionamento con deterxente revelou a localización citosólica das calpaínas.[8]
O aumento da actividade das calpaínas, regulada por CAPNS1, contribúe significativamente á hiperactividade das plaquetas nun ambiente hipóxico.[10]
No cerebro, mentres que a μ-calpaína está localizada maiormente no soma celular e nas dendritas das neuronas e en menor medida nos axóns e nas células gliais, a m-calpaína encóntrase na glía e nunha pequena cantidade en axóns.[11] A calpaína está tamén implicada na degradación de proteínas no músculo esquelético debido ao exercicio e en estados nutricionais alterados.[12]
Importancia clínica
[editar | editar a fonte]Patoloxía
[editar | editar a fonte]A diversidade funcional e estrutural das calpaínas na célula reflíctese na súa implicación na patoxenia dunha ampla variedade de trastornos. Foron asociados a calpaínas específicas de tecidos polo menos dous trastornos xenéticos ben coñecidos e unha forma de cancro. Cando a calpaína 3 (tamén chamada p94) de mamíferos é xeneticamente defectuosa é responsable da distrofia muscular da cintura das extremidades de tipo 2A,[13][14] ademais o xene da calpaína 10 foi identificado como un xene de susceptibilidade para a diabetes mellitus de tipo II e o da calpaína 9 identificouse como un supresor de tumores para o cancro gástrico. Ademais, a hiperactivación das calpaínas está implicqada en varias patoloxías asociadas con alteracións da homeostase do calcio, como a enfermidade de Alzheimer[15] e a formación de cataratas, así como na dexeneración secundaria resultante do estrés celular agudo despois dunha isquemia de miocardio, isquemia cerebral (neuronal), lesións traumáticas do cerebro e da medula espiñal. Poden activarse cantidades excesivas de calpaína debido ao influxo de Ca2+ despois dun accidente cerebrovascular (durante a fervenza isquémica) ou algúns tipos de lesión cerebral traumática como a lesión axonal difusa. O incremento na concentración de calcio na célula ten como resultado a activación das calpaínas, o que conduce a unha proteólíse non regulada tanto de proteínas diana coma non diana e un consecuente dano nos tecidos irreversible. As calpaínas excesivamente activas degradan moléculas do citoesqueleto como a espectrina, subunidades dos microtúblos, proteínas asociadas aos microtúbulos e neurofilamentos.[16][17] Pode tamén danar as canles iónicas, outros encimas, moléculas de adhesión celular e receptores da superficie celular.[11] Isto pode orixinar a degradación do citoesqueleto e a membrana plasmática. A calpaína pode tamén degradar as canles de sodio que foron danadas por unha lesión axonal,[18] o que desencadea un influxo de sodio que entra na célula. Isto, á súa vez, leva á despolarización das neuronas e o influxo de máis Ca2+. Unha consecuencia significativa da activación das calpaínas é o desenvolvemento da disfunción contráctil cardíaca que segue a un dano isquémico no corazón. Despois da reperfusión do miocardio isquémico, prodúcese un desenvolvemento dunha sobrecarga de calcio ou exceso nas células do corazón (cardiomiocitos).[19] Este incremento de calcio leva á activación da calpaína. Recentemente a calpaína foi implicada na promoción da trombose venosa producida pola grande altitude ao ser un mediador da hiperactivación das plaquetas.[10]
Inhibidores terapéuticos
[editar | editar a fonte]A regulación exóxena da actividade de calpaína é, por tanto, interesante para o desenvolvemento de terapias en moitos estados patolóxicos. Un dos moitos exemplos que apoian o potencial terapéutico da inhibición da calpaína na isquemia, o inhibidor da calpaína AK275, protexe contra os danos cerebrais por isquemia focal en ratas cando se administra despois da isquemia, e o MDL28170 reduce significativamente o tamaño do tecido infartado danado en modelos de isquemia focal en ratas. Ademais, os seguintes inhibidores da calpaína teñen efectos neuroprotectores: o PD150606,[20] o SJA6017,[21] o ABT-705253,[22][23] e o SNJ-1945.[24]
A calpaína pode liberarse no cerebro ata un mes despois dunha lesión na cabeza, e pode ser responsable do encollemento do cerebro que se observa ás veces nalgunhas lesións.[25] Porén, a calpaína pode tamén estar implicada nun proceso de "reesculpido" ou remodelado que axuda a reparar os danos despois dunha lesión.[25]
Notas
[editar | editar a fonte]- ↑ "the definition of calpain". Dictionary.com. Consultado o 23 April 2018.
- ↑ Ohno S, Emori Y, Imajoh S, Kawasaki H, Kisaragi M, Suzuki K (1984). "Evolutionary origin of a calcium-dependent protease by fusion of genes for a thiol protease and a calcium-binding protein?". Nature 312 (5994): 566–70. PMID 6095110. doi:10.1038/312566a0.
- ↑ Glass JD, Culver DG, Levey AI, Nash NR (April 2002). "Very early activation of m-calpain in peripheral nerve during Wallerian degeneration". J. Neurol. Sci. 196 (1–2): 9–20. PMID 11959150. doi:10.1016/S0022-510X(02)00013-8.
- ↑ Cuerrier D, Moldoveanu T, Davies PL (December 2005). "Determination of peptide substrate specificity for mu-calpain by a peptide library-based approach: the importance of primed side interactions". J. Biol. Chem. 280 (49): 40632–41. PMID 16216885. doi:10.1074/jbc.M506870200.
- ↑ Thompson V (2002-02-12). "Calpain Nomenclature". College of Agriculture and Life Sciences at the University of Arizona. Consultado o 2010-08-06.
- ↑ Huang Y, Wang KK (August 2001). "The calpain family and human disease". Trends Mol Med 7 (8): 355–62. PMID 11516996. doi:10.1016/S1471-4914(01)02049-4.
- ↑ Suzuki K, Hata S, Kawabata Y, Sorimachi H (February 2004). "Structure, activation, and biology of calpain". Diabetes. 53. Suppl 1: S12–8. PMID 14749260. doi:10.2337/diabetes.53.2007.s12.
- ↑ 8,0 8,1 Jaguva Vasudevan, AA; Perkovic, M; Bulliard, Y; Cichutek, K; Trono, D; Häussinger, D; Münk, C (August 2013). "Prototype foamy virus Bet impairs the dimerization and cytosolic solubility of human APOBEC3G.". Journal of Virology 87 (16): 9030–40. PMC 3754047. PMID 23760237. doi:10.1128/JVI.03385-12.
- ↑ Du, Manting; Li, Xin; Li, Zheng; Shen, Qingwu; Wang, Ying; Li, Guixia; Zhang, Dequan (2018-06-30). "Phosphorylation regulated by protein kinase A and alkaline phosphatase play positive roles in μ-calpain activity". Food Chemistry (en inglés) 252: 33–39. ISSN 0308-8146. PMID 29478550. doi:10.1016/j.foodchem.2018.01.103.
- ↑ 10,0 10,1 Tyagi, T.; Ahmad, S.; Gupta, N.; Sahu, A.; Ahmad, Y.; Nair, V.; Chatterjee, T.; Bajaj, N.; Sengupta, S.; Ganju, L.; Singh, S. B.; Ashraf, M. Z. (Feb 2014). "Altered expression of platelet proteins and calpain activity mediate hypoxia-induced prothrombotic phenotype.". Blood 123 (8): 1250–60. PMID 24297866. doi:10.1182/blood-2013-05-501924.
- ↑ 11,0 11,1 Lenzlinger PM, Saatman KE, Raghupathi R, Mcintosh TK (2000). "Chapter 1: Overview of basic mechanisms underlying neuropathological consequences of head trauma". En Newcomb JK, Miller LS, Hayes RL. Head trauma: basic, preclinical, and clinical directions. New York: Wiley-Liss. ISBN 978-0-471-36015-5.
- ↑ Belcastro AN, Albisser TA, Littlejohn B (October 1996). "Role of calcium-activated neutral protease (calpain) with diet and exercise". Can J Appl Physiol 21 (5): 328–46. PMID 8905185. doi:10.1139/h96-029.
- ↑ Richard I, Broux O, Allamand V, et al. (April 1995). "Mutations in the proteolytic enzyme calpain 3 cause limb-girdle muscular dystrophy type 2A". Cell 81 (1): 27–40. PMID 7720071. doi:10.1016/0092-8674(95)90368-2.
- ↑ Ono Y, Shimada H, Sorimachi H, et al. (July 1998). "Functional defects of a muscle-specific calpain, p94, caused by mutations associated with limb-girdle muscular dystrophy type 2A". J. Biol. Chem. 273 (27): 17073–8. PMID 9642272. doi:10.1074/jbc.273.27.17073.
- ↑ Yamashima T (2013). "Reconsider Alzheimer's disease by the 'calpain-cathepsin hypothesis'--a perspective review". Progress in Neurology 105: 1–23. PMID 23499711. doi:10.1016/j.pneurobio.2013.02.004.
- ↑ Liu J, Liu MC, Wang KK (April 2008). "Calpain in the CNS: from synaptic function to neurotoxicity". Sci. Signal. 1 (14): re 1. PMID 18398107. doi:10.1126/stke.114re1.
- ↑ Castillo MR, Babson JR (October 1998). "Ca2+-dependent mechanisms of cell injury in cultured cortical neurons". Neuroscience 86 (4): 1133–44. PMID 9697120. doi:10.1016/S0306-4522(98)00070-0.
- ↑ Iwata A, Stys PK, Wolf JA, et al. (May 2004). "Traumatic axonal injury induces proteolytic cleavage of the voltage-gated sodium channels modulated by tetrodotoxin and protease inhibitors". J. Neurosci. 24 (19): 4605–13. PMC 6729402. PMID 15140932. doi:10.1523/JNEUROSCI.0515-03.2004.
- ↑ Wang KK, Larner SF, Robinson G, Hayes RL (December 2006). "Neuroprotection targets after traumatic brain injury". Curr. Opin. Neurol. 19 (6): 514–9. PMID 17102687. doi:10.1097/WCO.0b013e3280102b10.
- ↑ Wang KK, Nath R, Posner A, Raser KJ, Buroker-Kilgore M, Hajimohammadreza I, Probert AW, Marcoux FW, Ye Q, Takano E, Hatanaka M, Maki M, Caner H, Collins JL, Fergus A, Lee KS, Lunney EA, Hays SJ, Yuen P (June 1996). "An alpha-mercaptoacrylic acid derivative is a selective nonpeptide cell-permeable calpain inhibitor and is neuroprotective". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93 (13): 6687–92. PMC 39087. PMID 8692879. doi:10.1073/pnas.93.13.6687.
- ↑ Kupina NC, Nath R, Bernath EE, Inoue J, Mitsuyoshi A, Yuen PW, Wang KK, Hall ED (November 2001). "The novel calpain inhibitor SJA6017 improves functional outcome after delayed administration in a mouse model of diffuse brain injury" (PDF). J. Neurotrauma 18 (11): 1229–40. PMID 11721741. doi:10.1089/089771501317095269. hdl:2027.42/63231.
- ↑ Lubisch W, Beckenbach E, Bopp S, Hofmann HP, Kartal A, Kästel C, Lindner T, Metz-Garrecht M, Reeb J, Regner F, Vierling M, Möller A (June 2003). "Benzoylalanine-derived ketoamides carrying vinylbenzyl amino residues: discovery of potent water-soluble calpain inhibitors with oral bioavailability". J. Med. Chem. 46 (12): 2404–12. PMID 12773044. doi:10.1021/jm0210717.
- ↑ Nimmrich V, Reymann KG, Strassburger M, Schöder UH, Gross G, Hahn A, Schoemaker H, Wicke K, Möller A (April 2010). "Inhibition of calpain prevents NMDA-induced cell death and beta-amyloid-induced synaptic dysfunction in hippocampal slice cultures". Br. J. Pharmacol. 159 (7): 1523–31. PMC 2850408. PMID 20233208. doi:10.1111/j.1476-5381.2010.00652.x.
- ↑ Koumura A, Nonaka Y, Hyakkoku K, Oka T, Shimazawa M, Hozumi I, Inuzuka T, Hara H (November 2008). "A novel calpain inhibitor, ((1S)-1((((1S)-1-benzyl-3-cyclopropylamino-2,3-di-oxopropyl)amino)carbonyl)-3-methylbutyl) carbamic acid 5-methoxy-3-oxapentyl ester, protects neuronal cells from cerebral ischemia-induced damage in mice". Neuroscience 157 (2): 309–18. PMID 18835333. doi:10.1016/j.neuroscience.2008.09.007.
- ↑ 25,0 25,1 White V (1999-10-21). "– 'Biochemical Storm' Following Brain Trauma An Important Factor In Treatment, University of Florida Researcher Finds". University of Florida News. Arquivado dende o orixinal o 23 de xuño de 2011. Consultado o 2010-08-07.
Véxase tamén
[editar | editar a fonte]Bibliografía
[editar | editar a fonte]- Liu J, Liu MC, Wang KK (2008). "Calpain in the CNS: from synaptic function to neurotoxicity". Sci Signal 1 (14): re1. PMID 18398107. doi:10.1126/stke.114re1.
- Suzuki K, Hata S, Kawabata Y, Sorimachi H (February 2004). "Structure, activation, and biology of calpain". Diabetes. 53. Suppl 1: S12–8. PMID 14749260. doi:10.2337/diabetes.53.2007.s12.
- Yuen PW, Wang KW (1999). Calpains : Pharmacology and Toxicology of a Cellular Protease. Boca Raton: CRC Press. ISBN 978-1-56032-713-4.
Ligazóns externas
[editar | editar a fonte]- Calpain Medical Subject Headings (MeSH) na Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA.
- CaMPDB, Calpain for Modulatory Proteolysis Database
- The Calpain Family of Proteases. (2001). Universidade de Arizona.
- Calpain Info con ligazóns na Cell Migration Gateway
- Alzheimers and calpain protease, PMAP The Proteolysis Map - animación.
