CINASES: CARACTERÍSTIQUES, TIPUS, FUNCIONS - BIOLOGIA - 2025

Les cinases o quinases són proteïnes amb activitat enzimàtica que s'encarreguen de catalitzar la transferència de grups fosfat (PO4-3) a diferents tipus de molècules. Es tracten d'enzims extremadament comuns en la natura, on exerceixen funcions transcendentals per als organismes vius: participen el metabolisme, en la senyalització i també en la comunicació cel·lular.

Gràcies a la gran quantitat de processos en els que compleixen múltiples funcions, les quinases són un dels tipus més estudiats de proteïnes, no només a nivell bioquímic, sinó també a nivell estructural, genètic i cel·lular.

Dominis de l'estructura de l'enzim Piruvat quinasa (PYK) un enzim glucolítica (Font: Thomas Splettstoesser (www.scistyle.com) via Wikimedia Commons)

S'ha determinat que el genoma humà posseeix a el menys 500 gens que codifiquen per enzims pertanyents a el grup de les quinases, els substrats "acceptors" de grups fosfat poden ser carbohidrats, lípids, nucleòsids, proteïnes i altres tipus de molècules orgàniques.

Aquests enzims es classifiquen dins el grup de les fosfotransferasas (EC 2.7), i usualment empren com a molècules "donadores" de grups fosfat a compostos d'alta energia com l'ATP, GTP, CTP i altres relacionats.

Característiques

El terme "quinasa", com s'ha comentat, es refereix comunament a tots els enzims que s'encarreguen de la transferència de el grup fosfat terminal de l'ATP cap a una altra molècula receptora o "acceptora" de grup fosfat.

Tot i que aquests enzims catalitzen essencialment la mateixa reacció de transferència de grups fosforil, existent entre aquestes una gran diversitat, no només pel que fa a l'estructura, sinó a l'especificitat de substrats ia les rutes cel·lulars en què participen.

Generalment, la seva estructura es compon de làmines β-plegades i hèlixs α que es pleguen específicament per conformar el lloc actiu, i aquest lloc actiu usualment conté ions carregats positivament (cations) que estabilitzen les càrregues negatives dels grups fosfat que transfereixen.

Al lloc actiu o propers a aquest es troben dos llocs d'unió per a substrats: un per a l'ATP o la molècula donadora de grup fosfat i un altre per al substrat que serà fosforilat.

La reacció general d'aquests enzims (fosforilació) pot ser contemplada com segueix:

ATP + Substrat → ADP + Substrat fosforilat

On el ATP dóna el grup fosfat que guanya el substrat.

tipus

Segons la classificació de el Comitè de Nomenclatura de la Unió Internacional de Bioquímica i Biologia Molecular (NC-IUBMB), les quinases es troben en el grup de les fosfotransferasas (EC. 2.7, enzims que transfereixen grups que contenen fòsfor), que se subdivideix, al seu torn, en unes 14 classes (EC 2.7.1 - EC 2.7.14).

Les diferències fonamentals entre aquestes 14 classes de fosfotransferasas es relacionen amb la naturalesa química de la molècula «aceptora» de el grup fosfat que aquestes transfereixen (o amb la naturalesa de la porció de la molècula que rep el grup fosfat).

Dins d'aquesta categoria (enzims fosfotransferasas) també es troben alguns enzims que transfereixen grups fosfats però que no fan servir molècules d'ATP com «donador», sinó que utilitzen fosfats inorgànics.

En línies generals, aquestes classes es descriuen com segueix:

EC 2.7.1: enzims fosfotransferasas que tenen com a acceptor de grup fosfat un alcoòl

Aquest és un dels grups més importants per al metabolisme energètic de molts organismes, ja que conté als enzims responsables de la fosforilació de glúcids i els seus derivats, com glucosa, galactosa, fructosa, manosa, glucosamina, ribosa i ribulosa, xilosa, glicerol, piruvat, mevalonat, arabinosa, inositol, entre molts altres.

Exemple d'aquests enzims comuns són l'hexoquinasa, glucoquinasa, fosfofructoquinasa i piruvat quinasa, que estan implicades directament en la ruta glucolítica que s'encarrega de l'oxidació de la glucosa per a la producció d'energia en forma d'ATP.

EC 2.7.2: enzims fosfotransferasas que tenen com a acceptor de el grup fosfat un grup carboxil

Dins d'aquesta classe d'enzims cinases o fosfotransferasas es troben els enzims que transfereixen grups fosfat a porcions de molècules amb grups carboxils, com ara l'acetat, carbamat, aspartat, fosfoglicerat, entre d'altres.

EC 2.7.3:

Metabòlicament parlant, aquest grup d'enzims també és de gran importància, ja que són responsables de la transferència de grups fosfat a molècules com la creatinina, arginina, glutamina, guanidina-acetat, etc.

EC 2.7.4: enzims fosfotransferasas que tenen com a acceptor de el grup fosfat altre grup fosfat

Gran part dels enzims d'aquest grup funcionen en la regulació de la formació o hidròlisi de compostos d'alta energia com l'ATP, GTP, CTP i altres, ja que s'encarreguen de l'addició, remoció o intercanvi de grups fosfat entre aquest tipus de molècules o els seus precursors.

També participen en la transferència de grups fosfat cap a altres molècules prèviament fosforilades, que poden ser de naturalesa lipídica, carbohidrats o derivats d'aquests.

Exemple d'aquestes importants enzims són l'adenilat quinasa, la nucleòsid fosfat quinasa, la nucleòsid trifosfat adenilato quinasa, la UMP / CMP quinasa i la farnesil fosfat quinasa, etc.

EC 2.7.6: enzims difosfotransferasas

Les difosfotransferasas catalitzen la transferència de dos grups fosfat simultàniament cap al mateix substrat. Exemple d'aquests enzims són la ribosa-fosfat difosfoquinasa, la tiamina difosfoquinasa i la GTP difosfoquinasa, que és una important enzim en el metabolisme de les purines.

EC 2.7.7: enzims fosfotransferasas específiques de nucleòtids (nucleotidil fosfotransferasas)

Les nucleotidil fosfotransferasas participen en molts processos cel·lulars implicats en l'activació i inactivació d'altres proteïnes i enzims, així com també en alguns mecanismes de reparació de l'ADN.

La seva funció és la de transferir nucleòtids, generalment nucleòtids monofosfat de diferents bases nitrogenades. En aquesta classe d'enzims es troben les polimerases d'ADN i d'ARN (tant ADN com ARN dependents), la UDP-glucosa 1-fosfat uridiltransferasa, entre d'altres.

EC 2.7.8: enzims que transfereixen grups fosfat amb substitucions

Aquesta classe té funcions significatives en les rutes de metabolisme de lípids, especialment en la seva síntesi. S'encarreguen de la transferència de molècules fosforilades (grups fosfats amb substitucions) cap a altres molècules "acceptores".

Exemple d'aquest grup d'enzims són la etanolamina fosfotransferasa, la diacilglicerol turó fosfotransferasa, l'esfingomielina sintasa, etc.

EC 2.7.9: enzims fosfotransferasas amb acceptors aparellats

Aquests enzims empren un sol donador de grup fosfat (ATP o relacionats) per fosforilar dues molècules acceptores diferents. La piruvat fosfat diquinasa (PPDK) i la fosfoglucano aigua diquinasa són exemples d'aquests enzims.

Fosfotransferasas que fosforilan residus aminoacídics de diferents tipus de proteïnes

EC 2.7.10: protein-tirosina quinases

Les proteín-tirosina quinases són enzims que catalitzen la transferència de grups fosfat específicament a residus de tirosina en cadenes polipeptídiques de diferents tipus d'acceptors proteics.

EC 2.7.11: proteín-serina / treonina quinases

Tal com ho fan les proteín-tirosina quinases, aquest grup d'enzims catalitza la transferència de grups fosfat a residus de serina o treonina en altres proteïnes.

Un exemple conegut d'aquestes proteïnes és la família de les proteïnes quinases C, que participen en múltiples vies, però especialment en el metabolisme de lípids.

En aquest grup també s'inclouen moltes proteïnes quinases dependents d'AMP cíclic i de GMP cíclic, amb importants implicacions en la diferenciació, creixement i comunicació cel·lular.

EC 2.7.12: quinases són especificitat dual (que poden actuar tant en residus de serina / treonina com de tirosina)

Les proteïnes quinases quinases activades per mitògens (MAPKK) formen part d'aquest grup d'enzims que són capaços de fosforilar indistintament residus de serina, treonina o tirosina d'altres proteïnes quinases.

Proteín-histidina quinases (EC 2.7.13) i proteín-arginina quinases (EC 2.7.14)

Hi ha altres proteïnes quinases capaços de transferir grups fosfat a residus d'histidina i arginina en alguns tipus de proteïnes i aquestes són les proteín-histidina quinases i les proteín-arginina quinases.

Altres formes de classificació

D'acord amb diferents autors, les cinases poden classificar-se de millor forma segons el tipus de substrat que empren com a acceptor de grup fosfat.

Altres consideren que la millor manera de classificar aquests enzims és segons l'estructura i característiques del seu lloc actiu, és a dir, segons la conformació i la presència d'ions o determinades molècules en el mateix.

Segons el tipus de substrat, les quinases poden classificar-se com proteín cinases (que fosforilan altres proteïnes), lípid quinases (que fosforilan lípids), carbohidrat quinases (que fosforilan diferents tipus de carbohidrats), nucleòsid fosforilasas (que fosforilan nucleòsids), etc.

funcions

Els enzims del grup de les quinases són ubiqües en la naturalesa i una sola cèl·lula pot albergar centenars de tipus diferents, catalitzant reaccions en múltiples rutes cel·lulars.

Les seves funcions poden ser molt diverses:

-Hi participen en múltiples processos de senyalització i comunicació cel·lular, especialment les proteïnes quinases, que catalitzen la fosforilació consecutiva d'altres proteïnes quinases (cascades de fosforilació) en resposta a estímuls interns i externs.

-Algunes d'aquestes proteïnes amb activitat enzimàtica tenen funcions centrals en el metabolisme de carbohidrats, lípids, nucleòtids, vitamines, cofactors i aminoàcids. Per exemple, només en la glucòlisi participen a l'almenys 4 quinases: hexoquinasa, fosfofructoquinasa, fosfoglicerat quinasa i piruvat quinasa.

-Entre les funcions de senyalització, les quinases estan implicades en els processos de regulació de l'expressió genètica, en la contracció muscular i en la resistència a antibiòtics en diferents tipus d'organismes vius.

-Les proteín-tirosina quinases tenen funcions en la regulació de moltes rutes de transducció de senyals que es relacionen amb el desenvolupament i la comunicació en els metazous multicel·lulars.

-La modificació de proteïnes per fosforilació (en altres contextos cel·lulars diferents de la senyalització cel·lular) és un important element de regulació de l'activitat de gran quantitat d'enzims que participen en diferents processos metabòlics. Tal és l'exemple de la regulació de l'cicle cel·lular per moltes proteïnes ciclines dependents de quinases.

-Les quinases capaços de fosforilar lípids són essencials per als processos de remodelat de les membranes cel·lulars, així com de síntesi i formació de noves membranes.

referències

1. Cheek, S., Zhang, H., & Grishin, NV (2002). Sequence and Structure Classification of kinases. Journal of Molecular Biology, 2836 (02), 855-881.
2. Cooper, J. (2018). Encyclopaedia Britannica. Retrieved from britannica.com
3. Da Silva, G. (2012). Advances in Protein kinases. Rijeka, Croatia: InTech Open.
4. Krebs, I. (1983). Historical Perspectives on Protein phosphorylation and a Classification System for Protein kinases. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 302, 3-11.
5. Krebs, I. (1985). The phosphorylation of proteins: a major mechanism for biological regulation. Biochemical Society Transactions, 13, 813-820.
6. Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology (NC-IUBMB). (2019). Retrieved from qmul.ac.uk