¿Qué son las cinasas?
Las cinasas, o quinasas, son proteínas con actividad enzimática encargadas de catalizar la transferencia de grupos fosfato (PO4-3) a diferentes tipos de moléculas. Se trata de enzimas extremadamente comunes en la naturaleza, donde ejercen funciones trascendentales para los organismos vivos: participan en el metabolismo, en la señalización y en la comunicación celular.
Gracias a la gran cantidad de procesos en los que cumplen múltiples funciones, las quinasas son uno de los tipos más estudiados de proteínas, no solo a nivel bioquímico, sino a nivel estructural, genético y celular.
Se ha determinado que el genoma humano posee al menos 500 genes que codifican para enzimas del grupo de las quinasas, cuyos sustratos “aceptores” de grupos fosfato pueden ser carbohidratos, lípidos, nucleósidos, proteínas y otros tipos de moléculas orgánicas.
Estas enzimas se clasifican en el grupo de las fosfotransferasas (EC 2.7), y usualmente emplean como moléculas “donadoras” de grupos fosfato a compuestos de alta energía, como ATP, GTP, CTP y otros relacionados.
Características de las cinasas
- Transferencia de grupos fosfato. Catalizan la transferencia de grupos fosfato de una molécula donante (generalmente el trifosfato de adenosina, ATP) a una molécula aceptora (generalmente una proteína). Este proceso se conoce como fosforilación y es crucial para la regulación de numerosas vías de señalización celular.
- Regulación de la actividad celular. Son esenciales para la regulación de procesos celulares clave, como la transducción de señales, la regulación del ciclo celular, la respuesta inmunitaria, la regulación del metabolismo y la adaptación al estrés, entre otros.
- Cinasa y fosfatasa. El proceso de fosforilación está equilibrado por la acción de enzimas llamadas fosfatasas, que eliminan grupos fosfato de las proteínas. Las cinasas y las fosfatasas trabajan en conjunto para mantener un equilibrio dinámico en la fosforilación y desfosforilación de proteínas.
- Diversidad. Existen numerosas cinasas, cada una de las cuales puede estar especializada en fosforilar proteínas específicas o estar involucrada en rutas de señalización particulares. Algunas son serina/treonina quinasas, mientras que otras son tirosina quinasas, dependiendo del aminoácido fosforilado en las proteínas sustrato.
- Importancia médica. Son objetivos importantes en la investigación médica y farmacológica. Inhibidores de cinasas se utilizan en tratamientos contra el cáncer, enfermedades autoinmunes y otras condiciones médicas, ya que pueden modular la actividad de proteínas que están desreguladas en enfermedades.
- Cinasa prototípica. Una de las más conocidas es la proteína quinasa A (PKA), involucrada en la regulación de muchas funciones celulares y se activa por el aumento de los niveles de AMP cíclico (cAMP) en la célula.
- Regulación de la cascada de señalización. A menudo participan en cascadas de señalización, donde una cinasa activa a otra, lo que lleva a una amplificación de la señal y a una respuesta celular coordinada a estímulos externos.
- Importancia en la transducción de señales. Son componentes clave en la transducción de señales intracelulares. Convierten señales extracelulares, como hormonas o factores de crecimiento, en respuestas celulares específicas.
Tipos de cinasas
Según la clasificación del Comité de Nomenclatura de la Unión Internacional de Bioquímica y Biología Molecular (NC-IUBMB), las quinasas se encuentran en el grupo de las fosfotransferasas (EC. 2.7, enzimas que transfieren grupos que contienen fósforo), que se subdivide, a su vez, en unas 14 clases (EC 2.7.1-EC 2.7.14).
Las diferencias fundamentales entre ellas se relacionan con la naturaleza química de la molécula “aceptora” del grupo fosfato que estas transfieren (o con la naturaleza de la porción de la molécula que recibe el grupo fosfato).
Dentro de esta categoría (enzimas fosfotransferasas) también hay algunas enzimas que transfieren grupos fosfatos, pero que no emplean moléculas de ATP como “donador”, sino que utilizan fosfatos inorgánicos.
En líneas generales, estas clases son las siguientes:
- EC 2.7.1: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor de grupo fosfato un alcohol. Es uno de los grupos más importantes para el metabolismo energético de muchos organismos, pues contiene las enzimas responsables de la fosforilación de glúcidos y sus derivados, como glucosa, galactosa, fructosa, manosa, glucosamina, ribosa y ribulosa, xilosa, glicerol, piruvato, mevalonato, arabinosa, inositol, entre muchos otros. Ejemplo de estas enzimas comunes son la hexoquinasa, glucoquinasa, fosfofructoquinasa y piruvato quinasa, implicadas directamente en la ruta glucolítica que se encarga de la oxidación de la glucosa para la producción de energía en forma de ATP.
- EC 2.7.2: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato un grupo carboxilo. En esta clase están las enzimas que transfieren grupos fosfato a porciones de moléculas con grupos carboxilos, como el acetato, carbamato, aspartato, fosfoglicerato, entre otros.
- EC 2.7.3: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato un átomo de nitrógeno. Metabólicamente hablando, este grupo de enzimas también es de gran importancia, puesto que son responsables de la transferencia de grupos fosfato a moléculas, como la creatinina, arginina, glutamina, guanidina-acetato, etc.
- EC 2.7.4: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato otro grupo fosfato. Gran parte de estas enzimas funcionan en la regulación de la formación o hidrólisis de compuestos de alta energía, como ATP, GTP, CTP y otros, pues se encargan de la adición, remoción o intercambio de grupos fosfato entre este tipo de moléculas o sus precursores. También participan en la transferencia de grupos fosfato hacia otras moléculas previamente fosforiladas, que pueden ser de naturaleza lipídica, carbohidratos o derivados de estos. Ejemplos son la adenilato quinasa, la nucleósido fosfato quinasa, la nucleósido trifosfato adenilato quinasa, la UMP/CMP quinasa y la farnesil fosfato quinasa, etc.
- EC 2.7.6: enzimas difosfotransferasas. Las difosfotransferasas catalizan la transferencia de dos grupos fosfato simultáneamente hacia el mismo sustrato. Ejemplo de estas enzimas son la ribosa-fosfato difosfoquinasa, la tiamina difosfoquinasa y la GTP difosfoquinasa, una importante enzima en el metabolismo de las purinas.
- EC 2.7.7: enzimas fosfotransferasas específicas de nucleótidos (nucleotidil fosfotransferasas). Las nucleotidil fosfotransferasas participan en muchos procesos celulares implicados en la activación e inactivación de otras proteínas y enzimas, así como también en algunos mecanismos de reparación del ADN. Su función es la de transferir nucleótidos, generalmente nucleótidos monofosfato de diferentes bases nitrogenadas. En esta clase de enzimas están las polimerasas de ADN y de ARN (tanto ADN como ARN dependientes), la UDP-glucosa 1-fosfato uridiltransferasa, entre otras.
- EC 2.7.8: enzimas que transfieren grupos fosfato con sustituciones. Esta clase tiene funciones significativas en las rutas de metabolismo de lípidos, especialmente en su síntesis. Se encargan de la transferencia de moléculas fosforiladas (grupos fosfatos con sustituciones) hacia otras moléculas “aceptoras”. Ejemplos de este grupo son la etanolamina fosfotransferasa, la diacilglicerol colina fosfotransferasa, la esfingomielina sintasa, etc.
- EC 2.7.9: enzimas fosfotransferasas con aceptores emparejados. Estas enzimas emplean un solo donador de grupo fosfato (ATP o relacionados) para fosforilar dos moléculas aceptoras diferentes. La piruvato fosfato diquinasa (PPDK) y la fosfoglucano agua diquinasa son ejemplos de estas enzimas.
- Fosfotransferasas que fosforilan residuos aminoacídicos de distintos tipos de proteínas
- EC 2.7.10: proteín-tirosina quinasas. Las proteín-tirosina quinasas son enzimas que catalizan la transferencia de grupos fosfato específicamente a residuos de tirosina en cadenas polipeptídicas de distintos tipos de aceptores proteicos.
- EC 2.7.11: proteín-serina/treonina quinasas. Tal y como lo hacen las proteín-tirosina quinasas, este grupo cataliza la transferencia de grupos fosfato a residuos de serina o treonina en otras proteínas. Un ejemplo conocido es la familia de las proteínas quinasas C, que participan en múltiples vías, pero especialmente en el metabolismo de lípidos. En dicho grupo también se incluyen muchas proteínas quinasas dependientes de AMP cíclico y de GMP cíclico, con importantes implicaciones en la diferenciación, crecimiento y comunicación celular.
- EC 2.7.12: quinasas son especificidad dual (que pueden actuar tanto en residuos de serina/treonina como de tirosina). Las proteínas quinasas quinasas activadas por mitógenos (MAPKK) forman parte de este grupo, capaces de fosforilar indistintamente residuos de serina, treonina o tirosina de otras proteínas quinasas.
- Proteín-histidina quinasas (EC 2.7.13) y proteín-arginina quinasas (EC 2.7.14). Existen otras proteínas quinasas capaces de transferir grupos fosfato a residuos de histidina y arginina en algunos tipos de proteínas, y son las proteín-histidina quinasas y las proteín-arginina quinasas.
Otras formas de clasificación
De acuerdo con distintos autores, las cinasas pueden clasificarse de mejor forma según el tipo de sustrato que emplean como aceptor de grupo fosfato.
Otros consideran que la mejor forma de clasificarlas es según la estructura y características de su sitio activo, es decir, según la conformación y la presencia de iones o determinadas moléculas en el mismo.
Según el tipo de sustrato, las quinasas pueden clasificarse como proteín cinasas (que fosforilan otras proteínas), lípido quinasas (que fosforilan lípidos), carbohidrato quinasas (que fosforilan distintos tipos de carbohidratos), nucleósido fosforilasas (que fosforilan nucleósidos), etc.
Funciones de las cinasas
Las enzimas del grupo de las quinasas son ubicuas en la naturaleza y una sola célula puede albergar cientos de tipos diferentes, catalizando reacciones en múltiples rutas celulares.
Sus funciones pueden ser muy diversas:
- Participan en múltiples procesos de señalización y comunicación celular, especialmente las proteínas quinasas, que catalizan la fosforilación consecutiva de otras proteínas quinasas (cascadas de fosforilación) en respuesta a estímulos internos y externos.
- Algunas con actividad enzimática tienen funciones centrales en el metabolismo de carbohidratos, lípidos, nucleótidos, vitaminas, cofactores y aminoácidos. Por ejemplo, nada más en la glucólisis participan al menos 4 quinasas: hexoquinasa, fosfofructoquinasa, fosfoglicerato quinasa y piruvato quinasa.
- Entre las funciones de señalización, las quinasas están implicadas en los procesos de regulación de la expresión genética, en la contracción muscular y en la resistencia a antibióticos en distintos tipos de organismos vivos.
- Las proteín-tirosina quinasas tienen funciones en la regulación de muchas rutas de transducción de señales que se relacionan con el desarrollo y la comunicación en los metazoos multicelulares.
- La modificación de proteínas por fosforilación (en otros contextos celulares distintos a la señalización celular) es un importante elemento de regulación de la actividad de gran cantidad de enzimas que participan en diferentes procesos metabólicos. Tal es el ejemplo de la regulación del ciclo celular por muchas proteínas ciclinas dependientes de quinasas.
- Las quinasas capaces de fosforilar lípidos son esenciales para los procesos de remodelado de las membranas celulares, así como de síntesis y formación de nuevas membranas.
Referencias
- Cheek, S., Zhang, H., & Grishin, N. V. Sequence and Structure Classification of Kinases. Journal of Molecular Biology.
- Kinases. Recuperado de britannica.com.
- Da Silva, G. Advances in Protein Kinases. InTech Open.
- Nomenclature Committee of the International Union of Biochemistry and Molecular Biology. Recuperado de qmul.ac.uk.