Unha calpaína (, ) 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 reguladora CAPNS1, tamén chamada CAPN4, e o inhibidor específico de calpaína endóxeno, calpastatina.
Descubrimento A historia do descubrimento da calpaína empeza en 1964 cando se detectaron as actividades proteolíticas 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 dependente do calcio, a localización intracelular e a proteólise específica limitada sobre os seus substratos, salientaron o papel da calpaína como protease reguladora en vez de como dixestiva. Cando se coñeceu a secuencia deste encima, 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.
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 unhas subunidades grandes distintas de 80 kDa, coñecidas como calpaína 1 e calpaína 2 (codificadas, respectivamente, nos xenes CAPN1 e CAPN2).
Especificidade de clivaxe
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. 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 O Proxecto Xenoma Humano revelou que existe máis dunha ducia doutras isoformas de calpaínas, algunhas con moitas variantes de empalme. 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 Aínda que a función fisiolóxica das calpaínas 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. 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. 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.
O aumento da actividade das calpaínas, regulada por CAPNS1, contribúe significativamente á hiperactividade das plaquetas nun ambiente hipóxico.
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. A calpaína está tamén implicada na degradación de proteínas no músculo esquelético debido ao exercicio e en estados nutricionais alterados.
Importancia clínica
Patoloxía 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, 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 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. Pode tamén danar as canles iónicas, outros encimas, moléculas de adhesión celular e receptores da superficie celular. 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, 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). 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.
Inhibidores terapéuticos 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, o SJA6017, o ABT-705253, e o SNJ-1945.
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. Porén, a calpaína pode tamén estar implicada nun proceso de "reesculpido" ou remodelado que axuda a reparar os danos despois dunha lesión.
Notas
Véxase tamén Bibliografía
Ligazóns externas
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.
Categoría:Hidrolases Categoría:Peptidases Categoría:Familias de proteínas