As serpinas son unha superfamilia de proteínas con estruturas similares que foron inicialmente identificadas pola súa actividade de inhibición de proteases e poden atoparse en todos os reinos de seres vivos. Serpina é un acrónimo que se acuñou orixinalmente así porque as primeiras serpinas descubertas actuaban sobre as serina proteses similares á quimotripsina (que en inglés serían serine protease inhibitors = serpin). Son notables polo seu mecanismo de acción infrecuente, no cal inhiben irreversiblemente as súas proteases diana ao sufriren un gran cambio conformacional para distorsionar o sitio activo da súa molécula diana. Isto contrasta co mecanismo máis común de inhibición competitiva para inhibidores da protease que se unen e bloquea o acceso ao sitio activo da protease.
A inhibición de proteases feita polas serpinas controla un conxunto de procesos biolóxicos, como a coagulación e a inflamación, e consecuentemente estas proteínas son o obxectivo dunha intensa investigación médica. O seu cambio conformacional peculiar tamén espertou o interese no eido da bioloxía estrutural e pregamento de proteínas. Os mecanismos de cambio conformacional danlles certas vantaxes, pero tamén teñen inconvenientes: as serpinas son vulnerables a mutacións que poden resultar en serpinopatías como o pregamento incorrecto de proteínas e a formación de polímeros de cadea longa inactivos. A polimerización das serpinas non só reduce a cantidade de inhibidor activo, senón que tamén causa a acumulación dos polímeros, orixinando morte celular e insuficiencia orgánica.
Aínda que a maioría das serpinas controlan cadoiros proteolíticos, algunhas proteínas con estrutura de serpina non son inhibidores encimáticos, senón que realizan diversas funcións como o almacenamento (como faría a ovoalbumina na clara de ovo), transporte, como en proteínas transportadoras de hormonas (globulina fixadora de tiroxina, globulina fixadora de cortisol), e chaperonización molecular (HSP47). O termo serpina utilízase para describir estes membros tamén, malia non teren función inhibitoria, xa que están evolutivamente relacionados.
Historia Informouse por primeira vez da actividade inhibitoria da protease no plasma sanguíneo a finais do século XIX, pero ata a década de 1950 non se illaron as serpinas antitrombina e alfa1 antitripsina, co recoñecemento posterior da súa estreita homoloxía en 1979. Quedou claro que pertencían a unha nova familia proteica cando se comprobou o seu aliñamento coa proteína non inhibitoria da clara do ovo ovoalbumina, dando lugar á chamada superfamilia proteica alfa1-antitripsina-antitrombina III-ovalbumina de inhibidores da serina protease, pero foi despois renomeada de forma máis breve como superfamilia das Serpinas. A caracterización inicial da nova familia centrouse na alfa1-antitripsina, unha serpina presente nunha alta concentración no plasma sangíneo, cuxa mutación pode orixinar un trastorno xenético común que se considera a causa da predisposición á enfermidade pulmonar enfisema e á cirrose hepática. A identificación das mutacións S e Z responsables da deficiencia xenética e os posteriores aliñamentos de secuencias da alfa1-antitripsina e a antitrombina en 1982 levaron ao recoñecemento das estreitas homoloxías dos sitios activos das dúas proteínas, centrados nunha metionina na alfa1-antitripsina como inhibidor da elastase tisular, e na arxinina na antitrombina como inhibidor da trombina.
O papel fundamental do residuo do centro activo para determinar a especificidade da inhibición das serpinas foi confirmado inequivocamente polo descubrimento de que unha mutación natural que afectaba a metionina do centro activo na alfa1-antitripsina, que se cambiaba por arxinina (como na antitrombina), tiña como resultado un grave trastorno hemorráxico. Esta especificidade de centro activo da inhibición era tamén evidente nas moitas familias de inhibidores da protease pero as serpinas diferían delas en que eran proteínas moito máis grandes e tamén en que posuían o que se descubriu pouco despois como unha capacidade inherente para experimentar cambios de forma. A natureza deste cambio conformacional revelouse coa determinación en 1984 da primeira estrutura cristalina dunha serpina, a da alfa1-antitripsina post-clivaxe. Isto xunto coa posterior resolución da estrutura da ovoalbumina nativa (non clivada) indicou que o mecanismo inhibitorio das serpinas implicaba un notable cambio conformacional, no cal se producía o movemento do bucle peptídico exposto que contén o sitio reactivo e a súa incorporación como unha febra que quedaba en posición intermedia na folla beta-pregada principal que caracteriza a molécula de serpina. As primeiras evidencias do papel esencial do movemento deste bucle no mecanismo inhibitorio procederon do descubrimento de que incluso aberracións menores nos residuos de aminoácidos que forman a bisagra por onde se move na antitrombina tiñan como resultado unha enfermidade trombótica. A confirmación final do desprazamento ligado da protease diana por causa deste mvemento do bucle proporcionouna en 2000 ocoñecemento da estrutura do complexo post-inhibitorio da alfa1-antitripsina con tripsina, mostrando como o desprazamento resulta na deformación e inactivación da protease unida. Estudos estruturais posteriores revelaron unha vantaxe adicional do mecanismo conformacional para permitir a modulación sutil da actividade inhibitoria, como se viu en particular a nivel tisular coas serpinas funcionalmene diversas do plasma humano.
Ata agora identificáronse unhas 1000 serpinas, incluíndo 36 proteínas humanas, así como moléculas en todos os reinos da vida (animais, plantas, fungos, bacterias e arqueas) e nalgúns virus (Poxviridae). A característica central de todos é unha armazón estreitamente conservada, que permite o aliñamento preciso dos seus compoñentes estruturais e funcionais baseados na estrutura molde da alfa1-antitripsina. Na década de 2000, presentouse unha nomenclatura sistemática para categorizar os membros da superfamilia da serpina baseada nas súas relacións evolutivas. As serpinas son, polo tanto, a superfamilia máis grande e diversa de inhibidores de proteases.
Actividade miniatura|Unha protease (gris) unida a un bucle do centro activo de serpina (RCL, azul). Cando a tríade catalítica da protease (vermella) cliva o RCL, queda atrapado nunha conformación inactiva. ()|alt=Diagrama dunha serpina e unha protease A maioría das serpinas son inhibidores da protease, que afectan a serina proteases similares á quimotripsina extracelulares. Estas proteases posúen un resido de serina nucleófilo nunha tríade catalítica no seu sitio activo. Exemplos son a trombina, tripsina e a elastase do neutrófilo humana. As serpinas actúan como inhibidores suicidas irreversibles ao atraparen un intermediario do mecanismo catalítico da protease.
Algunhas serpinas inhiben outras clases de proteases, tipicamente cisteína proteases, e denomínanse "inhibidores de clase cruzada". Estes encimas difiren das serina proteases en que usan un residuo nucleófilo de cisteína, en vez dunha serina, no seu sitio activo. Non obstante, a química encimática é similar, e o mecanismo de inhibición polas serpinas é o mesmo en ambas as clases de proteases. Exemplos de serpinas inhibitorias de clase cruzada son a serpina B3 (antíxeno 1 de carcinoma de célula escamosa ou SCCA1),Izuhara K, Yamaguchi Y, Ohta S, Nunomura S, Nanri Y, Azuma Y, Nomura N, Noguchi Y, Aihara M. Squamous Cell Carcinoma Antigen 2 (SCCA2, SERPINB4): An Emerging Biomarker for Skin Inflammatory Diseases. Int J Mol Sci. 6 de abril de 2018;19(4):1102. doi: 10.3390/ijms19041102. ; PMCID: PMC5979376. Cita:"Os antíxenos 1 e 2 do carcinoma de células escamosas (SCCA1 e 2, SERPIN B3 e B4), membros da familia das serpinas serpina da ovoalbumina (ov-serpina)/clado B..." e a serpina aviaria proteína específica do estado de terminación nuclear mieloide e eritroide (MENT), as cales inhiben ambas as cisteína proteases similares á papaína.
Localización e función biolóxica Inhibición da protease Aproximadamente dous terzos das serpinas humanas realizan funcións extracelulares, inhibindo as proteases na circulación sanguínea para modular as súas actividades. Por exemplo, as serpinas extracelulares regulan os cadoiros proteolíticos esenciais para a coagulación do sangue (antitrombina), as respostas inflamatorias e inmunes (antitripsina, antiquimotripsina e o inhibidor de C1) e remodelación de tecidos (PAI-1). Ao inhibiren as proteases de cadoiros de sinalización, poden tamén afectar o desenvolvemento. A táboa das serpinas humanas (abaixo) proporciona exemplos do rango de funcións realizadas polas serpinas humanas, así como algunhas das enfermidades que resultan da deficiencia de serpinas.
As proteases que son diana das serpinas inhibitorias intracelulares foron difíciles de identificar, xa que moitas destas moléculas parecen realizar funcións solapadas. Ademais, moitas serpinas humanas carecen de equivalentes funcionais precisos en organismos modelos como o rato. Non obstante, unha función importante das serpinas intracelulares pode ser protexer contra a actividade inapropiada das proteases dentro da célula. Por exemplo, unha das serpinas humanas mellor caracterizadas é Serpina B9, que inhibe a protease grancima B dos gránulos citotóxicos. Facendo isto, a Serpina B9 pode protexer contra a liberación inadvertida de grancima B e a activación prematura ou non desexada das vías de morte celular.
Algúns virus usan as serpinas para interferir coas funcións das proteases do seu hóspede. A serpina viral da varíola das vacas CrmA (modificador da resposta de citocinas A) utilízase para evitar as respostas inflamatorias e apoptóticas de células hóspede infectadas. A CrmA incrementa a infectividade ao suprimir a resposta inflamatoria do hóspede por medio da inhibición do procesamento da IL-1 e IL-18 pola cisteína protease caspase-1. En eucariotas, unha serpina de plantas inhibe ambas as metacaspases e unha cisteína protease similar á papaína.
Funcións non inhibitorias As serpinas extracelulares non inhibitorias tamén realizan unha ampla variedade de funcións importantes. A globulina fixadora da tiroxina e a transcortina transportan as hormonas tiroxina e cortisol, respectivamente. A serpina non inhibitoria ovoalbumina é a proteína máis abundante da xema de ovo. A súa función exacta é descoñecida, pero pénsase que é unha proteína de almacenamento para o desenvolvemento do embrión. A serpina de choque térmico 47 é unha chaperona, esencial para o correcto pregamento do coláxeno. Actúa estabilizando a tripla hélice do coláxeno mentres está sendo procesado no retículo endoplasmático.
Algunhas serpinas son á vez inhibidores da protease e realizan funcións adicionais. Por exemplo, o inhibidor da cisteína protease nuclear MENT, en aves tamén actúa como molécula remodeladora da cromatina nos eritrocitos de aves.
Estrutura
miniatura|450px|O estado nativo das serpinas está en equilibrio entre un estrado completamente estresado (esquerda) e un estado parcialmente relaxado (dereita). A folla A de cinco febras (azul claro) contén dúas importantes rexións funcionais para o mecanismo da serpina, a fisura (breach na imaxe) e a persiana (shutter). O bucle do centro reactivo (RCL, azul) está nun equilibrio dinámico entre a conformación totalmente exposta (aberta) e a conformación na que está parcialmente inserida na fisura da folla A (dereita).()|alt=Diagrama dos estados da serpina