Cinasas: características, tipos, funciones

Las cinasas o quinasas son proteínas con actividad enzimática que se encargan de catalizar la transferencia de grupos fosfato (PO4-3) a diferentes tipos de moléculas. Se tratan de enzimas extremadamente comunes en la naturaleza, donde ejercen funciones trascendentales para los organismos vivos: participan el metabolismo, en la señalización y también 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 también a nivel estructural, genético y celular.

Se ha determinado que el genoma humano posee al menos 500 genes que codifican para enzimas pertenecientes al 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 dentro del grupo de las fosfotransferasas (EC 2.7), y usualmente emplean como moléculas “donadoras” de grupos fosfato a compuestos de alta energía como el ATP, GTP, CTP y otros relacionados.

Índice del artículo

• 1 Características
• 2 Tipos
  • 2.1 EC 2.7.1: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor de grupo fosfato un alcohol
  • 2.2 EC 2.7.2: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato un grupo carboxilo
  • 2.3 EC 2.7.3: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato un átomo de nitrógeno
  • 2.4 EC 2.7.4: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor del grupo fosfato otro grupo fosfato
  • 2.5 EC 2.7.6: enzimas difosfotransferasas
  • 2.6 EC 2.7.7: enzimas fosfotransferasas específicas de nucleótidos (nucleotidil fosfotransferasas)
  • 2.7 EC 2.7.8: enzimas que transfieren grupos fosfato con sustituciones
  • 2.8 EC 2.7.9: enzimas fosfotransferasas con aceptores emparejados
  • 2.9 Fosfotransferasas que fosforilan residuos aminoacídicos de distintos tipos de proteínas
  • 2.10 Otras formas de clasificación
• 3 Funciones
• 4 Referencias

Características

El término “quinasa”, como se ha comentado, se refiere comúnmente a todas las enzimas que se encargan de la transferencia del grupo fosfato terminal del ATP hacia otra molécula receptora o “aceptora” de grupo fosfato.

A pesar de que estas enzimas catalizan esencialmente la misma reacción de transferencia de grupos fosforilo, existe entre estas una gran diversidad, no solo respecto a la estructura, sino a la especificidad de sustratos y a las rutas celulares en las que participan.

Generalmente, su estructura se compone de láminas β-plegadas y hélices α que se pliegan específicamente para conformar el sitio activo, y dicho sitio activo usualmente contiene iones cargados positivamente (cationes) que estabilizan las cargas negativas de los grupos fosfato que transfieren.

En el sitio activo o cercanos a este se encuentran dos sitios de unión para sustratos: uno para el ATP o la molécula donadora de grupo fosfato y otro para el sustrato que será fosforilado.

La reacción general de estas enzimas (fosforilación) puede ser contemplada como sigue:

ATP + Sustrato → ADP + Sustrato Fosforilado

Donde el ATP dona el grupo fosfato que gana el sustrato.

Tipos

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 estas 14 clases de fosfotransferasas 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 se encuentran 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 se describen como sigue:

EC 2.7.1: enzimas fosfotransferasas que tienen como aceptor de grupo fosfato un alcohol

Este es uno de los grupos más importantes para el metabolismo energético de muchos organismos, pues contiene a 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, que están 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

Dentro de esta clase de enzimas cinasas o fosfotransferasas se encuentran las enzimas que transfieren grupos fosfato a porciones de moléculas con grupos carboxilos, como por ejemplo 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 las enzimas de este grupo funcionan en la regulación de la formación o hidrólisis de compuestos de alta energía como el 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.

Ejemplo de estas importantes enzimas 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, que es 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 se encuentran 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”.

Ejemplo de este grupo de enzimas 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: protein-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 de enzimas cataliza la transferencia de grupos fosfato a residuos de serina o treonina en otras proteínas.

Un ejemplo conocido de estas proteínas 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 de enzimas que son 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 estas 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 clasificar estas enzimas 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

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 de estas proteínas 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

1. Cheek, S., Zhang, H., & Grishin, N. V. (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, E. (1983). Historical Perspectives on Protein Phosphorylation and a Classification System for Protein Kinases. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B, 302, 3–11.
5. Krebs, E. (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