miniaturadeimagen|Dihidroxiacetona cinasa en complejo con un análogo no hidrolizable de ATP. En bioquímica, una cinasa o quinasa (kinase en inglés) es una enzima que cataliza la transferencia de grupos fosfato de moléculas donantes de fosfato de alta energía a sustratos específicos. Este proceso se conoce como fosforilación, donde el sustrato gana un grupo fosfato y la molécula de ATP de alta energía dona un grupo fosfato. Esta transesterificación produce un sustrato fosforilado y ADP. A la inversa, se denomina desfosforilación cuando el sustrato fosforilado dona un grupo fosfato y el ADP gana un grupo fosfato (produciendo un sustrato desfosforilado y la molécula de ATP de alta energía). Estos dos procesos, fosforilación y desfosforilación, ocurren cuatro veces durante la glucólisis. TheFreeDictionary.com
Las cinasas son parte de la familia más grande de fosfotransferasas. Las cinasas no deben confundirse con las fosforilasas, que catalizan la adición de grupos fosfato inorgánicos a un aceptor, ni con las fosfatasas, que eliminan los grupos fosfato (desfosforilación). El estado de fosforilación de una molécula, ya sea una proteína, un lípido o un carbohidrato, puede afectar su actividad, reactividad y su capacidad para unirse a otras moléculas. Por lo tanto, las cinasas son críticas en el metabolismo, la señalización celular, la regulación de proteínas, el transporte celular, la secreción y muchas otras vías celulares, lo que las hace muy importantes para el funcionamiento del ser humano y los demás seres vivos.
Bioquímica e importancia funcional miniaturadeimagen|Reacción general catalizada por cinasas Las cinasas median la transferencia de un resto fosfato de una molécula de alta energía (como el ATP) a su molécula de sustrato, como se ve en la figura siguiente. Se necesitan cinasas para estabilizar esta reacción porque el enlace fosfoanhídrido contiene un alto nivel de energía. Las cinasas orientan adecuadamente su sustrato y el grupo fosforilo dentro de sus sitios activos, lo que aumenta la velocidad de la reacción. Además, comúnmente usan residuos de aminoácidos cargados positivamente, que estabilizan electrostáticamente el estado de transición al interactuar con los grupos fosfato cargados negativamente. Alternativamente, algunas cinasas utilizan cofactores metálicos unidos en sus sitios activos para coordinar los grupos fosfato. Las proteínas cinasas pueden clasificarse como catalíticamente activas (canónicas) o como pseudocinasas, lo que refleja la pérdida evolutiva de uno o más de los aminoácidos catalíticos que posicionan o hidrolizan el ATP. Sin embargo, en términos de resultados de señalización y relevancia de la enfermedad, tanto las cinasas como las pseudocinasas son importantes moduladores de señalización en las células humanas, lo que hace que las cinasas sean objetivos de fármacos muy importantes.Foulkes DM, Byrne DP and Eyers PA (2017) Pseudokinases: update on their functions and evaluation as new drug targets. Future Med Chem. 9(2):245-265
Las cinasas se utilizan ampliamente para transmitir señales y regular procesos complejos en las células. La fosforilación de moléculas puede mejorar o inhibir su actividad y modular su capacidad para interactuar con otras moléculas. La adición y eliminación de grupos fosforilo proporciona a la célula un medio de control porque varias cinasas pueden responder a diferentes condiciones o señales. Las mutaciones en las cinasas que conducen a una pérdida o ganancia de función pueden causar cáncer y enfermedades en humanos, incluidos ciertos tipos de leucemia y neuroblastomas, glioblastoma, ataxia espinocerebelosa (tipo 14), formas de hipogammaglobulinemia, y muchos otros.
Historia y clasificación La primera proteína en ser reconocida como catalizadora de la fosforilación de otra proteína usando ATP fue observada en 1954 por Gene Kennedy, momento en el que describió una enzima hepática que catalizaba la fosforilación de caseína. En 1956, Edmond H. Fischer y Edwin G. Krebs descubrieron que la interconversión entre la fosforilasa ay la fosforilasa b estaba mediada por la fosforilación y la desfosforilación. La cinasa que transfirió un grupo fosforilo a fosforilasa b, convirtiéndolo en fosforilasa a, se denominó fosforilasa cinasa. Años más tarde, se identificó el primer ejemplo de una cascada de cinasas, mediante la cual la proteína cinasa A (PKA) fosforila la fosforilasa cinasa. Al mismo tiempo, se encontró que la PKA inhibía la glucógeno sintasa, que fue el primer ejemplo de un evento de fosforilación que resultó en inhibición. En 1969, Lester Reed descubrió que la piruvato deshidrogenasa se inactivaba por fosforilación, y este descubrimiento fue la primera pista de que la fosforilación podría servir como un medio de regulación en otras vías metabólicas además del metabolismo del glucógeno. Ese mismo año, Tom Langan descubrió que la PKA fosforila la histona H1, lo que sugiere que la fosforilación podría regular las proteínas no enzimáticas. La década de 1970 incluyó el descubrimiento de proteínas cinasas dependientes de calmodulina y el descubrimiento de que las proteínas pueden fosforilarse en más de un residuo de aminoácido. La década de 1990 puede describirse como la "década de las cascadas de proteína cinasa". Durante este tiempo, se descubrieron la vía MAPK / ERK, las cinasas Jano (una familia de proteínas tirosina cinasas) y la cascada de cinasas dependiente de PIP3.
Las cinasas se clasifican en grupos amplios según el sustrato sobre el que actúan: proteína cinasas, lípido cinasas, carbohidrato cinasas. Las cinasas se pueden encontrar en una variedad de especies, desde bacterias hasta moho, gusanos y mamíferos. Se han identificado más de quinientas cinasas diferentes en humanos. Su diversidad y su papel en la señalización los convierte en un interesante objeto de estudio. Varias otras cinasas actúan sobre moléculas pequeñas como lípidos, carbohidratos, aminoácidoss y nucleótidos, ya sea para señalizarlas o para prepararlas para vías metabólicas. Las cinasas específicas a menudo reciben el nombre de sus sustratos. Las proteínas cinasas a menudo tienen múltiples sustratos y las proteínas pueden servir como sustratos para más de una cinasa específica. Por esta razón, las proteínas cinasas se nombran en función de lo que regula su actividad (es decir, Proteínas cinasas dependientes de calculina). A veces, se subdividen en categorías porque hay varias formas isoenzimáticas. Por ejemplo, las proteínas cinasas dependientes de AMP cíclico de tipoI y tipoII tienen subunidades catalíticas idénticas, pero diferentes subunidades reguladoras que se unen al AMP cíclico.
Proteína cinasas derecha|miniaturadeimagen| Descripción general de las vías de transducción de señales. Muchas de las proteínas involucradas son cinasas, incluidas las proteínas cinasas (como MAPK y JAK) y las lípido cinasas (como PI3K). Las proteínas cinasas actúan sobre las proteínas, fosforilándolas en sus residuos de serina, treonina, tirosina o histidina. La fosforilación puede modificar la función de una proteína de muchas formas. Puede aumentar o disminuir la actividad de una proteína, estabilizarla o marcarla para su destrucción, localizarla dentro de un compartimento celular específico y puede iniciar o interrumpir su interacción con otras proteínas. Las proteína cinasas constituyen la mayoría de todas las cinasas y se estudian ampliamente. Estas cinasas, junto con las fosfatasas, desempeñan un papel importante en la regulación de proteínas y enzimas, así como en la señalización celular.
Un punto común de confusión surge al pensar en las diferentes formas en que una célula logra la regulación biológica. Hay innumerables ejemplos de modificaciones covalentes que pueden sufrir las proteínas celulares; sin embargo, la fosforilación es una de las pocas modificaciones covalentes reversibles. Esto proporcionó el fundamento de que la fosforilación de proteínas es reguladora. El potencial para regular la función de la proteína es enorme dado que hay muchas formas de modificar covalentemente una proteína además de la regulación proporcionada por el control alostérico. En su Hopkins Memorial Lecture, Edwin Krebs afirmó que el control alostérico evolucionó para responder a las señales que surgen del interior de la célula, mientras que la fosforilación evolucionó para responder a las señales fuera de la célula. Esta idea es consistente con el hecho de que la fosforilación de proteínas ocurre con mucha más frecuencia en las células eucariotas en comparación con las células procariotas porque el tipo de célula más complejo evolucionó para responder a una gama más amplia de señales.
Cinasas dependientes de ciclina Las cinasas dependientes de ciclina (CDK) son un grupo de varias cinasas diferentes involucradas en la regulación del ciclo celular. Fosforilan otras proteínas en sus residuos de serina o treonina, pero las CDK deben unirse primero a una ciclina para ser activas. Diferentes combinaciones de ciclinas y CDK específicas marcan diferentes partes del ciclo celular. Además, el estado de fosforilación de las CDK también es fundamental para su actividad, ya que están sujetas a la regulación de otras cinasas (como la cinasa activadora de CDK) y fosfatasas (como Cdc25). Una vez que las CDK están activas, fosforilan otras proteínas para cambiar su actividad, lo que conduce a eventos necesarios para la siguiente etapa del ciclo celular. Si bien son más conocidas por su función en el control del ciclo celular, las CDK también desempeñan funciones en la transcripción, el metabolismo y otros eventos celulares.
Debido a su papel clave en el control de la división celular, las mutaciones en las CDK a menudo se encuentran en las células cancerosas. Estas mutaciones conducen a un crecimiento descontrolado de las células, donde rápidamente pasan todo el ciclo celular de forma repetida. Las mutaciones de CDK se pueden encontrar en linfomas, cáncer de mama, tumores de páncreas y cáncer de pulmón. Por lo tanto, se han desarrollado inhibidores de CDK como tratamientos para algunos tipos de cáncer.
Proteína cinasas activadas por mitógenos Las MAP cinasas (MAPK) son una familia de serina / treonina cinasas que responden a una variedad de señales de crecimiento extracelular. Por ejemplo, la hormona del crecimiento, el factor de crecimiento epidérmico, el factor de crecimiento derivado de las plaquetas y la insulina se consideran estímulos mitogénicos que pueden activar la vía MAPK. La activación de esta vía a nivel del receptor inicia una cascada de señalización mediante la cual Ras GTPasa intercambia GDP por GTP. A continuación, Ras activa la cinasa Raf (también conocida como MAPKKK), que activa MEK (MAPKK). MEK activa MAPK (también conocido como ERK), que puede regular la transcripción y la traducción. Mientras que RAF y MAPK son serina / treonina cinasas, MAPKK es una tirosina / treonina cinasa.
miniaturadeimagen| Una variedad de señales mitogénicas se involucran en la vía MAPK y promueven el crecimiento y la diferenciación celular a través de una cascada de cinasas. MAPK puede regular los factores de transcripción directa o indirectamente. Sus principales objetivos transcripcionales incluyen ATF-2, Chop, c-Jun, c-Myc, DPC4, Elk-1, Ets1, Max, MEF2C, NFAT4, Sap1a, STATs, Tal, p53, CREB y Myc. MAPK también puede regular la traducción mediante la fosforilación de la cinasa S6 en la subunidad mayor del ribosoma. También puede fosforilar componentes vía arriba en la cascada de señalización de MAPK, incluidos Ras, Sos y el propio receptor de EGF.
El potencial carcinogénico de la vía MAPK la hace clínicamente significativa. Está implicado en procesos celulares que pueden conducir a un crecimiento descontrolado y la consiguiente formación de tumores. Las mutaciones dentro de esta vía alteran sus efectos reguladores sobre la diferenciación celular, la proliferación, la supervivencia y la apoptosis, todos los cuales están implicados en diversas formas de cáncer.