Cimóxeno

Un cimóxeno (ou zimóxeno) é un proencima ou precursor encimático inactivo que necesita ser activado por medio dun corte proteolítico que separa unha parte da molécula para orixinar o encima activo.

Un exemplo é o cimóxeno pepsinóxeno (inactivo) segregado no estómago. O pH ácido creado polo ácido clorhídrico estomacal fai que a proteína sufra un pregamento e realice autocataliticamente un corte proteolítico no que se elimina un péptido de 44 aminoácidos no extremo N-terminal. O resto que queda do cimóxeno, agora máis pequeno, é o encima pepsina (activo), que fai a dixestión das proteínas. A propia pepsina pode axudar a activar máis pepsinóxeno, cortándolle ese péptido de 44 aminoacidos. Noutros casos os que fan o corte son outros encimas.

Cimóxeno E.

Reaccións de activación

Son as reaccións ás que deben ser sometidos os cimóxenos para converterse en encimas activos. Esta reacción require a rotura catalítica dun ou máis enlaces peptídicos por medio dunha proteólise limitada. Este proceso é unha reacción exergónica en condicións fisiolóxicas normais e é irreversible, e non existen reaccións opostas que que rexeneren o mesmo enlace peptídico que foi hidrolizado ou que reintegren o péptido que foi liberado do cimóxeno. Neste sentido, a activación dos cimóxenos é un mecanismo de control que é moi diferente das transicións alostéricas que se producen nalgúns encimas ou das modificacións covalentes reversibles doutros encimas (por exemplo, a glicóxeno fosforilase).

Deste xeito, cando se corta unha parte do cimóxeno (un número variable de aminoácidos) este queda máis pequeno e fórmase un centro catalítico ou centro activo, converténdose nun encima activo que pode actuar sobre substratos concretos. Así, dado que estes cambios se producen en último extremo pola modificación da súa configuración espacial, os cimóxenos poden activarse quimicamente por cambios no pH (caso do pepsinóxeno) ou pola acción de encimas proteolíticos.

Durante a proteólise, os cimóxenos perden un ou varios péptidos. Na natureza téndese a minimizar a perda de grandes rexións proteicas porque a súa síntese é custosa. Aínda así, nalgúns casos os péptidos ou fragmentos de activación eliminados poden superar en tamaño, á propia proteína activa. Un exemplo deste proceso é a activación do plasminóxeno, proteína sanguínea que perde 560 aminoácidos dos seus 791 iniciais.

Nalgúns casos, o proceso de activación consta dunha soa reacción; noutras situacións implica unha serie de reaccións consecutivas ou en cascada, que serven para amplificar un estímulo e obter unha maior resposta fisiolóxica. Desta maneira, en forma de cascada de activación, que é un fenómeno característico dos sistemas regulados por proteólise limitada, diversos precursores inactivos das proteases actívanse consecutivamente e de forma específica, multiplicando así a acción inicial dun número limitado de moléculas.

Un exemplo desta cascada de sinais é a activación do quimotripsinóxeno. A formación da estrutura final da quimotripsina ten lugar nunha serie de fases: na primeira, a tripsina corta o enlace entre os residuos de arxinina 15 e de isoleucina 16, dando como resultado unha forma activa da quimotripsina denominada π-quimotripsina. A continuación, uns cortes proteolíticos autocatalizados pola quimotripsina conducen á formación da Ϩ-quimotripsina, que sofre certos cambios conformacionais sucesivos, dando lugar primeiro á К-quimotripsina e despois á α-quimotripsina, forma activa final do encima.

Procesos autocatalíticos

A activación dos cimóxenos por rotura proteolítica dun ou varios enlaces peptídicos é un proceso encimático que require a presenza dun encima que o active. Xeralmente, o encima activador é un encima distinto do encima resultante da activación, dando lugar a un proceso de activación intermolecular sobre o precursor ou cimóxeno. Poden darse casos de activación recíproca, como pasa cando a calicreína activa o factor XII, acoplado á activación da precalicreína polo factor XIIa.

Naqueles casos nos que o encima activante coincide co activado o proceso de activación do cimóxeno é autocatalítico. Por exemplo:

Tripsinóxeno + tripsina → 2 tripsina + péptido

Nestas reaccións, o mesmo encima activo pode actuar nunha reacción de autocatálise sobre o seu precursor ou cimóxeno. De todos modos, noutros casos os cimóxenos mostran baixos niveis de capacidade proteolítica que poden contribuír á activación doutras moléculas diferentes do propio cimóxeno. O proceso de autoactivación que se acaba de describir ten un carácter intermolecular. Aínda que a eficacia catalítica da autoactivación é baixa, a natureza expoñencial da autocatálise favorece que poida chegar a representar un factor importante nos procesos de activación dos diferentes cimóxenos.

Exemplos de cimóxenos do organismo

Estrutura tridimensional dunha hidrolase ácida.

Nos lisosomas

Os cimóxenos xogan un papel importante nos lisosomas. Aínda que a dixestión adoita comezar nos endosomas temperáns, moitas hidrolases ácidas sintetízanse e transpórtanse como proencimas, que conteñen dominios extra inhibidores nos seus extremos N-terminais, que manteñen a hidrolase inactiva ata que estes dominios son degradados proteolíticamente. As hidrolases actívanse cando os lisosomas tardíos pasan a ser endolisosomas co resultado da fusión con lisosomas preexistentes, que conteñen un complemento completo de hidrolases activas que dixiren os dominios inhibidores dos novos encimas sintetizados. Ademais, o pH dos endosomas temperás non é baixo dabondo como para activar as hidrolases lisosómicas optimamente. Deste xeito, as células poden devolver a maioría das proteínas de membrana dos endosomas temperás e reciclalas na membrana plasmática.

Cimóxenos de proteases reguladoras

Outro exemplo son os cambios estruturais dos cimóxenos de proteases reguladoras implicadas na transformación proteolítica da acetilcolinesterase, encima que hidroliza a acetilcolina despois de que esta realizase a súa acción neurotransmisora . A acetilcolinesterase sofre unha proteólise limitada que a escinde en dous fragmentos con actividade de tripsina e carboxipeptidase, respectivamente. Ata agora, non se coñece a función das proteases xeradas, aínda que se suxeriu a súa participación en procesos de proliferación e crecemento neuronal.

Na coagulación do sangue

A coagulación do sangue tamén require unha serie de activacións proteolíticas nas que interveñen diversos tipos de proteínas, en especial as conversións de protrombina en trombina e de fibrinóxeno en fibrina. A coagulación do sangue é un proceso complexo no que a activación de cimóxenos ten un papel crucial. Así, a fibrinólise, un mecanismo complexo de activación de cimóxenos, é o mecanismo compensatorio da coagulación sanguínea. No derradeiro paso da formación de coágulos, que está mellor caracterizado, a proteína soluble fibrinóxeno convértese na proteína insoluble fibrina como resultado da hidrólise de catro enlaces peptídicos. Esta rotura é o resultado da acción da trombina, que á vez se orixina a partir dun cimóxeno denominado protrombina. A conversión de protrombina en trombina require do ión calcio e de todo un conxunto de proteínas denominadas factores de coagulación.

A protrombina pode unirse ao calcio, e esta unión ancora o cimóxeno nas membranas fosfolipídicas das plaquetas sanguíneas que se forman cando se produce unha ferida. A unión da protrombina á superficie dos fosfolípidos é fundamental, porque une moito a protrombina a dúas proteínas que catalizan a súa conversión a trombina. A activación proteolítica da protrombina elimina o dominio de unión ao calcio liberando a trombina da membrana, de maneira que agora xa pode escindir o fibrinóxeno e outras proteínas diana.

Vía do sistema do complemento.

No sistema inmunitario

Os cimóxenos interveñen tamén no sistema inmunitario; o denominado sistema do complemento é un complexo grupo de encimas do soro sanguíneo que en situacións fisiolóxicas normais colaboran cos anticorpos e outros factores e interveñen dunha maneira salientable como mediadores de reaccións inmunes ou alérxicas.

As reaccións nas que participa o complemento prodúcense no soro sanguíneo ou noutros líquidos corporais, razón pola cal se consideran reaccións humorais. Hai 11 proteínas no sistema do complemento, e desígnanse por medio da letra C e un número: C1, C2, C3 e así succesivamente ata a C9. A proteína C1 é en realidade un conxunto de subunidades designadas por C1q, C1r e C1s. No sistema do complemento a cascada consecutiva de activación de cimóxenos produce a lise de células bacterianas e tumorais.

Outros procesos biolóxicos

Outros procesos biolóxicos onde tamén está implicada a activación de cimóxenos son: a conversión de proinsulina en insulina e a de protirosinase en tirosinase. A activación de cimóxenos presenta tamén aplicacións na terapia farmacolóxica; así por exemplo, a administración do activador do plasminóxeno tisular (t-PA) a un doente despois da formación dun trombo sanguíneo nunha arteria coronaria aumenta a probabilidade de sobrevivir a un ataque cardíaco.

A existencia de cimóxenos evita que encimas potencialmente prerxudiciais para a maioría dos compoñentes celulares se encontren activos na célula, xa que só serán activados en lugares específicos, como o tracto gastrointestinal, onde, por razóns de tipo estrutural, non poden causar danos.

Efectos do alcohol nos cimóxenos pancreáticos

O consumo prolongado de alcohol pode levar a unha activación prematura dos encimas dixestivos na célula pancreática acinar, incrementando a fraxilidade dos gránulos de cimóxeno. Ademais, o alcohol incrementa a fraxilidade dos lisosomas, que segregan encimas lisómicos nas células acinares. O encima lisosómico catepsina-B pode activar o tripsinóxeno e convertelo en tripsina.

A fraxilidade dos lisosomas depende, aparentemente, de dous compoñentes que se acumulan durante a inxesta prolongada de alcohol: os ésteres de alcohol e os ésteres etílicos de ácidos graxos. O mecanismo polo cal se explica a fraxilidade nos orgánulos de cimóxeno, inducida polo alcohol descoñécese. Unha posibilidade é unha redución do contido de GP2 nos gránulos de cimóxeno, inducida polo alcohol, recentmente demostrada en ratas.

Notas

Bibliografía

• Jens Werner, Mouris Saghir, Andrew L. Warshaw, Kent B.Lewandrowski, Michael Laposata, Renato V. Lozzo, Edward A. Carter, Richard J. Schartz, and Carlos Fernández-del Castillo. Alcoholic pancreatis in rats: injury from nonoxidative metabolites of ethanol. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2002; 283: G65-G73
• Hemker y Hemker, 1969; Klein, 1982; Wester e col. 1987; Müller-Eberhard 1988; Havsteen e Varón, 1990
• "Molecular Biology of the Cell", Fifth Edition; Alberts, Johnson, Lewis, Raff, Roberts, Walter.