miniatura|Model de cintes de l'estructura de la ubiqüitina. La ubiqüitina és un polipèptid de 76 residus d'aminoàcid (8,56 KDa) altament conservat, present en els eucariotes i absent en els procariotes. El procés d'ubiqüitinació és la modificació posttraduccional d'una proteïna en la qual de forma covalent se li uneixen un o més monòmers d'ubiqüitina. La principal funció de la ubiqüitinació és la de marcar proteïnes per a la seva degradació pel proteosoma.
Identificació La ubiqüitina (originalment, polipèptid omnipresent immunopoiètic) va ser identificada el 1975 com una proteïna de 8,5 kDa, de funció desconeguda, expressada en totes les cèl·lules eucariotes. Les funcions bàsiques de la ubiqüitina i els components de la via d'ubiqüitinització van ser aclarides a principis dels anys 1980 amb l'innovador treball realitzat al Fox Chase Cancer Center amb Aaron Ciechanover (doctor israelià en medicina i biologia), Avram Hershko (doctor israelià en medicina) i Irwin Rose (doctor americà en bioquímica), pel qual van rebre el premi Nobel de Química el 2004. La degradació de proteïnes era un tema poc estudiat, ja que es coneixien molts enzims que s'encarregaven de la degradació de proteïnes. Tots els processos estudiats fins llavors tenien en comú que no necessitaven energia. Però uns experiments que es van dur a terme als anys 50 van mostrar que el trencament de proteïnes si que necessitava un consum energètic. D'aquí va sorgir el dubte: perquè algunes degradacions de proteïnes cel·lulars no requereixen consum energètic i altres sí? És precisament aquest dubte el que va desencadenar l'estudi del Premi Nobel anomenat anteriorment.http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2004/popular.html. Al principi, el sistema d'ubiqüitinització va ser caracteritzat com un sistema proteolític depenent d'ATP present en extractes cel·lulars: Un altre investigador va començar a investigar el tema el 1977 quan van aconseguir un extracte de reticulòcits, que catalitzen el trencament de proteïnes indesitjades, procés que és dependent d'ATP. Hershko, Ciechanover i Rose van utilitzar aquest mateix extracte anys després per descobrir que les proteïnes marcades amb un polipèptid en específic acabaven degradades a través d'una sèrie de reaccions. Aquesta molècula de 76 aminoàcids va ser aïllada el 1975 de cèl·lules de teixit digestiu animal com que es va trobar en molts altres teixits i organismes (a excepció dels bacteris) va ser anomenada com ubiqüitina (del llatí ubique, que vol dir omnipresent, a tot arreu).http://stud.chem.uni.wroc.pl/users/lucek/JAREMKO/ubiquitin_pliki/page0003.htm
En l'estudi de l'extracte de reticulòcit, Hershko va veure que aquest extracte contenia una quantitat molt gran d'hemoglobina, que alterava els experiments. Ciachanover i Hershko van intentar eliminar aquesta substància mitjançant la cromatografia però en aquest intent van veure que l'extracte estava dividit en dues fraccions. L'any 1978 els investigadors van descobrir un polipèptid termoestable present en aquests extractes, el factor 1 proteolític depenent d'ATP (APF-1: active principle in fraction 1), trobat al procés ATP (i Mg2+) depenent covalentment del substrat proteic al lisozim. Diverses molècules APF-1 s'associen a un sol substrat molecular per un acoblament isopeptídic i els conjugats que es formen són ràpidament degradats tot alliberant APF-1. Poc després que la conjugació proteica APF-1 fos caracteritzada, l'APF-1 va ser identificada com ubiqüitina. Per una altra part, el 1977 es va descobrir que la ubiqüitina formava part d'una proteïna (A24) present en la cromatina. La ubiqüitina estava unida amb una histona H2A (que formava part de la mateixa proteïna A24) mitjançant un enllaç isopeptídic. Aquest descobriment, juntament amb altres, va establir que la ubiqüitina es podia conjugar amb altres proteïnes.
El 1980 els tres investigadors van publicar dos treballs amb els descobriments que havien fet. En aquests treballs es va mostrar que l'APF-1 tenia enllaços covalents amb diverses proteïnes de l'extracte i que fins i tot podrien estar enllaçades amb les mateixes proteïnes indesitjades. A aquest últim fenomen el van anomenar poliubiqüitinització. Així, el treball es va concentrar en esbrinar el procés enzimàtic que uneix la proteïna indesitjada i la ubiqüitina: els tres investigadors van seguir investigant i entre el 1981 i el 1983 van desenvolupar la "hipòtesi de marcatge multi-step ubiqüitina". Aquesta hipòtesi suposava l'activitat enzimàtica de tres enzims en el procés de marcatge: E1, E2 i E3. Va resultar que l'enzim que determina quines proteïnes han de ser marcades per la seva destrucció als proteosomes és el E3, el més abundant dels tres, en cèl·lules de mamífers.
Tots aquests processos, però, es van dur a terme en cèl·lules lliures. Així que per tal de poder estudiar la funció fisiològica de la degradació de proteïnes mitjançant la ubiqüitina, els investigadors van desenvolupar un mètode d'immunoquímica: les proteïnes cel·lulars es van marcar amb un aminoàcid radioactiu no present en la ubiqüitina de forma que el conjugat ubiqüitina-proteïna podia ser aïllat mitjançant anticossos per la ubiqüitina. Aquest sistema simplement demostrava, que, efectivament, el sistema ubiqüitina era el responsable de la degradació de proteïnes defectuoses. A hores d'ara es coneix que sobre el 30% de les proteïnes que es sintetitzen no passen el control de qualitat de la cèl·lula i es degraden mitjançant la via dels proteosomes.
Funcions miniatura|Model de camps electrònics (superfície molecular de la ubiqüitina).
El marcatge de proteïnes amb ubiqüitina juga diferents papers en les cèl·lules eucariotes. El millor caracteritzat és el marcatge de proteïnes defectuoses per la seva destrucció per part del proteosoma. Quan s'afegeix una sola molècula d'ubiqüitina a un substrat proteic (monoubiqüinització), altres molècules d'ubiqüitina poden ser afegides a la primera, formant un cadena de poliubiqüitines. A més a més, alguns substrats són modificats amb l'addició de molècules d'ubiqüitina a diversos residus de lisina en un procés anomenat multiubiqüinització. La ubiqüitina posseeix un total de 7 residus de lisina. Fa uns quants anys, s'identificaven les cadenes d'ubiqüitina que estaven ancorades a través de lisina 48. Avui en dia, però, s'ha demostrat que hi ha una àmplia varietat d'ancoratges en els quals hi participen tots els possibles tipus de residus de lisina juntament amb cadenes unides pel seu extrem N-terminal d'una molècula d'ubiqüitina.
Per tal de regular el cicle cel·lular, és important regular la concentració de proteïnes en el citosol i és aquesta la principal funció de la ubiqüitina, que permet que la degradació d'aquestes proteïnes (proteòlisi), es pugui dur a terme d'una manera selectiva. Regulant la degradació de proteïnes, les cèl·lules poden eliminar ràpidament proteïnes que, a la vegada, regulen altres funcions. Té un paper important els processos com els següents: http://www.analesranf.com/index.php/aranf/article/viewFile/185/216
Processament d'antigen Apoptosis Biogènesi de compartiments cel·lulars Transcripció i reparació de DNAHuang, T. T. and D'Andrea, A. D. (2006) Regulation of DNA repair by ubiquitylation. Nat. Rev. Mol. Diferenciació i desenvolupament Resposta immunitària i inflamació Degeneració neural i muscular Morfogènesi de xarxes neurals Modulació de receptors de superfície cel·lular, canals iònics i via secretora Resposta a l'estrès i a moduladors extracel·lulars Biogènesi de ribosomes Infeccions virals Regulació de l'endocitosiHicke, L. (2001) A new ticket for entry into budding vesicles-ubiquitin. Cell 106, 527-530.4 SenyalitzacióDi Fiore, P. P., Polo, S. and Hofmann, K. (2003) When ubiquitin meets ubiquitin receptors: a signalling connection. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 4, 491-497
És lògic que la ubiqüitina tingui un paper tan destacat en funcions tan importants, ja que tots aquests processos estan regulats per diverses proteïnes i la ubiqüitina és l'encarregada de regular les concentracions d'aquestes proteïnes. És per això que diem que la ubiqüitina té funció de targeting o senyalització, ja que segons a les proteïnes que s'uneixi o no s'uneixi, aquestes seran o no seran degradades. http://www.microbio.uab.edu/ptrm/2011/justement/chen_and_sun.pdf Les proteïnes existeixen com una cadena lineal d'aminoàcids que poden degradar-se amb el temps, ja que tal reacció és termodinàmicament favorable en un medi aquós. La relació entre la degradació d'una proteïna i la seva síntesi és el que determina la concentració d'aquesta proteïna dins de la cèl·lula. Per a ser degradades, a aquestes proteïnes se'ls uneix covalentment la ubiqüitina en el procés d'ubiqüinització. Els tipus de proteïnes que es degraden depenent d'ubiqüitina són les proteïnes desnaturalitzades, les mal plegades i les que contenen aminoàcids oxidats o anormals. Els proteasomes, però, són els altres elements essencials en la proteòlisi. Són complexos proteics encarregats de degradar la majoria de les proteïnes que es degraden al citosol. Es tracta de grans molècules de forma cilíndrica que reconeixen i s'uneixen a les proteïnes ubiqüitinitzades i que les destrueixen al seu interior, consumint també energia. Abans que això tingui lloc, les unitats d'ubiqüitina s'han alliberat per poder ser reutilitzades i que s'uneixin a altre proteïnes que també han de ser degradades. Es tracta d'un procés costós, però eficaç i ràpid.
Ubiqüitinització: Activació de la ubiqüitina La funció principal de la ubiqüitina és dur a terme el procés d'ubiqüitinització, un procés molt específic que permet a la cèl·lula marcar proteïnes per a la seva posterior degradació. http://www.sebiology.org/publications/Bulletin/March08/Ubiquitination.html La ubiqüitina és sintetitzada com un precursor inactiu i necessita ser processada per exposar el residu de glicina de l'extrem carboxi-terminal de la proteïna. Aquesta glicina pot aleshores unir-se de forma covalent a grups epsilon-amino de residus de lisina de la proteïna a marcar, un procés enzimàtic de modificació de proteïnes post-traduccional (PTM).
Aquest procés no té lloc només amb aquelles proteïnes que han estat mal plegades o malmeses, i que per tant són inútils i cal degradar-les, sinó que també és utilitzat per la cèl·lula per reduir la concentració de proteïnes essencials i és suficient amb l'addició d'unes poques molècules d'ubiqüitina perquè la proteïna sigui degradada (tot i que a vegades se n'uneixen més). Així, a més a més de les proteïnes malmeses sabem que també marca receptors de superfície de la cèl·lula, supressors de tumors i modeladors del seu creixement, activadors i inhibidors de transcripció i reguladors del cicle de la cèl·lula. Cal tenir present que la cèl·lula sintetitza i degrada proteïnes contínuament. http://stud.chem.uni.wroc.pl/users/lucek/JAREMKO/ubiquitin_pliki/page0012.htm
El procés d'ubiqüitinització es duu a terme principalment gràcies a tres enzims: E1 - Enzim activador de l'ubiqüitina, E2 - Enzim conjugador de l'ubiqüitina i E3 - Enzim Ligasa de la ubiqüitina. També se sospita l'existència d'un quart enzim participant: E4, però no se sap quina seria la seva funció. Aquest procés consisteix en una sèrie de passos: