Aspectos Biológicos
La activación de los zimógenos tiene lugar mediante una proteólisis limitada intra o intermolecular que escinde un propéptido inhibidor . Las prosequencias desempeñan papeles importantes como moduladores de la actividad de la proteasa para garantizar que la enzima madura se forme en el lugar y/o en el momento adecuado . Algunos miembros de la peptidasa C1A se sintetizan con la señal de retención del RE C-terminal KDEL que dirige estas proteasas a vesículas líticas especializadas. La secuencia KDEL parece actuar tanto como dominio de orientación como para mantener una forma inactiva . Además, las granulinas vegetales, consideradas como una subclase de la familia de la papaína y también implicadas en la senescencia, incluyen una secuencia de extensión C-terminal con una región rica en Pro y un dominio de granulina con una alta homología con las proteasas animales de la familia de la epitelina/granulina . Este dominio similar a la granulina también puede participar en la regulación de la solubilidad de la proteasa y en su activación .
La actividad de las peptidasas C1A también depende del pH, indicativo del compartimento donde se localizan y de la presencia de reguladores endógenos de la proteasa. La compartimentación dentro de las células proporciona otro nivel de regulación, ya que las células vegetales contienen varios tipos diferentes de orgánulos, cada uno con una función especializada. Las pro-enzimas inactivas se sintetizan en el lumen del retículo endoplásmico (RE). A continuación, a través de la red trans-Golgi, se transportan finalmente a las vacuolas o se segregan externamente para llegar a la proteína objetivo que debe degradarse. Además, se ha informado del transporte masivo de proformas de peptidasas C1A de cola KDEL a las vacuolas de almacenamiento de proteínas mediante vesículas derivadas del RE en la movilización en semillas germinales de dicotiledóneas . El pH relativamente ácido de las vacuolas proporciona las condiciones óptimas para el procesamiento de las proteasas, ya que estos orgánulos no sólo son el lugar de acción de las enzimas sino también de su activación. Además, las peptidasas C1A suelen almacenarse o sintetizarse de nuevo en un tipo de célula para iniciar la degradación de las proteínas objetivo en otros tipos de células. Por ejemplo, varias catepsinas L, H y B de la cebada están presentes en el epitelio escutelar y en la capa de la aleurona y se secretan en el endospermo en el momento de la germinación en respuesta a la AG.
Los estudios recientes sobre la peptidasa C1A de las plantas se han centrado principalmente en el análisis de los genes basado en la secuenciación de los genomas de muchas especies vegetales. Además de los análisis de la secuencia de aminoácidos y de la identificación de nuevos miembros de las proteasas, hay que investigar más a nivel proteico para dilucidar mejor las funciones fisiológicas de estas enzimas. Se ha publicado la participación de proteasas Cys individuales en la degradación de proteínas durante los procesos de senescencia y abscisión, la muerte celular programada, la maduración de los frutos y la acumulación y movilización de proteínas de almacenamiento en semillas y tubérculos. Las proteasas C1A también desempeñan un papel esencial en las respuestas de defensa locales y sistémicas contra patógenos y plagas .
Respecto al proceso de germinación, las semillas actúan como almacenes de almidón, proteínas y lípidos que se utilizan durante la germinación hasta que la fotosíntesis está completamente establecida. La hidrólisis de las reservas es un punto clave que se lleva a cabo principalmente por amilasas y proteasas, bien almacenadas durante la maduración de la semilla o bien recién sintetizadas durante la germinación temprana. Los productos de degradación son entonces absorbidos y utilizados para el desarrollo de las plántulas. Las peptidasas C1A se describen como el grupo más abundante de proteasas responsables de la degradación y movilización de las proteínas de almacenamiento en semillas de especies monocotiledóneas y dicotiledóneas . La mayor parte de la investigación sobre la germinación de semillas se ha realizado en cereales, particularmente en cebada, donde la mayoría de los eventos analizados se han centrado en el nivel transcripcional. Se ha descrito una compleja red de genes que codifican múltiples factores transcripcionales como genes implicados en el control de la expresión de la hidrolasa al inicio de la germinación . Además, la actividad de la proteasa C1A parece estar regulada a nivel postraduccional por las leguminas, peptidasas de cisteína específicas de Asn que participan en el procesamiento de los polipéptidos y la descomposición de las proteínas . Zhang & Jones informó que 27 cisteína proteasas estaban entre las 42 proteasas implicadas en la germinación de la semilla de cebada. Recientemente, un análisis completo del transcriptoma de la germinación del grano de cebada en dos fracciones de tejido (endospermo amiláceo/aleurona y embrión/scutellum) mostró la inducción de un elevado número de genes de peptidasas C1A durante la germinación, la mayoría de ellos mediados por giberelinas . Además, varias peptidasas similares a la catepsina L de la cebada, expresadas de forma diferente en los tejidos de la semilla, han sido implicadas en la movilización de las hordeínas, las principales proteínas de almacenamiento de la cebada . Del mismo modo, los genes ortólogos que codifican las proteasas C1A del trigo participan en la degradación de las proteínas del endospermo del trigo durante la germinación de la semilla y el posterior crecimiento de la plántula.
La movilización de los compuestos almacenados en las semillas de dicotiledóneas también está mediada principalmente por las peptidasas C1A, aunque sus patrones espaciales y temporales de expresión y actividades difieren considerablemente de las monocotiledóneas. En las semillas de leguminosas y colza, las globulinas son las proteínas de almacenamiento más abundantes en el grano y se movilizan primero en el eje embrionario durante la germinación. Sólo después de que se agoten las reservas de proteínas en el eje, el grueso de las globulinas se moviliza en los cotiledones tras la germinación. Otras peptidasas de cisteína, como las leguminas, parecen ser esenciales en el corte endoproteolítico de la movilización de las proteínas de almacenamiento en el eje embrionario y en los cotiledones en diferentes especies de leguminosas. También se ha demostrado el papel de las leguminas en los eventos de deposición y movilización de las globulinas 11S de los cotiledones de veza y trigo sarraceno durante la germinación de las semillas . Recientemente, Wang et al. han demostrado que las leguminas son también enzimas esenciales en la maduración de las glutelinas del arroz, que constituyen hasta el 80% del total de las proteínas del endospermo del arroz.
La senescencia es un proceso estrictamente controlado a lo largo del desarrollo de la planta que puede ser modulado por factores endógenos y exógenos y por el estrés . Se caracteriza por el desmantelamiento de la organización de los tejidos y por una alta eficiencia en la movilización y reubicación de nutrientes desde las hojas viejas, los pétalos y otros órganos hacia los tejidos sumideros (tubérculos, semillas de cereales, frutos) para sostener un mayor crecimiento y desarrollo. Se han descrito varias peptidasas C1A implicadas en la senescencia en diferentes tejidos y especies: pétalos de Dianthus caryophyllus L. y Alstroemeria , hojas de trigo y Arabidopsis , picado de la piel de la naranja , entre otros. En los tejidos senescentes del ricino, el lirio de día y la judía mungo, la propeptidasa de cola KDEL es el componente principal en la matriz de un orgánulo especial (ricinosoma o vesícula de proteasa precursora) que brota del RE. Se ha planteado la hipótesis de que la acumulación de esta peptidasa liberada de estos orgánulos es necesaria para las últimas etapas de la senescencia . Además, el silenciamiento antisentido de la proteasa Cyp15a (clasificada como peptidasa similar a la catepsina F) dio lugar a fenotipos de senescencia retardada en Medicago truncatula . Las plantas de tabaco transgénicas que expresan la cistatina de arroz OC-I, un inhibidor de la cisteína peptidasa, crecieron más lentamente que los controles y mostraron cambios en el contenido proteico de las hojas con una mayor abundancia, entre otras, de dos isoformas de la Rubisco activasa, junto con un retraso en la senescencia . Así, según estos autores, es probable que la Rubisco sea un objetivo principal de las cisteína peptidasas durante la senescencia y los mecanismos de interacción a través de la degradación vacuolar de las vesículas que contienen Rubisco. Asimismo, se ha observado la acumulación de cisteína peptidasas en las vacuolas asociadas a la senescencia, con una intensa actividad proteolítica, en las hojas senescentes de soja y tabaco de Arabidopsis. Paralelamente, se determinó una disminución constante de los niveles de Rubisco, lo que indica el papel de estas proteasas en la degradación de la clorofila durante la senescencia . Además, los hallazgos de precursores de las peptidasas similares a la papaína junto con las prolegumanas en los cuerpos ER de clasificación de proteasas de las células epidérmicas de Arabidopsis indican que ambos tipos de proteasas de cisteína contribuyen de forma cooperativa a las respuestas al estrés, al igual que lo hacen para la movilización de proteínas de almacenamiento durante la germinación de las semillas.
Las peptidasas C1A también desempeñan papeles cruciales en las interacciones entre patógenos y plagas de las plantas . Varios informes han demostrado que las plantas utilizan las peptidasas C1A para protegerse de diferentes plagas. La papaína es un componente del látex de la papaya que participa en la defensa del árbol de la papaya contra diferentes orugas de lepidópteros. Mir1 es una proteasa C1A del maíz inducida en respuesta al gusano militar herbívoro Spodoptera frugiperda . Una vez ingerida, la actividad proteolítica de Mir1 daña la matriz peritrófica del insecto, perjudicando la utilización de los nutrientes . Asimismo, las proteasas C1A se utilizan en procesos defensivos contra los patógenos de las plantas. Los genes de la catepsina B de Arabidopsis están implicados en la respuesta hipersensible y son necesarios para una resistencia basal completa contra el virulento patógeno bacteriano Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000 . Los efectores apoplásticos secretados por dos patógenos vegetales eucariotas no relacionados, el hongo Cladosporium fulvum y el oomiceto Phytophthora infestans, tienen como objetivo la peptidasa C1A Cys de defensa del tomate Rcr3 . Estos efectores son inhibidores de la cisteína proteasa similares a la cistatina, lo que apoya el importante papel que desempeña la interacción entre las enzimas C1A y las fitocistatinas en la defensa de las plantas.