No se comprende completamente cómo el proteosoma reconoce las proteínas ubiquitinadas. Las proteínas receptoras de ubiquitina tienen un dominio similar a la ubiquitina y uno o más dominios de unión a ubiquitina en el extremo N. El dominio similar a la ubiquitina puede ser reconocido por la partícula reguladora 19S, mientras que el dominio de unión a ubiquitina puede unirse a la ubiquitina formando un haz de triple hélice. Estas proteínas receptoras pueden unirse a proteínas ubiquitinadas y transportarlas al proteosoma, pero se desconocen la especificidad y los mecanismos reguladores de esta unión. Sin embargo, los investigadores han descubierto recientemente que Rpn13, una subunidad del gránulo regulador, puede funcionar como receptor de ubiquitina.
La proteína ubiquitina en sí está compuesta por 76 residuos, por lo que se denomina "ubiquitina" porque existe ampliamente en los organismos: tiene una secuencia altamente conservada y está presente en todos los eucariotas medios conocidos. Los genes que codifican la ubiquitina en eucariotas están dispuestos en repeticiones en tándem, probablemente porque se requieren grandes cantidades de transcripción para producir suficiente ubiquitina para la célula. Se ha sugerido que la ubiquitina es la proteína de evolución más lenta jamás descubierta. Caminos de señales por todas partes. Donde "Ub" significa ubiquitina.
La proteína ubiquitina (en adelante proteína sustrato) es reconocida por la partícula reguladora 19S, que es un proceso de unión dependiente de ATP. Luego, la proteína sustrato debe ingresar a los poros internos de la partícula central 20S para entrar en contacto con los sitios hidrolíticamente activos ubicados allí. Dado que los poros de las partículas 20S son relativamente estrechos y ambos extremos están controlados por el extremo N de la subunidad del anillo α, la proteína sustrato debe desplegarse al menos parcialmente antes de ingresar a la partícula central. El proceso de transferir proteínas desplegadas a partículas centrales se llama "translocación" y la translocación debe ocurrir después de la despolimerización. Sin embargo, los mecanismos de ubiquitinación y despliegue de proteínas sustrato siguen siendo desconocidos. El paso del proceso de degradación general que limita la velocidad depende del tipo de proteína sustrato; para algunas proteínas, el proceso de desarrollo es un paso limitante de la velocidad, mientras que para otras puede ser un factor limitante de la velocidad. Aún no se sabe qué proteínas sustrato deben desplegarse antes de la translocación, pero la estructura terciaria sólida y algunas interacciones especiales no locales, como los enlaces disulfuro, pueden inhibir la degradación.
La "puerta" formada por la subunidad α puede impedir que péptidos de más de cuatro residuos entren en el interior de la partícula 20S. Antes del paso de reconocimiento, las moléculas de ATP unidas se hidrolizan antes de que se produzca la translocación, pero sigue siendo controvertido si la energía generada por la hidrólisis se utiliza para desplegar la proteína o "abrir la puerta". El proteasoma 26S aún puede degradar proteínas desplegadas cuando los análogos de ATP no se pueden hidrolizar (es decir, no se puede obtener la energía generada por la hidrólisis), pero no puede degradar proteínas plegadas. Este resultado sugiere que la energía generada por la hidrólisis del ATP se utiliza, al menos en parte, para el desarrollo de proteínas. Cuando el sombrero 19S está unido a ATP, las proteínas sustrato desplegadas pueden transferirse a través de la "puerta" abierta mediante difusión facilitada.
El mecanismo de despliegue de la globulina es básicamente similar, pero también depende en cierta medida de la secuencia de aminoácidos de la proteína.
Los investigadores descubrieron que contener secuencias más largas de glicina o alanina inhibe el desarrollo, reduciendo así la eficiencia de la degradación proteasomal; el resultado es una mezcla que contiene proteínas parcialmente desplegadas, posiblemente debido a la brecha entre la hidrólisis del ATP y los pasos de desarrollo causados por la desconexión. Algunas proteínas en la naturaleza también tienen esta secuencia repetida de glicina-alanina, como la fibroína de la seda; cabe mencionar que los productos de expresión de genes específicos del virus del herpes humano también contienen dichas secuencias, al inhibir el proteasoma actúa para prevenir la presentación de antígenos al mayor; complejo de histocompatibilidad, ayudando así a la propagación viral.
Vista transversal de la partícula del núcleo 20S que muestra la ubicación del sitio activo. Entre ellos, la subunidad α está representada por una bola verde, el esqueleto proteico de la subunidad β se muestra como una cinta y las diferentes cadenas polipeptídicas están representadas por diferentes colores. Las esferas rosadas indican la posición de los residuos de treonina en el sitio activo de cada subunidad. La estructura química en azul claro es bortezomib, un inhibidor que se une al sitio activo. La proteína es degradada por la subunidad β en la partícula central 20S y se cree que el mecanismo es un ataque nucleofílico dependiente de treonina. Este mecanismo puede requerir que las moléculas de agua unidas participen en la desprotonación del grupo hidroxilo de la treonina reactiva. La degradación ocurre en el poro entre los dos anillos β de la partícula central. Generalmente, no se producen productos de degradación parcial, pero la proteína sustrato se degrada completamente en segmentos peptídicos de una cierta longitud, la longitud del péptido suele ser de 7 a 9; residuos, pero puede variar entre 4-25 residuos dependiendo del organismo y la proteína del sustrato. Actualmente, los mecanismos que determinan la longitud de los fragmentos peptídicos en los productos de descomposición no se comprenden completamente. Aunque las tres subunidades β con actividad catalítica tienen el mismo mecanismo de degradación, sus especificidades de sustrato son ligeramente diferentes, a saber, hidrólisis similar a quimotripsina, similar a tripsina y peptidil-glutamil. Esta diferencia en la especificidad del sustrato resulta de interacciones entre residuos locales cerca del sitio activo y el sustrato. Cada subunidad β catalíticamente activa también contiene una lisina conservada necesaria para la degradación.
Aunque el proteosoma suele producir fragmentos de degradación muy cortos, en algunos casos estos productos de degradación son moléculas funcionales biológicamente activas. Los factores de transcripción específicos, incluido un componente del complejo NF-κB de los mamíferos, existen como moléculas precursoras inactivas después de la síntesis y se convierten en moléculas activas después de la ubiquitinación y la degradación de las proteasas. Esta degradación requiere que el proteosoma escinda la parte media de la proteína, en lugar de la escisión habitual de un extremo de la proteína. Se ha propuesto que la parte media a escindir sea un bucle largo que se asienta en la superficie de la proteína para que pueda servir como sustrato para el proteosoma y entrar en su poro interno, mientras que el resto de la proteína permanece fuera del poro. y no se degrada. Se encontró un fenómeno similar en las proteínas de levadura. Esta degradación selectiva se denomina "procesamiento regulado dependiente de ubiquitina/proteosoma". Aunque la mayoría de los sustratos del proteosoma deben estar ubiquitinados antes de la degradación, existen algunas excepciones, especialmente cuando el proteosoma participa en el procesamiento postraduccional de proteínas. Un buen ejemplo es la activación de NF-κB por el proteosoma al escindir la proteína p105 en proteína p50. Algunas proteínas que se consideran inestables debido a la presencia de proteínas no estructurales también pueden degradarse mediante vías independientes de la ubiquitina. La ornitina descarboxilasa es el sustrato proteosoma más conocido en la vía independiente de la ubiquitina. Aunque la proteína p53 también puede degradarse a través de la vía dependiente de la ubiquitina, se han informado mecanismos de degradación independientes de la ubiquitina de reguladores clave del ciclo celular, como la proteína p53. Además, bajo ciertas condiciones de estrés celular, las proteínas estructuralmente anormales, mal plegadas o sobreoxidadas también pueden ingresar a vías de degradación independientes de la ubiquitina y de los gránulos 19S.