La acrosina es una serina proteinasa típica con especificidad similar a la tripsina.[3]
Mecanismo catalítico de acrosina
La reacción procede de acuerdo con el mecanismo habitual de serina proteasa. Primero, His-57 desprotona Ser-195, lo que le permite servir como nucleófilo. El Ser-195 desprotonado reacciona luego con el carbono carbonílico de un péptido, formando un intermedio tetraédrico. El intermedio tetraédrico entonces colapsa, lo que resulta en un grupo lábil H2NR1, que se protona por medio de su-57. Finalmente, His-57 desprotona una molécula de agua, que luego puede servir como nucleófilo al reaccionar de manera similar con el carbono carbonílico. El colapso del intermedio tetraédrico da como resultado un grupo saliente Ser-195, que es protonado a través de His-57, dando como resultado que todos los residuos vuelvan a su estado precatalítico, y un ácido carboxílico donde previamente había un enlace peptídico.
Función biológica
La acrosina es la principal proteinasa presente en el acrosoma de los espermatozoides maduros. Se almacena en el acrosoma en su forma precursora, la proacrosina. Tras el estímulo, el acrosoma libera su contenido en la zona pelúcida. Después de que ocurre esta reacción, la forma zimógena de la proteasa se procesa en su forma activa, β-acrosina. La enzima activa funciona en la lisis de la zona pelúcida, lo que facilita la penetración de los espermatozoides a través de las capas de glucoproteína más internas del óvulo.[3]
La importancia de la acrosina en la reacción del acrosoma ha sido cuestionada. Se ha descubierto a través de experimentos genéticos que los espermatozoides de ratón que carecen de β-acrosina (la proteasa activa) todavía tienen la capacidad de penetrar en la zona pelúcida.[4] Por lo tanto, algunos abogan por su papel en ayudar a la dispersión del contenido acrosómico después de la reacción del acrosoma, mientras que otros demuestran evidencia de su papel como una proteína de unión secundaria entre los espermatozoides y la zona pelúcida.[5][6][7] Según la hipótesis de la proteína de unión secundaria, la acrosina podría desempeñar un papel en la unión de moléculas en la zona pelúcida, uniendo los espermatozoides al huevo. Este "anclaje" aseguraría la penetración debido a la fuerza móvil aplicada de los espermatozoides.[8]
Se ha encontrado que la regulación de la acrosina se produce a través del inhibidor de la proteína C (PCI). PCI está presente en el tracto reproductor masculino en concentraciones 40 veces más altas que en el plasma sanguíneo.[9] Se ha demostrado que PCI inhibe la actividad proteolítica de la acrosina. Por lo tanto, se ha hipotetizado que PCI tiene un papel protector: si las enzimas acrosómicas se liberan prematuramente, o si los espermatozoides se degeneraron dentro del tracto reproductor masculino, las altas concentraciones de PCI inhibirían que la acrosina inflija daño proteolítico en los tejidos cercanos.[10]
Estructura
La β-acrosina demuestra un alto grado de identidad de secuencia (70-80%) entre las isoformas de jabalí, toro, rata, cobaya, ratón y humano.[3] Existe una identidad de secuencia algo similar (27-35%) entre la β-acrosina y otras serina proteasas como la tripsina y la quimotripsina. Si bien la mayoría de las serina proteasas se activan a través de un evento de escisión, la proacrosina requiere procesamiento en los dominios N y C-terminal. La proacrosina se escinde primero entre Arg-22 y la Valina adyacente para crear una cadena ligera de 22 residuos, y una proteasa activa denominada α-acrosina. Esta cadena ligera permanece asociada con la cadena pesada, reticulada a través de dos enlaces disulfuro para formar un heterodímero. Después de estos eventos de escisión N-terminal, tres divisiones en el dominio C-terminal eliminan 70 residuos, produciendo β-acrosina. La acrosina tiene dos sitios que se han identificado como posibles sitios de N-glicosilación: Asn-2 y Asn-169.
Contorno de la superficie del sitio activo de acrosina, que se muestra con el inhibidor competitivo benzamidina. El residuo del "guardián de puerta" Trp-215 se muestra ocluyendo parcialmente la entrada "superior" (como se muestra aquí) a la cavidad de unión.
La tríada catalítica consiste en los residuos His-57, Asp-102 y Ser-195.[3] Estos residuos se encuentran en un bolsillo de unión que se ha denominado bolsillo "S1", de acuerdo con el esquema de denominación que se ha adoptado para otras proteasas.[11] El bolsillo S1 regula la especificidad de la acrosina para los sustratos Arg y Lys, con un Trp-215 conservado que sirve como un residuo "guardián" para la entrada del sitio de unión.
Residuos del sitio activo de acrosina, que se muestran con el inhibidor competitivo benzamidina.
Un elemento estructural importante de la β-acrosina es un parche altamente cargado (formado a través de aminoácidos y modificaciones postraduccionales) en su región superficial, que se ha denominado el "exosito de unión a aniones".[3] Este sitio consiste en un área de exceso de carga positiva, que según la hipótesis es importante en la unión a la matriz de la zona pelúcida, una región altamente glucosilada y sulfatada con exceso de carga negativa.[12] Esta característica estructural es consistente con la hipótesis de la proteína de unión secundaria, ya que las interacciones carga-carga estabilizarían un complejo de "anclaje" de proteína-zona pelúcida.[13] Más coherente con esta hipótesis estructural es el conocimiento de que se ha descubierto que la suramina, un fármaco polisulfatado (con una carga negativa correspondiente sustancial) inhibe la unión de la zona pelúcida de la esperma.[14]
Enfermedad y relevancia farmacéutica
Mientras que un estudio que utilizó modelos de ratones indicó que la acrosina no es un componente necesario de la penetración de la zona pelúcida, otros estudios en humanos han demostrado una asociación entre la baja actividad de la proteinasa acrosómica y la infertilidad.[15][16] Otros grupos de investigación han demostrado una correlación significativa entre la actividad de acrosina y la motilidad de los espermatozoides.[17] En modelos de conejos, un dispositivo anticonceptivo intravaginal que secretaba sulfato sódico de tetradecilo, un inhibidor conocido de la acrosina y las hialuronidasas, tenía un efecto anticonceptivo completo.[18] Aunque su mecanismo de acción exacto no está del todo claro, la acrosina podría servir como un nuevo objetivo para los anticonceptivos. La acrosina puede representarse como un objetivo farmacéuticamente único debido a su ubicación y alta especificidad celular.[19] Por lo tanto, el desarrollo de inhibidores de la acrosina podría proporcionar la base de anticonceptivos masculinos seguros o reversibles, o anticonceptivos femeninos mediante el uso de dispositivos anticonceptivos intravaginales.
Además, como las serina proteasas son importantes en la potenciación del VIH, la investigación ha encontrado que un inhibidor de la acrosina, el 4'-acetamidofenil 4-guanidinobenzoato, posee la capacidad de inhibir la infección por VIH en los linfocitos inoculados con virus.[20] Esto sugiere el papel adicional de los inhibidores de acrosina como agentes potencialmente viables en la prevención de la transmisión del VIH.
↑«Role of acrosomal matrix proteases in sperm-zona pellucida interactions». Human Reproduction Update8 (5): 405-12. 2002. PMID12398221. doi:10.1093/humupd/8.5.405.
↑ abcdeTranter, Rebecca; Read, Jon A.; Jones, Roy; Brady, R. Leo (15 de noviembre de 2000). «Effector Sites in the Three-Dimensional Structure of Mammalian Sperm β-Acrosin». Structure(en inglés)8 (11): 1179-1188. ISSN0969-2126. PMID11080640. doi:10.1016/S0969-2126(00)00523-2.
↑T. Baba, S. Azuma, S. Kashiwabara, Y. Toyoda. Sperm from mice carrying a targeted mutation of the acrosin gene can penetrate the oocyte zona pellucida and effect fertilization" J. Biol. Chem. 1994; 269, pp. 31845–31849
↑K. Yamagata, T. Baba, et al. Acrosin accelerates the dispersal of sperm acrosomal proteins during acrosome reaction" J. Biol. Chem. 1998; 273, pp. 10470–10474
↑R. Jones, C.R. Brown. Identification of a zona-binding protein from boar spermatozoa as proacrosin. Expl" Cell Res 1987; 171, pp. 505–508
↑R. Jones. Interaction of zona pellucida glycoproteins, sulphated carbohydrates and synthetic polymers with proacrosin, the putative egg-binding protein from mammalian spermatozoa" Development 1991; 111, pp. 1155–1163
↑D.P. Green. The head shapes of some mammalian spermatozoa and their possible relationship to the shape of the penetration slit through the zona pellucida. J. Reprod. Fertil., 83 (1988), pp. 377–387
↑Zheng, X; Geiger, M; Ecke, S (1994). «Inhibition of acrosin by protein C inhibitor and localization of protein C inhibitor to spermatozoa». Am. J. Physiol.267 (2 Pt 1): C466-72. PMID7521127. doi:10.1152/ajpcell.1994.267.2.C466.
↑I. Schechter, A. Berger. On the size of the active site in proteases. I. Papain. Biochim. Biophys. Res. Commun, 27 (1967), pp. 157–162.
↑«Further fractionation of the glycoprotein families of porcine zona pellucida by anion exchange HPLC and some characterization of the separated fractions». J. Biochem.107: 144-150. 1990. doi:10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122998.
↑S. Shimizu, M. Tsuji, J. Dean. In vitro biosynthesis of three sulphated glycoproteins of murine zonae pellucidae by oocytes grown in follicle culture" J. Biol. Chem. 1983; 258, pp. 5858–5863
↑«Inhibition of sperm-zona binding by suramin, a potential "lead" compound for design of new anti-fertility agents». Mol. Hum. Rep.2 (8): 597-605. 1996. doi:10.1093/molehr/2.8.597.
↑«Acrosomal proteinase activity of human spermatozoa and relation of results to semen quality». Hum Reprod3 (Suppl 2): 75-80. Oct 1988. doi:10.1093/humrep/3.suppl_2.75.
↑Tummon I.S.; Yuzpe A.A.; Daniel S.A.; Deutsch A. Total acrosin activity correlates with fertility potential after fertilization in vitro" Fertil Steril 1991 Nov;56(5):933-8.
↑«Determination of sperm acrosin activity for evaluation of male fertility». Asian J Androl2: 229-232. Sep 2000.
↑Burck P.J., Zimmerman R.E. An intravaginal contraceptive device for the delivery of an acrosin and hyaluronidase inhibitor" Fertil Steril 1984 Feb;41(2):314-8.
↑Ning, Weiwei; Zhu, Ju; Zheng, Canhui; Liu, Xuefei; Song, Yunlong; Zhou, Youjun; Zhang, Xiaomeng; Zhang, Ling et al. (1 de abril de 2013). «Fragment-Based Design of Novel Quinazolinon Derivatives as Human Acrosin Inhibitors». Chemical Biology & Drug Design(en inglés)81 (4): 437-441. ISSN1747-0285. PMID23331539. doi:10.1111/cbdd.12106.Se sugiere usar |número-autores= (ayuda)
Elce JS, McIntyre EJ (Jan 1982). «Purification of bovine and human acrosin». Canadian Journal of Biochemistry60 (1): 8-14. PMID6802470. doi:10.1139/o82-002.
Klemm U, Müller-Esterl W, Engel W (Oct 1991). «Acrosin, the peculiar sperm-specific serine protease». Human Genetics87 (6): 635-41. PMID1937464. doi:10.1007/bf00201716.
Kim J, Bhinge AA, Morgan XC, Iyer VR (Jan 2005). «Mapping DNA-protein interactions in large genomes by sequence tag analysis of genomic enrichment». Nature Methods2 (1): 47-53. PMID15782160. doi:10.1038/nmeth726.
Moreno RD, Hoshi M, Barros C (May 1999). «Functional interactions between sulphated polysaccharides and proacrosin: implications in sperm binding and digestion of zona pellucida». Zygote7 (2): 105-11. PMID10418103. doi:10.1017/S0967199499000453.
Liu RZ, Lu YL, Xu ZG, Zuo WJ, Xin JL, Wang ZS (2003). «[The effect of semen antisperm antibody on human sperm acrosin activity]». Zhonghua Nan Ke Xue = National Journal of Andrology9 (4): 252-3. PMID12931362.
Steven FS, Griffin MM, Chantler EN (Aug 1982). «Inhibition of human and bovine sperm acrosin by divalent metal ions. Possible role of zinc as a regulator of acrosin activity». International Journal of Andrology5 (4): 401-12. PMID6815104. doi:10.1111/j.1365-2605.1982.tb00270.x.
Marí SI, Rawe V, Biancotti JC, Charreau EH, Dain L, Vazquez-Levin MH (Jun 2003). «Biochemical and molecular studies of the proacrosin/acrosin system in patients with unexplained infertility». Fertility and Sterility. 79 Suppl 3: 1676-9. PMID12801583. doi:10.1016/s0015-0282(03)00372-8.
Glogowski J, Demianowicz W, Piros B, Ciereszko A (Oct 1998). «Determination of acrosin activity of boar spermatozoa by the clinical method: optimization of the assay and changes during short-term storage of semen». Theriogenology50 (6): 861-72. PMID10734459. doi:10.1016/S0093-691X(98)00191-5.
Furlong LI, Veaute C, Vazquez-Levin MH (Jun 2005). «Binding of recombinant human proacrosin/acrosin to zona pellucida glycoproteins. II. Participation of mannose residues in the interaction». Fertility and Sterility83 (6): 1791-6. PMID15950652. doi:10.1016/j.fertnstert.2004.12.043.
Furlong LI, Harris JD, Vazquez-Levin MH (Jun 2005). «Binding of recombinant human proacrosin/acrosin to zona pellucida (ZP) glycoproteins. I. Studies with recombinant human ZPA, ZPB, and ZPC». Fertility and Sterility83 (6): 1780-90. PMID15950651. doi:10.1016/j.fertnstert.2004.12.042.
Dubé C, Leclerc P, Baba T, Reyes-Moreno C, Bailey JL (2005). «The proacrosin binding protein, sp32, is tyrosine phosphorylated during capacitation of pig sperm». Journal of Andrology26 (4): 519-28. PMID15955892. doi:10.2164/jandrol.04163.
Zahn A, Furlong LI, Biancotti JC, Ghiringhelli PD, Marijn-Briggiler CI, Vazquez-Levin MH (Mar 2002). «Evaluation of the proacrosin/acrosin system and its mechanism of activation in human sperm extracts». Journal of Reproductive Immunology54 (1–2): 43-63. PMID11839395. doi:10.1016/S0165-0378(01)00080-8.
Howes E, Pascall JC, Engel W, Jones R (Nov 2001). «Interactions between mouse ZP2 glycoprotein and proacrosin; a mechanism for secondary binding of sperm to the zona pellucida during fertilization». Journal of Cell Science114 (Pt 22): 4127-36. PMID11739644.
