Протеолиз

Протеолиз

Протеолиз (проте [ины] + lysis разложение, распад) — ферментативный гидролиз белков и пептидов, катализируется протеолитическими ферментами (пептид-гидролазами, протеазами) и играет важную роль в регуляции обмена веществ в организме. С протеолизом связаны такие фундаментальные процессы жизнедеятельности, как внутриклеточный распад белков и регуляция их кругооборота (см. Азотистый обмен), пищеварение, оплодотворение, морфогенез, защитные реакции (см. Иммунитет), адаптационные перестройки обмена. Нарушение П. и его регуляции лежит в основе развития многих патологических состояний.

Различают два типа протеолиза: приводящий к полному расщеплению белковых молекул до отдельных аминокислот и частичный, так называемый ограниченный протеолиз, при котором избирательно гидролизуется одна или несколько пептидных связей в молекуле белка. Протеолиз первого типа происходит в результате согласованного действия различных протеолитических ферментов, тогда как реакции ограниченного П. катализируются отдельными специфическими протезами. Полный П. осуществляется при внутриклеточном распаде белков под влиянием тканевых протеаз (часто называемых катепсинами). Он протекает во многих случаях внутри лизосом — клеточных органелл, содержащих набор гидролитических ферментов. Путем полного П. происходит удаление из организма аномальных белков, образующихся в результате мутаций и ошибок биосинтеза. Полное расщепление белковых молекул наблюдается также при различных морфогенетических превращениях и адаптационных перестройках обмена. В процессах пищеварения под влиянием протеолитических ферментов желудочно-кишечного тракта пепсина, трипсина, химотрипсина и ряда пептидаз происходит полный П. белков пищи.

Ограниченный П. белковых молекул имеет первостепенное значение для регуляции обмена веществ в организме. Реакции ограниченного П. участвуют в процессе образования и инактивации практически всех ферментов, гормонов и других биологически активных белков и пептидов и, следовательно, в контроле активности основных биорегуляторов. Например, ограниченный П. происходит при превращении неактивных проферментов пепсиногена, трипсиногена и др. в соответствующие активные протеазы, а также при образовании ферментов, участвующих в свертывании крови, фибринолизе, активации системы комплемента, ренин-ангиотензинной и калликреин-кининовой систем и др. Эти системы организма активируются в результате каскадного процесса, на каждой из стадий которого из неактивного профермента путем ограниченного П. образуется фермент, катализирующий последующую реакцию. Примером роли ограниченного П. в биогенезе гормонов может служить специфический гидролиз ряда пептидных связей в молекуле проопиомеланокортина (см. Регуляторные пептиды), в результате которого из этого полифункционального биосинтетического предшественника образуются АКТГ, b-липотропин, эндорфины, меланоцитостимулирующие гормоны, из проинсулина — инсулин, из проглюкагона — глюкагон. Таким же образом из своих неактивных предшественников образуются факторы роста и другие регуляторные пептиды. При некоторых эндокринных заболеваниях, например наследственной проинсулинемии, нарушен ограниченный П. проинсулина. Основным молекулярным механизмом образования, инактивации и модификации различных нейропептидов также является ограниченный П., который тем самым играет существенную роль в реализации таких нейрофизиологических процессов, как память, боль, поведенческие реакции и др.

Ограниченный П. представляет собой один из основных механизмов посттрансляционной модификации — процессинга белков, этапа, на котором из вновь синтезированных полипептидных цепей формируются «зрелые» белковые молекулы. С помощью ограниченного П. образуются функционально активные белки и пептиды не только у высших, но и у простейших организмов. Так, путем ограниченного П. из вирусного полипротеина получаются специфические белки различных вирусов, т.е. ограниченный П. является одним из важнейших механизмов репродукции вирусов и играет большую роль в развитии вирусных инфекций.

В организме различные белки имеют разную продолжительность жизни: для одних белков она составляет минуты, для других — многие сутки. Продолжительность жизни белков и скорость их кругооборота определяются как скоростью их биосинтеза, так и скоростью протеолиза. Скорость П. белков зависит от ряда факторов, в частности от их взаимодействия с другими веществами: субстратами, коферментами, аллостерическими эффекторами (см. Ферменты), а также от химических модификаций, которым белок может подвергаться в клетке (гликозилирования, фосфорилирования и др.).

При переходе организма из одного физиологического состояния в другое (например, на определенных стадиях эмбриогенеза), а также при голодании и некоторых стрессорных реакциях наблюдается резкое усиление П. тканевых белков. Локальное усиление П. белков межклеточного матрикса (коллагена, фибронектина, ламинина, протеогликанов и др.) отмечается, например, в процессе разрушения хряща при ревматоидном артрите, базальной мембраны при гломерулонефрите, а также при инвазивном росте и метастазировании опухолей. Повышенный П. этих белков, а также эластина наблюдается в случае разрушения легочной ткани при эмфиземе легкого, туберкулезе легких и др. Рассеянный склероз и ряд других заболеваний нервной системы, сопровождающихся демиелинизацией, связаны с усилением П. основного белка миелина. При мышечной дистрофии отмечают повышенный П. белков миофибрилл. Во всех этих случаях усиленный распад белков обусловлен освобождением внутриклеточных протеаз и нарушением регуляции их активности.

Изменение П. белков при ряде других заболеваний может быть вызвано синтезом дефектного белка-субстрата. Это наблюдается при некоторых наследственных энзимопатиях, когда недостаточность фермента может быть о словлена синтезом белка-субстрата, обладающего повышенной чувствительностью к действию протеаз (например, b-галактозидазы при некоторых формах галактосиалидоза), или нарушением ограниченного П. биосинтетического предшественника ферментного белка и образованием вследствие этого аномальной формы фермента (например, аномальный a-субъединицы гексозаминидазы А при некоторых вариантах болезни Тея — Сакса).

Катализирующие гидролиз белков пептидгидролазы (протеазы, пептидазы) представляют собой большую группу ферментов, различающихся по своим физико-химическим свойствам, структуре и субстратной специфичности. Эти ферменты имеют универсальное распространение и локализованы в различных субклеточных структурах: ядрах, лизосомах, митохондриях, пластинчатом комплексе, микросомной и плазматической мембранах, цитозоле и др. Различают две большие группы протеаз: эндопептидазы, расщепляющие в белках внутренние и пептидные связи, и экзопептидазы, которые гидрализуют связи на N- и С-концевых участках пептидной цепи. По строению активного центра фермента и механизму его действия выделяют 4 семейства эндопептидаз: аспартильные, серниновые, цистеиновые и металлопротеазы, к аспартильным протеазам относятся пепсин, ренин, катепсины D, Е и ряд других; к сериновым ферментам принадлежат трипсин, химотрипсин, эластаза, подавляющее большинство протеаз плазмы крови (факторы свертывания крови, фибринолиза, системы комплемента, кининовой системы), многие внутриклеточные и бактериальные протеазы. К цистеиновым протеазам относятся многие катепсины: В, H, L, ряд бактериальных и растительных ферментов, из которых наиболее хорошо изучен папаин. Представителями металлопротеаз являются коллагеназа, термолизин и др. Экзопептид разделяют на аминопептидазы и карбоксипептидазы, дипептидиламинопептидазы и дипептидилкарбоксипептидазы, которые катализируют отщепление аминокислот или дипептидов от N- и С-конца пептидной цепи соответственно, и дипептидазы, катализирующие гидролиз дипептидов. Многие экзопептидазы являются металлоферментами.

Большинство протеаз синтезируется в виде неактивных предшественников — проферментов; их активация происходит в результате ограниченного П., протекающего либо аутокаталитически, либо под действием определенных протеаз. Многие протеазы подвергаются аутолизу (самоперевариванию), при этом часто теряют ферментативную активность. В некоторых случаях (например, у Са2+-зависимых нейтральных протеаз) на определенных этапах аутолиза отмечают активацию ферментов. В плазме крови и других биологических жидкостях также в различных клетках и тканях присутствуют белковые ингибиторы, специфически блокирующие активность отдельных протеаз или групп протеаз. С помощью систем таких ингибиторов осуществляются регуляция активности протеаз в физиологических условиях и предохранение белков от их действия. Нарушение баланса между протеазами и соответствующими ингибиторами часто приводит к развитию патологии.

Для коррекции П. в клинической практике в качестве лекарственных средств используют протеолитические ферменты и их ингибиторы. Так, для нормализации П. пищевых белков при некоторых желудочно-кишечных заболеваниях применяют препараты пепсина, трипсина, химотрипсина для лизиса сгустков фибрина при тромболитической терапии используют плазмин (фибринолизин), стрептокиназу и др.; при лечении гнойных ран, ожогов, пролежней для П. белков некротизированных тканей применяют трипсин, химотрипсин и некоторые другие протеазы. При заболеваниях, сопровождающихся усиленным П. белков (например, при панкреатитах) используют препараты ингибиторов протеаз: трасилол и др.).

УБИКВИТИН (от лат. ubique — вездесущий) — белок, присутствующий в клетках живого организма, открыт в 1970-х американским биохимиком Г.Голдстейном. Молекулы этого белка собраны из 76 аминокислотных остатков, его молекулярная масса сравнительно невелика, немногим более 8 тыс., он стабилен и участие в различных биохимических процессах не приводит к изменению его структуры. На рис.1 показано его строение в виде шаро-стержневой модели (А), а также его третичная структура (см. БЕЛКИ), т. е. упаковка отдельных участков цепи (Б). Он содержит одно спиральное образование (альфа-спираль) и четыре плоских ленты (бета-структуры).

Несмотря на то, что убиквитин находили во многих клетках живых организмов, и строение его было установлено, роль его в биохимических процессах была не ясна. Широко известным этот белок стал благодаря совместной работе биохимиков И.Роуза (США), А.Хершко (Израиль) и А.Кичановера (Израиль) (Нобелевская премия по химии, 2004)

Механизм синтеза белков в живом организме с участием нуклеиновых кислот за многие десятилетия детально исследован, он протекает внутри своеобразного биокомплекса — белкового образования, называемого рибосомой. По существу, это небольшая фабрика для сборки белковых молекул из аминокислот по строго определенной.

Интерес к процессам сборки белковых молекул оттеснил на задний план выяснение того, как происходит их демонтаж. Изучено было лишь разрушение так называемых внеклеточных белков, например, поступающих в организм с пищей, при этом было установлено, что белки, усваиваемые в пищеварительном тракте (совместно с другими продуктами питания) поставляют энергию, необходимую для существования организма. Что же касается белков, возникающих и работающих внутри живой клетки, то механизм их уничтожения был мало интересен.

Тем не менее, в живом организме есть хорошо отлаженные процессы расщепления белков на малые фрагменты, из которых организм затем вновь собирает в рибосоме другие нужные ему белки. Срок жизни белков в организме определяется их ролью, например, белки, входящие в состав хрусталика глаза, сохраняются неизменными в течение десятилетий, другие нужны организму в течение нескольких минут, чтобы запустить нужный процесс, после чего они должны быть разрушены, иначе их действие окажется губительным. Время жизни свыше 20% белков в организме — от нескольких часов до нескольких дней.

Когда начались исследования (около 30 лет назад), о процессах разрушения белков внутри клетки было известно немного. Если фабрика по производству белков — это рибосома, то фабрику, разрушающую белки, называют протеасомой, (так же, как и рибосома, она представляет собой специальное белковое образование — биологический комплекс в виде емкости цилиндрической формы, собранной из колец). Внутри расположен канал, на поверхности которого находятся активные центры, расщепляющие белки . Снаружи этот канал закрыт торцевыми подвижными крышками.

В каждой клетке находится несколько тысяч протеасом, и все они предназначены для расщепления белка.

Долгое время считалось, что попасть белковой молекуле в этот «утилизирующий контейнер» довольно просто, но тогда любой белок, в том числе и нужный, попавший во «чрево» протеасомы, уничтожался бы. Тем не менее, было неясно, почему туда попадает не любой, а строго определенный белок, именно тот, который следует утилизировать.

Процессы расщепления белков в пищеварительном тракте (вместе с остальными продуктами) протекают с выделением энергии. Начав изучать процессы разрушения внутриклеточных белков, Кичановер, Хершко и Роуз обратили внимание на то, что при расщеплении белков в клетке энергия не выделяется, а поглощается. Об этом свидетельствовало то, что демонтаж клеточных белков протекал только в присутствии аденозинтрифосфата (АТФ, вещество, представляющее собой универсальный источник энергии для всех биохимических процессов), а в отсутствии АТФ расщепления не было. Результаты этих экспериментов сначала не привлекли внимания, но именно эти опыты привели к последующим широкомасштабным исследованиям. Было проведено детальное изучение этого явления и установлено, что белки в клетке разрушаются в присутствии еще одного белка, обладающего высокой активностью. Оказалось, что это уже известный белок убиквитин, который был изучен, но роль его в биохимических процессах была неясна.

Было установлено, что решающая стадия в процессе утилизации белков — присоединение убиквитина к тому белку, который нужно уничтожить. Кроме того, обнаружилось, что вход в протеасому обычно закрыт, и попасть в нее может только белок, отмеченный специальной меткой, в этом случае вход в протеасому открывается. Роль такой «черной» метки играет убиквитин. Этот процесс прикрепления убиквитина к молекуле белка, подлежащего ликвидации, авторы назвали «поцелуем смерти».

Входя в протеасому, полимерная цепь уничтожаемого белка разворачивается и «протягивается» через центральный канал цилиндра, при этом она гидролизуется и распадается на мелкие звенья (иногда вплоть до отдельных аминокислот), которые выводятся из противоположного отверстия протеасомы. Сам убиквитин внутрь протеасомы не заходит, а после уничтожения отмеченной молекулы освобождается и начинает метить другую молекулу.

Этот процесс выглядит еще эффектнее, если учесть, что в некоторых случаях к уничтожаемому белку присоединяется не одиночная молекула убиквитина, а сразу несколько молекул, связанные между собой, как бусины на нитке .

Перед присоединением к белку, который следует устранить, убиквитин активируется с помощью специального фермента (биологического катализатора), именно на этой стадии требуется затрата дополнительной энергии, ее поставляет АТФ. Таким образом, получил объяснение тот факт, с которого и началось изучение всего этого механизма.

Результаты проведенных исследований позволили понять некоторые неразгаданные ранее особенности развития живых организмов. Например, растения в цветке содержат как отцовские клетки (пыльца), так и материнские (расположены в пестике цветка). Поскольку они рядом, то, казалось бы, самоопыление неизбежно, а это должно приводить к генетическому вырождению и вымиранию вида. Оказалось, что убиквитин помечает белки собственной пыльцы, что приводит к их уничтожению, а пыльца, попавшая в цветок в результате перекрестного опыления, убиквитином не затрагивается.

В процессе деления клетки ее ДНК удваиваются, все это время специальный белок наподобие шнура удерживает рядом друг с другом удваивающуюся пару. После удвоения молекулы ДНК должны разойтись, следовательно, белок, удерживающий их вместе, должен быть уничтожен, иначе процесс дальнейшего развития остановится. В этот момент включается убиквитин, ответственный за удаление ненужных белков.

Схема некоторых биохимических процессов напоминает работу устройств с взаимотормозящими противовесами. В иммунных клетках организма есть белок, включающий действие иммунной системы, уничтожающей проникший в клетку вирус. В нормальном состоянии действие этого белка заторможено другим белком — ингибитором (замедлитель). Если в клетку попадает вирус, то активизируется убиквитин, который начинает метить белок-ингибитор, уничтожение ингибитора ведет к тому, что вступает в действие заторможенный ранее белок, запускающий иммунную систему, в результате вирус уничтожается.

Разработанный убиквитиновый механизм открывает новые перспективы в борьбе с различными заболеваниями. Образование злокачественных образований или ослабление иммунной системы клетки связаны с нарушением убиквитиновой защиты клетки от нежелательных белков. Процессы ненормального или неправильного расщепления белков приводят ко многим заболеваниям (например, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, некоторые онкологические заболевания) и связаны с процессами старения организма. Изученный механизм убиквитиновой защиты открывает возможность поиска различных воздействий на этот механизм, чтобы запускать его в нужную сторону. Например, затормозить действие убиквитина можно, снизив концентрацию АТФ, поставляющего энергию, необходимую для протекания процесса. По существу, это использование того эффекта, с открытия которого начались исследования. Возможны и другие способы воздействия на процесс. Сейчас ведутся интенсивные разработки различных лекарственных препаратов, основанные на понимании механизма убиквитиновой защиты. В 2004 в США было начато производство первого такого препарата — антиракового средства Velcade. Другое реализованное применение — создан надежный тест на бесплодие мужчин, использующий анализ на присутствие убиквитина.