Протеасомы

Стабильность белков и время их жизни является важным параметром различных клеточных процессов. Клетке необходимо не только своевременно синтезировать новые белки, но и разрушить «отработавшие», или синтезированные «с ошибками». Время жизни свыше 20% белков в организме – от нескольких часов до нескольких дней. Разрушение белков происходит в лизосомах и протеасомах - в лизосомах разрушаются внеклеточные и мембранные белки, а в протеасомах разрушаются внутриклеточные белки, не связанные с мембранами. В клетке находится несколько тысяч протеасом, расположенных в нуклеоплазме и цитоплазме, но не в других органоидах. В протеасомах разрушается до 90% всех клеточных короткоживущих белков (с регуляторными функциями) и 60-70% долгоживущих белков

Протеасомы выделяют в виде отдельных частиц с коэффициентами седиментации 20S и 26S. 20S частица является коровой частью 26S частицы, которая обладает протеолитической активностью.

Протеасома построена из центрального кора, состоящего из 14 белковых димеров, по 7 в кольцевой структуре. Всего - 4 кольца, расположенных друг над другом. Эти белки по сути – протеазы, протеолитические сайты расположены внутри протеасомы. Две регуляторные части с двух сторон от кора, 14 белков в каждой, 6 из которых ATP-азы. Некоторые из субъединиц узнают убиквитин - белок, состоящий из 76 аминокислот.

История открытия механизмов деградации белков в протеасомах началась со «случайности» - 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: демонтаж клеточных белков протекал только в присутствии АТФ, а в отсутствие АТФ расщепления не было. В тоже время было известно, что процессы расщепления белков в пищеварительном тракте (вместе с остальными продуктами) протекают с выделением энергии. Было проведено детальное изучение этого явления и установлено, что белки в клетке разрушаются не только при участии АТФ, но и в присутствии еще одного белка, обладающего высокой активностью, - убиквитина.

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. 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, именно на этой стадии требуется дополнительная энергия (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.

Понятый 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.

Таким образом, в клетках существует две системы деградации белков – лизосомы и протеасомы, обеспечивающие расщепление (протеолиз) белковых макромолекул.

Поиск по сайту: