Протеолиз — это расщепление белков на более мелкие полипептиды или аминокислоты . Без катализа гидролиз пептидных связей происходит крайне медленно, занимая сотни лет. Протеолиз обычно катализируется клеточными ферментами, называемыми протеазами , но может также происходить путем внутримолекулярного переваривания.
Протеолиз в организмах служит многим целям; например, пищеварительные ферменты расщепляют белки в пище, чтобы обеспечить организм аминокислотами, в то время как протеолитическая обработка полипептидной цепи после ее синтеза может быть необходима для производства активного белка. Он также важен для регуляции некоторых физиологических и клеточных процессов, включая апоптоз , а также для предотвращения накопления нежелательных или неправильно свернутых белков в клетках. Следовательно, нарушение регуляции протеолиза может вызвать заболевание.
Протеолиз также можно использовать в качестве аналитического инструмента для изучения белков в лабораторных условиях, а также в промышленности, например, при переработке пищевых продуктов и удалении пятен.
Ограниченный протеолиз полипептида во время или после трансляции в синтезе белка часто происходит для многих белков. Это может включать удаление N-концевого метионина , сигнального пептида и/или преобразование неактивного или нефункционального белка в активный. Предшественник окончательной функциональной формы белка называется пропротеином , и эти пропротеины могут быть сначала синтезированы как препропротеин. Например, альбумин сначала синтезируется как препроальбумин и содержит нерасщепленный сигнальный пептид. Это образует проальбумин после расщепления сигнального пептида, а дальнейшая обработка для удаления N-концевого 6-остаточного пропептида дает зрелую форму белка. [1]
Инициирующий метионин (и, у прокариот, fMet ) может быть удален во время трансляции зарождающегося белка. Для E. coli fMet эффективно удаляется, если второй остаток небольшой и незаряженный, но не если второй остаток объемный и заряженный. [2] Как у прокариот , так и у эукариот открытый N-концевой остаток может определять период полураспада белка в соответствии с правилом N-конца .
Белки, которые должны быть направлены на определенную органеллу или для секреции, имеют N-концевой сигнальный пептид , который направляет белок к его конечному месту назначения. Этот сигнальный пептид удаляется протеолизом после их транспорта через мембрану .
Некоторые белки и большинство эукариотических полипептидных гормонов синтезируются как большой предшественник полипептида, известный как полипротеин, который требует протеолитического расщепления на отдельные более мелкие полипептидные цепи. Полипротеин проопиомеланокортин (ПОМК) содержит много полипептидных гормонов. Однако схема расщепления ПОМК может различаться в разных тканях, давая разные наборы полипептидных гормонов из одного и того же полипротеина.
Многие вирусы также производят свои белки изначально как одну полипептидную цепь, которая была транслирована с полицистронной мРНК. Этот полипептид впоследствии расщепляется на отдельные полипептидные цепи. [1] Распространенные названия полипротеина включают gag ( группоспецифический антиген ) у ретровирусов и ORF1ab у нидовирусов . Последнее название относится к тому факту, что скользкая последовательность в мРНК, которая кодирует полипептид, вызывает сдвиг рамки считывания рибосом , что приводит к двум разным длинам пептидных цепей ( a и ab ) в приблизительно фиксированном соотношении.
Многие белки и гормоны синтезируются в форме своих предшественников - зимогенов , проферментов и прегормонов . Эти белки расщепляются для формирования их конечных активных структур. Например, инсулин синтезируется как препроинсулин , который дает проинсулин после расщепления сигнального пептида. Затем проинсулин расщепляется в двух положениях, чтобы дать две полипептидные цепи, связанные двумя дисульфидными связями . Удаление двух остатков C-конца из B-цепи затем дает зрелый инсулин. Сворачивание белка происходит в одноцепочечной форме проинсулина, что облегчает образование конечных межпептидных дисульфидных связей и конечной внутрипептидной дисульфидной связи, обнаруженной в нативной структуре инсулина.
Протеазы, в частности, синтезируются в неактивной форме, чтобы их можно было безопасно хранить в клетках и чтобы они были готовы к высвобождению в достаточном количестве, когда это потребуется. Это необходимо для того, чтобы протеаза активировалась только в правильном месте или контексте, поскольку неправильная активация этих протеаз может быть очень разрушительной для организма. Протеолиз зимогена дает активный белок; например, когда трипсиноген расщепляется с образованием трипсина , происходит небольшая перестройка структуры белка, которая завершает активный сайт протеазы, тем самым активируя белок.
Таким образом, протеолиз может быть методом регулирования биологических процессов путем превращения неактивных белков в активные. Хорошим примером является каскад свертывания крови , в котором начальное событие запускает каскад последовательной протеолитической активации многих специфических протеаз, что приводит к свертыванию крови. Система комплемента иммунного ответа также включает в себя сложную последовательную протеолитическую активацию и взаимодействие, которые приводят к атаке на вторгающиеся патогены.
Распад белка может происходить внутриклеточно или внеклеточно. При переваривании пищи пищеварительные ферменты могут выделяться в окружающую среду для внеклеточного переваривания, при этом протеолитическое расщепление расщепляет белки на более мелкие пептиды и аминокислоты, чтобы их можно было усвоить и использовать. У животных пища может обрабатываться внеклеточно в специализированных органах или кишечнике , но у многих бактерий пища может быть интернализована посредством фагоцитоза . Микробное расщепление белка в окружающей среде может регулироваться доступностью питательных веществ. Например, ограничение основных элементов в белках (углерод, азот и сера) вызывает протеолитическую активность у грибка Neurospora crassa [3] , а также в сообществах почвенных организмов. [4]
Белки в клетках расщепляются на аминокислоты. Эта внутриклеточная деградация белка выполняет несколько функций: она удаляет поврежденные и аномальные белки и предотвращает их накопление. Она также служит для регулирования клеточных процессов путем удаления ферментов и регуляторных белков, которые больше не нужны. Затем аминокислоты могут быть повторно использованы для синтеза белка.
Внутриклеточная деградация белка может быть достигнута двумя способами — протеолизом в лизосоме или убиквитин -зависимым процессом, который направляет нежелательные белки в протеасому . Аутофагия -лизосомальный путь обычно является неселективным процессом, но он может стать селективным при голодании, когда белки с пептидной последовательностью KFERQ или аналогичной селективно расщепляются. Лизосома содержит большое количество протеаз, таких как катепсины .
Процесс, опосредованный убиквитином, является избирательным. Белки, помеченные для деградации, ковалентно связаны с убиквитином. Многие молекулы убиквитина могут быть связаны в тандеме с белком, предназначенным для деградации. Полиубиквитинированный белок нацелен на АТФ-зависимый протеазный комплекс, протеасому. Убиквитин высвобождается и повторно используется, в то время как целевой белок деградирует.
Различные белки деградируют с разной скоростью. Аномальные белки быстро деградируют, тогда как скорость деградации нормальных белков может сильно различаться в зависимости от их функций. Ферменты в важных контрольных точках метаболизма могут деградировать гораздо быстрее, чем те ферменты, активность которых в значительной степени постоянна при всех физиологических условиях. Одним из наиболее быстро деградирующих белков является орнитиндекарбоксилаза , период полураспада которой составляет 11 минут. Напротив, другие белки, такие как актин и миозин, имеют период полураспада месяц или более, в то время как, по сути, гемоглобин сохраняется в течение всей жизни эритроцита . [ 5]
Правило N-конца может частично определять период полураспада белка, а белки с сегментами, богатыми пролином , глутаминовой кислотой , серином и треонином (так называемые белки PEST ), имеют короткий период полураспада. [6] Другие факторы, предположительно влияющие на скорость деградации, включают скорость дезаминирования глутамина и аспарагина и окисления цистеина , гистидина и метионина, отсутствие стабилизирующих лигандов, наличие присоединенных углеводных или фосфатных групп, наличие свободной α-аминогруппы, отрицательный заряд белка, а также гибкость и стабильность белка. [5] Белки с большей степенью внутреннего беспорядка также имеют тенденцию иметь короткий клеточный период полураспада, [7] при этом неупорядоченные сегменты, как предполагается, способствуют эффективному инициированию деградации протеасомой . [ 8] [9]
Скорость протеолиза может также зависеть от физиологического состояния организма, например, его гормонального статуса, а также статуса питания. Во время голодания скорость распада белка увеличивается.
В процессе пищеварения человека белки в пище расщепляются на более мелкие пептидные цепи пищеварительными ферментами , такими как пепсин , трипсин , химотрипсин и эластаза , и на аминокислоты различными ферментами, такими как карбоксипептидаза , аминопептидаза и дипептидаза . Необходимо расщепить белки на небольшие пептиды (трипептиды и дипептиды) и аминокислоты, чтобы они могли быть всосаны кишечником, а всосавшиеся трипептиды и дипептиды также далее расщепляются на аминокислоты внутриклеточно, прежде чем они попадут в кровоток. [10] Различные ферменты имеют различную специфичность к своему субстрату; трипсин, например, расщепляет пептидную связь после положительно заряженного остатка ( аргинин и лизин ); химотрипсин расщепляет связь после ароматического остатка ( фенилаланин , тирозин и триптофан ); Эластаза расщепляет связь после небольшого неполярного остатка, такого как аланин или глицин.
Чтобы предотвратить ненадлежащую или преждевременную активацию пищеварительных ферментов (они могут, например, вызвать самопереваривание поджелудочной железы, вызывая панкреатит ), эти ферменты секретируются как неактивный зимоген. Предшественник пепсина , пепсиноген , секретируется желудком и активируется только в кислой среде, обнаруженной в желудке. Поджелудочная железа секретирует предшественников ряда протеаз, таких как трипсин и химотрипсин . Зимогеном трипсина является трипсиноген , который активируется очень специфической протеазой, энтерокиназой , секретируемой слизистой оболочкой двенадцатиперстной кишки . Трипсин, будучи активированным, может также расщеплять другие трипсиногены, а также предшественников других протеаз, таких как химотрипсин и карбоксипептидаза, чтобы активировать их.
У бактерий используется похожая стратегия использования неактивного зимогена или презимогена. Субтилизин , который вырабатывается Bacillus subtilis , вырабатывается как препросубтилизин и высвобождается только в том случае, если сигнальный пептид расщепляется и происходит автокаталитическая протеолитическая активация.
Протеолиз также участвует в регуляции многих клеточных процессов путем активации или дезактивации ферментов, факторов транскрипции и рецепторов, например, в биосинтезе холестерина [11] или в опосредовании передачи сигнала тромбина через рецепторы, активируемые протеазой [12] .
Некоторые ферменты в важных контрольных точках метаболизма, такие как орнитиндекарбоксилаза, регулируются исключительно скоростью синтеза и скоростью деградации. Другие быстро деградирующие белки включают белковые продукты протоонкогенов, которые играют центральную роль в регуляции роста клеток.
Циклины — это группа белков, активирующих киназы , участвующие в клеточном делении. Деградация циклинов — ключевой шаг, который управляет выходом из митоза и переходом в следующий клеточный цикл . [13] Циклины накапливаются в ходе клеточного цикла, а затем резко исчезают непосредственно перед анафазой митоза. Циклины удаляются через убиквитин-опосредованный протеолитический путь.
Каспазы — важная группа протеаз, участвующих в апоптозе или запрограммированной клеточной смерти . Предшественники каспазы, прокаспазы, могут активироваться протеолизом через ее связь с белковым комплексом, который образует апоптосому , или гранзимом B , или через пути рецептора смерти .
Автопротеолиз происходит в некоторых белках, при этом пептидная связь расщепляется в самокатализируемой внутримолекулярной реакции . В отличие от зимогенов , эти автопротеолитические белки участвуют в реакции «однократного оборота» и не катализируют дальнейшие реакции после расщепления. Примерами являются расщепление связи Asp-Pro в подмножестве доменов фактора фон Виллебранда типа D (VWD) [14] [15] и домена самопроцессинга FrpC Neisseria meningitidis , [16] расщепление связи Asn-Pro в белке Salmonella FlhB, [17] белке Yersinia YscU, [18] а также расщепление связи Gly-Ser в подмножестве белка спермы морского ежа, энтерокиназы и доменов агрина (SEA). [19] В некоторых случаях автопротеолитическое расщепление стимулируется конформационным напряжением пептидной связи. [19]
Аномальная протеолитическая активность связана со многими заболеваниями. [20] При панкреатите утечка протеаз и их преждевременная активация в поджелудочной железе приводит к самоперевариванию поджелудочной железы . У людей с сахарным диабетом может быть повышена лизосомальная активность, и деградация некоторых белков может значительно увеличиться. Хронические воспалительные заболевания, такие как ревматоидный артрит, могут включать в себя высвобождение лизосомальных ферментов во внеклеточное пространство, которые разрушают окружающие ткани. Аномальный протеолиз может привести ко многим неврологическим заболеваниям, связанным со старением, таким как болезнь Альцгеймера , из-за образования и неэффективного удаления пептидов, которые агрегируют в клетках. [21]
Протеазы могут регулироваться антипротеазами или ингибиторами протеаз , а дисбаланс между протеазами и антипротеазами может привести к заболеваниям, например, к разрушению легочных тканей при эмфиземе, вызванной курением табака. Считается, что курение увеличивает количество нейтрофилов и макрофагов в легких, которые выделяют избыточное количество протеолитических ферментов, таких как эластаза , так что они больше не могут ингибироваться серпинами, такими как α 1 -антитрипсин , тем самым приводя к разрушению соединительных тканей в легких. Другие протеазы и их ингибиторы также могут быть вовлечены в это заболевание, например, матриксные металлопротеиназы (ММП) и тканевые ингибиторы металлопротеиназ (ТИМП). [22]
Другие заболевания, связанные с аномальным протеолизом, включают мышечную дистрофию , дегенеративные заболевания кожи, респираторные и желудочно-кишечные заболевания, а также злокачественные новообразования .
Белковые остовы очень стабильны в воде при нейтральном pH и комнатной температуре, хотя скорость гидролиза различных пептидных связей может варьироваться. Период полураспада пептидной связи в нормальных условиях может составлять от 7 до 350 лет, и даже больше для пептидов, защищенных модифицированным концом или внутри белка. [23] [24] [25] Однако скорость гидролиза может быть значительно увеличена при экстремальных значениях pH и тепла. Спонтанное расщепление белков может также включать катализ цинком на серине и треонине. [26]
Сильные минеральные кислоты могут легко гидролизовать пептидные связи в белке ( кислотный гидролиз ). Стандартный способ гидролиза белка или пептида на составляющие его аминокислоты для анализа — это нагревание его до 105 °C в течение примерно 24 часов в 6M соляной кислоте . [27] Однако некоторые белки устойчивы к кислотному гидролизу. Одним из известных примеров является рибонуклеаза А , которую можно очистить, обработав сырые экстракты горячей серной кислотой, так что другие белки разрушаются, в то время как рибонуклеаза А остается нетронутой. [28]
Некоторые химические вещества вызывают протеолиз только после определенных остатков, и их можно использовать для селективного расщепления белка на более мелкие полипептиды для лабораторного анализа. [29] Например, бромциан расщепляет пептидную связь после метионина . Аналогичные методы можно использовать для специфического расщепления триптофанильных , аспартильных , цистеинильных и аспарагинильных пептидных связей. Для расщепления можно использовать такие кислоты, как трифторуксусная кислота и муравьиная кислота .
Как и другие биомолекулы, белки также могут быть разрушены только под действием высокой температуры. При 250 °C пептидная связь может быть легко гидролизована, при этом ее период полураспада сокращается примерно до минуты. [27] [30] Белок также может быть разрушен без гидролиза посредством пиролиза ; небольшие гетероциклические соединения могут начать образовываться при деградации. Выше 500 °C могут также образовываться полициклические ароматические углеводороды , [31] [32] что представляет интерес для изучения образования канцерогенов в табачном дыме и при приготовлении пищи при высокой температуре. [33] [34]
Протеолиз также используется в исследовательских и диагностических целях:
Протеазы можно классифицировать по каталитической группе, участвующей в ее активном центре. [39]
Некоторые типы яда, например, вырабатываемые ядовитыми змеями , также могут вызывать протеолиз. Эти яды, по сути, являются сложными пищеварительными жидкостями, которые начинают свою работу вне организма. Протеолитические яды вызывают широкий спектр токсических эффектов, [40] включая эффекты, которые:
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )