Протеолиз — это распад белков на более мелкие полипептиды или аминокислоты . Без катализатора гидролиз пептидных связей происходит чрезвычайно медленно и занимает сотни лет. Протеолиз обычно катализируется клеточными ферментами , называемыми протеазами , но может также происходить путем внутримолекулярного пищеварения.
Протеолиз в организмах служит многим целям; например, пищеварительные ферменты расщепляют белки пищи, чтобы обеспечить организм аминокислотами, тогда 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 лаборатории, а также в промышленности, например, при обработке пищевых продуктов и удалении пятен.
Ограниченный протеолиз полипептида во время или после трансляции при синтезе белка часто происходит для многих белков. Это может включать удаление N-концевого метионина , сигнального пептида и/или превращение неактивного или нефункционального белка в активный. Предшественник конечной 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. После расщепления сигнального пептида образуется проальбумин, а дальнейшая обработка с целью удаления N-концевого пропептида из 6 остатков дает зрелую форму белка. [1]
Инициирующий метионин (а у прокариотов fMet ) может быть удален во время трансляции возникающего белка. Для E. coli fMet эффективно удаляется, если второй остаток небольшой и незаряженный, но не в том случае, если второй остаток объемный и заряженный. [2] И у прокариот , и у эукариот обнаженный N-концевой остаток может определять период полураспада белка в соответствии с правилом N-конца .
Белки, которые должны быть нацелены на определенную органеллу или для секреции, имеют N-концевой сигнальный пептид , который направляет белок к конечному пункту назначения. Этот сигнальный пептид удаляется путем протеолиза после их транспорта через мембрану .
Некоторые белки и большинство эукариотических полипептидных гормонов синтезируются в виде большого полипептида-предшественника, известного как полипротеин, который требует протеолитического расщепления на отдельные более мелкие полипептидные цепи. Полипротеин проопиомеланокортин (ПОМК) содержит множество полипептидных гормонов. Однако характер расщепления ПОМК может различаться в разных тканях, приводя к образованию разных наборов полипептидных гормонов из одного и того же полипротеина.
Многие вирусы также производят свои белки первоначально в виде одной полипептидной цепи, которая транслируется с полицистронной мРНК. Этот полипептид впоследствии расщепляется на отдельные полипептидные цепи. [1] Общие названия полипротеина включают gag ( групповой антиген ) у ретровирусов и ORF1ab у Nidovirales . Последнее название относится к тому факту, что скользкая последовательность мРНК, которая кодирует полипептид, вызывает сдвиг рамки рибосомы , что приводит к образованию двух разных длин 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 с образованием окончательных активных структур. Инсулин , например, синтезируется в виде препроинсулина , который после расщепления сигнального пептида дает проинсулин . Затем проинсулин расщепляется в двух положениях с образованием двух полипептидных цепей, связанных двумя дисульфидными связями . Удаление двух С-концевых остатков из В-цепи приводит к образованию зрелого инсулина. Сворачивание белка происходит в одноцепочечной форме проинсулина, что способствует образованию конечных межпептидных дисульфидных связей и конечной внутрипептидной дисульфидной связи, обнаруженной в нативной структуре инсулина.
В частности, протеазы синтезируются в неактивной форме, поэтому их можно безопасно хранить в клетках и при необходимости они готовы к высвобождению в достаточном количестве. Это необходимо для того, чтобы гарантировать, что протеаза активируется 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, завершающая активный центр протеазы, тем самым активируя белок.
Таким образом, протеолиз может быть методом регуляции биологических процессов путем превращения неактивных белков в активные. Хорошим примером является каскад свертывания крови , при котором начальное событие запускает каскад последовательной протеолитической активации многих специфических протеаз, что приводит к свертыванию крови. Система комплемента иммунного ответа также включает сложную последовательную протеолитическую активацию и взаимодействие, которые приводят к атаке вторгшихся патогенов.
Деградация белка может происходить внутриклеточно или внеклеточно. При переваривании пищи пищеварительные ферменты могут высвобождаться в окружающую среду для внеклеточного пищеварения , в результате чего протеолитическое расщепление расщепляет белки на более мелкие пептиды и аминокислоты, чтобы они могли быть поглощены и использованы. У животных пища может перерабатываться внеклеточно в специализированных органах или кишечнике , но у многих бактерий пища может усваиваться посредством фагоцитоза . Микробиологическая деградация белка в окружающей среде может регулироваться доступностью питательных веществ. Например, ограничение основных элементов в белках (углерода, азота и серы) индуцирует протеолитическую активность у гриба Neurospora crassa [3] , а также в сообществах почвенных организмов. [4]
Белки в клетках расщепляются на аминокислоты. Эта внутриклеточная деградация белка выполняет несколько функций: удаляет поврежденные и аномальные белки и предотвращает их накопление. Он также служит для регулирования клеточных процессов путем удаления ферментов и регуляторных белков, которые больше не нужны. Аминокислоты затем можно повторно использовать для синтеза белка.
Внутриклеточная деградация белка может быть достигнута двумя способами - протеолизом в лизосомах или убиквитин -зависимым процессом, который направляет нежелательные белки в протеасомы . Путь аутофагии -лизосомы обычно не является селективным процессом, но он может стать селективным при голодании, при котором белки с пептидной последовательностью KFERQ или аналогичной селективно расщепляются. Лизосома содержит большое количество протеаз, таких как катепсины .
Убиквитин-опосредованный процесс является избирательным. Белки, отмеченные для деградации, ковалентно связаны с убиквитином. Многие молекулы убиквитина могут быть связаны в тандеме с белком, предназначенным для деградации. Полиубиквинированный белок нацелен на АТФ-зависимый протеазный комплекс, протеасому. Убиквитин высвобождается и используется повторно, в то время как целевой белок разрушается.
Различные белки разлагаются с разной скоростью. Аномальные белки быстро разрушаются, тогда как скорость деградации нормальных белков может широко варьироваться в зависимости от их функций. Ферменты в важных точках метаболического контроля могут разрушаться гораздо быстрее, чем те ферменты, активность которых в основном постоянна при всех физиологических условиях. Одним из наиболее быстро разлагаемых белков является орнитиндекарбоксилаза , период полураспада которой составляет 11 минут. Напротив, другие белки, такие как актин и миозин , имеют период полураспада в 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 свободных α-аминогрупп. группа, отрицательный заряд белка, а также гибкость и стабильность белка. [5] Белки с более высокой степенью внутреннего беспорядка также имеют тенденцию иметь короткий период полураспада в клетках, [7] при этом неупорядоченные сегменты, как предполагается, способствуют эффективному инициированию деградации протеасомой . [8] [9]
Скорость протеолиза может также зависеть от физиологического состояния организма, например, от его гормонального состояния, а также от статуса питания. Во время голодания скорость деградации белка увеличивается.
При пищеварении человека белки пищи 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 . Белки необходимо расщеплять на мелкие пептиды (трипептиды и дипептиды) и аминокислоты, чтобы они могли всасываться в кишечнике, а всосавшиеся трипептиды и дипептиды также дополнительно расщепляются на аминокислоты внутриклеточно, прежде чем они попадут в кровоток. [10] Различные ферменты имеют разную специфичность к своему субстрату; трипсин, например, расщепляет пептидную связь после положительно заряженного остатка ( аргинина и лизина ); химотрипсин разрывает связь после ароматического остатка ( фенилаланина , тирозина и триптофана ); эластаза расщепляет связь после небольшого неполярного остатка, такого как аланин или глицин.
Чтобы предотвратить неадекватную или преждевременную активацию пищеварительных ферментов (они могут, например, вызвать самопереваривание поджелудочной железы, вызывающее панкреатит ), эти ферменты секретируются в виде неактивного зимогена. Предшественник пепсина , пепсиноген , секретируется желудком и активируется только в кислой среде желудка. Поджелудочная железа секретирует предшественники ряда протеаз, таких как трипсин и химотрипсин . Зимогеном трипсина является трипсиноген , который активируется очень специфической протеазой энтерокиназой , секретируемой слизистой оболочкой двенадцатиперстной кишки . Трипсин после активации может также расщеплять другие трипсиногены, а также предшественники других протеаз, таких как химотрипсин и карбоксипептидаза, чтобы активировать их.
У бактерий используется аналогичная стратегия использования неактивного зимогена или презимогена. Субтилизин , который продуцируется Bacillus subtilis , вырабатывается в виде препросубтилизина 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 деактивации ферментов, факторов транскрипции и рецепторов, например, в биосинтезе холестерина [11] или опосредовании передачи сигналов тромбина через рецепторы, активируемые протеазой . [12]
Некоторые ферменты в важных точках метаболического контроля, такие как орнитиндекарбоксилаза, полностью регулируются скоростью их синтеза и скоростью деградации. К другим быстро деградирующим белкам относятся белковые продукты протоонкогенов, которые играют центральную роль в регуляции роста клеток.
Циклины представляют собой группу белков, которые активируют киназы , участвующие в делении клеток. Деградация циклинов является ключевым этапом, который управляет выходом из митоза и переходом к следующему клеточному циклу . [13] Циклины накапливаются в ходе клеточного цикла, а затем резко исчезают непосредственно перед анафазой митоза. Циклины удаляются посредством убиквитин-опосредованного протеолитического пути.
Каспазы представляют собой важную группу протеаз, участвующих в апоптозе или запрограммированной гибели клеток . Предшественники каспазы, прокаспаза, могут активироваться путем протеолиза посредством его ассоциации с белковым комплексом, образующим апоптосому , или с помощью гранзима B , или через пути рецептора смерти .
В некоторых белках происходит аутопротеолиз, при котором пептидная связь расщепляется в результате самокаталитической внутримолекулярной реакции . В отличие от зимогенов , эти аутопротеолитические белки участвуют в реакции «однократного обмена» и не катализируют дальнейшие реакции после расщепления. Примеры включают расщепление связи Asp-Pro в подмножестве доменов типа D фактора фон Виллебранда (VWD) [14] [15] и домена самопроцессинга FrpC Neisseria meningitidis , [16] расщепление связи Asn-Pro в Salmonella FlhB. белок, [17] белок Yersinia YscU, [18] , а также расщепление связи Gly-Ser в подмножестве доменов белка спермы морского ежа, энтерокиназы и агрина (SEA). [19] В некоторых случаях аутопротеолитическому расщеплению способствует конформационное напряжение 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 сопровождаться выбросом лизосомальных ферментов во внеклеточное пространство, которые разрушают окружающие ткани. Аномальный протеолиз может привести ко многим возрастным неврологическим заболеваниям, 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 приводить 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 , что приводит к разрушению соединительных тканей в легких. легкое. В этом заболевании могут быть также вовлечены другие протеазы и их ингибиторы, например, матриксные металлопротеиназы (ММП) и тканевые ингибиторы металлопротеиназ (ТИМП). [22]
Другие заболевания, связанные с аберрантным протеолизом, включают мышечную дистрофию , дегенеративные заболевания кожи, респираторные и желудочно-кишечные заболевания, а также злокачественные новообразования .
Белковые цепи очень стабильны в воде при нейтральном pH и комнатной температуре, хотя скорость гидролиза различных пептидных связей может различаться. Период полураспада пептидной связи в нормальных условиях может варьироваться от 7 до 350 лет, даже выше для пептидов, защищенных модифицированным концом или внутри белка. [23] [24] [25] Однако скорость гидролиза может быть значительно увеличена за счет экстремальных значений pH и тепла. Спонтанное расщепление белков может также включать катализ цинком на серин и треонин. [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 6М соляной кислоте . [27] Однако некоторые белки устойчивы к кислотному гидролизу. Одним из хорошо известных примеров является рибонуклеаза А , которую можно очистить путем обработки сырых экстрактов горячей серной кислотой, в результате чего другие белки разрушаются, а рибонуклеаза А остается нетронутой. [28]
Некоторые химические вещества вызывают протеолиз только после определенных остатков, и их можно использовать для избирательного расщепления белка на более мелкие полипептиды для лабораторного анализа. [29] Например, бромистый циан расщепляет пептидную связь после метионина . Подобные 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 расщепляться только под действием высокой температуры. При 250 °C пептидная связь легко гидролизуется, при этом период ее полураспада снижается примерно до минуты. [27] [30] Белок также может расщепляться без гидролиза посредством пиролиза ; небольшие гетероциклические соединения могут начать образовываться при разложении. При температуре выше 500 °C также могут образовываться полициклические ароматические углеводороды , [31] [32] , что представляет интерес для изучения образования канцерогенов в табачном дыме и приготовлении пищи при высокой температуре. [33] [34]
Протеолиз также используется в исследовательских и диагностических целях:
Протеазы можно классифицировать по каталитической группе, участвующей в их активном центре. [39]
Некоторые типы ядов, например, выделяемые ядовитыми змеями , также могут вызывать протеолиз. Эти яды на самом деле представляют собой сложные пищеварительные жидкости, которые начинают свою работу вне тела. Протеолитические яды вызывают широкий спектр токсических эффектов, [40] включая следующие эффекты:
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )