Убіквітин-залежний протеоліз

Відео: протеасомного деградація білків, механізм і значення

Убіквітин-залежний протеоліз - процес гідролізу (розщеплення) аномальних і вже непотрібних білків організму, що здійснюється так званої убіквітин-протеасомного системою. Процес включає два етапи: ковалентні приєднання ланцюжка молекул убіквітину і деградацію білка протеосомой.

функції протеолізу

Клітинам потрібен механізм деградація білків, вже виконали свою функцію і стають непотрібними. Подальше присутність таких білків в клітині може їй зашкодити, крім того, потрібні амінокислоти для синтезу інших білків, а перевантаження цитоплазми поліпептидами може індукувати апоптоз. Довгий час внутрішньоклітинний протеоліз вважали неспецифічним процесом, справжнім проривом в цій області стало відкриття убіквітин-залежного протеолізу. Серед субстратів специфічного протеолізу є регулятори клітинного циклу, компоненти різних сигнальних шляхів, мутантні білки, а також пошкоджені посттрансляционной. Довго вважали, що такий протеоліз може мати місце тільки для білків цитоплазми і, можливо, ядра. Зараз стало ясно, що ця система працює і для білків пов`язаних з мембранами, білків, секретується (для цього потрібно зворотне переміщення білка в клітку). Система внутрішньоклітинного протеолізу задіяна в процесах проліферації, диференціації клітин, реакції на стрес і патогени, репарація ДНК. Дефекти в цій складній системі можуть бути причиною порушень метаболізму, розвитку раку і нейродегенеративних захворювань, таких як хвороба Паркінсона.

Історія відкриття

1980 опубліковані статті в PNAS Ірвіном Роузом, Авраамом Гершко і Аароном Чехановер, де говорилося про приєднання убіквітину до білків для їх напрямлення в протеасоми, для подальшого протеолізу. Дані про те, що внутрішньоклітинний протеоліз є АТФ-залежним були вперше отримані Мелвіном Сімпсоном 1953 року. Це було незрозуміло, оскільки гідроліз пептидного зв`язку є екзергонічнім процесом і не вимагає енергії. Пізніше, коли в 1970-х лабораторія Голдберга показала, що клітина швидко очищається від пошкоджених і ненормальних білків, а також, що білки задіяні у внутрішньоклітинному сігналюванні живуть недовго, стало зрозуміло, що енергія може знадобитися для контролю протеолізу. У своїх роботах Гершко і Ціхановер показали, що протеоліз може здійснюватися в безлізосомніх лизата клітин і для цього необхідна наявність двох фракцій APF-1 (ATP-dependent proteolysis factor 1) низькомолекулярний білок, пізніше названий убіквітин, і APF-2 - високомолекулярна фракція, стабілізувалася АТФ і представляла собою, як з`ясувалося потім активні протеасоми. Спочатку вони думали, що APF-2, це киназа, що нефосфорілірующіе APF-1 чи якісь інші білки, з ним взаємодіють. Вони інкубували мічену фракцію APF-1 з APF-2 в присутності АТФ, виявилося, що APF-1 зв`язувався з білками у фракції APF-2, на превеликий подив ковалентно. Було зрозуміло, що таке зв`язування необхідно для протеолізу, але залишалося неясно, APF-1 зв`язувався з субстратами або ферментами протеолізу. Ковалентного зв`язування двох білків було явищем рідкісним, але не безпрецедентним, в той час було показано, що гистон Н2А може бути модифікований ковалентним приєднанням маленького білка - убіквітину. Аналіз показав, що APF-1 і є убіквітин. Пізніше було з`ясовано, що убіквітин є міткою для протеолізу білків, виявлені убіквітин-лігази, що забезпечували приєднання убіквітину до білків, ферменти «деубіквітінізаціі», інші білки, які можуть ковалентно модифікувати субстрати.

Гершко, Роуз і Ціхановер отримали Нобелівську премію з хімії 2004 за відкриття убіквітин-залежного протеолізу.

Механізм приєднання убіквітину до молекули субстрату

Деградація білка по убіквітіновому шляху включає два етапи: ковалентні приєднання поліубіквітінового ланцюжка і деградація білка 26S протеосомой. Убіквітин - це пептид, що складається з 76 амінокислот. Його приєднання до білка проходить в три етапи за участю трьох груп ферментів E1, E2 і Е3.



Фермент Е1 активує убіквітин, гідролізуючі АТФ. При цьому формується макроергічних зв`язок між С-кінцевим гліцином убіквітину і цистеїном Е1. цей процес універсальний для будь-якого убіквітінового шляху, тому клітці досить одного варіанту Е1.
Активоване убіквітин переноситься на залишок цистеїну білка Е2 (UCP-ubiquitin carrier protein). Клітка містить кілька варіантів Е2 (наприклад у дріжджів 13). Кожен варіант може брати участь в обмеженій кількості убіквітіновіх шляхів, визначається його здатністю взаємодіяти з одним або декількома типами Е3. Є молекули Е2, які можуть переносити убіквітин безпосередньо на білок без участі Е3.
Білки класу Е3 - це убіквітин лігази, здатні специфічно зв`язуватися з білковими субстратами, що підлягають протеолізу, прямо або через білок-помчник. Е3 каталізує утворення пептидного зв`язку між С-кінцем убіквітіновоі одиниці і аминогруппой лізінових залишку субстрату (якщо це перший убіквітин, що приєднується до субстрату) або лізину 48 попередньої молекули убіквітину. Е3 дізнаються певний мотив у складі субстрату, що називається дегроном - на рівні Е3 забезпечується специфічність протеолізу. Варіантів Е3 дуже багато в клітці.
Убіквітин лігази можуть дізнаватися мотив, констінутівно входить до складу білка. Наприклад N-кінцевий амінокислотний залишок. Але це ще не свідчить про те, що білок, що містить такий мотив повинен деградувати. Зазвичай дегрон знаходиться поблизу частини молекули, яка безпосередньо відповідає за виконання функцій білка, і якщо білок нормально скручений дегрон недоступний для убіквітин-лігази. Також може відбуватися впізнавання білка, який був певним чином модифікований, наприклад - фосфору, або впізнавання субстрату в комплексі з відповідним Адапторная білком.

протеасома

Після приєднання убіквітину білок направляється в протеасому, де і здійснюється його протеоліз. Протеасоми містяться в цитоплазмі і ядрі клітини, але їх немає всередині органел. 26S Протеасома складається з серцевинного каталітичного комплексу 20S, з двох сторін якого знаходяться регулюють субодиниці 19S. 20S комплекс побудований з чотирьох кілець, кожне з яких складається з семи субодиниць, що кодуються 14 генами - 7 різних -субодиниць і 7 різних -субодиниць. У -кільцях розміщені три каталітичні сайти:

трипсин-подібний сайт - впізнає залишки тирозину і фенілаланіну
хемотрипсином-подібний сайт - впізнає залишки лізину і аргініну
сайт, який здійснює гідроліз ланцюга після залишку глутаміну.


Кожен сайт побудований з двох однакових субодиниць в різних кільцях. Крім цих трьох видів сайтів, конститутивно входять до складу протеасоми, є ще такі, які можуть індукувати лише в певних умовах. -кільця необхідні для стабілізації -кілець і для зв`язування з 19S комплексами. 19S комплекс має АТФазну властивістю і відповідає за впізнавання поліубіквітіновіх білків. 20S циліндр може також зв`язуватися з 11S комплексами, в такому випадку Протеасома не зможе діяти на інтактні білки, але здатна здійснювати протеоліз коротких пептидів.

Деградація білків, асоційованих з мембраною дещо відрізняється від протеолізу цитоплазматичних білків:

відбувається в лізосомах
для напрямлення білка в лізосом досить приєднання одного залишку убіквітину
в разі формування поліубіквітінового ланцюга зв`язування відбувається по 63 лізину.
Відщеплення убіквітину з комплексів

Відщеплення потрібно для вивільнення убіквітину після гідролізу білка, для виправлення помилкового убіквітінування, крім того убіквітин синтезується в формі неактивного поліпопередніка - його ще потрібно нарізати на функціональні молекули. Білки, які здійснюють відщеплення убіквітину відносяться до тіолових протеїназ, вони діляться на два класи: • З-кінцеві убиквитин гідролази (UCH) здійснюють котрансляційній процесинг поліубіквітінового попередника, а також відщеплення убіквітину з комплексів з невеликими молекулярними масами - амінами і тіолами. • Убіквітин специфічні протеази (UBP) або ізопептідази - отщепляет убіквітин від клітинних білків. У клітці є багато видів цих ферментів.

Особливості убіквітин-залежного протеолізу білків

Убіквітин залежний протеоліз є тільки у еукаріот, хоча протеасоми є і прокаріот і у архей, але у них кепюча субодиниця відразу дізнається субстрат, таким чином число субстратів є сильно обмеженим. При убіквітінуванні число субстратів значно більше, внаслідок наявності великої кількості ферментів і можливості їх комбінування. Другою перевагою убіквітінування є те, що воно оборотно. Для напрямлення білка в протеасому недостатньо одного залишку убіквітину, поки синтезується поліубіквітіновій ланцюг клітина має час «подумати». Таким чином забезпечується гнучкість системи протеолізу.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!