Убіквітин-протеасомного шлях розпаду білків

Велика частина (до 80-90%) внутрішньоклітинного розпаду білків здійснюється убиквитин-протеасомного шляхом. Убіквітин-протеасомного шлях присутній в ядрі і цитоплазмі еукаріотичних клітин і відіграє важливу роль в розпаді нормальних і аномальних білків. Цей шлях відповідає за регульоване розщеплення багатьох білків, в тому числі тих, які необхідні для контролю росту і проліферації клітин, клітинного диференціювання, імунних і запальних реакцій, апоптозу і метаболічної адаптації.

Убіквітин-протеасомного шлях також здійснює «господарські» функції в основному кругообіг білка і елімінації аномальних білків з невірною кодуванням, неправильно згорнутих, локалізованих в невластивих їм місцях, пошкоджених або іншим чином виведених з дії. Убіквітин-протеасомного шлях грає вирішальну роль в контролі м`язової маси, і його активність підвищена при кахексії. Цей шлях також грає істотну роль у відновленні м`язів і їх ремоделировании.

Убіквітин-протеасомного шлях можна розглядати як послідовність трьох процесів:
(1) розпізнавання білкового субстрату для розпаду;
(2) ковалентного приєднання ланцюжка поліубіквітіна в якості мітки білка для розпаду;
(3) протеолізу білка комплексом 2500 кДа, званим Протеасома 26S.

розпізнавання білка, призначеного для розпаду, зазвичай здійснюється:
(1) за певними структурних змін білка, в тому числі по впливу на певну послідовність амінокислот, яка в нормі прихована посттрансляційної модифікації, такими як фосфорилювання або гідроксилювання;
(2) з приєднання або вивільненню його лігандів;
(3) по взаємодії з білком-адаптером або шаперон (наприклад, експорт неправильно згорнутих білків за допомогою шаперонов з ЕПР в цитозоль);
(4) відповідно до специфічного пошкодження, що сталося в білку в результаті окислення або нітрозілірованія.

Крім того, наявність специфічних «дестабілізуючих»Залишків на iV-кінцевій ділянці маркує пептид, призначений для розщеплення (тобто з більш коротким періодом напіврозпаду). Однак слід зазначити, що перед тим, як піддатися розщепленню, не всі білки отримують убіквітіновую мітку.

Навпаки, деякі білки проходять розщеплення за допомогою 20S основних протеасом. Мета цієї моделі розщеплення неясна, проте це, мабуть, відбувається з білками, що мають чітко неструктуровані ділянки, які надають білку більшу нестабільність.

Після того як білок був визначений в якості субстрату для деградації, він ковалентно забезпечується міткою убіквітину. Убіквітин - білок, присутній у всіх типах клітин і складається з 76 амінокислотних залишків, в тому числі С-кінцевого гліцину і лізінових залишку в положенні 48. Убіквітин ковалентно пов`язаний з білком, призначеним для деградації в серії з трьох реакцій, каталізуються ферментами, відомими як Е1 (убіквітінактівірующій фермент), Е2 (убіквітінпрісоедіняющій фермент) і Е3 (убіквітінсвязивающій фермент).

існують дві ізоформи Е1, кілька ізоформ Е2 і дуже велика кількість ферментів Е3, що дозволяє здійснювати специфічне для багатьох тканин і субстратів регулювання цього процесу.

спочатку молекула убіквітину активується шляхом зв`язування з Е1 в АТФ-залежної реакції, потім фрагмент убіквітину передається до Е2. І Е1, і Е2 мають залишки активних ділянок цистеїн, які утворюють тіоефіри з С-кінцевим гліціновие залишком убіквітину. Нарешті, убіквітин, приєднаний до Е2, передається безпосередньо або через Е3 до внутрішнього лізіловому залишку на субстраті білка.

Е3 грає важливу роль в розпізнаванні субстрату білка для розщеплення і в регулюванні освіти субстратного комплексу Е2 / Е3. Аналогічним способом додаткові молекули убіквітину приєднуються до субстрату, що має одну приєднану молекулу убіквітину, утворюючи ізопептідние зв`язку між С-кінцевим гліціновие залишком молекули убіквітину і лізин, розташованим в положенні 48 раніше доданої молекули убіквітину.

необхідна ланцюжок принаймні з чотирьох молекул убіквітину для того, щоб білки, помічені декількома молекулами убіквітину, були з легкістю розпізнані і спрямовані до Протеасома 26S для розщеплення. Нещодавно був виконаний огляд зв`язують доменів і активності убіквітину. Важливо відзначити, що процес убіквітінаціі є оборотним, з наявністю процесу від`єднання, який відбувається класом цістеінових протеаз, званих деубіквітінірующімі ферментами.

діяльність деубіквітінірующего ферменту полягає в усуненні зв`язування з убіквітин, обробці попередників убіквітину, компонуванні убіквітінових ланцюгів і повторному використанні убіквітину. Ці процеси відповідають за регулювання декількох сигнальних шляхів, важливих для процесу розвитку, включаючи зростання і диференціювання клітин.

фактичне розщеплення убіквітінірованних білків відбувається у внутрішній камері протеасоми, але молекули убіквітину отщепляются першими, тому можуть бути використані повторно, протеасома 26S є великим, що складається з декількох субодиниць комплексом, в який входить субодиниця 20S як протеолітичного ядра з регулюючим комплексом 19S, приєднаним до одного або обох кінцях. Регулюючі субодиниці беруть участь в розпізнаванні мічених білків, видаленні убіквітінових міток, а також в АТФ-залежних процесах розгортання білка і направлення його до протеолітичну ядро, що має форму тунелю.

протеолітичний комплекс 20S являє собою схожу на бочонок структуру, що складається з чотирьох покладених одна на іншу кільцевих структур (abba), кожна з яких утворена сім`ю субодиницями. Центральна каталітична порожнину даної структури містить у цілому шість протеолітичних дільниць, утворених трьома окремими каталитическими субодиницями кожного b-кільця. Ці каталітичні субодиниці відносяться до TV-кінцевим треонінових гидралаз, оскільки iV-кінцевий треонин виступає в якості нуклеофильного каталізатора. Однак три різні субодиниці в кожному з двох кілець відрізняються перевагами в розщепленні пептидних зв`язків відразу після основних, гідрофобних або кислих залишків.

субодиниця 20S гидролизует входить субстрат на пептидні фрагменти, що складаються з 3-30 амінокислотних залишків. Ці пептидні продукти вивільняються з протеасоми і далі в клітці піддаються гідролізу іншими протеазами і амінопептидази.

регулювання протеолізу в Протеасома відбувається на трьох рівнях. По-перше, розпізнавання субстрату регулюється функціями, які встановлюють цільової білок для проведення поліубіквітінірованія. Для більшості білків субстрати є непізнаними і включають фосфорилювання, гидроксилирование залишку проліну або виявлення сигналу для розщеплення, що міститься в первинній послідовності. По-друге, регульована деградація конкретних класів субстрату може бути досягнута шляхом об`єднання комплексів Е2 / ЕЗ з різними допоміжними факторами.

Наприклад, в деяких випадках саме ЕЗ повинен бути змінений або «включений» за допомогою посттрансляционной модифікації, щоб прийняти активну форму, яка розпізнає субстрат. В інших випадках стабільність білкового субстрату залежить від його зв`язку з молекулярними шаперонами, які діють як розпізнають елементи і служать в якості з`єднання з відповідними лігаза. Зокрема, інсулін зменшує убиквитин-опосередковану активність протеасоми шляхом переміщення внутрішньоклітинних протеаз і інсуліносніжающего ферменту від протеасом 20S і 26S. Нарешті, убіквітин-протеасомного шлях можна регулювати за допомогою взаємодії або зміни експресії убіквітину або протеасомного субодиниць.

Приклад цього можна спостерігати після внутрішньовенної інфузії амінокислот або після введення їх в просвіт кишечника. Збільшення постачання амінокислот, але не глюкози знижує експресію мРНК убіквітину, убіквітінпрісоедіняющего ферменту з молекулярної масою 14 кДа, і С9-субодиниці протеасоми в слизовій оболонці кишечника.