Proteoliza komórkowa, czyli trawienie komórki
Streszczenie
Homeostaza komórkowa zdrowych komórek jest utrzymywana dzięki mechanizmowi określanemu jako proteoliza komórkowa. Spełnia ona wiele zadań, w tym degraduje i modyfikuje wszystkie powstające w komórce substraty. Proces ten może zachodzić trzema sposobami: (1) przez proteolizę lizosomową (nieselektywna) lub (2) przez proteolizę proteosomową (selektywna) oraz (3) przez degradację pod wpływem kalpain cytoplazmatycznych.
Słowa kluczowe: proteoliza komórkowa, lizosomy, proteasomy, kapaliny, degradacja białek
Wprowadzenie
W celu utrzymania prawidłowego funkcjonowania organizmu, w komórkach zachodzą jednocześnie dwa przeciwstawne procesy: proces syntezy nowych związków (anabolizm) i proces odwrotny, liza związków już istniejących (katabolizm). Ten ostatni proces stał się przedmiotem wzmożonego zainteresowania w ostatnich kilkunastu latach, zwłaszcza w zakresie proteolizy, czyli kontrolowanego rozpadu białek wewnątrzkomórkowych. Proteoliza komórkowa pełni wiele funkcji: uaktywnia bądź unieczynnia enzymy, moduluje wewnątrzkomórkowe przekazywanie sygnałów, usuwa nadmiar produktów syntezy, i co najważniejsze, rozkłada egzogenne i niepotrzebne endogenne, a także nieprawidłowo zsyntetyzowane białka i peptydy. Obecnie wiadomo, ze proces ten może zachodzić trzema drogami: przez układ lizosomalny, ubikwitynowy (proteasomowy) oraz cytoplazmatyczny (kalpainy).
Degradacja białek w lizosomach
Znaczna część białek i innych substancji wchodząca do komórki na drodze endocytozy przechodzi przez układ endosomowy, a następnie trafia do układu lizosomalnego, w którym ulega degradacji.
Chociaż środowisko wewnątrz endosomów jest stosunkowo kwaśne, co umożliwia niespecyficzną hydrolizę wielu substancji, to jednak główną organellą odpowiadającą za degradacje białek jest lizosom. Lizosomy oprócz niskiego pH≈5 zawierają także specyficzne enzymy – hydrolazy, które umożliwiają degradację białek, lipidów, cukrów i kwasów nukleinowych. Budowa i funkcje lizosomów zostały opisane wiele lat temu przez noblistę C. de Duve’a [1]. Obecnie wiadomo, że są to pęcherzyki wielkości około 0,5 μm, wewnątrz których utrzymywane jest niskie pH [2]. Degradacja białek w lizosomach przebiega wieloetapowo, przez stopniowy rozpad struktury białk [3]. W lizosomach degradacji ulegają białka egzogenne i „długowieczne” białka endogenne, np. białka strukturalne. Degradacja tych białek w lizosomach była długo uważana za proces nieselektywny. Jednak w wyniku badań nad autofagią zachodzącą z udziałem białek opiekuńczych stwierdzono, że część białek dostaje się do lizosomów przez rozpoznawanie konkretnych sekwencji.
Degradacja w proteasomach
Na początku lat siedemdziesiątych zaobserwowano, że również w komórkach, w których proteoliza w lizosomach została zahamowana, proces degradacji białek zachodzi z wydajnością porównywalną do komórek, które posiadają funkcjonalne lizosomy [4]. Stwierdzono, że w komórkach występują też inne struktury odpowiedzialne za degradację białek - proteasomy. Proteasom jest agregatem białek i kwasów nukleinowych występującym we wszystkich komórkach eukariotycznych i zlokalizowanym w cytoplazmie w okolicach jądra komórkowego [5]. Protasom jest strukturą cylindryczną, zbudowaną z czterech pierścieni białkowych tworzących dwie główne części: części korowej posiadającej aktywność katalityczną oraz części regulatorowej [6,7].
Proteasom rozkłada jedynie białka, które uległy „wyznakowaniu” w procesie ubikwitynacji. Proces ten polega na przyłączeniu do cząsteczki białka mającego ulec destrukcji, cząsteczki małego białka – ubikwityny, będącym swoistym znacznikiem molekularnym. Białka „wyznakowane” cząsteczką ubikwityny kierowane są bezposrednio do proteasomów. Taki mechanizm umożliwia wybiórczy rozkład białek, które nie są już potrzebne. W proteasomach degradowane są białka krótkożyjace, np. enzymy, zawierające na N-końcu określoną sekwencję aminokwasów, rozpoznawalną przez ubikwitynę lub białka, które zostały wadliwie zsyntetyzowane.
Kalpainy
Kalpainy są nielizosomowymi proteazami cysteinowymi występującymi w cytoplazmie komórek ssaków i niektórych innych organizmów. Aktywność proteolityczna kalpain jest zależna od poziomu jonów Ca2+. Znaczenie tej grupy proteaz nie jest do końca poznane. Wiadomo jednak, że wpływają one na ruchliwość komórki i przechodzenie przez cykl komórkowy, wzmacniają sygnały w neuronach, pomagają uregulować krzepnięcie krwi i średnicę naczyń krwionośnych, zaś zaburzenia aktywności kalpain prowadzą m.in. do dystrofii mięśni [8, 9] i choroby Alzheimera [10].
Kalpainy odgrywają też rolę w proteolizie komórkowej. Degradują one białka nieselektywnie. Obserwuje się raczej powinowactwo do trzeciorzędowej struktury białka niż jego sekwencji aminokwasowej (np. sekwencji sygnałowej na N-końcu) oraz do białek i peptydów zawierających aminokwasy hydrofobowe (leucyna, walina i izoleucyna) i aromatyczne (fenyloalanina i tyrozyna) [11].
Proteoliza białek przez komórki jest procesem warunkującym homeostazę wewnętrzną. Mimo, że proces ten znany jest od wieków, ciągle nastręcza nowych zagadnień związanych z metabolizmem komórki. Ciągły rozwój biologii molekularnej być może pozwoli poznać ten proces dokładniej.
Autor: Karolina Wójciuk
Literatura:
[1] De Duve C., Wattiaux R. 1966. Functions and lysosomes. Annu. Rev. Physiol. 28: 435-492
[2] Van Dyke R.W. 1996. Acidification of lysosomes and endosomes, in: J.B. Lloyd, R.W. Mason (Eds.), Biology of the Lysosome, Plenum Press, New York, s. 331–360.
[3] Bohley P., Seglen P.O. 1992. Proteases and proteolysis in the lysosome. Experientia 48: 151-157
[4] Goldknopf I.L., Busch H. 1977. Isopeptide linkage between nonhistone and histone 2A polypeptides of chromosomal conjugate-protein A24. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 864–8.
[5] Peters J.M., Franke W.W., Kleinschmidt J.A. 1994. Distinct 19 S and 20 S subcomplexes of the 26 S proteasome and their distribution in the nucleus and the cytoplasm. J. Biol. Chem. 269: 7709–18.
[6] Wang J., Maldonado M.A. 2006. The Ubiquitin-Proteasome System and Its Role in Inflammatory and Autoimmune Diseases. Cell. Mol. Immunol. 3: 255-260
[7] Smith D.M., Chang S.C., Park S., Finley D., Cheng Y., Goldberg A.L. 2007. Docking of the proteasomal ATPases' carboxyl termini in the 20S proteasome's alpha ring opens the gate for substrate entry. Mol. Cell 27 (5): 731–44
[8] Richard I., Broux O., Allamand V. 1995. Mutations in the proteolytic enzyme calpain 3 cause limb-girdle muscular dystrophy type 2A. Cell 81: 27–40
[9] Ono Y., Shimada H., Sorimachi H. 1998. Functional defects of a muscle-specific calpain, p94, caused by mutations associated with limb-girdle muscular dystrophy type 2A. J. Biol. Chem. 273: 17073–17078.
[10] Lenzlinger P.M., Saatman K.E., Raghupathi R., Mcintosh T.K. 2001. Overview of basic mechanisms underlying neuropathological consequences of head trauma. Chapter 1. In, Head trauma: Basic, preclinical, and clinical directions. Miller LP and Hayes RL, eds. Wiley Liss, New York.
[11] Cuerrier D., Moldoveanu T., Davies P.L. 2005. Determination of peptide substrate specificity for mu-calpain by a peptide library-based approach: the importance of primed side interactions. J. Biol. Chem. 280: 40632–40641
Homeostaza komórkowa zdrowych komórek jest utrzymywana dzięki mechanizmowi określanemu jako proteoliza komórkowa. Spełnia ona wiele zadań, w tym degraduje i modyfikuje wszystkie powstające w komórce substraty. Proces ten może zachodzić trzema sposobami: (1) przez proteolizę lizosomową (nieselektywna) lub (2) przez proteolizę proteosomową (selektywna) oraz (3) przez degradację pod wpływem kalpain cytoplazmatycznych.
Słowa kluczowe: proteoliza komórkowa, lizosomy, proteasomy, kapaliny, degradacja białek
WprowadzenieW celu utrzymania prawidłowego funkcjonowania organizmu, w komórkach zachodzą jednocześnie dwa przeciwstawne procesy: proces syntezy nowych związków (anabolizm) i proces odwrotny, liza związków już istniejących (katabolizm). Ten ostatni proces stał się przedmiotem wzmożonego zainteresowania w ostatnich kilkunastu latach, zwłaszcza w zakresie proteolizy, czyli kontrolowanego rozpadu białek wewnątrzkomórkowych. Proteoliza komórkowa pełni wiele funkcji: uaktywnia bądź unieczynnia enzymy, moduluje wewnątrzkomórkowe przekazywanie sygnałów, usuwa nadmiar produktów syntezy, i co najważniejsze, rozkłada egzogenne i niepotrzebne endogenne, a także nieprawidłowo zsyntetyzowane białka i peptydy. Obecnie wiadomo, ze proces ten może zachodzić trzema drogami: przez układ lizosomalny, ubikwitynowy (proteasomowy) oraz cytoplazmatyczny (kalpainy).
Degradacja białek w lizosomach
Znaczna część białek i innych substancji wchodząca do komórki na drodze endocytozy przechodzi przez układ endosomowy, a następnie trafia do układu lizosomalnego, w którym ulega degradacji.
Chociaż środowisko wewnątrz endosomów jest stosunkowo kwaśne, co umożliwia niespecyficzną hydrolizę wielu substancji, to jednak główną organellą odpowiadającą za degradacje białek jest lizosom. Lizosomy oprócz niskiego pH≈5 zawierają także specyficzne enzymy – hydrolazy, które umożliwiają degradację białek, lipidów, cukrów i kwasów nukleinowych. Budowa i funkcje lizosomów zostały opisane wiele lat temu przez noblistę C. de Duve’a [1]. Obecnie wiadomo, że są to pęcherzyki wielkości około 0,5 μm, wewnątrz których utrzymywane jest niskie pH [2]. Degradacja białek w lizosomach przebiega wieloetapowo, przez stopniowy rozpad struktury białk [3]. W lizosomach degradacji ulegają białka egzogenne i „długowieczne” białka endogenne, np. białka strukturalne. Degradacja tych białek w lizosomach była długo uważana za proces nieselektywny. Jednak w wyniku badań nad autofagią zachodzącą z udziałem białek opiekuńczych stwierdzono, że część białek dostaje się do lizosomów przez rozpoznawanie konkretnych sekwencji.
Degradacja w proteasomach
Na początku lat siedemdziesiątych zaobserwowano, że również w komórkach, w których proteoliza w lizosomach została zahamowana, proces degradacji białek zachodzi z wydajnością porównywalną do komórek, które posiadają funkcjonalne lizosomy [4]. Stwierdzono, że w komórkach występują też inne struktury odpowiedzialne za degradację białek - proteasomy. Proteasom jest agregatem białek i kwasów nukleinowych występującym we wszystkich komórkach eukariotycznych i zlokalizowanym w cytoplazmie w okolicach jądra komórkowego [5]. Protasom jest strukturą cylindryczną, zbudowaną z czterech pierścieni białkowych tworzących dwie główne części: części korowej posiadającej aktywność katalityczną oraz części regulatorowej [6,7].
Proteasom rozkłada jedynie białka, które uległy „wyznakowaniu” w procesie ubikwitynacji. Proces ten polega na przyłączeniu do cząsteczki białka mającego ulec destrukcji, cząsteczki małego białka – ubikwityny, będącym swoistym znacznikiem molekularnym. Białka „wyznakowane” cząsteczką ubikwityny kierowane są bezposrednio do proteasomów. Taki mechanizm umożliwia wybiórczy rozkład białek, które nie są już potrzebne. W proteasomach degradowane są białka krótkożyjace, np. enzymy, zawierające na N-końcu określoną sekwencję aminokwasów, rozpoznawalną przez ubikwitynę lub białka, które zostały wadliwie zsyntetyzowane.
Kalpainy
Kalpainy są nielizosomowymi proteazami cysteinowymi występującymi w cytoplazmie komórek ssaków i niektórych innych organizmów. Aktywność proteolityczna kalpain jest zależna od poziomu jonów Ca2+. Znaczenie tej grupy proteaz nie jest do końca poznane. Wiadomo jednak, że wpływają one na ruchliwość komórki i przechodzenie przez cykl komórkowy, wzmacniają sygnały w neuronach, pomagają uregulować krzepnięcie krwi i średnicę naczyń krwionośnych, zaś zaburzenia aktywności kalpain prowadzą m.in. do dystrofii mięśni [8, 9] i choroby Alzheimera [10].
Kalpainy odgrywają też rolę w proteolizie komórkowej. Degradują one białka nieselektywnie. Obserwuje się raczej powinowactwo do trzeciorzędowej struktury białka niż jego sekwencji aminokwasowej (np. sekwencji sygnałowej na N-końcu) oraz do białek i peptydów zawierających aminokwasy hydrofobowe (leucyna, walina i izoleucyna) i aromatyczne (fenyloalanina i tyrozyna) [11].
Rys. 1 Potencjalne drogi rozkładu białek komórkowych.
PodsumowanieProteoliza białek przez komórki jest procesem warunkującym homeostazę wewnętrzną. Mimo, że proces ten znany jest od wieków, ciągle nastręcza nowych zagadnień związanych z metabolizmem komórki. Ciągły rozwój biologii molekularnej być może pozwoli poznać ten proces dokładniej.
Autor: Karolina Wójciuk
Literatura:
[1] De Duve C., Wattiaux R. 1966. Functions and lysosomes. Annu. Rev. Physiol. 28: 435-492
[2] Van Dyke R.W. 1996. Acidification of lysosomes and endosomes, in: J.B. Lloyd, R.W. Mason (Eds.), Biology of the Lysosome, Plenum Press, New York, s. 331–360.
[3] Bohley P., Seglen P.O. 1992. Proteases and proteolysis in the lysosome. Experientia 48: 151-157
[4] Goldknopf I.L., Busch H. 1977. Isopeptide linkage between nonhistone and histone 2A polypeptides of chromosomal conjugate-protein A24. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 74: 864–8.
[5] Peters J.M., Franke W.W., Kleinschmidt J.A. 1994. Distinct 19 S and 20 S subcomplexes of the 26 S proteasome and their distribution in the nucleus and the cytoplasm. J. Biol. Chem. 269: 7709–18.
[6] Wang J., Maldonado M.A. 2006. The Ubiquitin-Proteasome System and Its Role in Inflammatory and Autoimmune Diseases. Cell. Mol. Immunol. 3: 255-260
[7] Smith D.M., Chang S.C., Park S., Finley D., Cheng Y., Goldberg A.L. 2007. Docking of the proteasomal ATPases' carboxyl termini in the 20S proteasome's alpha ring opens the gate for substrate entry. Mol. Cell 27 (5): 731–44
[8] Richard I., Broux O., Allamand V. 1995. Mutations in the proteolytic enzyme calpain 3 cause limb-girdle muscular dystrophy type 2A. Cell 81: 27–40
[9] Ono Y., Shimada H., Sorimachi H. 1998. Functional defects of a muscle-specific calpain, p94, caused by mutations associated with limb-girdle muscular dystrophy type 2A. J. Biol. Chem. 273: 17073–17078.
[10] Lenzlinger P.M., Saatman K.E., Raghupathi R., Mcintosh T.K. 2001. Overview of basic mechanisms underlying neuropathological consequences of head trauma. Chapter 1. In, Head trauma: Basic, preclinical, and clinical directions. Miller LP and Hayes RL, eds. Wiley Liss, New York.
[11] Cuerrier D., Moldoveanu T., Davies P.L. 2005. Determination of peptide substrate specificity for mu-calpain by a peptide library-based approach: the importance of primed side interactions. J. Biol. Chem. 280: 40632–40641
Tagi: proteoliza komórkowa, lizosomy, proteasomy, kapaliny, degradacja białek, lab, laboratoria, laboratorium
wstecz Podziel się ze znajomymi