Кіріспе

Сүтқоректілер мен басқа да организмдерде кездесетін протеаз ферменті.

Кальпайн ( /k//æ//l//p//eɪ//n/ ) – сүтқоректілер мен көптеген басқа да организмдерде кең таралған кальцийге тәуелді, лизосома емес цистеин протеазалары (протеолитикалық ферменттер) отбасына жататын белок. Кальпаиндер MEROPS дерекқорындағы CA кланы протеазаларының C2 отбасын құрайды. Кальпаин протеолитикалық жүйесіне кальпаин протеазалары, CAPNS1 кішкентай реттеуші бөлшегі (CAPN4 деп те аталады) және эндогенді кальпаинге тән ингибитор – кальпастатин кіреді.

Ашылу

Кальпайннің ашылу тарихы 1964 жылға дейін жетеді, сол кезде мида, көздің хрустальдық линзасында және басқа тіндерде «кальцийге тәуелді бейтарап протеаза» (CANP) қоздырған кальцийге тәуелді протеолитикалық белсенділік анықталды. 1960 жылдардың соңында ферменттер егеуқұйрық миы мен қаңқа бұлшық еттерінде тәуелсіз түрде оқшауланып, сипатталды. Бұл белсенділікті лизосомамен байланысы жоқ, нейтралды pH-де ең жоғары белсенділікке ие цистеин протеазасы тудырды, бұл оны протеазалардың катепсин тобынан нақтырақ ажыратады. Кальцийге тәуелді белсенділік, жасуша ішіндегі орналасуы және субстраттарындағы шектеулі, ерекше протеолиз кальпаиннің реттеуші, емес, қорыту протеазасы ретіндегі рөлін көрсетті. Бұл ферменттің тізбегі белгілі болғаннан кейін, оған «кальпаин» деген ат берілді, ол сол кездегі екі белгілі ақуызбен – кальцийді реттейтін сигналдық ақуыз кальмодулинмен және папаяның цистеин протеазасы папаинмен ортақ қасиеттерін еске түсірді. Одан кейін көп ұзамай, бұл белсенділіктің екі негізгі изоформаға, атап айтқанда μ («мю») кальпайн және m кальпайн (немесе кальпайн I және II) қатысты екені анықталды, олар негізінен in vitro кальцийге қажеттіліктерімен ерекшеленеді. Олардың аттары клетка ішіндегі Ca2+ микро және дерлік миллимолярлық концентрацияларымен белсендірілетінін көрсетеді. Бүгінгі күнгі таңда бұл екі изоформа кальпаин отбасының ең жақсы сипатталған мүшелері болып табылады. Құрылымдық тұрғыдан алғанда, бұл екі гетеродимерлік изоформалардың бірегей кішкентай (28 кДа) бөлігі бар (CAPNS1 (бұрынғы CAPN4)), бірақ олардың үлкен (80 кДа) бөліктері әртүрлі, олар кальпаин 1 және кальпаин 2 деп аталады (әрқайсысы CAPN1 және CAPN2 гендерімен кодталады).

Қиылысу ерекшелігі

Белгілі бір аминқышқылдар тізбегі кальпайндармен бірегей түрде танылмайды. Ақуыз субстраттары арасында, үшіншілік құрылым элементтері, біріншілік аминқышқылдар тізбегінен гөрі, нақты субстратқа тілінуді бағыттауға жауапты. Пептидтік және кішкентай молекулалық субстраттар арасында ең үнемі хабарланатын ерекшелік – P2 позициясындағы кішкентай гидрофобты аминқышқылдары (мысалы, лейцин, валин және изолейцин) және P1 позициясындағы үлкен гидрофобты аминқышқылдары (мысалы, фенилаланин және тирозин). Күдіксіз, қазіргі кезде қол жетімді ең жақсы флуорогенді кальпаин субстраты – (EDANS) Glu Pro Leu Phe=Ala Glu Arg Lys (DABCYL), ал тіліну Phe=Ala байланысында жүзеге асады.

Үлкен отбасы

Адам геномы жобасы оннан астам басқа кальпайн изоформаларының бар екенін көрсетті, олардың кейбіреулерінің бірнеше сплайс варианттары бар. Үш өлшемді құрылымы анықталған алғашқы кальпаин ретінде, m кальпаин MEROPS дерекқорындағы C2 (кальпаин) отбасының типтік протеазасы болып табылады.

Ген Ақуыз Синонимдер Тінге таралуы Аурумен байланысы
CAPN1 Кальпайн 1 Кальпайн 1 үлкен суббірлігі, Кальпайн mu түрі барлық жерде
CAPN2 Кальпайн 2 Кальпайн 2 үлкен суббірлігі, Кальпайн m түрі барлық жерде
CAPN3 Кальпайн 3 қаңқа бұлшық еті, торлы қабық және көздің хрустальдығы Шеңберлік бұлшық ет дистрофиясы 2A
CAPN5 Кальпайн 5 барлық жерде (ішек, ұсақ ішек және аталық безде жоғары) некрозбен байланысты болуы мүмкін, себебі ол C. elegans некроз гені tra 3-тің ортологі
CAPN6 Кальпайн 6 CAPNX, Calpamodulin
CAPN7 Кальпайн 7 palBH барлық жерде
CAPN8 Кальпайн 8 асқазанның шырыш қабығына және асқазан-ішек жолына тән ішек полипінің пайда болуымен байланысты болуы мүмкін
CAPN9 Кальпайн 9 асқазанның шырыш қабығына және асқазан-ішек жолына тән ішек полипінің пайда болуымен байланысты болуы мүмкін
CAPN10 Кальпайн 10 II типті диабетке сезімталдық гені
CAPN11 Кальпайн 11 аталық без
CAPN12 Кальпайн 12 барлық жерде, бірақ шаштың түбірлерінде жоғары
CAPN13 Кальпайн 13 аталық без және өкпе
CAPN14 Кальпайн 14 барлық жерде
CAPN17 Кальпайн 17 тек балық және қосмекенділерде
SOLH Кальпайн 15 Sol H (дрозофила гені sol-дың гомологі)
CAPNS1 Кальпайн кішкентай суббірлігі 1 Кальпайн 4
CAPNS2 Кальпайн кішкентай суббірлігі 2

Функция

Кальпандардың физиологиялық рөлі әлі толыққанды түсініксіз болғанымен, олар жасушалардың қозғалғыштығы және жасуша циклінің дамуы сияқты процестерге белсенді қатысатыны, сондай-ақ нейрондардағы ұзақ мерзімді күшейту және миобластардағы жасушалық бірігу сияқты жасуша типіне тән функцияларды атқаратыны анықталды. Осы физиологиялық жағдайларда, кальцийдің жасушаға уақытша және локальды түрде енуі кальпандардың шағын, жергілікті тобын (мысалы, Ca2+ каналдарына жақын орналасқандарын) белсендіреді, олар өз кезегінде мақсатты ақуыздардың бақыланатын протеолизін катализдеу арқылы сигналдық жолдың ілгерілеуіне көмектеседі. Кальпандардың басқа да қызметтеріне жасуша функцияларын реттеу, қан ұюға көмектесу, қан тамырларының диаметрін қалыпқа келтіру және есте сақтау процесіне қатысу жатады. Кальпандар апоптоздық жасуша өліміне қатысты және некроздың маңызды құрауышы болып көрінеді. Дитергенттік фракциялау кальпаиннің цитозольде орналасқанын көрсетті. CAPNS1 арқылы реттелетін кальпаин активтілігінің артуы гипоксиялық жағдайда тромбоциттердің жоғары сезімталдығына елеулі үлес қосады. Мида μ кальпайн негізінен нейрондардың жасуша денесінде және дендриттерінде, аздап аксондар мен глиальды жасушаларда орналасса, ал m кальпайн глиальды жасушаларда және аздаған аксондарда табылған.

Патология

Клеткадағы кальпандардың құрылымдық және функционалдық әртүрлілігі олардың көптеген аурулардың патогенезіне қатысты екенін көрсетеді. Кем дегенде екі жақсы белгілі генетикалық ауру және бір түрдегі қатерлі ісік тіндік ерекшеліктерімен байланысты. Дұрыс жұмыс істемеген жағдайда, сүтқоректілердің кальпайн 3 (сонымен қатар p94 деп аталады) гені аяқ-қолдың белдеуі бұлшықет дистрофиясының 2А типіне жауапты, кальпайн 10 – II типті қант диабетіне бейімділік гені ретінде анықталды, ал кальпайн 9 – асқазан қатерлі ісігін басушы ретінде танылды. Сонымен қатар, кальпандардың жоғары белсенділігі кальцийдің гомеостазының бұзылуымен байланысты бірқатар патологияларда байқалады, мысалы, Альцгеймер ауруы, катарактаның пайда болуы, сондай-ақ миокардтық ишемиядан, церебральдық (нейроникалық) ишемиядан, мидың жарақаттануынан және омыртқа миының зақымдануынан кейін туындайтын екіншілік дегенерация. Кальпайннің шамадан тыс мөлшері цереброваскулярлық оқиғадан (ишемиялық каскад кезінде) немесе мидың жарақаттануының кейбір түрлерінен, мысалы, диффузиялық аксоналдық зақымданудан туындаған Ca2+ ағыны нәтижесінде белсендірілуі мүмкін. Клеткадағы кальций концентрациясының артуы кальпайнды белсендіреді, бұл мақсатты және мақсат емес белоктардың реттелмеген протеолизіне және салдарынан туындайтын қайталанбайтын тіндік зақымдануға әкеледі. Шамадан тыс белсенді кальпайн цитоскелеттегі спектрин, микротубулалық кішібірліктер, микротубулалық байланысқан белоктар және нейрофиламенттер сияқты молекулаларды ыдыратады. Ол сондай-ақ иондық каналдарды, басқа ферменттерді, жасушалық адгезия молекулаларын және жасушалық беткі рецепторларды зақымдауы мүмкін. Бұл цитоскелет пен плазмалық мембрананың бұзылуына алып келуі мүмкін. Кальпайн аксондардың созылуынан зақымдалған натрий каналдарын да ыдыратуы мүмкін, бұл жасушаға натрийдің ағылуына себеп болады. Бұл өз кезегінде нейронның деполяризациясына және одан әрі Ca2+ ағынына әкеледі. Кальпайнды белсендірудің маңызды салдары – ишемиялық зақымданудан кейін жүректің жиырылу дисфункциясының дамуы. Ишемиялық миокардты қайта қанмен қамтамасыз ету кезінде жүрек жасушаларында (кардиомиоциттерде) кальцийдің артық жүктемесі немесе шамадан тыс мөлшері пайда болады. Кальцийдің артуы кальпайнды белсендіреді. Жақында кальпайн жоғары биіктіктегі вена тромбозын қан тақташаларының жоғары белсенділігін тудыру арқылы күшейтетіні анықталды. SJA6017, ABT 705253 және SNJ 1945. Кальпайн бас жарақаттан кейін мида бір айға дейін шығарылуы мүмкін және мұндай жарақаттардан кейін мидың кішіреюіне жауапты болуы мүмкін. Дегенмен, кальпайн жарақаттан кейін зақымдалған жерді жаңаруға көмектесетін "қайта құру" процесіне де қатысуы мүмкін.