Кіріспе
Белоктардың кіші полипептидтерге немесе аминқышқылдарына ыдырауы
Протеолиз – ақуыздардың кіші полипептидтерге немесе аминқышқылдарына ыдырауы. Катализделмеген пептидтік байланыстардың гидролизі өте баяу, жүздеген жылдарға созылуы мүмкін. Протеолиз көбінесе протеазалар деп аталатын жасушалық ферменттермен катализделеді, бірақ ішкі молекулалық қорыту арқылы да жүруі мүмкін. Организмдердегі протеолиз көптеген мақсаттарға қызмет етеді; мысалы, ас қорыту ферменттері тағамдағы ақуыздарды ыдыратып, организмге аминқышқылдарын жеткізеді, ал полипептидтік тізбектің синтезденгеннен кейін протеолитикалық өңделуі белсенді ақуызды өндіру үшін қажет болуы мүмкін. Бұған қоса, ол кейбір физиологиялық және жасушалық процестерді, соның ішінде апоптозды реттеуде және жасушаларда қажетсіз немесе дұрыс бүгілмеген ақуыздардың жиналуын болдырмауда маңызды рөл атқарады. Сәйкесінше, протеолиздік реттеудің бұзылуы ауруға алып келуі мүмкін. Протеолиз зертханада ақуыздарды зерттеу үшін талдамалық құрал ретінде де, сондай-ақ өнеркәсіпте, мысалы, тамақ өңдеу және дақтарды кетіру сияқты салаларда қолданылуы мүмкін.
Трансляциядан кейінгі протеолиттік өңдеу
Көптеген белоктар үшін ақуыз синтезі барысында немесе одан кейін полипептидтің шектеулі протеолизі жиі кездеседі. Бұл N-терминалды метионинді, сигналдық пептидті және/немесе белсенді емес немесе функционалды емес белокты белсенді түріне түрлендіруді қамтиды. Белсенді белоктың соңғы функционалдық түрінің алғысы пробелок деп аталады, ал мұндай пробелоктер алдымен препробелок ретінде синтезделуі мүмкін. Мысалы, альбумин алдымен препроальбумин ретінде синтезделеді және оның құрамында кесілмеген сигналдық пептид болады. Сигналдық пептид кесілгеннен кейін проальбумин пайда болады, ал N-терминалды 6 қалдықтан тұратын пропептидті жою арқылы ақуыздың жетілген түріне қол жеткізіледі.
N-терминал метиониннің алынуы
Бастауыш метионин (және прокариоттарда fMet) жаңа пайда болған белоктың трансляциясы барысында алынып тасталуы мүмкін. E. coli үшін, егер екінші аминқышқылы кішкентай және зарядталмаған болса, fMet тиімді түрде алынады, бірақ екінші аминқышқылы үлкен және зарядталған болса, алынып тасталмайды. Прокариоттар мен эукариоттардың екесінде де, ашық N-терминал аминқышқылы N-терминал ережесіне сәйкес белоктың жартылай ыдырау мерзімін анықтай алады.
Сигнал тізбесін жою
Мембрана арқылы тасымалдануға тиіс белгілі бір органеллаға немесе секрецияға бағытталған белоктардың N-терминалында осы белокты соңғы орнына жеткізетін сигналдық пептиді болады. Тасымалданудан кейін бұл сигналдық пептид протеолиз арқылы алынып тасталады.
Полипротеиндерді бөлу
Кейбір белоктар және эукариоттық полипептид гормондарының көпшілігі жеке кіші полипептидтік тізбектерге протеолиздік бөлінуді қажет ететін полипротеин деп аталатын ірі прекурсорлық полипептид ретінде синтезделеді. Полипротеин про опиомеланокортин (POMC) құрамында көптеген полипептид гормондары бар. Алайда, POMC-ның бөліну үлгісі әр түрлі тіндерде өзгеше болуы мүмкін, соның салдарынан бір полипротеиннен полипептид гормондарының әр түрлі жиынтығы түзіледі. Көптеген вирустар да бастапқыда полицистроникалық мРНҚ-дан аудармаланған бір полипептид тізбегі ретінде ақуыздарды өндіреді. Бұл полипептид кейін жеке полипептидтік тізбектерге бөлінеді. Бұл процесс топырақ организмдерінің қауымдастықтарында да жүзеге асады. Жасушадағы ақуыздар аминқышқылдарына ыдырайды. Жасушаішілік ақуыздың ыдырауы бірнеше функцияларды атқарады: ол зақымдалған және бұрмаланған белоктарды жояды және олардың жинақталуына жол бермейді. Сондай-ақ, ол жасуша процестерін реттеуге көмектеседі, қажет болмай қалған ферменттер мен реттеуші ақуыздарды алып тастау арқылы. Аминқышқылдары ақуыз синтезі үшін қайта қолданылуы мүмкін.
Лизосома және протеасома
Белсенің жасуша ішінде ыдырауы екі жолмен жүзеге асуы мүмкін: лизосомадағы протеолиз немесе қажетсіз белоктарды протеазомаға бағыттайтын убиквитинге тәуелді процесс. Автофагия-лизосомалық жол әдетте бөлшексіз процесс болып табылады, бірақ аштық кезінде ол селективті болуы мүмкін, осылайша KFERQ немесе оған ұқсас пептидтік тізбегі бар белоктар селективті түрде ыдырайды. Лизосомалар катепсиндер сияқты көптеген протеазаларды қамтиды. Убиквитинмен катализделген процесс селективті болып табылады. Ыдырауға белгіленген белоктар убиквитинмен ковалентті байланысады. Ыдырауға арналған белокқа көптеген убиквитин молекулалары тізбектей жалғануы мүмкін. Полиубиквинацияланған белок АТФ-ге тәуелді протеаза кешеніне, яғни протеазомаға бағытталады. Убиквитин босатылып, қайта қолданылады, ал бағытталған белок ыдырайды.
Ұяшық ішіндегі ақуыздың ыдырау жылдамдығы
Әр түрлі белоктар әртүрлі жылдамдықпен ыдырайды. Аномальды белоктар тез ыдырайды, ал қалыпты белоктардың ыдырау жылдамдығы олардың атқаратын қызметтеріне байланысты кең ауқымда өзгеруі мүмкін. Маңызды метаболиздік бақылау нүктелеріндегі ферменттер, барлық физиологиялық жағдайларда белсенділігі тұрақты ферменттерге қарағанда әлдеқайда жылдам ыдырайды. Орнитин декарбоксилаза – ең жылдам ыдырайтын белоктардың бірі, оның жартылай ыдырау мерзімі 11 минутты құрайды. Керісінше, актин және миозин сияқты басқа белоктардың жартылай ыдырау мерзімі бір ай немесе одан да көп, ал гемоглобин эритроциттің өмір сүру мерзімі бойына сақталады. N-соңының ережесі белоктың жартылай ыдырау мерзімін белгілі бір деңгейде анықтай алады, ал пролин, глутамин қышқылы, серин және треонинге бай сегменттері бар белоктар (ПЕСТ белоктары деп аталады) қысқа жартылай ыдырау мерзіміне ие. Ыдырау жылдамдығына әсер ететін басқа факторларға глютамин мен аспарагиннің деаминациялану жылдамдығы, цистеин, гистидин және метиониннің тотығу жылдамдығы, тұрақтандыратын лигандтардың болмауы, бекітілген көмірсутек немесе фосфат топтарының болуы, еркін α-амино тобының болуы, белоктың теріс заряды және белоктың икемділігі мен тұрақтылығы жатады. Ретсіз сегменттері бар белоктар протеазоманың ыдырауды тиімді бастауын жеңілдетуге қабілетті деп саналады. Протеолиз жылдамдығы организмнің физиологиялық күйіне, оның гормоналдық және тамақтану жағдайына да байланысты болуы мүмкін. Аштық кезінде белоктың ыдырау жылдамдығы артады.
Ас қорыту
Адамның ас қорыту процесінде тағамдағы ақуыздар пепсин, трипсин, химотрипсин және эластаза сияқты ас қорыту ферменттерімен кішкентай пептидтік тізбектерге, ал карбоксипептидаза, аминопептидаза және дипептидаза сияқты түрлі ферменттермен аминқышқылдарына ыдырайды. Ақуыздарды кішкентай пептидтерге (трипептидтер мен дипептидтерге) және аминқышқылдарына ыдырату қажет, осылайша олар ішектермен сіңіріледі, ал сіңген трипептидтер мен дипептидтер қан ағынына түсер алдында клетка ішінде аминқышқылдарына толық ыдырайды. Әртүрлі ферменттердің субстратқа қатысты таңдамалылығы әртүрлі; мысалы, трипсин оң зарядталған қалдықтан (аргинин мен лизин) кейін пептидтік байланысты кеседі; химотрипсин ароматикалық қалдықтан (фенилаланин, тирозин және триптофан) кейін байланысты кеседі; эластаза аланин немесе глицин сияқты кішкентай полярлық емес қалдықтан кейін байланысты кеседі. Ас қорыту ферменттерінің қате немесе ертерек белсендірілуін болдырмау үшін (мысалы, олар панкреатиттің өзіне-өзі ас қорытуын тудырып, панкреатиттің пайда болуына себеп болуы мүмкін), бұл ферменттер белсенді емес зимоген түрінде бөлінеді. Пепсиннің алды – пепсиноген асқазанмен бөлінеді және тек асқазанның қышқыл ортасында ғана белсендіріледі. Қарынша безі трипсин және химотрипсин сияқты бірнеше протеазалардың алдағы формаларын бөліп шығарады. Трипсиннің зимогені – трипсиноген, ол он екі елі ішектің шырышты қабығымен бөлінетін энтерокиназа деп аталатын өте таңдамалы протеазамен белсендіріледі. Трипсин белсендірілгеннен кейін басқа трипсиногендерді, сондай-ақ химотрипсин және карбоксипептидаза сияқты басқа протеазалардың алдағы формаларын да кесіп, оларды белсендіре алады. Бактерияларда да белсенді емес зимогенді немесе презимогенді пайдаланудың ұқсас стратегиясы қолданылады. Субтилизин, Bacillus subtilis бактериясымен өндіріледі, ол препросубтилизин түрінде өндіріледі және тек сигналдық пептид кесілгенде және автокатализдік протеолиздік белсендіру болған жағдайда ғана бөлінеді.
Ұяшықтарды реттеу
Протеолиз көптеген жасушалық процестерді реттеуге де қатысады, ферменттерді, транскрипция факторларын және рецепторларды белсендіру немесе белсенділігін жою арқылы, мысалы холестериннің биосинтезінде немесе протеазалармен белсендірілген рецепторлар арқылы тромбин сигналдауын ортадастау арқылы. Орнитин декарбоксилазасы сияқты маңызды метаболизмдік бақылау нүктелеріндегі кейбір ферменттердің реттелуі олардың синтезделу және ыдырау жылдамдықтарымен толығымен анықталады. Клетка өсуін реттеуде орталық рөл атқаратын протоонкогендердің ақуыздық өнімдері де жылдам ыдырайтын ақуыздарға жатады.
Жасушалық циклді реттеу
Циклиндер - жасуша бөлінуіне қатысатын киназаларды белсендіретін ақуыздар тобы. Циклиндердің ыдырауы митоздан шығу мен келесі жасуша циклына өтуді бақылайтын маңызды қадам болып табылады. Циклиндер жасуша циклы барысында жинақталып, митоздың анафазасына дейін күрт жоғалады. Циклиндер убиквитинге байланысты протеолиз жолы арқылы жойылады.
Апоптоз
Каспаздар – апоптоз немесе бағдарламаланған жасуша өліміне қатысатын протеазалардың маңызды тобы. Каспазаның алдындағы түрі, прокаспаза, протеолиз арқылы белсендірілуі мүмкін, оның апоптосома құрайтын белок кешенімен байланысуы арқылы, немесе Гранзим B арқылы, немесе өлім рецепторларының жолдары арқылы.
Автопротеолиз
Кейбір белоктарда автопротеолиз жүреді, онда пептидтік байланыс өзіндігінен катализделетін ішкімолекулалық реакцияда үзіледі. Зимогендерден айырмашылығы, бұл автопротеолитикалық белоктар "бір реттік айналым" реакциясына қатысады және үзілгеннен кейін қосымша реакцияларды катализдемейді. Мысалдарға, фон Виллебранд факторының D (VWD) домендерінің бір бөлігіндегі Asp Pro байланысының, Neisseria meningitidis FrpC өзін-өзі өңдеу доменіндегі, Salmonella FlhB ақуызындағы, Yersinia YscU ақуызындағы Asn Pro байланысының үзілуі, сондай-ақ теңіз кірпісінің сперматозоидты ақуызындағы, энтерокиназадағы және агрин (SEA) домендеріндегі Gly Ser байланысының үзілуі жатады. Кейбір жағдайларда автопротеолитикалық үзілу пептидтік байланыстың конформациялық кернеуімен ынталандырылады. Панкреатитте протеазалардың ағуы және панкреаста олардың мерзімінен бұрын белсендірілуі панкреастың өзіндігінен қорытылуына алып келеді. Диабетпен ауыратын адамдарда лизосомалық белсенділік артуы мүмкін, ал кейбір белоктардың ыдырауы айтарлықтай жоғарылайды. Ревматоидты артрит сияқты созылмалы қабыну аурулары лизосомалық ферменттердің клеткадан тыс кеңістікке шығарылуын қамтиды, бұл ферменттер айналасындағы тіндерді бұзады. Аномальды протеолиз жасқа байланысты көптеген неврологиялық ауруларға, мысалы, Альцгеймер ауруына себеп болуы мүмкін, себебі жасушаларда жиналатын пептидтердің пайда болуы және тиімсіз жойылуы осы ауруға алып келеді. Протеазалар антипротеазалар немесе протеаза ингибиторларымен реттелуі мүмкін, ал протеазалар мен антипротеазалар арасындағы тепе-теңдік бұзылуы ауруларға әкелуі мүмкін, мысалы, темекі шегуден туындаған эмфизема кезінде өкпе тіндерінің зақымдануы. Темекі шегу өкпедегі нейтрофильдер мен макрофагтардың санын арттырады деп есептеледі, олар эластаза сияқты протеолитикалық ферменттердің шамадан тыс мөлшерін бөліп шығарады, сондықтан оларды α1 антитрипсин сияқты серпиндер тоқтата алмайды, осылайша өкпедегі байланыстырылған тіндердің ыдырауына себеп болады. Бұл ауруда басқа протеазалар мен олардың ингибиторлары да қатысуы мүмкін, мысалы, матрицалық металлопротеиназалар (ММП) және тіндік металлопротеиназалардың ингибиторлары (ТИМП). Аберрант протеолизге байланысты басқа аурулар: бұлшықет дистрофиясы, дегенеративті тері аурулары, тыныс алу және асқазан-ішек жолдары аурулары, қатерлі ісіктер.
Энзималық емес процестер
Белсендік тізбектер бейтарап pH және бөлме температурасында суда өте тұрақты, бірақ әртүрлі пептидтік байланыстардың гидролизінің жылдамдығы әртүрлі болуы мүмкін. Пептидтік байланыстың жартылай ыдырау мерзімі қалыпты жағдайда 7 жылдан 350 жылға дейін, тіпті модификацияланған ұштарымен немесе ақуыздың ішкі бөлігінде қорғалған пептидтер үшін одан да жоғары болуы мүмкін. Дегенмен, гидролиз жылдамдығы экстремалды pH және қыздыру арқылы айтарлықтай арттырылуы мүмкін. Ақуыздардың спонтанды бөлінуіне цинктың серин мен треонинге катализдік әсері де қатысуы мүмкін. Күшті минералды қышқылдар ақуыздағы пептидтік байланыстарды оңай гидролиздей алады (қышқыл гидролизі). Ақуызды немесе пептидті құрамындағы аминқышқылдарына гидролиздеу үшін стандартты әдіс – оны 6M тұз қышқылында шамамен 24 сағат бойы 105°C-қа дейін қыздыру. Бірақ, кейбір ақуыздар қышқыл гидролизіне төзімді келеді. Белгілі бір мысал – рибонуклеаза А, оны шикі экстракттарды ыстық күкірт қышқылымен өңдеу арқылы тазартуға болады, сонда басқа ақуыздар ыдырайды, ал рибонуклеаза А өзгермей қалады. Кейбір химиялық заттар протеолизді тек белгілі бір қалдықтардан кейін ғана тудырады, оларды зертханалық талдау үшін ақуызды іріктеп кіші полипептидтерге бөлуге пайдалануға болады. Мысалы, цианоген бромиді метиониннен кейін пептидтік байланысты ажыратады. Триптофанил, аспартил, цистеинил және аспарагинил пептидтік байланыстарын нақты бөлу үшін ұқсас әдістерді қолдануға болады. Трифторацетат және құмырсқа қышқылы сияқты қышқылдар да бөлу үшін қолданылуы мүмкін. Басқа биомолекулалар сияқты ақуыздар да тек жоғары температурада ыдырайды. 250°C температурада пептидтік байланыс оңай гидролизденеді, оның жартылай ыдырау мерзімі шамамен бір минутқа дейін төмендейді. Ақуыздар гидролизсіз пиролиз арқылы да ыдырауы мүмкін; ыдырау кезінде шағын гетероциклді қосылыстар пайда бола бастауы мүмкін. 500°C-тан жоғары температурада полициклді ароматты көмірсутектер де пайда болуы мүмкін, бұл темекі түтінінде және жоғары температурада пісіруде канцерогендердің пайда болуын зерттеуде маңызды.