Протеазома

Схематично представяне на протеазома. Активните центрове са разположени във вътрешността на синята част. Капаците (в червено, 11S в случая) са от двата края на тръбовидната структура и служат за регулируема преграда към вътрешността.

Протеазома е голям белтъчен комплекс, характерен за всички еукариоти и архебактерии, както и за някои еубактерии. При еукариотните организми се разполага в клетъчното ядро и в цитоплазмата.^[1] Основната функция на протеазомата е да разгражда непотребни или повредени белтъци чрез протеолиза (химическа реакция на разкъсване на пептидна връзка). Ензимите, които катализират такива реакции се наричат протеази. Протеазомите са в основата на механизъм, чрез който клетките регулират концентрацията на редица белтъци и се освобождават от белтъци с неправилна структура. Процесът на разграждане първоначално води до формирането на полипептидни фрагменти с дължина от седем до осем аминокиселини. Впоследствие става допълнително разграждане до свобони аминокиселини, които се използват отново в биосинтезата на белтъци^[2]. Белтъците в клетката се маркират за разграждане, чрез ковалентното прикачване на молекули убиквитин. Реакцията на маркиране се катализира от ензими, наречени убиквитин-лигази. Веднъж след прикачването на първата молекула убиквитин, процесът продължава с прикачването на втора молекула към първата и т.н., като по този начин се формира т.нар. полиубиквитинова верига върху протеина. Полиубиквитиновата опашка е сигнал за взаймодествие с протеазомата и прицелния белтък се подлага на разграждане.^[2]

В структурно отношение, протеазомата представлява бъчвообразен белтъчен комплекс със сърцевина от четири отделни пръстена разположени един върху друг около централна празнина. Всеки пръстен е изграден от седем отделни белтъка, всеки означаван като субединица. Вътрешната двойка пръстени е изградена от β субединици, в рамките на които са съсредоточени шест протеазни активни центъра. Тези центрове, където се извършва и същинското разграждане на белтъци са разположени във вътрешността на пръстените, затова прицелния белтък трябва да навлезе по някакъв начин в празнината. Външните два пръстена, изградени от α субединици формират своеобразна „врата“ през която белтъците биват прокарвани към вътрешността на структурата. α субединиците от своя страна са свързани с т.нар. „капаци“. Капаците са регулаторните части от двете страни на бъчвообразната структура, където става разпознаването на полиубиквитиновата верига, разгъването на прицелния белтък и подпомагането му за разграждане.

Цялостната система от ензими свързани с убиквитиновия метаболизъм, убиквитина и самата протеазома е известна като „убиквитин-протеазомна система“.

Пътят на разгаждането на белтъци посредством протеазомния комплекс е есенциално важен за редица процеси, свързани с клетъчния цикъл, експресията на белтъци и дори в клетъчния отговор към оксидативен стрес. Значението на протазомната протеолиза и ролята на убиквитина е повод за връчването на Нобелова награда за химия през 2004 година на Аарон Цихановер, Аврам Хершко и Ъруин Роуз^[3].

Структура и организация

Схематична диаграма на протеазомна 20S сърцевинна частица, страничен изглед. α-субединиците, съставящи вътрешните пръстени са означени със зелено, докато β-субединиците от външните пръстени са означени със синьо.

Изглед отгоре, показващ симетрия от седми порядък на външните и вътрешните пръстени

Основните структурни компоненти на протеазомата се означават съгласно техния седиментационен коефициент в Сведберги (отбелязван с латинското S). Най-често срещаната форма на протеазомата е известна като 26S протеазома. Това е протеинов комплекс с молекулна маса около 2000 kDa съдържащ една 20S сърцевинна частица и две 19S регулаторни частици (т.нар. капаци). Сърцевинната частица притежава централно разположена кухина, където става същинското разграждане на белтъци, докато отворите от двете страни на кухината са местата за навлизане на полипептидната верига на белтъка предназначен за разграждане. Всяка 20S частица асоциира с две 19S регулаторни частици. В регулаторните частици са съсредоточени множество АТФазни активни центрове и убиквитин-свързващи центрове. 19S частиците са отговорни за разпознаването на полиубиквитилираните белтъци и насочването им към сърцевинната частица. Съществува и алтернативна форма на регулаторните частици, означавана като 11S, която асоциира към сърцевинната частица по аналогичен начин, но взима участие в разпознаването и подготовката за разграждане на чужди белтъци (например такива получени след инфекция на клетката с вирусни частици) ^[4].

20S сърцевинна частица

Броят и разнообразието на субединиците на 20S сърцевинната частица частица зависи от конкретния организъм. Броят на възможните структурни компоненти е по-голям при многоклетъчните организми в сравнение с едноклетъчните, както и при еукариотните протеазоми в сравнение с прокариотните аналози. Общата структура на 20S сърцевинната частица включва четири отделни пръстена, всеки със седем субединици. Морфологично може да бъде оприличена на бъчва. Външните два пръстена са изградени от α субединици (изцяло структурни компоненти), които изпълняват две важни функции — осигуряват платформа за свързване на регулаторните 19S частици и създават бариерен механизъм към вътрешността на структурата, възпрепятстващ случайното навлизане на белтъци към деструктивната част. Вътрешните два пръстена са изградени от β субединици и именно в тях е съсредоточена каталитичната функция - протеазните активни центрове. Размерите на 20S сърцевинната частица са относително постоянни при различните еукариотни организми - 150 Å на 115 Å. Вътрешната кухина е широка около 53 Å в диаметър в най-широката си част, но към краищата на външните пръстени се стеснява до 13 Å. Това стеснение предполага най-малкото частична денатурация на полипептидните вериги, предназначени за разграждане ^[5].

При архебактериите, като например Thermoplasma acidophilum всички субединици от α тип са идентични, както и всички субединици от β тип. При дрожди има седем различни субединици от всеки тип, докато при бозайниците съществуват често повече от седем различни варианта.

19S регулаторна частица

19S регулаторната частица при еукариотните организми се състои от поне 19 различни протеини (субединици) и структурно може да се разглежда съставена от две отделни части, сглобявани поотделно – основа от 10 белтъка, свързваща се директно към α-пръстените на 20S сърцевинната частица и капак от 9 отделни белтъка, основно отговорен за свързването на полиубиквитинови вериги.

Шест от общо десетте протеини на основата притежават АТФазна активност. Свързването на 19S и 20S частиците изисква присъствието на АТФ в местата за АТФазните активни центрове на 19S частицата ^[6]. От друга страна разграждането на АТФ доставя енергия за разграждането на белтъците, като тази енергия е необходима най-малкото за разгъването на полипептидната верига ^[7], отварянето на канала в сърцевинната частица ^[8] или комбинация от двете.^[6].

Отделните компоненти на 19S регулаторната частица имат и други функции. Така например един от компонентите – ганкирин е описан онкоген, който може да асоциира циклин-зависимата киназа CDK4 - важен регулаторен белтък в прогресията на клетъчния цикъл. Ганкиринът има съществена роля при разграждането на p53, счита се за антиапоптотичен фактор, а нивата му в клетката често са значително повишени при туморни образувания ^[9].

11S регулаторна частица

20S сърцевинната частица може да асоциира и с различен тип регулаторна частица, означаван като 11S. 11S регулаторните частици, нямат АТФазна активност и взимат участие в разграждането на малки пептиди, но не и на цели белтъци. Счита се, че тази специфика се дължи на липсата на разгъваща активност, обезпечавана от разграждането на АТФ.

Тази структура е известна още и като PA28 или REG. Механизмът и структурните особености, чрез които се свързва с 20S сърцевинната частица са сходни с тези на 19S частицата ^[10]. Експресиата на белтъците, отговорни за изграждането на 11S частицата, се стимулира от интерферон гама, заедно с тези на имунопротеазомните β-субединици. Това се счита за начин за генериране на пептиди за основния комплекс за тъканна съвместимост ^[4].

Източници

1. Peters JM, Franke WW, Kleinschmidt JA. (1994) Distinct 19S and 20S subcomplexes of the 26S proteasome and their distribution in the nucleus and the cytoplasm. J Biol Chem, Mar 11;269(10):7709–18. PMID 8125997
2. Lodish, H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky SL, Darnell J. (2004). Molecular Cell Biology, 5th ed., ch.3, pp. 66–72. New York: WH Freeman. ISBN 0-7167-4366-3
3. Nobel Prize Committee. Nobel Prize Awardees in Chemistry, 2004 // 2004. Посетен на 11 декември 2006.
4. Wang J, Maldonado MA. (2006). The Ubiquitin-Proteasome System and Its Role in Inflammatory and Autoimmune Diseases. Cell Mol Immunol 3(4): 255. PMID 16978533
5. Nandi D, Tahiliani P, Kumar A, Chandu D. (2006). The ubiquitin-proteasome system. J Biosci Mar;31(1):137-55. PMID 16595883
6. Liu CW, Li X, Thompson D, Wooding K, Chang TL, Tang Z, Yu H, Thomas PJ, DeMartino GN. (2006). ATP binding and ATP hydrolysis play distinct roles in the function of 26S proteasome. Mol Cell October 6;24(1):39–50. PMID 17018291
7. Lam YA, Lawson TG, Velayutham M, Zweier JL, Pickart CM. (2002). A proteasomal ATPase subunit recognizes the polyubiquitin degradation signal. Nature 416(6882):763-7. PMID 11961560
8. Sharon M, Taverner T, Ambroggio XI, Deshaies RJ, Robinson CV. (2006). Structural Organization of the 19S Proteasome Lid: Insights from MS of Intact Complexes. PLoS Biol Aug;4(8):e267. PMID 16869714
9. Higashitsuji H, Liu Y, Mayer RJ, Fujita J. (2005). The oncoprotein gankyrin negatively regulates both p53 and RB by enhancing proteasomal degradation. Cell Cycle 4(10):1335–7. PMID 16177571
10. Forster A, Masters EI, Whitby FG, Robinson H, Hill CP. (2005). The 1.9 Å Structure of a Proteasome-11S Activator Complex and Implications for Proteasome-PAN/PA700 Interactions. Mol Cell May 27;18(5):589-99. PMID 15916965