Podstawowy element budulcowy organizmów stanowią białka. Czas ich życia (okres połowicznego rozkładu) jest ograniczony i wynosi od kilku minut do kilku dni. Prawidłowe funkcjonowanie organizmu opiera się na homeostazie białkowej, czyli utrzymaniu na właściwym poziomie reakcji ich syntezy i degradacji. W zdrowym organizmie rozkładowi ulega 3–5% białek, w chorym – znacznie więcej (w zdrowym sercu usuwanych jest 30% białek w ciągu 10 min po zsyntetyzowaniu, a w niewydolnym jeszcze więcej), dlatego przemiany białek muszą być pod stałą i ścisłą kontrolą. W komórkach zdrowego organizmu degradacji ulegają nie tylko białka, których czas życia się skończył, ale także te, których cząsteczki są uszkodzone, nieprawidłowe czy zużyte.

Wyróżnia się dwie drogi degradacji białek w komórkach organizmu: lizosomalną i pozalizosomalną.

Proteasomy występują we wszystkich komórkach eukariotycznych. HomologihomologiHomologi proteasomu zidentyfikowano również u niektórych bakterii oraz archeonów. Ich liczba jest zmienna i zależy od zapotrzebowania komórki na rozkład białek. Średnio w jednej komórce eukariotycznej może się znajdować ok. 30 tys. proteasomów. Zlokalizowane są one w jądrze komórkowym i cytoplazmie – skupiają się wokół centrioli, tworząc centra proteolityczne. W mniejszych ilościach obecne są w retikulum endoplazmatycznym.

Proteasom 26Sproteasom 26SProteasom 26S to wielkocząsteczkowy kompleks proteazproteazy (enzymy proteolityczne)proteaz – enzymów odpowiedzialnych za niszczenie białek i regulację procesów komórkowych związanych z przemianami biochemicznymi białek. Składa się z proteasomu 20Sproteasom 20Sproteasomu 20S, mającego aktywność katalityczną, oraz podjednostki regulatorowej 19Sregulator 19Spodjednostki regulatorowej 19S.

Proteasom 20S zbudowany jest z 28 podjednostek, będących enzymami, które biorą udział w rozkładzie białek. Podjednostki te są ułożone w 4 pierścienie. Każdy pierścień zbudowany jest z 7 ściśle przylegających do siebie podjednostek, które tworzą strukturę przypominającą beczkę. Składniki beczki budujące pierścienie  zewnętrzne to podjednostki αalfa, natomiast budujące pierścienie wewnętrzne to podjednostki βbeta. Są one ułożone według schematu αalfa‑βbeta-βbeta‑αalfa.

R17ghXcLLNQMm

Ilustracja przedstawia budowę proteasomu 20S, który składa się z 28 kulek reprezentujących podjednostki proteasomu. U góry i u dołu znajduje się po 7 jasnozielonych kulek – podjednostek alfa, a w środku 14 ciemnozielonych kulek – podjednostek beta.

Dostęp do wnętrza proteasomu 20S, stanowiącego rdzeń katalityczny, jest kontrolowany przez podjednostkę regulatorową 19S. Dwie takie podjednostki przyłączają się do końców proteasomu 20S, tworząc proteasom 26S.

Mechanizm pozalizosomalnej degradacji białek oparty jest na szlaku ubikwitynaubikwitynaubikwityna–proteasom (UPS – od ang. ubiquitin–proteasome system). Substrat białkowy podlegający niszczeniu musi zostać najpierw wyszukany i rozpoznany przez odpowiednie enzymy, a następnie naznaczony tak, aby kompleks enzymów proteasomu mógł go rozpoznać. Rolę znacznika odgrywa specyficzne białko globularne – ubikwityna (Ub).

R1VTNTMbt5TOA

Ilustracja przedstawia strukturę ubikwityny. Białko to zbudowane jest z odcinków alfa‑helisy zaznaczonych na niebiesko, jak i odcinków beta‑harmonijki zaznaczonych na zielono.

Ubikwityna to małocząsteczkowe białko zbudowane z 76 reszt aminokwasowych. Występuje we wszystkich komórkach eukariotycznych, w stanie wolnym lub w postaci związanej z innym białkiem. Jej obecność w dużej ilości w tych komórkach oraz konserwatywna I‑rzędowa struktura (ubikwitynę człowieka i drożdży różnią tylko trzy reszty aminokwasowe) to cechy świadczące o tym, że ubikwityna jest kluczowym białkiem w pozalizosomalnej degradacji białek. Jej rola jako znacznika polega na naznaczaniu substratu białkowego i kierowaniu go do kompleksu proteasomu 26S. Przyłączanie ubikwityny do degradowanego białka nosi nazwę ubikwitynacjiubikwitynacjaubikwitynacji. Jest to proces wieloetapowy, wymagający nakładu energii pochodzącej z hydrolizy ATP oraz obecności trzech enzymów – E1, E2, E3 – katalizujących trzy kolejne etapy ubikwitynacji.

Zaburzenia w prawidłowym przebiegu szlaku ubikwityna–proteasom są przyczyną wielu chorób. Przy braku skutecznej degradacji nieprawidłowych białek zaczynają się one gromadzić, co prowadzi do rozwoju zaburzeń układu nerwowego – chorób Alzheimera, Parkinsona, Huntingtona. Nagromadzenie wadliwych białek może uruchomić zaprogramowaną genetycznie śmierć komórki – apoptozę – lub rozpocząć proces niszczenia własnych komórek w ramach próby naprawy uszkodzeń.

Zbyt duża aktywność proteasomów prowadzi do nadmiernego rozkładu białek, w tym regulacyjnych, co jest przyczyną rozwoju m.in. stanów zapalnych, zaburzeń pracy układu odpornościowego, nowotworów.

Podjednostki 19S są receptorami dla ubikwityny, dlatego tylko połączone z nią białka ulegają degradacji. Ponadto w proteasomie 19S dochodzi do rozplecenia białka przeznaczonego do degradacji, które następnie jest kierowane do centrum katalitycznego, znajdującego się wewnątrz proteasomu 20S. Kluczowymi składnikami znajdującymi się w proteasomie 19S są ATP‑azy. Hydroliza ATP towarzyszy nie tylko rozwijaniu się białek, ale także zmianom struktury przestrzennej proteasomu 20S, które umożliwiają przejście substratu do wnętrza tego kompleksu. Dodatkowo w ich strukturze znajduje się izopeptydaza – enzym odcinający od przeznaczonych do rozkładu białek cząsteczki ubikwityny. Dzięki temu ubikwityna może zostać ponownie wykorzystana.

Centra aktywne proteazy znajdują się we wnętrzu beczki. Substraty są degradowane, dopóki nie zostaną rozłożone na krótkie peptydy, zawierające 10 aminokwasów. Peptydy te są następnie rozkładane przez inne proteazy komórkowe na pojedyncze aminokwasy.

Słownik