Протеолиз белков в клетке

К числу фундаментальных достижений биологии последних двадцати лет относится признание протеолиза как особой формы физиологической регуляции (Гомазков, 1996).

Протеолиз - ферментативный гидролиз белков и пептидов, катализируется протеолитическими ферментами (пептид-гидролазами, протеазами) и играет важную роль в регуляции обмена веществ в организме. С протеолизом связаны такие фундаментальные процессы жизнедеятельности, как внутриклеточный распад белков и регуляция их кругооборота, пищеварение, оплодотворение, морфогенез, защитные реакции, адаптационные перестройки обмена. Нарушение протеолиза и его регуляции лежит в основе развития многих патологических состояний (Веремеенко и др., 1988).

Протеиназы - ферменты, осуществляющие гидролиз пептидной связи в белках, включаются в функционирование белковой молекулы на самых ранних этапах биосинтеза и сопровождают белки до конечной стадии их жизненного цикла (полное расщепление, запуск апоптоза) (Ефременко, Конторщикова, 2006).

Различают 2 типа протеолиза: приводящий к полному расщеплению белковых молекул до отдельных аминокислот (тотальный) и частичный, так называемый ограниченный протеолиз, при котором избирательно гидролизуется одна или несколько пептидных связей в молекуле белка. Протеолиз первого типа происходит в результате согласованного действия различных протеолитических ферментов, тогда как реакции ограниченного протеолиза катализируются отдельными специфическими протеазами (Соловьева и др., 1995). Полный протеолиз осуществляется при внутриклеточном распаде белков под влиянием тканевых протеаз (часто называемых катепсинами). Он протекает во многих случаях внутри лизосом - клеточных органелл, содержащих набор гидролитических ферментов. Путем полного протеолиза происходит удаление из организма аномальных белков, образующихся в результате мутаций и ошибок биосинтеза. Полное расщепление белковых молекул наблюдается также при различных морфогенетических превращениях и адаптационных перестройках обмена. Под влиянием таких ферментов желудочно-кишечного тракта, как пепсин, трипсин, химотрипсин и ряда других пептидаз, происходит полный протеолиз белков пищи (Мосолов, 1971).

Ограниченный протеолиз белковых молекул имеет первостепенное значение для регуляции обмена веществ в организме. Реакции ограниченного протеолиза участвуют в процессе образования и инактивации практически всех ферментов, гормонов и других биологически активных белков и пептидов и, следовательно, в контроле активности основных биорегуляторов (Furuno et al., 1990). Например, ограниченный протеолиз происходит при превращении неактивных проферментов пепсиногена, трипсиногена и др. в соответствующие активные протеазы, а также при образовании ферментов, участвующих в свертывании крови, фибринолизе, активации системы комплемента, ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой систем и др. Эти системы организма активируются в результате каскадного процесса, на каждом из стадий которого из неактивного профермента путем ограниченного протеолиза образуется фермент, катализирующий последующую реакцию (Goldberg, Dice, 1974). Примером роли ограниченного протеолиза в биогенезе гормонов может служить специфический гидролиз ряда пептидных связей в молекуле пропиомеланокортина, в результате которого из этого полифункционального биосинтетического предшественника образуются АКТГ, β-липотропин, эндорфины, меланостимулирующие гормоны, из проинсулина - инсулин, из проглюкагона - глюкагон. Таким же образом из своих неактивных предшественников образуются факторы роста и другие регуляторные пептиды. При некоторых эндокринных заболеваниях, например, наследственной проинсулиннемии, нарушен ограниченный протеолиз проинсулина. Основным молекулярным механизмом образования, инактивации и модификации, различных нейропептидов также является ограниченный протеолиз, который тем самым играет существенную роль в реализации таких нейрофизиологических процессов, как память, боль, поведенческие реакции и другие (Веремеенко и др., 1988).

Ограниченный протеолиз представляет собой один из основных механизмов посттрансляционной модификации - процессинга белков, этапа, на котором из вновь синтезированных полипептидных цепей формируются «зрелые» белковые молекулы. С помощью ограниченного протеолиза образуются функционально активные белки и пептиды не только у высших, но и у простейших организмов. Так, путем ограниченного протеолиза вирусного полипептида получаются специфические белки различных вирусов, т.е. ограниченный протеолиз является одним из важнейших механизмов репродукции вирусов и играет большую роль в развитии вирусных инфекций (Wickner, 1999).