Протеолиз белков в клетке

В организме различные белки имеют разную продолжительность жизни: для одних белков она составляет минуты, для других - многие сутки. Продолжительность жизни белков и скорость их кругооборота определяются как скоростью их биосинтеза, так и скоростью их протеолиза. Скорость протеолиза белков зависит от ряда факторов, в частности от их взаимодействия с другими веществами: субстратами, коферментами, аллостерическими эффекторами, а также от химических модификаций, которым белок может подвергаться в клетке (гликолизирования, фосфорилирования и др.) (Doherthy, Mayer, 1992).

При переходе организма из одного физиологического состояния в другое (например, на определенных стадиях эмбриогенеза), а также при голодании и некоторых стрессорных реакциях наблюдается резкое усиление протеолиза тканевых белков. Локальное усиление протеолиза белков межклеточного матрикса (коллагена, фибронектина, ламинина, протеогликанов и др.) отмечается, например, в процессе разрушения хряща при ревматоидном артрите, базальной мембраны при гломерулонефрите, а также при инвазивном росте и метастазировании опухолей. Повышенный протеолиз этих белков, а также эластина наблюдается в случае разрушения легочной ткани при эмфиземе легкого, туберкулезе легких и др. Рассеянный склероз и ряд других заболеваний нервной системы, сопровождающиеся демиелинизацией, связаны с усилением протеолиза основного белка миелина. При мышечной дистрофии отмечают повышенный протеолиз белков миофибрилл. Во всех случаях усиленный распад белков обусловлен освобождением внутриклеточных протеаз и нарушением регуляции их активности (Соловьева, 2000).

Изменение протеолиза белков при ряде других заболеваний может быть вызвано синтезом дефектного белка - субстрата. Это наблюдается при некоторых наследственных энзимопатиях, когда недостаточность фермента может быть обусловлена синтезом белка - субстрата, обладающего повышенной чувствительностью к действию протеаз (например, β-галактозидазы при некоторых формах галактосиалидозы), или нарушением ограниченного протеолиза биосинтетического предшественника ферментного белка и образованием вследствие этого аномальной формы фермента (например, аномальной α-субъединицы гексозаминидазы А при некоторых вариантах болезни Тея-Сакса).

Катализирующие гидролиз белков пептидгидролазы (протеазы, пептидазы) представляют собой большую группу ферментов, различающихся по своим физико-химическим свойствам, структуре и субстратной специфичности. Эти ферменты имеют универсальное распространение и локализованы в различных субклеточных структурах: ядре, лизосомах, митохондриях, пластинчатом комплексе, микросомной и плазматической мембранах, цитозоле и др. Различают две большие группы протеаз: эндопептидазы, расщепляющие в белках внутренние пептидные связи, и экзопептидазы, которые гидролизуют связи на N- и C-концевых участках пептидной цепи. По строению активного центра фермента и механизму его действия выделяют 4 семейства эндопептидаз: аспартильные, сериновые, цистеиновые и металлопротеазы.

Аспартильные протеиназы представляют собой многочисленную группу ферментов, встречающихся в организмах животных, растений, грибов и ретровирусов. Аспартильные протеазы представлены семейством пепсина. Они включают пищеварительные ферменты типа пепсина и химозина, лизосомальный катепсин D и ферменты процессинга белков, подобные ренину, некоторые протеазы из грибов (пенициллопепсин, ризопуспепсин, эндотиапепсин), а также вирусные протеазы вируса СПИДа (HIV) (ретропепсин). Почти все они, независимо от источника, проявляют способность катализировать реакцию гидролиза пептидных связей в кислой и слабокислой среде. Как правило, два остатка аспарагиновой кислоты участвуют в кислотно-основном катализе в активном центре фермента. Вначале, один аспартат акцептирует протон от H2O активного центра, который атакует углерод карбонила пептидной связи. Одновременно, другой аспартат дает протон кислороду карбонильной группы образующегося пептида (Кашпаров и др., 2000).

Среди протеолитических ферментов особый интерес представляют наиболее распространенные в организме сериновые протеиназы, в том числе локализованная в азурофильных гранулах нейтрофильных лейкоцитов человека гранулоцитарная эластаза. Возрастание активности эластазы во внеклеточном пространстве рассматривается как основное звено патогенеза многих заболеваний, при которых происходит инфильтрация тканей активированными нейтрофилами, наблюдаемая, прежде всего при воспалительных процессах. Попадая в кровеносное русло, эластаза может разрушать белки протеолитических систем плазмы, тем самым, нарушая процессы защиты и адаптации (Немкова, 1994).