Протеолиз белков в клетке

К сериновым протеазам принадлежит трипсин, химотрипсин, эластаза, подавляющее большинство протеаз плазмы крови (факторы свертывания крови, фибринолиза, системы комплемента, кининовой системы), многие внутриклеточные и бактериальные протеазы. Эти ферменты, хотя и отличаются своей третичной структурой и специфичностью, но имеют одинаковую геометрию активного центра и поэтому катализируют реакции по одному и тому же механизму. Три аминокислотных остатка формируют домен-каталитическую триаду, обеспечивающую проведение катализа (например, Гис 57, Асп 102 и Сер195 у химотрипсиногена).

Во время катализа происходит нуклеофильная атака кислорода гидроксильного остатка серина протеазы на углерод карбонила гидролизуемой пептидной связи. При этом образуется промежуточный ацилферментный комплекс. Гидролиз возникающей при этом сложной эфирной связи приводит к образованию второго продукта гидролиза (Дин, 1981).

К цистеиновым протеазам относятся многие катепсины: B, H, L, ряд бактериальных и растительных ферментов, из которых наиболее изучен папаин. Это группа гомологичных белков с однотипной трехмерной структурой. Отличия в специфичности катепсинов обусловлены локальными различиями в структуре субстрат - связывающей области. Цистеиновые протеазы по механизму действия напоминают сериновые, однако ведущая роль в катализе отводится цистеину. Во время катализа происходит передача протона SH-группы цистеина на молекулу смежного гистидина, и атом серы обеспечивает нуклеофильную атаку на углерод карбонила гидролизуемой пептидной связи. Возникающий тиоэфир, связывающий новый С - конец пептида с тиолом цистеина - промежуточное звено реакции (подобно ацилферментному комплексу в механизме катализа сериновыми протеазами). Остатки Цис25 и Гис159 (в папаине) играют такую же роль, как Сер195 и Гис57 в химотрипсине (Halang et al., 2000).

Лизосомальные цистеиновые протеиназы вовлечены в процессы неопластической трансформации. Они деградируют многие белки и компоненты внеклеточного матрикса и осуществляют деструкцию ткани. В процессе иммунного ответа они участвуют в процессинге антигенов, а также могут модифицировать белки плазматической мембраны. Эти протеиназы осуществляют протеолиз короткоживущих белков, которые регулируют злокачественный рост (Дилакян, 2000).

Матриксные металлопротеиназы относятся к семейству цинковых металлопротеиназ, функция которых связана с обменом соединительного матрикса в норме и при патологии. Известно более 20 представителей этого семейства, которые на основании специфичности можно разделить на пять подсемейств: 1-колагеназы; 2-желатиназы; 3-стромелизины; 4-мембранный тип матриксных металлопротеиназ; 5-матриксные металлопротеиназы, не относящиеся к известным подсемействам. Они играют основную роль в гидролизе экстраклеточного матрикса благодаря своей способности разлагать практически все его компоненты: коллагены всех типов, эластин, протеогликаны, ламинин и т.д. Кроме того, металлопротеиназы могут участвовать в процессе канцерогенеза, воздействуя на различные пути передачи сигнала в клетке, основные компоненты соединительнотканного матрикса, на межклеточные взаимодействия, а также продуцируя различные биологически активные молекулы (Клишо и др., 2005).

Металлопротеиназы относятся к энергозависимым протеиназам. Энергозависимые протеиназы осуществляют селективный внутриклеточный протеолиз - важный механизм контроля качества функциональных белков и поддержания их необходимого уровня в клетках. Эти протеиназы выполняют две основные функции: деструктивную (освобождают клетки от дефектных и мутантных белков) и регуляторную (осуществляют деградацию ряда короткоживущих регуляторных белков). Протеолитическая активность этих ферментов сопряжена с гидролизом АТФ. Ферменты проявляют высокую селективность, поскольку производят отбор субстратов - мишеней из общего пула внутриклеточных белков, большая часть которых не должна повреждаться. При этом специфичность по отношению к аминокислотам, образующим расщепляемую связь, у энергозависимых протеиназ зачастую не выражена. Деградация белков - субстратов происходит по процессивному механизму - без высвобождения высокомолекулярных промежуточных продуктов (Ротанова, 2000).

Экзопептиды разделяют на аминопептидазы и карбоксипептидазы, дипептидиламинопептидазы и дипептидилкарбоксипептидазы, которые катализируют отщепление аминокислот или дипептидов от N- и С-конца пептидной цепи соответственно, и дипептидазы, катализирующие гидролиз дипептидов. Многие экзопептидазы являются металлоферментами.