Структура и функции нейтральных протеаз

Все нейтральные протеазы можно подразделить на внутриклеточные и внеклеточные. К внутриклеточным нейтральным протеазам относится Са2+- зависимая протеаза - кальпаин [3.4.22.17].

В 1964 году Гурофф впервые описал эту протеазу, которая была окончательно выделена как фермент в 1978 году в растворимой фракции мозга. С тех пор активность кальпаина была идентифицирована в различных тканях и обнаружено его участие во многих клеточных процессах.

Кальпаины - это семейство цитозольных цистеиновых протеиназ, чья ферментативная активность зависит от Са2+. Члены этого семейства участвуют в таких процессах как клеточная миграция, цитоскелетное ремоделирование, клеточная дифференциация и апоптоз. Активация кальпаина наблюдается также при таких патологических состояниях как мышечная дистрофия, сердечная и церебральная ишемия, агрегация эритроцитов, нейродегенеративные болезни, катаракта и болезнь Альцгеймера (Khorchid, Ikura, 2002).

В условиях гипоксии кальпаин подвергается гиперактивации, что непосредственно ведет к деструкции цитоскелета нейронов, а в дальнейшем приводит к гибели клеток по механизму некроза или апоптоза (Хансон, 1992).

Потенциальными субстратами кальпаинов являются белки цитоскелета, некоторые мембранно - связанные ферменты, белки ядерного матрикса, протеинкиназа С, рецепторы, фосфатазы, факторы транскрипции. Ограниченный протеолиз определенных белков кальпаинами показывает необходимость этого процесса для мембранного слияния. Активация Са2+ - зависимых нейтральных протеаз при апоптозе предшествует морфологическим изменениям и фрагментации хроматина в тимоцитах, подвергнутых облучению или действию дексометазона. Ингибиторы кальпаина предотвращают фрагментацию ДНК и гибель клеток. Было показано, что Са2+ - зависимая протеаза тимоцитов является обязательным компонентом каскада протеолитических ферментов метилпреднизолон - индуцированного апоптоза. Ингибиторы кальпаинов блокируют апоптоз HIV - индуцированных Т-лимфоцитов и восстанавливают иммунный ответ этих клеток, что предполагает потенциальное использование ингибиторов кальпаинов в терапии HIV инфекций. Действие этой нейтральной протеазы практически необратимо, что, по-видимому является одной из причин опасности длительного повышения уровня Са2+ в цитозоле (Kуцый и др., 1999).

В ответ на увеличение концентрации Са2+ кальпаины могут осуществлять ограниченный протеолиз ферментов, изменяя тем самым активность последних, увеличивать сродство рецепторов к лигандам, изменять пластичность мембран клеток, расщеплять миофибриллярные белки и нейтрофиламенты, вызывать деструкцию цитоскелетных компонентов клеток (Гусев, 1998).

Одной из важнейших функций кальпаинов является изменение биологической активности различных белков путем ограниченного протеолиза. В частности, таким образом, происходит активирование киназы фосфорилазы b и инактивация гликогенсинтетазы в мышце кролика. Следовательно, увеличение Са2+ в цитоплазме мышечных клеток, наблюдаемое при их сокращении, ведет к повышению активности кальпаинов и тем самым содействует расщеплению гликогена в этой ткани. С другой стороны, фосфатаза фосфорилазы превращается в активную форму с более низкой молекулярной массой также с участием этих ферментов (Croall, Demartino, 1991).

Основные функции кальпаинов мозга, очевидно, связаны с ограниченным протеолизом определенных цитоплазматических и мембранных белков, включая белки рецепторы и протеинкиназу С, а также белков цитоскелета клетки, выполняющих важную роль в регуляции внутриклеточного метаболизма, и с реализацией таких функций нейронов, как аксональный транспорт, трансмембранная передача сигнала, долговременная память и др. (Seubert et al., 1988).