Роль шаперонов в протеолизе

Совсем недавно стало известно об участии шаперонов в деградации белков. Шапероны – универсальные консервативные белки, которые связывают другие белки и стабилизируют их конформацию. Они могут исправлять недостатки фолдирования белков как после их синтеза, так и в процессе синтеза на рибосомах, включатся в мультимерные комплексы или транслоцироваться через различные клеточные мембраны. Шапероны были открыты как белки теплового шока (hsp), синтез которых увеличивается при повышении температуры.

Шапероны не изменяют окончательный результат фолдирующего процесса, но предотвращают агрегацию белка перед завершением свертывания и предотвращают образование нефункционирующих или непродуктивных конформаций во время этого процесса. Они увеличивают скорость фолдирования, ограничивая тем самым число непродуктивных путей свертывания доступных для полипептидной цепи. Шапероны также нужны для рефолдинга белков после перенесения ими клеточных мембран, поскольку белки пересекают клеточные мембраны в дефолдированной конформации.

Шапероны представляют собой длинную цилиндридрическую полисубъединичную четвертичную структуру, которая связывает нефолдированные белки с центральной гидрофобной полостью шаперона. Они имеют АТФ-азную активность и гидролизуют АТФ, снабжая энергией процесс свертывания полипептидной цепи. Для того, чтобы обеспечить многоступенчатый рефолдирующий процесс, комплекс шаперона с субстратом подвергается нескольким АТФ-зависимым циклам ассоциации-диссоциации. Члены семейства шаперонов молекулярной массой 70 kDa узнают гидрофобные домены белков, которые экспонируются при нарушенной (не нативной) конформации. С нативными белками шапероны не связываются.

В настоящее время высказана гипотеза, в соответствии с которой шапероны, если не могут обеспечить транспорт белков, то способствуют быстрой деградации этих белков. Известно об ускорении протеолиза, индуцированного денатурирующим эффектом нагревания белка. У эукариот молекулярные шапероны вовлечены в деградацию белков, которая протекает различными путями. Так селективная и индуцированная деградация белков в лизосомах вовлекает узнавание белком теплового шока, пептидного мотива близкого к Lys-Phe-Glu-Arg-Gln в белке - субстрате. Образование комплекса между шапероном и узнающим мотивом приводит к специфическому связыванию субстратного белка с мембраной лизосомы. Внутриклеточные шапероны необходимы для импорта субстратных белков в лизосомы. Имеются данные о том, что потеря шаперонов приводит к накоплению ошибочно фолдированных белков в цитоплазме. Показано также, что деградация определенных протеолитических субстратов убиквитиновой системы требует присутствия катионов и молекулярных шаперонов. Возможно, что в зависимых от шаперонов субстратах, их Е3 узнающий участок спрятан и связывание с шапероном необходимо, чтобы его открыть. Альтернативным объяснением селективного эффекта шаперонов может быть степень нефолдированности или агрегации субстратов. Вовлечение шаперонов в протеолитический процесс требует образования комплекса с субстратом - мишенью, который может подвергаться зависимым от катионов циклам ассоциации-диссоциации. Предполагается, что связывание белков с шаперонами в отсутствии катионов приведет к тому, что протеолитический субстрат будет заперт в шапероне и не сможет быть презентирован конъюгирующему механизму.

В целом нет четкого представления о механизмах действия шаперона в протеолитической системе. Обсуждается возможность такого связывания шаперона с субстратом при котором экспонируется лигаза-связывающий домен последнего, а для освобождения субстрата из шаперона и перенесения на лигазу требуется присутствие катионов. В этом случае шаперон «поддерживает» субстрат нефолдированным, однако способным связаться с Е3. Есть высокая вероятность того, что многие клеточные белки в определенной степени денатурированы. Хорошо известны и тщательно изучены функции молекулярных шаперонов в рефолдинге денатурированных белков в их нативную форму. Процесс протекает постепенно и вовлекает повторные катион-зависимые циклы ассоциации-диссоциации. Недостаточность ренатурации белков приводит к их презентации лигазе. «Решение» в предоставлении денатурированного белка протеолитической системе может основываться на скорости успешного взаимодействия между шаперон-субстратным комплексом и Е3, при этом шаперон представляет лигазе белок с экспонированным узнаваемым доменом и это приводит в результате к переносу связанного с шапероном белка на Е3. Рефолдинг белка в форму, в которой узнаваемый домен мало экспонирован, приводит к неэффективному взаимодействию и освобождению из шаперона нативного рефолдированного белка. Итак, значительная часть новосинтезированных полипептидных цепей подвергается в клетке деградации. К числу мишеней относятся белки с дефектной структурой, «неправильным» фолдингом, несвязанные субъединицы гетероолигомерных комплексов и белки, утратившие свою роль в клеточном метаболизме. В эукариотических клетках основным местом формирования белков-мишений является эндоплазматический ретикулум, в котором осуществляются различные типы ковалентной модификации полипептидов, их сворачивание и олигомеризация. Сворачивание полипептидов протекает с участием шаперонов, ответственных также за трансмембранный перенос этих цепей к поверхности эндоплазматического ретикулума, где они подвергаются убиквитинированию и связываются с протеасомами. При накоплении белков-мишеней реализуются специальные механизмы, стимулирующие их деградацию и/или выведение из клетки.

Завершая обсуждение механизмов полного протеолиза и его роли, можно заключить, что процессы внутриклеточного катаболизма белков необходимы для деградации новообразованных полипептидных цепей с неправильной структурой и/или внутриклеточной компартментализацией, несзвязанных компонентов мультисубъединичных белковых комплексов, а также белков, контролирующих быстрые физиологические процессы. При этом протеолиз долгоживущих цитоплазматических белков протекает в лизосомах, а короткоживущие цитоплазматические белки деградируются преимущественно цитоплазматической системой, например, протеасомами или другими пока еще не известными системами.

Итак, обмен белков является динамическим процессом, включающим одновременно синтез и деградацию белков, а изучение и понимание функций катаболизма белков также важно, как и изучение и понимание роли их синтеза