Białko

Aminokwas

y

Turnover:

P

R

O

T

E

O

L

I

Z

A

S

Y

N

T

E

Z

A

Proteoliza wewnątrzkomórkowa

Funkcje proteolizy wewnątrzkomórkowej:

• powiązanie metabolizmu białek z

metabolizmem energetycznym

• zapewnienie odpowiedniej jakości białek w

komórce przez usuwanie białek o
nieprawidłowej strukturze

• dopasowanie metabolizmu do aktualnych

potrzeb przez rozkładanie enzymów i innych
czynników regulujących

• regulacja wydzielania hormonów

Okresy półtrwania wybranych

enzymów

Enzym

t

1/2

(dni)

Dh mleczanowa

6.0

Aldolaza

4.9

Dh glukozo-6-fosforanu

1

Glukokinaza

1

Karboksykinaza

fosfoeneolopirogronianow

a

0.3

Kinaza tymidynowa

0.1

Dekarboksylaza

ornitynowa

0.008

Polimeraza RNA I

0.05

Aminotransferaza

tyrozynowa

0.06

Oksygenaza

tryptofanu

0.08

Karboksylaza acetylo-

CoA

2

Dh aldehydu

fosfoglicerynowego

3.4

Arginaza

4.5

Zmiany wiekowe okresu półtrwania

różnych białek w ludzkich

fibroblastach (godziny)

Białko

Organizm

młody

Organizm stary

aminotransferaza

asparaginianowa

55

90

lizozym

28

80

aldolaza

175

520

rybonukleaza

88

120

Główne systemy proteolityczne w

komórce

• Lizosomalny

• Zależny od jonów wapniowych

• Zależny od ubikwityny i ATP

Turnover białka - klasy białek i mechanizmy

Rola komórkowych systemów proteolitycznych

Białka zmutowane lub
uszkodzone
Krótko żyjące białka -
regulatorowe, enzymy
kluczowe

Długo żyjące normalne
białka (np. kurczliwe)

Białka błonowe
(receptory, kanały,
transportery)

B

iałka po endocytozie -

białka osoczowe,
hormony, lipoproteiny
Białka mitochondrialne

Proteasom
y -zależne
od
ubikwityny
i ATP,
cytosolowe

Kalpainy,
zależne od
Ca,
cytosolow
e
Katepsyny
,

lizosomal
ne

Proteazy
mitochondri
alne

Wolne
aminokwa
sy

Ukierunkowywanie przemian białka

molekularne chaperony

(białka

opiekuńcze)

wiążąc się z innymi białkami kierują

je do odpowiedniej przemiany, jak:

pofałdowanie łańcucha,

oligomeryzacja, transport do innego

przedziału komórkowego lub

degradacja

• Chaperony korzystają z

energii ATP - są ATP-
azami.

• Chaperony pomagają przy

fałdowaniu poprzez
blokowanie
niedozwolonych interakcji
między cząsteczkami.

• Kompleks ATP-chaperon

ma powinowactwo do
peptydów
niesfałdowanych, a nie
ma do białek natywnych.

• Chaperony przeciwdziałają agregacji białek

charakterystycznej dla takich schorzeń jak
choroba Alzheimera, Creutzfelda-Jacoba

• Naprawianie cząsteczki białka przez chaperony

może polegać na ułatwianiu „odfałdowania” w celu
możliwości nowego, prawidłowego pofałdowania.

• Niektóre chaperony działają jak enzymy

zwiększające tempo fałdowania cząsteczki białka –

peptydylo-prolylo-izomerazy, izomerazy białkowych
mostków dwusiarczkowych

.

Do rodziny chaperonów należą białka

szoku cieplnego (Hsp)

Indukowane w odpowiedzi na:
 stres termiczny
 stres oksydacyjny
 zatrucie metalami ciężkimi
 zatrucie alkoholem
 inhibitory przemian energetycznych
 zapalenie

• Białka szoku termicznego zwiększają

szansę przeżycia komórki w warunkach
szoku przez dezagregację białek
wrażliwych na stres i doprowadzanie do
proteolizy białek uszkodzonych.

• W warunkach nie-stresowych biorą

udział w regulacji podstawowych
życiowych funkcji komórki
(housekeeping): oprócz fałdowania i
translokacji białek, aktywują białka
regulatorowe - np. czynniki
transkrypcyjne, kinazy.

• Hsp70 (70 kDa)

- rodzina białek

kodowanych u człowieka przez 11 różnych
genów w kilku różnych chromosomach,
stanowi 1-2% białek w komórce.

• Indukcja ekspresji genów Hsp70 pod

wpływem czynnika transkrypcyjnego -

czynnika szoku cieplnego - HSF

oraz

różnych komórkowych procesów - cyklu
komórkowego. proliferacji i różnicowania.

• Nadekspresja Hsp70 obserwowana w

neuronach i miocytach mutantów
Cyanorhabdis elegans o wydłużonym
okresie życia.

• Wpływając na białka związane z

podziałami komórki Hsp70 mogą mieć
stymulujący wpływ na proces
transformacji nowotworowej i proliferacji
nowotworu - wysoki poziom ekspresji w
niektórych nowotworach (np. rak piersi)
związany z niekorzystną prognozą.

Hsp60 -
chaperoniny

-

związanie
niepofałdowane
go białka
powoduje
zmianę
konformacyjną
- skrócenie
cząsteczki
chaperoniny -
utworzenie
„formy” i
sfałdowanie
białka

Wrodzone schorzenia spowodowane

przez mutacje chaperonów i

chaperonin

• Syndrom McCusicka-Kaufmana -

m.in.wrodzona wada serca

• Syndrom Bardet-Biedl - retinopatia, opóźnienie

umysłowe, otyłość, dysfunkcja nerek

• Autosomalna recesywna ataksja Charlevoix-

Saguenay - neuropatia motoryczna, atrofia
móżdżku, hipermielinizacja siatkówki

• wrodzona katarakta

Degradacja lizosomalna

• Lizosomy - organelle zawierające liczne

hydrolazy

• pH lizosomalne między 4 i 5
• Proteazy lizosomalne -

katepsyny -

mają

optimum pH w tym zakresie

• Proteazy lizosomalne działają na białka

pobierane drogą endocytozy z zewnątrz

komórki, z jej powierzchni lub wnętrza

• Lizosomalne proteazy są zdolne do

degradowania białek aż do aminokwasów.

• Mikroautofagia -

małe porcje cytoplazmy

tworzą wgłębienia na

powierzchni lizosomów

- odpowiedzialna za

ciągłą degradację

długożyjących białek

• Makroautofagia -

duże fragmenty

cytosolu lub całe

organelle zostają

otoczone przez

wakuole - powstają

autofagosomy- po fuzji

z lizosomami następuje

proteoliza

• Krinofagia -

pochłanianie przez

lizosomy pęcherzyków

aparatu Golgiego -

ograniczenie

wydzielania

• Makroautofagia w wątrobie

odpowiedzialna za prawie całą
proteolizę, zwłaszcza w okresie
głodzenia.

• Czynniki hamujące makroutofagię:
- aminokwasy
- insulina
- puchnięcie komórki
- rozerwanie cytoszkieletu

Degradacja zależna od

ubikwityny

• Białka zostają „naznaczone” przez

związanie z ubikwityną - stają się

rozpoznawalne przez proteasomy i ulegają

degradacji pod ich wpływem.

• Proteasomy - multikatalityczny kompleks

proteaz cytosolowych.

Ubikwityna

(8.5 kDa – 76

aminokwasów)

•Ub kodowana jest przez
rodzinę genów.

•Geny Ub albo w połączeniu
z genem białka
rybosomalnego, albo w
kilkukrotnych
powtórzeniach.

•Po translacji powstaje albo
Ub połączona z białkiem
rybosomalnym, albo
poliubikwityna. W obydwu
przypadkach hydrolaza C
powoduje powstanie
osobnych cząsteczek Ub.

UB przyłącza się kowalentnie do białek

docelowych w reakcji wymagającej

ATP:

1.Aktywacja UB przez E1, E2 i ATP.

2.Połączenie E3 z substratem i Ub.

3

. Dołączenie kolejnych Ub - powstaje

poliubikwityna połączona z

substratem - cząsteczka

rozpoznawana przez proteasomy.

Proteasom 20S
przykryty 19S -
kompleks 26S.
Aktywność
enzymatyczna 26S
oprócz proteolitycznej –
ATPazowa.

Współpraca z
dodatkowymi
czynnikami
modulującymi
aktywność
proteolityczną - m.in.
chaperonami

Widok proteasomu

Proteoliza zależna od ubikwityny zaangażowana

jest w następujące procesy w komórce:
•regulacja cyklu komórkowego i podziałów

komórki
•regulacja różnicowania
•odpowiedź na stres komórkowy i czynniki

zewnętrzne
•morfogeneza połączeń nerwowych
•modulacja receptorów powierzchniowych
• „ kanałów jonowych
•naprawa DNA
•regulacja transkrypcyjna
•pamięć długotrwała
•rytmy dobowe
•regulacja reakcji zapalnych i odpornościowych
•biogeneza organelli

• Proteoliza zależna od ubikwityny zależy od

żywienia – zwiększa się w stanie głodu i

niedożywienia białkowego.

• Aktywność fizyczna zmniejsza, a bezczynność

mięśni zwiększa intensywność proteolizy

zależnej od ubikwityny.

• Sepsa, choroba nowotworowa, zakwaszenie

zwiększają proteolizę tego typu, ma ona

znaczący udział w powstawaniu wyniszczenia.

Kalpainy są

unieczynniane

przez

wewnątrzkomórk

owe inhibitory -

kalpastatyny.

Uaktywnienie pod

wpływem

przeniesienia w

okolice błony

komórkowej i

ograniczonej

autolizy, a

następnie jonów

wapniowych i

innych czynników

aktywujących.

• Kalpainy degradują białka błonowe i

cytoszkieletu, a także enzymy związane z
błonami.

• Działają podczas fuzji błon.

• Substratami są np. kinazy białkowe i

erytrocytarny transporter anionowy.

• Proteoliza kinaz białkowych wskazuje na ich

wpływ na przeniesienie sygnałów
informacyjnych wewnątrz komórki.
Aktywowane są przez czynniki regulacyjne.

• Przypuszczalnie odgrywają rolę w podziałach

komórek

• Rozkładają niektóre czynniki

transkrypcyjne. Regulacja ekspresji
genów?

• Zaangażowane są w programowaną

śmierć komórki - apoptozę w niektórych
typach komórek w przypadku działania
określonych czynników stymulujących.

• Zaangażowane w wiele stanów

patologicznych związanych z
zaburzeniami wewnątrzkomórkowej
homeostazy wapniowej.

Choroby związane z podwyższoną

aktywnością kalpain

• Choroba Alzheimera

- w korze mózgu 3x wyższa

aktywność kalpainy i tyle samo niższa
kalpastatyny.

• Katarakta

- napływ wapnia (1 mM lub więcej)

aktywuje m-kalpainę, która rozkłada białko
krystalinę. Fragmenty krystaliny tworzą agregaty -
kataraktę.

• Dystrofia mięśni - choroba Duchenne -

utrata

białka błonowego, dystrofiny, powoduje napływ
wapnia, wzrost aktywności kalpain i intensywną
proteolizę.

• Zawał mięśnia sercowego -

w miejscach

niedotlenienia wzrost poziomu wapnia. Kalpainy
degradują białka desminę i alfa-spektrynę.

Choroby związane z podwyższoną

aktywnością kalpain

• Stwardnienie rozsiane -

wszystkie główne

białka mieliny są substratami kalpain.
Aktywność kalpain wzrasta pod wpływem zmian
zapalnych. Inhibitory kalpain hamują
degradację neurofilamentów.

• Udar mózgu -

aktywność kalpain wzrasta, a

poziom kalpastatyny ulega obniżeniu w
miejscach niedotlenienia. Kalpainy uczestniczą
zarówno w apoptozie, jak i nekrozie komórek
nerwowych. Inhibitory kalpain zmniejszają
degradację spektryny.

Apoptoza -

programowana lub

genetycznie sterowana

śmierć komórki

Śmierć komórki

nekroza

apoptoza

Nekroza

-

wywołana przez uszkadzające

czynniki mechaniczne lub chemiczne:

• puchnięcie komórki i jej organelli

spowodowane uszkodzeniem błony
komórkowej

• wypływanie zawartości komórki

• reakcja zapalna

•Nobel 2002:
Brenner, Horvitz i Sulston
„for establishing the precise order in
which cells in the worm Cyanorhabdis
elegans divide and die, and for
elucidating the process of programmed
cell death or apoptosis”

Apoptoza

-

wywołana przez

czynniki wewnętrzne lub
zewnętrzne z uruchomieniem
aparatu apoptotycznego:

• kurczenie się komórki
• powstawanie pęcherzyków na

powierzchni błony komórkowej

• rozpad mitochondriów i

uwolnienie cytochromu C

• degradacja chromatyny

jądrowej

• fragmentacja komórki w otoczone błoną

pakiety

• fosfolipid - fosfatydyloseryna wychodzi z

wnętrza błony na jej powierzchnię pod

wpływem enzymu flippazy

• fosfatydyloseryna jest wiązana przez

receptory makrofagów i komórek

dendrytycznych, co rozpoczyna proces

fagocytozy fragmentów komórki

• komórki fagocytujące wydzielają cytokiny

hamujące rozwój reakcji zapalnej

Programowana śmierć komórki jest

potrzebna do normalnego rozwoju,
jak np. mitoza.

Przykłady:
• tworzenie palców dłoni i stóp u płodu

wymaga apoptozy łączącej je tkanki

• martwica endometrium macicy przed

menstruacją jest spowodowana apoptozą

• tworzenie właściwych połączeń między

neuronami w mózgu wymaga usunięcia
nadmiaru komórek przez apoptozę.

Programowana śmierć komórki jest

potrzebna do usunięcia komórek

stanowiących zagrożenie dla

organizmu

Przykłady:
• komórki zainfekowane przez wirusy
• komórki systemu immunologicznego

zaangażowane w odpowiedź komórkową
muszą być usunięte, aby nie atakowały
komórek własnego ciała - defekt apoptozy
powoduje choroby autoimmunologiczne

• komórki z defektem DNA - defekt apoptozy

podczas życia płodowego- wrodzone wady,
później - rozwój nowotworu

Apoptoza rozpoczyna się, gdy zaczynają

przeważać sygnały indukujące proces

apoptozy nad warunkującymi życie

komórki

Sygnały warunkujące życie komórki, różne dla

różnych komórek, na przykład:

• czynniki wzrostu dla neuronów
• hormony płciowe dla komórek układu

rozrodczego

• interleukina-2 dla limfocytów

Sygnały negatywne:

• uszkodzenie DNA przez: promienie

ultrafioletowe, promienie X, leki
chemoterapeutyczne

• nagromadzenie białek nieprawidłowo

pofałdowanych

• cząsteczki wiążące się na powierzchni

komórek do specyficznych receptorów -
„aktywatory śmierci”

- czynnik martwicy guza (TNF-alfa) -

receptor TNF

- limfotoksyna (TNF-beta) - receptor TNF
- ligand Fas (FasL) - receptor Fas, także

nazywany CD95

Mechanizmy apoptozy

1.

Generowany przez sygnały z wnętrza

komórki.

2. Wywołany przez „aktywatory śmierci” -

FasL, TNFalfa i beta. Do ligandów
receptorów Fas należą powierzchniowe
cząsteczki limfocytów cytotoksycznych.

3. Wywołany przez wolne rodniki.

Apoptoza wywołana przez sygnały

wewnętrzne

• Błona zewnętrzna mitochondrium zawiera

na powierzchni białko Bcl-2

• Białko Bcl-2 wiąże się z cząsteczką Apaf-1

(apoptotic protease activating factor-1)

• Uszkodzenie komórki, np. przez wolne

rodniki powoduje uwolnienie Apaf-1 i

penetrację błon mitochondrialnych przez

białko Bax.

• Otwarcie mitochondrium przezBax

powoduje wypłynięcie cytochromu C.

• CytC, Apaf-1 i ATP wiążą się z kaspazą 9

tworząc

apoptosom.

Apoptosom:

Kaspaza9+ATP
+cytC+Apaf-1

• Apoptosomy agregują w cytosolu.

• Kaspaza 9 inicjuje aktywację innych

- 12 - kaspaz.

• Kaspazy - proteazy, których nazwa

pochodzi od specyficzności działania

- rozszczepienie wiązania przy

reszcie kwasu asparaginianowego.

• Kaspazy powodują degradację białek

jądrowych i cytosolowych, nukleazy

rozkładają kwasy nukleinowe.

• Fagocytoza

Apoptoza wywołana przez czynniki zewnętrzne

•Związanie
aktywatora
śmierci z
receptorem na
powierzchni
komórki

•Aktywacja
kaspazy 8.

•Kaspaza 8
inicjuje kaskadę
aktywacji kaspaz.

•Fagocytoza
komórki.

ligand

receptor

śmierci

adaptor

Fadd/mort-1

Kaspaza 8

Kaspaza 3

mitochondriu

m

cytochrom C

Apaf-1

kaspaza 9

Czynnik

proapoptotyczny

Ścieżka

receptora

śmierci

Ścieżka
mitochondrialna

Czynnik wywołujący apoptozę -

AIF (apoptosis inducing factor) -

w neuronach, bez aktywności

kaspaz

• AIF ulokowany w

międzybłonowej
przestrzeni w
mitochondriach

• po otrzymaniu

sygnału śmierci
AIF jest uwalniany
z mitochondrium

• migruje do jądra
• wiąże się z DNA
• następuje

destrukcja DNA i
śmierć komórki

Apoptoza i nowotwory

• Wirusy wywołujące raka blokują

apoptozę w transformowanych
komórkach:

- wirus opryszczki (Papilloma - rak szyjki

macicy) wytwarza białko E6 blokujące
białko p53 indukujące apoptozę

- wirus Epsteina-Barra (mononukleoza i

chłoniaki) wytwarza białko
zwiększające syntezę Bcl-2 w
atakowanej komórce

Komórki rakowe przeciwdziałają apoptozie

w transformowanych komórkach:

-

komórki białaczkowe wytwarzają duże

ilości białek Bcl-2,

- komórki czerniaka produkują inhibitory

Apaf-1,

- komórki raka płuc i jelita grubego

syntetyzują cząsteczki blokujące na

limfocytach FasL,

-

inne komórki za pomocą FasL zabijają

limfocyty cytotoksyczne

Wpływ żywienia na proces

apoptozy

Głodzenie i ograniczenie spożycia -

efekty specyficzne tkankowo

• Zmniejszenie proliferacji hepatocytów w

wątrobie i zwiększenie częstości apoptozy.

• W innych komórkach - wzrost aktywności

deacetylazy histonów, która uaktywnia
czynnik Ku70 naprawiający DNA i
usuwający z mitochondriów
proapoptotyczny czynnik Bax zapobiegając
apoptozie indukowanej przez stres. W ten
sposób może wydłużać się czas życia
komórek nerwowych.

U gryzoni ograniczenie kaloryczne

hamuje rozwój zmian
nowotworowych:

• mniejsza częstość nowotworów

wątroby chemicznie indukowanych
przy żywieniu ograniczonym (4%)
niż ad libitum (27%).

• przy żywieniu ograniczonym

mniejsza częstość nowotworów
sutka, większa liczba
cytotoksycznych limfocytów, wzrost
ekspresji

białka p53*

, enzymów

antyoksydacyjnych, wyższy poziom
proapoptotycznych białek Bax I
Apaf-1 i kaspaz, niższy
antyapoptotycznych Bcl.

• Białko p53 jest supresorem

transformacji nowotworowej,
ponieważ wykrywa uszkodzenia
DNA i doprowadza do wystąpienia
apoptozy - nazywane
„molekularnym policjantem”.
Mutacje białka p53 uniemożliwiają
destrukcję zmutowanych komórek

.

Wpływ tłuszczu diety na proces

apoptozy – specyficzny tkankowo

• Tłuszcz diety indukuje

proliferację i hamuje apoptozę
w śluzówce jelita.

• Działanie tłuszczu zależy

jednak od składu kwasów
tłuszczowych - proapoptotyczne
działanie w śluzówce jelita
wykazują wielonienasycone
kwasy n-3.

• Nasycone kwasy tłuszczowe

indukują apoptozę w komórkach
mięśnia sercowego,
hematopoetycznych komórkach
szpiku, trzustkowych komórkach
beta i astrocytach.

• Sprzężony kwas linolowy indukuje

apoptozę i nekrozę w komórkach
nowotworowych.

Wpływ antyoksydantów na proces

apoptozy - Liczne dowody na

antynowotworowe - proapoptotyczne

działanie antyoksydantów:

• likopen i luteolina - karotenoidy zawarte
w pomidorach wpływają hamująco na rozwój

raka prostaty - likopen zmniejsza liczbę
oksydatywnych uszkodzeń DNA komórek
prostaty i zwiększa liczbę komórek w stanie
apoptozy.

• w wątrobie efekt przeciwny - ochronne działanie

likopenu przed apoptozą wywołaną przez
alkohol.

• Dla zawartych w kapustnych takich

związków jak polifenol kwercetyna,

sulfotlenek S-metylocysteiny,

sulforafan, izotiocyjaniany oraz lakton

kwasu glukonowego wykazano

działanie proapoptotyczne.

• Wykazano liczne ujemne korelacje

między spożywaniem kapustnych a

zachorowalnością na raka tarczycy,

płuc, trzustki, prostaty, skóry, żołądka,

pęcherzyka żółciowego i jelita grubego.

• Rezweratrol aktywuje kaspazę-3

oraz aktywuje białko p-53.

• Selen, ale prawdopodobnie

spożywany tylko w ilościach
ponadżywieniowych, działa
antynowotworowo wpływając na cykl
komórkowy, apoptozę i angiogenezę.

• Polifenol kurkumina

uwrażliwia komórki raka
prostaty na proapoptotyczne
działanie TNF-alfa.

• Katechiny zawarte w zielonej

herbacie indukują prowadzące
do apoptozy zmiany w
mitochondriach, aktywują
kaspazę-3 i białko p-53.

Inne czynniki wywołujące

apoptozę w śluzówce jelita

• Głodzenie 72 godz. -  mitoz z 6.8 (SD 0.2) do

5.3 (SD 0.3), realimentacja 24 godz.  8 (SD

0.3).

• Gluten u osobników z nadwrażliwością -

intensywne apoptozy prowadzące do zaniku

kosmków pomimo wzrostu proliferacji

komórek krypt w aktywnej celiakii. Dieta

bezglutenowa przywraca proces apoptozy do

normy.

• Przypuszczalnie wzrost apoptozy

odpowiedzialny także za zanik kosmków w

niedoborach witamin - folianów i B12.

• Nieskrobiowe węglowodany (NSW) mogą

zwiększać proliferację komórek nabłonka

jelitowego u gryzoni.

• Ta właściwość zależy od zdolności NSW do

zwiększania lepkości światła jelita,

opóźniania trawienie i wchłaniania oraz

transportu składników pokarmowych, co

powoduje wzrost wydzielania

enteroglukagonu (np. guma guarowa).

• Proliferacja komórek jelita pod wpływem

NSP może także wynikać z fermentacji w

jelicie grubym i produkcji

krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych

(KKT) troficznych dla śluzówki jelita

(wykazano u gryzoni i przeżuwaczy).

• Zapobieganie fermentacji i

produkcji (KKT) hamuje
proliferację. Suplementacja
żywienia pozajelitowego przez KKT
powoduje hipertrofię śluzówki
pozostałej części jelita po resekcji
jelita cienkiego.

• KKT są czynnikami troficznymi dla

śluzówki jelita u gryzoni

• Wzrost proliferacji pod wpływem KKT

nie zagraża jednak przerostem ,
ponieważ towarzyszy jej wzrost
apoptozy. Maślan jest silnym
induktorem apoptozy w kolonocytach.

• W jelicie grubym intensywność

apoptozy znacznie mniejsza niż w
cienkim, co może tłumaczyć znacznie
większą zachorowalność na nowotwory
jelita grubego, niż cienkiego.

Podsumowanie

• Proapoptotyczne działanie składników

pokarmowych, zarówno korzystne, jak i
niekorzystne, jest specyficzne tkankowo.

• Działanie proapoptotyczne jest

jednocześnie działaniem
antynowotworowym.

• Działanie proapoptotyczne wykazano dla

antyoksydantów oraz kwasów
tłuszczowych: krótkołańcuchowych i
wielonienasyconych.