Ubikwityna - małe białko obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych, odgrywa ważną rolę w pracesie kontrolowanej degradacji białek. Znaczenie jej w procesie degradacji polaga na naznaczaniu białek przeznaczonych do zniszczenia - poprzez kowalencyjne łączenie się z nimi. Białko mające ulec zniszczeniu ma zwykle kilka przyczepionych cząsteczek ubikwityny. Następnie zostaje rozpoznane przez odpowiednie proteazy (kompleks proteazy 26S) - proteasom, które dagradują białko, a ubywkitynę przywracają do wtórnego obiegu.

Ubikwityna przyłącza się kowalencyjnie poprzez glicynę z C-końca z grupą aminową lizyny białka przeznaczonego do degradacji. Proces ten jest katalizowany enzymatycznie przy wykorzystaniu ATP. W procesie "opieczętowania" białek bierze udział kilka enzymów.

Białko naznaczone ubikwityną nie ma szans na "przeżycie", musi zostać zdegradowane. Po przyłączeniu z ubikwityną jest kierowane do proteasomu, gdzie odbywa się proteoliza.

Proteasom to wielkocząsteczkowy kompleks białek (10 i więcej) tworzących cylinder, przez który z jednej strony jest wprowadzane białko, z drugiej - po proteolizie - uwalniane są krótkie polipeptydy oraz ubikwityna.

Ubikwityna nie jest wrażliwa na działanie proteaz budujących proteasom. Jest ona wolna, i może przyłączać się do kolejnych białek, które mają ulec degradacji. Masa cząsteczkowa ubikwityny wynosi 8,5 kDa i ma długość 76 aminokwasów. Struktura ubikwityny jest bardzo konserwatywna - ubikwityna człowieka i drożdży rozni się tylko trzema resztami.

C-końcowa domena ubikwityny łączy się z łańcuchem bocznym lizyny docelowego białka, co jest sygnałem dla komórki, że należy je zniszczyć. Dokonuje tego proteasom, duża wewnątrzkomórkowa proteaza.

Nagrodę w dziedzinie chemii otrzymali trzej biochemicy: Aaron Ciechanover, Avram Hershko i Irwin Rose za badania nad procesem kontrolowanej degradacji białek w komórkach, w którym bierze udział białko ubikwityna.

Komórka oczyszcza się za zbędnych białek w procesie tzw. kontrolowanej degradacji. Wiele białek-enzymów powstają w większych ilościach w komórce tylko do katalizy konkretnych reakcji, są syntetyzowane w odpowiednim momencie, w odpowiednich warunkach - np. przy dostarczaniu do komórki danego substratu. W "normalnych" warunkach nie są już potrzebne, muszą ulec degradacji, gdyż po pierwsze mogą niekorzystnie przestawiać metabolizm komórki, po drugie ze względu na bardzo dużą ilość reakcji (które katalizowane są przez enzymy) zachodzących w komórce szybko zabrakłoby w niej miejsca.
Kontrolowana degradacja zachodzi także przy usuwaniu białek nieprawidłowych: błędy przy translacji, utlenienie się ich w miarę upływu czasu. Znaczenie ubikwityny w procesie degradacji polega na naznaczaniu białek przeznaczonych do zniszczenia - poprzez kowalencyjne łączenie się z nimi. Białko mające ulec zniszczeniu ma zwykle kilka przyczepionych cząsteczek ubikwityny. Następnie zostaje rozpoznane przez odpowiednie proteazy (kompleks proteazy 26S), które degradują białko, a ubywkitynę przywracają do wtórnego obiegu.
Zakłócenia w funkcjonowaniu tego mechanizmu mogą prowadzić między innymi do powstawania nowotworów.
Ubikwityna jest małym białkiem obecnym we wszystkich komórkach eukariotycznych. Masa cząsteczkowa ubikwityny wynosi 8,5 kDa i ma długość 76 aminokwasów. Struktura ubikwityny jest bardzo konserwatywna - ubikwityna człowieka i drożdży różni się tylko trzema resztami.

Ubikwitynizacja - proces przyłączania ubikwityny do białka przeznaczonego do degradacji. Ubikwityna zbudowana jest z 76 aminokwasów i łączy się z białkiem za pomocą lizyn.

Zazwyczaj do białka przeznaczonego do degradacji przyłącza się więcej niż jedna cząsteczka ubikwityny (poliubikwityna). Można wyróżnić kilka etapów procesu ubikwitynacji, w których szczególną rolę odgrywają enzymy E1, E2, E3. Enzym E1 aktywuje ubikwitynę i łączy ją do E2. Kiedy enzym E3 przyłączy białko, cząsteczka ubikwityny związana z E2 odłącza się i jest przenoszona na białko docelowe. Proces ten powtarza się, aż zostanie utworzony łańcuch poliubikwityny. Zmodyfikowane w ten sposób białko jest rozpoznawane przez proteasom i degradowane.

Ubikwitynacja, ubikwityzacja to zjawisko unieczynniania białek przez przyłączenie cząsteczek innego, małego białka, ubikwityny. Proces ten zachodzi w komórce zarówno w cytoplazmie, jak i jądrze komórkowym. Wyróżnia się 2 rodzaje ubikwitynacji:

• monoubikwitynację, która polega na przyłączenie monomerów ubikwityny do danego białka; przyłączenie może nastąpić w kilku miejscach - nadal będzie to monoubikwitynacja, gdyż istotne jest, żeby do jednej z cząsteczek ubikwityny nie była dołączona kolejna cząsteczka

• poliubikwitynację, polegającą na przyłączeniu polimerów (przynajmniej dimerów) ubikwityny do białka; taki łańcuch cząsteczek ubikwityny może być przyłączony tylko w jednym miejscu, nadal jest to jednak poliubikwitynacja

Największe znaczenie ma poliubikwitynacja, która powoduje, że naznaczone ubikwityną białko jest kierowane do proteasomu, gdzie następuje jego degradacja. Ubikwitynacji podlegają z jednej strony białka uszkodzone, zdeformowane, zdenaturowane i nieprawidłowo funkcjonujące, białka obce dla danej komórki (np. wirusowe), z drugiej zaś - białka krótko żyjące. Po oznaczeniu ubikwityną białko podlega rozkładowi w proteasomie.

Przebieg procesu ubikwitynacji przedstawia się następująco:

1. Aktywacja ubikwityny jest pierwszym etapem, niezbędnym do ubikwitynacji, i zachodzi poprzez dwie reakcje

   1. Enzym E1 tworzy z ATP i aktywuje ubikwitynę do ubikwitynoadenylanu

   2. Ubikwitynoadenylan łączy się z grupą tiolową enzymu E1, przy czym powstaje wysokoenergetyczne wiązanie tioestrowe

2. Ubikwityna z enzymu E1 jest przenoszona przez enzym E2 na białko docelowe (transestryfikacja), przy czym w zależności od izoformy może to wymagać, ale nie musi, aktywności trzeciego enzymu E3. Jeśli E3 jest wymagany, to on właśnie decyduje o wyborze białka do ubikwitynacji.

3. Kiedy enzym E3 przyłączy białko, cząsteczka ubikwityny związana z E2 odłącza się i jest przenoszona na białko docelowe. Proces ten powtarza się, aż zostanie utworzony łańcuch poliubikwityny. Zmodyfikowane w ten sposób białko jest rozpoznawane przez proteasom i degradowane.

Ubikwityna (Ub) jest małocząsteczkowym białkiem obecnym we wszystkich komórkach eukariotycznych i pełniącym kluczową rolę w naznaczaniu białek (ubikwitynacja), które mają ulec nielizosomalnej proteolizie.

Ubikwityna jest peptydem złożonym z 76 reszt aminokwasowych, o masie 8,6 kDa. Struktura ubikwityny jest wysoce konserwatywna, zarówno ewolucyjnie, jak i pod względem fizykochemicznym: denaturacja nie następuje nawet po gotowaniu czy działaniu stężonym kwasem. Ubikwityna jest peptydem występującym u eukariontów w niewielkich strukturach komórkowych zwanych proteasomami.

Potranslacyjna modyfikacja białek w procesie ubikwitynacji polega na przyłączaniu do reszt lizynowych danego białka grupy karboksylowej C-końca reszty glicyny ubikwityny (Gly76).

Ubikwityna została opisana po raz pierwszy przez Gideona Goldsteina w 1975 roku. Za badania przeprowadzone w latach 80. XX wieku, które doprowadziły do odkrycia procesu degradacji białek z udziałem ubikwityny w komórkach, trzej badacze: Irwin Rose, Avram Hershko i Aaron Ciechanover w 2004 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii.

Proteasom - jest to wieloenzymatyczny kompleks utworzony z proteaz. Jest odpowiedzialny za degradację enzymów i białek regulatorowych. Zbudowany jest z cylindra 20S i dwóch regulatorowych kompleksów 19S znajdujących się na obydwu końcach cylindra. Podjednostka 19S rozpoznaje białka, które są przeznaczone do degradacji i odpowiada za jego rozwinięcie i skierowanie do cylindra. Natomiast cylinder jest odpowiedzialny za ich fragmentację. Proteasom degraduje tylko naznaczone wcześniej białka. Znacznikiem tym jest ubikwityna. Wchłonięte przez proteasom białko rozkładane jest do pojedynczych aminokwasów i krótkich peptydów złożonych z 10-12 aminokwasów.

Nobel za śmierć w molekularnej rzeźni

W 2004 roku Szwedzka Królewska Akademia Nauk postanowiła przyznać Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii trzem badaczom: Avramowi Hershko, Aaronowi Ciechanover z Technion – Izraelskiego Instytutu Technologii w Hajfie oraz Irwinowi Rose z Fox Chale Cancer Center w Filadelfii za odkrycie mechanizmu degradacji ubikwitynowanych białek w proteasomach. Co prawda ubikwityna była znana naukowcom już od 1975 roku, ale to dopiero oni w 1978 roku wykazali, jaka jest jej rola w komórce.

Trochę historii

Niegdyś sądzono, że białka powstając w komórce w procesie zwanym translacją po prostu rozpadają się ze starości lub na wzór trawienia zachodzącego w żołądku i dwunastnicy są rozkładane przez specjalne protezy. Później ten pogląd zmieniono na rzecz lizosomowej degradacji polipeptydów. Jednak i on długo się nie utrzymał. Na początku lat siedemdziesią-tych Alfred L. Goldberg wykazał, że również w komórkach pozbawionych lizosomów takich jak bakterie czy niedojrzałe krwinki czerwone proces ten zachodzi z równie dobra wydajnością, co w tych zawierających lizosomy. Co więcej po wprowadzeniu do wnętrza komórki chlorokiny, blokującej degradację lizosomową po przez zmianę Ph wewnątrz organelli proteoliza nie została zaburzona. W roku 1977 Goldberg opracował metodę badania degradacji białek w lizacie niedojrzałych erytrocytów. Badaniami tymi zainteresowali się Avram Hershko i Baron Ciechanover. Jednak w doświadczeniach przeszkadzała im obecna w lizacie hemoglobina. Pozbyli się jej przeprowadzając chromatograficzny rozdział lizatu na dwie frakcje. Okazało się jednak, że degradacja nie zachodzi w żadnej z frakcji. Natomiast po zmieszaniu ich ze sobą proces został wznowiony. To świadczyło, iż do rozkładu białek potrzebne są, co najmniej dwa czynniki należące do odrębnych frakcji. I istotnie w 1978 roku wyizolowali mały, 9 kDa peptyd –ubikwitynę. Drugim czynnikiem okazały się być proteasomy.

Pocałunek śmierci

Proteasom nie rozkłada przypadkowych białek, jedynie te wytypowane przez komórkę. Naukowcy odkryli, że większość z nich jest początkowo napiętnowana w zachodzącym w wielu organizmach procesie zwanym ubikwitynacją. Jest to przyłączenie do cząsteczki białka mającej ulec destrukcji, innej cząsteczki ubikwityny. Jest to małe białko zbudowane z zaledwie 76 aminokwasów. Molekuła ta jest ewolucyjnie bardzo konserwatywna. Niech świadczy o tym fakt, iż ta pochodząca od drożdży i człowieka różni się tylko trzema aminokwasami. Jest ona bardzo stabilna, wysoce rozpuszczalna i charakteryzuje się brakiem wiązań disiarczkowych w strukturze.

Napiętnowanie w trzech aktach

Przyłączenie ubikwityny do substratu mającego ulec destrukcji nie jest prostym, jednoetapowym procesem, lecz trójetapowym mechanizmem katalizowanym przez trzy enzymy: E1, E2 oraz E3.

• Pierwszy etap to związanie wiązaniem tioestrowym karboksylowej grupy ubikwityny z grupą sulfhydrylową enzymu E1 (ubiquitin activating enzyme). Ta ATP-zależna re-akcja prowadzi do utworzenia wysokoenergetycznego wiązania E1 – S – ubikwityna.

• Następnie jeden z licznych enzymów E2 (ubiquitin carrier proteins) przenosi zaktywowaną ubikwitynę poprzez utworzenie przejściowego wysokoenergetycznego stanu pośredniego E2 – S – ubikwityna na substrat, który związany jest z enzymem E3.

• Ostatnim etapem, katalizowanym przez enzym E3, jest kowalencyjne związanie ubikwityny z substratem.

Budowa rzeźni

Proteasom to ATP-zależna proteaza odpowiedzialna za degradację ubikwitynowanego białka do małych peptydów. Degradacja katalizowana jest przez ogromny 2 MDa kompleks (dla porównania masa przeciętnego białka waha się od 40 do 80 kDa), który nie rozpoznaje nieznakowanego – niezubikwitynowanego substratu, z jednym tylko wyjątkiem, jakim jest enzym biorący udział w syntezie poliamin – dekarboksylaza ornityny (ODC), ponieważ proteasom rozpoznaje i degraduje to białko bez wcześniejszego znakowania. Opisywany kompleks (rys. 4 oraz 5) złożony jest z dwóch głównych części: 20S (CP) części korowej posiadającej aktywność katalityczną oraz części regulatorowej 19S (RP).

20S ma kształt beczułki złożonej z czterech pierścieni po siedem podjednostek każdy. Dwa wewnętrzne ß-pierścienie zawierają proteolitycznie aktywne miejsca. Jedną z ważniejszych funkcji podjednostki 19S jest rozpoznawanie ubikwitynowanego białka, jak również innych potencjalnych substratów proteasomowych. Funkcją podjednostki regulatorowej jest także otwarcie wejścia do proteasomu, umożliwiające wniknięcie substratu do wnętrza tej proteazy, ale także, ponieważ badania pokazały, że natywne białka – odpowiednio sfałdowane, nie są w stanie przedostać się przez wąski kanał proteasomowy, przypuszcza się, że to 19S odpowiada za ich rozfałdowanie i przekazanie do części katalitycznej 20S. Funkcje pełnione przez składową regulatorową wymagają energii i dlatego 19S zawiera szereg różnych podjednostek ATP-azowych.

Etapy destrukcji

Proces degradacji w proteasomach można podzielić na poszczególne etapy

• ROZPOZNANIE Łańcuch poliubikwitynowy jest syntetyzowany na większości substratów rozpoznawanych przez proteasom. Łańcuchy zawierające przynajmniej cztery molekuły ubikwityn, przyłączonych za pomocą wiązania pomiędzy Gly i Lys są niezbędne do wydajnego rozpoznania przez proteasom. Związek pomiędzy siłą wiązania do proteasomu, a długością łańcucha nie jest addytywny. Udowodniono istnienie specjalnej powierzchni łańcucha poliubikwitynowego rozpoznawanej przez proteasom w związku z tym do degradacji proteasomowej niezbędna jest hydrofobowa klatka formowana przez inne reszty ubikwitynowe – włączając w to resztę Ile-44.

• ZWIĄZANIE SUBSTRATU Białka o aktywności nieATP-azowej w strukturze 19S a mianowicie Rpn1 oraz Rpn2 zawierają liczne, bogate w leucynę powtórzenia LRR (leucine rich repeats) - domeny odpowiedzialne za oddziaływania międzybiałkowe. Substrat musi zostać odpowiednio ułożony, aby zostać rozfałdowany przez nasadę RP i przeniesiony do CP.

• ROZFALDOWANIE I PRZENIESIENIE Degradacja białek z udziałem proteasomu jest ściśle ATP-zależna. Hydroliza ATP powodujeże RP oscyluje pomiędzy stanami o wysokim i niskim powinowactwie do substratu. Zmiany konformacyjne zasocjowane z cyklami ATP-azowymi mogą być zaangażowane w trzy procesy:

• bramkowania kanału,

• rozfałdowania substratu

• przewleczenia” rozfałdowanego substratu do światła CP. Rozfałdowanie substratu jest konieczne, ponieważ szacowana wewnętrzna średnica kanału CP jest zbyt wąska dla białka w jego natywnej konformacji. Wiązanie ATP i hydroliza poprzez ATP-azy, wyzwala stany związane z wyższym i niższym powinowactwem do