PROTEOLYSE: SOORTEN EN FUNCTIES - BIOLOGIE - 2026

De proteolyse of eiwitafbraak is een proces waarbij eiwitten van een cel volledig kunnen worden afgebroken (tot de samenstellende aminozuren) of gedeeltelijk (waarbij peptiden worden geproduceerd). Dat wil zeggen, het bestaat uit de hydrolyse van een of meer van de peptidebindingen die hun aminozuren bij elkaar houden.

Dit proces kan plaatsvinden dankzij de deelname van andere eiwitten met enzymatische activiteit, op wiens actieve plaatsen hydrolyse van de bindingen plaatsvindt. Het kan ook optreden door niet-enzymatische "methoden", zoals door de inwerking van warmte of stoffen met een extreme pH (zeer zuur of zeer basisch).

Basisschema van proteolyse van een eiwit (Bron: Fdardel via Wikimedia Commons)

Eiwitafbraak komt voor bij bacteriën, dieren en planten, maar komt vooral veel voor bij dieren, vooral op het niveau van het spijsverteringsstelsel, aangezien de vertering en de opname in de darmen van de eiwitten die via de voeding worden ingenomen hiervan afhankelijk zijn.

Bovendien is proteolyse van het grootste belang voor het functioneel onderhoud en reguleren van meerdere cellulaire processen en heeft het ook te maken met de eliminatie van die eiwitten die fouten vertonen bij vertaling, vouwen, verpakking, invoer, werking, enz.

Het is belangrijk op te merken dat het een onomkeerbaar, zeer effectief proces is dat ook werkt bij de 'regulering van regulatoren', aangezien het niet alleen die eiwitten elimineert die 'directe' biologische activiteiten hebben, maar ook eiwitten die andere eiwitten of regulatoren reguleren. de expressie van de overeenkomstige genen.

Soorten proteolyse

De interne eiwitten van een cel kunnen willekeurig of selectief worden afgebroken of, wat hetzelfde is, op een gecontroleerde manier of niet. Zoals eerder opgemerkt, kan dit proces op zijn beurt plaatsvinden door speciale enzymen of door gedefinieerde omgevingsomstandigheden zoals zure en / of basische pH.

Het is belangrijk om te vermelden dat elk correct vertaald, gevouwen of verpakt eiwit een of meer afbraaksignaalsequenties verbergt die "cryptisch" zijn en die kunnen worden blootgesteld wanneer het eiwit structureel wordt verstoord door temperatuur, pH, enz.

Ubiquitination proteolyse

Ubiquitinatie (ubiquitine-proteasoomsysteem) is een systeem waarmee eiwitten selectief kunnen worden gehydrolyseerd nadat ze specifiek zijn gemarkeerd voor afbraak, een proces dat zowel in het cytosol als in de celkern kan plaatsvinden.

Dit systeem heeft het vermogen om gelabelde eiwitten in de kern en in het cytosol te herkennen en te vernietigen, en om eiwitten af ​​te breken die niet goed vouwen tijdens hun translocatie van het cytosol naar het endoplasmatisch reticulum.

Ubiquitine-etiketteringsproces (Ubiquitination) (Bron: Rogerdodd via Wikimedia Commons)

Het werkt voornamelijk door het toevoegen of conjugeren van "doelwit" -eiwitten aan een klein eiwit of peptide van 76 aminozuren, beter bekend als ubiquitine. Die eiwitten die door ubiquitinatie worden "gelabeld", worden in kleine fragmenten afgebroken door het 26S-proteasoom, een protease met meerdere subeenheden.

Proteolyse door autofagie

Autofagie wordt door sommige auteurs ook beschouwd als een vorm van proteolyse, met het verschil dat het voorkomt in een gesloten membraanachtig compartiment dat gericht is op de lysosomen (in dierlijke cellen), waar de eiwitten die erin zitten worden afgebroken door lysosomale proteasen.

Niet-enzymatische proteolyse

De temperatuur, pH en zelfs de zoutconcentratie van een medium kunnen de hydrolyse veroorzaken van de peptidebindingen die de aminozuren van verschillende soorten eiwitten bij elkaar houden, wat optreedt door destabilisatie en onderbreking van de bindingen.

Kenmerken

Proteolyse heeft veel functies in levende organismen. In het bijzonder heeft het te maken met proteïne-omzet, waarbij sommige specifieke proteïnemoleculen die uit een of meer ribosomen werden getranslateerd, uiteindelijk met verschillende snelheden worden afgebroken.

Eiwitten hebben een halfwaardetijd die varieert van enkele seconden tot enkele maanden en de producten van hun afbraak, al dan niet gereguleerd, gemedieerd door enzymen of niet, worden over het algemeen hergebruikt voor de synthese van nieuwe eiwitten, die waarschijnlijk verschillende functies vervullen.

Dit is wat er gebeurt met eiwitten die worden geconsumeerd met voedsel, die in het maagdarmkanaal worden afgebroken door proteasen, waaronder trypsine en pepsine; evenals met sommige cellulaire eiwitten wanneer cellen onvoldoende voedsel hebben om te overleven.

Intracellulaire proteolytische systemen detecteren en elimineren "abnormale" eiwitten die potentieel toxisch zijn voor cellen, aangezien ze kunnen interageren met "fysiologisch ongeschikte" liganden, naast het produceren van aggregaten die mechanische en fysieke belemmeringen veroorzaken voor normale cellulaire processen.

De ophoping van abnormale eiwitten in de cel, hetzij als gevolg van defecten in het interne proteolytische systeem of om andere redenen, is wat veel wetenschappers beschouwen als een van de belangrijkste oorzaken van veroudering bij meercellige levende wezens.

In het immuunsysteem

De gedeeltelijke proteolyse van veel eiwitten uit exogene of vreemde bronnen, zoals binnendringende micro-organismen, is bijvoorbeeld een fundamenteel proces voor het immuunresponssysteem, aangezien T-lymfocyten de korte fragmenten herkennen, het product van proteolyse (peptiden) die aan hen worden aangeboden. in combinatie met een reeks oppervlakte-eiwitten.

Genoemde peptiden kunnen afkomstig zijn van het alomtegenwoordige systeem, autofagische processen of ongecontroleerde proteolyse-gebeurtenissen.

Andere functies

Een andere functie van beperkte of gedeeltelijke proteolyse is de modificatie van nieuw gevormde eiwitten, die fungeert als een "voorbereiding" voor hun intra- of extracellulaire functies. Dit geldt bijvoorbeeld voor bepaalde hormonen en voor eiwitten die betrokken zijn bij verschillende stofwisselingsprocessen.

Geprogrammeerde celdood (apoptose) hangt ook in grote mate af van beperkte of gedeeltelijke "plaatsspecifieke" proteolyse van intracellulaire eiwitten, die wordt gemedieerd door een cascade van specifieke proteasen, caspasen genaamd.

Extracellulaire regulatiesystemen zijn ook afhankelijk van plaatsspecifieke proteolyse en het meest prominente voorbeeld is dat van bloedcoagulatie.

Algemene of volledige proteolyse vervult ook essentiële functies voor de selectieve afbraak van die eiwitten waarvan de concentratie zorgvuldig moet worden gecontroleerd afhankelijk van de fysiologische, metabolische of ontwikkeling van de cellen.

In planten

Planten gebruiken ook proteolytische processen om veel van hun fysiologische en ontwikkelingsaspecten te beheersen. Het werkt bijvoorbeeld bij het handhaven van intracellulaire aandoeningen en bij de reactiemechanismen op stressvolle omstandigheden zoals droogte, zoutgehalte, temperatuur, onder anderen.

Net als bij dieren werkt proteolyse in planten samen bij de activering en rijping van zymogenen (inactieve eiwitten), controleert het metabolisme, homeostase, geprogrammeerde celdoodprocessen, de ontwikkeling van weefsels en organen, enz. In deze organismen is de route van proteolyse door ubiquitinatie een van de belangrijkste.

Referenties

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2013). Essentiële celbiologie. Garland Science.
2. Maurizi, MR (1992). Proteasen en eiwitafbraak in Escherichia coli. Experientia, 48 (2), 178-201.
3. Varshavsky, A. (2005). Gereguleerde eiwitafbraak. Trends in biochemische wetenschappen, 30 (6), 283-286.
4. Vierstra, RD (1996). Proteolyse in planten: mechanismen en functies. In Post-Transcriptional Control of Gene Expression in Plants (pp. 275-302). Springer, Dordrecht.
5. Wolf, DH en Menssen, R. (2018). Mechanismen van celregulatie - proteolyse, de grote verrassing. FEBS letters, 592 (15), 2515-2524.