Posttranslationale proteolytische Verarbeitungbearbeiten
Eine begrenzte Proteolyse eines Polypeptids während oder nach der Translation in der Proteinsynthese tritt häufig für viele Proteine auf. Dies kann die Entfernung des N-terminalen Methionins, Signalpeptids und / oder die Umwandlung eines inaktiven oder nicht funktionellen Proteins in ein aktives Protein beinhalten. Der Vorläufer der endgültigen funktionellen Form des Proteins wird als Proprotein bezeichnet, und diese Proproteine können zuerst als Präproprotein synthetisiert werden. Beispielsweise wird Albumin zunächst als Präproalbumin synthetisiert und enthält ein ungespaltenes Signalpeptid. Dies bildet das Proalbumin, nachdem das Signalpeptid gespalten wurde, und eine weitere Verarbeitung zur Entfernung des N-terminalen 6-Rest-Propeptids ergibt die reife Form des Proteins.
Entfernung von N-terminalem Methionin
Das initiierende Methionin (und in Prokaryoten fMet) kann während der Translation des entstehenden Proteins entfernt werden. Für E. coli wird fMet effizient entfernt, wenn der zweite Rückstand klein und ungeladen ist, aber nicht, wenn der zweite Rückstand sperrig und beladen ist. Sowohl bei Prokaryoten als auch bei Eukaryoten kann der exponierte N-terminale Rest die Halbwertszeit des Proteins gemäß der N-End-Regel bestimmen.
Entfernung der Signalsequenzbearbeiten
Proteine, die auf eine bestimmte Organelle oder Sekretion abzielen sollen, haben ein N-terminales Signalpeptid, das das Protein an seinen endgültigen Bestimmungsort leitet. Dieses Signalpeptid wird nach ihrem Transport durch eine Membran durch Proteolyse entfernt.
Spaltung von Polyproteinenbearbeiten
Einige Proteine und die meisten eukaryotischen Polypeptidhormone werden als großes Vorläuferpolypeptid synthetisiert, das als Polyprotein bekannt ist und eine proteolytische Spaltung in einzelne kleinere Polypeptidketten erfordert. Das Polyprotein Pro-Opiomelanocortin (POMC) enthält viele Polypeptidhormone. Das Spaltmuster von POMC kann jedoch zwischen verschiedenen Geweben variieren, was zu unterschiedlichen Sätzen von Polypeptidhormonen aus demselben Polyprotein führt.
Viele Viren produzieren ihre Proteine auch zunächst als einzelne Polypeptidkette, die aus einer polyzyklischen mRNA translatiert wurden. Dieses Polypeptid wird anschließend in einzelne Polypeptidketten gespalten. Gebräuchliche Namen für das Polyprotein sind gag (gruppenspezifisches Antigen) in Retroviren und ORF1ab in Nidoviren. Der letztere Name bezieht sich auf die Tatsache, dass eine rutschige Sequenz in der mRNA, die für das Polypeptid kodiert, eine ribosomale Rahmenverschiebung verursacht, die zu zwei verschiedenen Längen peptidischer Ketten (a und ab) in einem ungefähr festen Verhältnis führt.
Spaltung von Vorläuferproteinenbearbeiten
Viele Proteine und Hormone werden in Form ihrer Vorläufer synthetisiert – Zymogene, Proenzyme und Prähormone. Diese Proteine werden gespalten, um ihre endgültigen aktiven Strukturen zu bilden. Insulin wird beispielsweise als Präproinsulin synthetisiert, das nach Spaltung des Signalpeptids Proinsulin liefert. Das Proinsulin wird dann an zwei Positionen gespalten, um zwei Polypeptidketten zu erhalten, die durch zwei Disulfidbindungen verbunden sind. Die Entfernung von zwei C-terminalen Resten aus der B-Kette liefert dann das reife Insulin. Die Proteinfaltung erfolgt in der einkettigen Proinsulinform, die die Bildung der letztendlich Interpeptiddisulfidbindungen und der letztendlich Intra-Peptiddisulfidbindung erleichtert, die in der nativen Struktur von Insulin gefunden wird. Insbesondere Proteasen werden in der inaktiven Form synthetisiert, so dass sie sicher in Zellen gelagert werden können und bei Bedarf in ausreichender Menge freisetzbar sind. Dadurch soll sichergestellt werden, dass die Protease nur an der richtigen Stelle oder im richtigen Kontext aktiviert wird, da eine unangemessene Aktivierung dieser Proteasen für einen Organismus sehr zerstörerisch sein kann. Proteolyse des Zymogens ergibt ein aktives Protein; zum Beispiel, wenn Trypsinogen gespalten wird, um Trypsin zu bilden, tritt eine leichte Umlagerung der Proteinstruktur auf, die das aktive Zentrum der Protease vervollständigt, wodurch das Protein aktiviert wird.
Die Proteolyse kann daher eine Methode zur Regulierung biologischer Prozesse sein, indem inaktive Proteine in aktive umgewandelt werden. Ein gutes Beispiel ist die Blutgerinnungskaskade, bei der ein erstes Ereignis eine Kaskade der sequentiellen proteolytischen Aktivierung vieler spezifischer Proteasen auslöst, was zur Blutgerinnung führt. Das Komplementsystem der Immunantwort beinhaltet auch eine komplexe sequentielle proteolytische Aktivierung und Interaktion, die zu einem Angriff auf eindringende Krankheitserreger führt.
Proteinabbau
Der Proteinabbau kann intrazellulär oder extrazellulär erfolgen. Bei der Verdauung von Lebensmitteln können Verdauungsenzyme für die extrazelluläre Verdauung in die Umwelt freigesetzt werden, wobei die proteolytische Spaltung Proteine in kleinere Peptide und Aminosäuren aufspaltet, so dass sie absorbiert und verwendet werden können. Bei Tieren kann die Nahrung extrazellulär in spezialisierten Organen oder Eingeweiden verarbeitet werden, aber bei vielen Bakterien kann die Nahrung über Phagozytose verinnerlicht werden. Der mikrobielle Abbau von Proteinen in der Umwelt kann durch die Nährstoffverfügbarkeit reguliert werden. Zum Beispiel induziert die Beschränkung auf Hauptelemente in Proteinen (Kohlenstoff, Stickstoff und Schwefel) eine proteolytische Aktivität im Pilz Neurospora crassa sowie in Bodenorganismus-Gemeinschaften.
Proteine in Zellen werden in Aminosäuren zerlegt. Dieser intrazelluläre Proteinabbau erfüllt mehrere Funktionen: Es entfernt beschädigtes und abnormales Protein und verhindert deren Ansammlung. Es dient auch dazu, zelluläre Prozesse zu regulieren, indem nicht mehr benötigte Enzyme und regulatorische Proteine entfernt werden. Die Aminosäuren können dann für die Proteinsynthese wiederverwendet werden.
Lysosom und Proteasomedit
Der intrazelluläre Abbau von Protein kann auf zwei Arten erreicht werden – Proteolyse im Lysosom oder ein Ubiquitin-abhängiger Prozess, der auf unerwünschte Proteine im Proteasom abzielt. Der Autophagie-lysosomale Weg ist normalerweise ein nicht-selektiver Prozess, kann aber beim Verhungern selektiv werden, wodurch Proteine mit der Peptidsequenz KFERQ oder ähnlichem selektiv abgebaut werden. Das Lysosom enthält eine große Anzahl von Proteasen wie Cathepsine.
Der Ubiquitin-vermittelte Prozess ist selektiv. Proteine, die für den Abbau markiert sind, sind kovalent mit Ubiquitin verbunden. Viele Moleküle von Ubiquitin können im Tandem mit einem Protein verbunden sein, das zum Abbau bestimmt ist. Das polyubiquinierte Protein ist auf einen ATP-abhängigen Proteasekomplex, das Proteasom, ausgerichtet. Das Ubiquitin wird freigesetzt und wiederverwendet, während das Zielprotein abgebaut wird.
Rate des intrazellulären Proteinabbaus
Verschiedene Proteine werden unterschiedlich schnell abgebaut. Abnormale Proteine werden schnell abgebaut, während die Abbaurate normaler Proteine je nach Funktion stark variieren kann. Enzyme an wichtigen Stoffwechselkontrollpunkten können viel schneller abgebaut werden als solche Enzyme, deren Aktivität unter allen physiologischen Bedingungen weitgehend konstant ist. Eines der am schnellsten abgebauten Proteine ist die Ornithindecarboxylase mit einer Halbwertszeit von 11 Minuten. Im Gegensatz dazu haben andere Proteine wie Aktin und Myosin eine Halbwertszeit von einem Monat oder mehr, während Hämoglobin im Wesentlichen die gesamte Lebensdauer eines Erythrozyten dauert.Die N-End-Regel kann teilweise die Halbwertszeit eines Proteins bestimmen, und Proteine mit Segmenten, die reich an Prolin, Glutaminsäure, Serin und Threonin sind (die sogenannten Schädlingsproteine), haben eine kurze Halbwertszeit. Andere Faktoren, von denen vermutet wird, dass sie die Abbaurate beeinflussen, umfassen die Desaminierungsrate von Glutamin und Asparagin und die Oxidation von Cystein, Histidin und Methionin, das Fehlen stabilisierender Liganden, das Vorhandensein von angehängten Kohlenhydrat- oder Phosphatgruppen, das Vorhandensein einer freien α-Aminogruppe, die negative Ladung des Proteins und die Flexibilität und Stabilität des Proteins. Proteine mit größeren intrinsischen Störungen neigen auch dazu, eine kurze zelluläre Halbwertszeit zu haben, wobei ungeordnete Segmente vorgeschlagen wurden, um eine effiziente Einleitung des Abbaus durch das Proteasom zu erleichtern.
Die Geschwindigkeit der Proteolyse kann auch vom physiologischen Zustand des Organismus abhängen, wie z. B. seinem hormonellen Zustand sowie dem Ernährungszustand. In Zeiten des Hungers nimmt die Rate des Proteinabbaus zu.
Verdauungbearbeiten
Bei der menschlichen Verdauung werden Proteine in Lebensmitteln durch Verdauungsenzyme wie Pepsin, Trypsin, Chymotrypsin und Elastase in kleinere Peptidketten und durch verschiedene Enzyme wie Carboxypeptidase, Aminopeptidase und Dipeptidase in Aminosäuren zerlegt. Es ist notwendig, Proteine in kleine Peptide (Tripeptide und Dipeptide) und Aminosäuren aufzuspalten, damit sie vom Darm absorbiert werden können, und die absorbierten Tripeptide und Dipeptide werden auch intrazellulär in Aminosäuren zerlegt, bevor sie in den Blutkreislauf gelangen. Verschiedene Enzyme haben unterschiedliche Spezifität für ihr Substrat; Trypsin spaltet beispielsweise die Peptidbindung nach einem positiv geladenen Rest (Arginin und Lysin); Chymotrypsin spaltet die Bindung nach einem aromatischen Rest (Phenylalanin, Tyrosin und Tryptophan); Elastase spaltet die Bindung nach einem kleinen unpolaren Rest wie Alanin oder Glycin.
Um eine unangemessene oder vorzeitige Aktivierung der Verdauungsenzyme zu verhindern (sie können beispielsweise eine pankreatische Selbstverdauung auslösen, die eine Pankreatitis verursacht), werden diese Enzyme als inaktives Zymogen sezerniert. Der Vorläufer von Pepsin, Pepsinogen, wird vom Magen ausgeschieden und nur in der sauren Umgebung im Magen aktiviert. Die Bauchspeicheldrüse sezerniert die Vorläufer einer Reihe von Proteasen wie Trypsin und Chymotrypsin. Das Zymogen von Trypsin ist Trypsinogen, das durch eine sehr spezifische Protease, Enterokinase, aktiviert wird, die von der Schleimhaut des Zwölffingerdarms sezerniert wird. Das Trypsin, einmal aktiviert, kann auch andere Trypsinogene sowie die Vorläufer anderer Proteasen wie Chymotrypsin und Carboxypeptidase spalten, um sie zu aktivieren.
Bei Bakterien wird eine ähnliche Strategie des Einsatzes eines inaktiven Zymogens oder Prezymogens angewendet. Subtilisin, das von Bacillus subtilis produziert wird, wird als Präprosubtilisin produziert und nur freigesetzt, wenn das Signalpeptid gespalten ist und eine autokatalytische proteolytische Aktivierung stattgefunden hat.
Zelluläre Regulationbearbeiten
Die Proteolyse ist auch an der Regulation vieler zellulärer Prozesse beteiligt, indem sie Enzyme, Transkriptionsfaktoren und Rezeptoren aktiviert oder deaktiviert, beispielsweise bei der Biosynthese von Cholesterin oder der Vermittlung von Thrombinsignalen durch Protease-aktivierte Rezeptoren.Einige Enzyme an wichtigen metabolischen Kontrollpunkten wie Ornithindecarboxylase werden vollständig durch ihre Syntheserate und ihre Abbaurate reguliert. Andere schnell abgebaute Proteine umfassen die Proteinprodukte von Proto-Onkogenen, die eine zentrale Rolle bei der Regulation des Zellwachstums spielen.
Regulation des Zellzyklus
Cycline sind eine Gruppe von Proteinen, die Kinasen aktivieren, die an der Zellteilung beteiligt sind. Der Abbau von Cyclinen ist der Schlüsselschritt, der den Austritt aus der Mitose und den Fortschritt in den nächsten Zellzyklus steuert. Cycline akkumulieren im Verlauf des Zellzyklus und verschwinden dann abrupt kurz vor der Anaphase der Mitose. Die Cycline werden über einen Ubiquitin-vermittelten proteolytischen Weg entfernt.
Apoptosebearbeiten
Caspasen sind eine wichtige Gruppe von Proteasen, die an der Apoptose oder dem programmierten Zelltod beteiligt sind. Die Vorläufer der Caspase, Procaspase, können durch Proteolyse durch ihre Assoziation mit einem Proteinkomplex, der Apoptosom bildet, oder durch Granzym B oder über die Todesrezeptorwege aktiviert werden.