PROTEOLYSE: ARTEN UND FUNKTIONEN - BIOLOGIE - 2025

Die Proteolyse oder der Proteinabbau ist ein Prozess, durch den Proteine ​​einer Zelle vollständig (bis zu ihren Aminosäurebestandteilen) oder teilweise (produzierende Peptide) abgebaut werden können. Das heißt, es besteht aus der Hydrolyse einer oder mehrerer Peptidbindungen, die ihre Aminosäuren zusammenhalten.

Dieser Prozess kann dank der Beteiligung anderer Proteine ​​mit enzymatischer Aktivität stattfinden, in deren aktiven Zentren eine Hydrolyse der Bindungen stattfindet. Es kann auch durch nichtenzymatische „Methoden“ auftreten, beispielsweise durch Einwirkung von Wärme oder Substanzen mit extremem pH-Wert (sehr sauer oder sehr basisch).

Grundschema der Proteolyse eines Proteins (Quelle: Fdardel via Wikimedia Commons)

Der Proteinabbau erfolgt bei Bakterien, Tieren und Pflanzen, ist jedoch bei Tieren besonders häufig, insbesondere auf der Ebene des Verdauungssystems, da die Verdauung und die intestinale Absorption der mit der Nahrung aufgenommenen Proteine ​​davon abhängen.

Darüber hinaus ist die Proteolyse für die funktionelle Aufrechterhaltung und Regulation mehrerer zellulärer Prozesse von größter Bedeutung und hat auch mit der Eliminierung jener Proteine ​​zu tun, die Fehler bei Translation, Faltung, Verpackung, Import, Funktion usw. aufweisen.

Es ist wichtig anzumerken, dass es sich um einen irreversiblen, hochwirksamen Prozess handelt, der auch bei der "Regulation von Regulatoren" funktioniert, da er nicht nur jene Proteine ​​eliminiert, die "direkte" biologische Aktivitäten haben, sondern auch jene, die andere Proteine ​​regulieren oder die Expression der entsprechenden Gene.

Arten der Proteolyse

Die internen Proteine ​​einer Zelle können zufällig oder selektiv abgebaut werden oder, was auch immer, auf kontrollierte Weise oder nicht. Wie bereits erwähnt, kann dieser Prozess wiederum durch spezielle Enzyme oder aufgrund definierter Umgebungsbedingungen wie saurem und / oder alkalischem pH-Wert erfolgen.

Es ist wichtig zu erwähnen, dass jedes korrekt translatierte, gefaltete oder verpackte Protein eine oder mehrere Abbausignalsequenzen verbirgt, die "kryptisch" sind und die freigelegt werden können, wenn das Protein durch Temperatur, pH usw. strukturell gestört wird.

Ubiquitinierungsproteolyse

Die Ubiquitinierung (Ubiquitin-Proteasom-System) ist ein System, mit dem Proteine ​​selektiv hydrolysiert werden können, nachdem sie spezifisch für den Abbau markiert wurden. Dieser Prozess kann sowohl im Cytosol als auch im Zellkern stattfinden.

Dieses System hat die Fähigkeit, markierte Proteine ​​im Kern und im Cytosol zu erkennen und zu zerstören sowie Proteine ​​abzubauen, die sich während ihrer Translokation vom Cytosol zum endoplasmatischen Retikulum nicht richtig falten.

Ubiquitin-Markierungsprozess (Ubiquitination) (Quelle: Rogerdodd über Wikimedia Commons)

Es funktioniert hauptsächlich durch Hinzufügen oder Konjugieren der "Ziel" -Proteine ​​zu einem kleinen Protein oder Peptid mit 76 Aminosäureresten, besser bekannt als Ubiquitin. Diese durch Ubiquitinierung "markierten" Proteine ​​werden durch das 26S-Proteasom, eine Protease mit mehreren Untereinheiten, in kleine Fragmente abgebaut.

Proteolyse durch Autophagie

Autophagie wird von einigen Autoren auch als eine Form der Proteolyse angesehen, mit dem Unterschied, dass sie in einem geschlossenen Membrankompartiment auftritt, das auf die Lysosomen (in tierischen Zellen) gerichtet ist, in denen die darin enthaltenen Proteine ​​abgebaut werden lysosomale Proteasen.

Nichtenzymatische Proteolyse

Die Temperatur, der pH-Wert und sogar die Salzkonzentration eines Mediums können die Hydrolyse der Peptidbindungen verursachen, die die Aminosäuren verschiedener Arten von Proteinen zusammenhalten, was durch Destabilisierung und Unterbrechung der Bindungen geschieht.

Eigenschaften

Die Proteolyse hat in lebenden Organismen viele Funktionen. Insbesondere hat es mit dem Proteinumsatz zu tun, wobei einige spezifische Proteinmoleküle, die von einem oder mehreren Ribosomen translatiert wurden, schließlich mit unterschiedlichen Raten abgebaut werden.

Proteine ​​haben eine Halbwertszeit, die von einigen Sekunden bis zu einigen Monaten variiert, und die Produkte ihres Abbaus, ob reguliert oder nicht, vermittelt durch Enzyme oder nicht, werden im Allgemeinen für die Synthese neuer Proteine ​​wiederverwendet, die wahrscheinlich unterschiedliche Funktionen erfüllen.

Dies geschieht mit Proteinen, die mit der Nahrung aufgenommen werden und im Magen-Darm-Trakt durch Proteasen, einschließlich Trypsin und Pepsin, abgebaut werden. sowie bei einigen zellulären Proteinen, wenn den Zellen genügend Nahrung zum Überleben fehlt.

Intrazelluläre proteolytische Systeme erkennen und eliminieren "abnormale" Proteine, die möglicherweise für Zellen toxisch sind, da sie mit "physiologisch ungeeigneten" Liganden interagieren können, und produzieren Aggregate, die mechanische und physikalische Hindernisse für normale zelluläre Prozesse verursachen.

Die Anreicherung abnormaler Proteine ​​in der Zelle, entweder aufgrund von Defekten im inneren proteolytischen System oder aus anderen Gründen, wird von vielen Wissenschaftlern als eine der Hauptursachen für das Altern bei mehrzelligen Lebewesen angesehen.

Im Immunsystem

Die partielle Proteolyse vieler Proteine ​​aus exogenen oder fremden Quellen, wie beispielsweise eindringende Mikroorganismen, ist ein grundlegender Prozess für das Immunantwortsystem, da T-Lymphozyten die kurzen Fragmente erkennen, die ihnen als Produkt der Proteolyse (Peptide) präsentiert werden. in Verbindung mit einer Reihe von Oberflächenproteinen.

Diese Peptide können aus dem Ubiquitinierungssystem, autophagischen Prozessen oder unkontrollierten Proteolyseereignissen stammen.

Andere Funktionen

Eine weitere Funktion der begrenzten oder partiellen Proteolyse ist die Modifikation neu gebildeter Proteine, die als "Vorbereitung" für ihre intra- oder extrazellulären Funktionen fungieren. Dies gilt beispielsweise für bestimmte Hormone und für Proteine, die an verschiedenen Stoffwechselprozessen beteiligt sind.

Der programmierte Zelltod (Apoptose) hängt in hohem Maße auch von einer begrenzten oder teilweisen „ortsspezifischen“ Proteolyse intrazellulärer Proteine ​​ab, die durch eine Kaskade spezifischer Proteasen, sogenannte Caspasen, vermittelt wird.

Extrazelluläre Regulationssysteme hängen auch von der ortsspezifischen Proteolyse ab, und das bekannteste Beispiel ist die Blutgerinnung.

Die allgemeine oder vollständige Proteolyse erfüllt auch wesentliche Funktionen für den selektiven Abbau jener Proteine, deren Konzentration in Abhängigkeit von der physiologischen, metabolischen oder Entwicklung der Zellen sorgfältig kontrolliert werden muss.

In Pflanzen

Pflanzen verwenden auch proteolytische Prozesse, um viele ihrer physiologischen und Entwicklungsaspekte zu kontrollieren. Es funktioniert zum Beispiel bei der Aufrechterhaltung intrazellulärer Zustände und bei den Reaktionsmechanismen auf stressige Zustände wie Dürre, Salzgehalt, Temperatur unter anderem.

Wie bei Tieren wirkt die Proteolyse in Pflanzen bei der Aktivierung und Reifung von Zymogenen (inaktiven Proteinen) zusammen, steuert den Stoffwechsel, die Homöostase, programmierte Zelltodprozesse, die Entwicklung von Geweben und Organen usw. In diesen Organismen ist der Weg der Proteolyse durch Ubiquitinierung einer der wichtigsten.

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