СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОТЕИНАЗ ЛИЗОСОМ

Все цистеиновые протеиназы - гликопротеиды с молекулярной массой от 20 до 35 кДа, функционирующие в слабокислой среде рН 4,0-6,0 и характеризующиеся выраженной специфичностью действия. Это определяет как их синергизм, так и особые биологические функции. Цистеиновые протеиназы лизосом подразделяются на 14 семейств. Наиболее важными из них являются папаиновое и кальпаиновое. Папаиновое семейство наиболее многочисленно, оно включает более 14 членов, таких как папаин, химопапаин, алеураин и др., а также лизосомальные катепсины B, H, L.

Катепсин В (3.4.22.1) – цистеиновая протеиназа, гидролизует различные белки и низкомолекулярные пептиды. При действии на глюкагон, альдолазу, ангиотензин I отщепляет дипептиды с С-конца полипептидной цепи, проявляя пептидилпептидазную активность; при расщеплении других субстратов специфичности такого типа не наблюдается. В синтетических субстратах гидролизует связи около двух рядом расположенных основных аминокислот. Наибольшей активностью по отношению к белковым субстратам отличается катепсин L, который является эндопептидазой широкого спектра и гидролизует связи около гидрофобных аминокислот. Катепсин L (3.4.22.15) – цистеиновая протеиназа, которая наиболее активно расщепляет такие субстраты как коллаген, эластин, азоказеин. Катепсин Н (3.4.22.16) расщепляет субстраты как в свободном, так и в замещенном с a-NН2 – группой и классифицируется как аминоэндопептидаза. Его активность по отношению к белкам ниже, чем у катепсинов В и L.

Изучение катепсинов B и Н показало, что их структура близка к структуре папаина, на что указывает одинаковый характер укладки полипептидной цепи в молекуле. Во всех белках имеется 10-членная последовательность аминокислот в районе активного центра цистеина. Высокая степень гомологии отмечена на N и С- концевых областей молекулы. В районе активного центра гистидина и в центральной части полипептидной цепи степень гомологии меньше. Формирующие каталитичесикий центр остатки цистеина (29-ое положение в катепсине В) и гистидина (197-ое положение для катепсина Н) имеют одинаковое взаиморасположение, как у папаина. В формировании и стабилизации активного центра участвуют Asn-Ser-Trp (217-219 в катепсине В), одинаковые для всех трех катепсинов. В молекулах катепсинов В и Н есть чувствительные к протеолизу связи, расщепление которых не изменяет ферментативную активность фермента – Asn-47-Val-48 для катепсина В и Asn-117-Gly-178 для катепсина Н. Углеводный компонент в структуре катепсинов В и Н расположен на внешней поверхности молекул и прикреплен к остатку аспарагина, занимающего 111-ое положение в катепсине В и 115-ое в катепсине Н. Представленные данные свидетельствуют о том, что группа цистеиновых протеиназ лизосом является родственным семейством, которое может быть обозначено как семейство папаина.

Катепсин D (3.4.23.5) – аспартильная протеиназа лизосом, для которой характерна незначительная активность к субстратам с низким молекулярным весом и высокая интенсивность гидролиза гемоглобина, который в кислой среде предварительно распадается на четыре субъединицы. Атакуемость этим ферментом других белков крови намного ниже, в результате чего гемоглобин часто используют для выявления активности катепсина D. Максимальная активность этого фермента зависит от источника выделения фермента и природы субстрата. При гидролизе гемоглобина оптимальная величина рН в пределах 3,0-3,5, при переваривании альбуминов и глобулинов – рН 4,0-5,0. Детальные исследования каталитических свойств катепсина D позволили предположить, что строение его активного центра имеет черты сходства со строением пепсина, и что в его составе фигурируют две карбоксильные группы аспарагиновой и глютаминовой кислот.

Катепсин Е (3.4.23.5) также является аспартильной протеиназой лизосом, которая была обнаружена при анализе субстратной специфичности комплекса тканевых кислых протеиназ. Было показано, что в отличие от катепсина D, который с наибольшей интенсивностью атакует гемоглобин, катепсин Е интенсивно гидролизует альбумины крови. Молекулярный вес достаточно велик - от 100 до 305 кДа, а оптимум действия лежит при рН 2,5.

Как известно, синтезируются протеиназы лизосом в виде гликозилированных предшественников и подвергаются серии реакций ограниченного протеолиза, осуществляемых протеиназами разного типа. Активация проферментов и образование активных форм происходит при участии катепсина D. Катепсин D синтезируется в виде прокатепсина D с молекулярной массой равной 52 кДа и последовательно превращается в промежуточную форму с молекулярной массой 47 кДа, а затем в двухцепочечную – 31 кДа и 13-14 кДа (у бычьего профермента за счет выщепления дипептида SerSer). Активация катепсина D осуществляется удалением 44 аминокислот (т.н. активация пептидом). Проформа катепсина D следует в лизосомы посредством маннозо-6-фосфатного пути. Аутокаталитическая активация при понижении локальных значений рН до 4,0 способствует превращению прокатепсина D в катепсин D, который в свою очередь, активирует превращение прокатепсинов В и L в катепсины В и L, способные превращать проформы других ферментов в активное состояние, например, активация катепсином В урокиназы и участие в превращении плазминогена в плазмин.

Катепсины В и L синтезируются в виде проферментов в эндоплазматическом ретикулеме, затем, подвергшись пост-трансляционным изменениям, посредством маннозо-6-фосфатного пути следует в лизосомы. Предполагают, что предшественник катепсина В, имеющий молекулярную массу 43 кДа, в ходе протеолитического процессинга превращается в секреторных гранулах аппарата Гольджи в форму с молекулярной массой 39 кДа, которая функционирует как проинсулинконвертаза; в лизосомах из него образуется катепсин В с молекулярной массой 31,5 кДа, являющийся эндопептидазой широкого спектра действия.

Биологические функции рассмотренных выше протеиназ связаны главным образом с внутри- и внеклеточным протеолизом. Как известно, попавшие в лизосомы путем аутофагии или фагоцитоза белки, подвергаются согласованному действию различных пептидгидролаз и расщепляются до отдельных аминокислот. Секреция катепсина B является маркером активации макрофагов при различных патологических процессах. Наличие экзо- и эндогенных ингибиторов катепсина B указывает на возможную его патогенетическую роль при ряде таких состояний, как мышечная дистрофия, ревматоидный артрит, эмфизема легких, бронхиальная астма, болезнь Альцгеймера. Считают, что катепсин B вносит свой вклад при малигнизации и метастазировании опухолей животных и человека.

Катепсин L - цистеиновая эндопептидаза лизосом с широким спектром действия, играющая важную роль во внутрилизосомном протеолизе. Наряду с деградацией белков, катепсин L катализирует ряд реакций ограниченного протеолиза, вызывает активацию ряда ключевых ферментов обмена (некоторых протеинкиназ, фосфодиэстеразы циклических нуклеотидов), инактивацию некоторых ферментов углеводного обмена и др. Катепсины В и L вызывают деградацию некоторых миофибрилярных белков, таких как миозин, актин, тропонин, и таким образом участвуют в деструкции межклеточного матрикса. Катепсины В, L и N расщепляют в коллагене внутримолекулярные связи и действуют, главным образом, на телопетиды, не затрагивая спиральных участков молекулы. Разрушение последних структур происходит под действием коллагеназы, которая во многих случаях начинает внеклеточную деградацию коллагена. Активация проколлагеназы позволяет считать катепсин B пусковым ферментом при распаде коллагена. Это процесс может быть следствием взаимодействия разных типов клеток, одни из которых секретирует латентную коллагеназу, другие – катепсин В или подобный ему фермент.

Важную роль играют цистеиновые протеиназы лизосом в некоторых морфогенетических процессах, таких как резорбция матки после беременности, инволюция молочной железы, определенные стадии эмбриогенеза, где ферменты выполняют не только свою деструктивную роль, но и возможно пусковую роль. С функцией катепсина В связаны определенные стадии дифференцировки клеток. В процессе иммуного ответа катепсин В участвуют в процессинге антигенов, а также может модифицировать белки плазматической мембраны. Катепсин D - аспартильная протеиназа, которая обнаружена во всех клетках млекопитающих, преимущественно в лизосомах и эндосомах макрофагов, гепатоцитов и фибробластов. В физиологических условиях катепсин D принимает участие в деградации внутриклеточных белков, участвуя в процессах клеточной пролиферации и апоптозе, принимает участие в активации других лизосомальных протеиназ, процессинге антигенов. В отличие от других протеиназ, катепсин D не имеет эндогенного ингибитора и активатора.

Список литературы:

1. Savitskaya MA, Onishchenko GE. Mechanisms of Apoptosis. Biochemistry (Mosc). 2015 Nov;80(11):1393-405.
2. Pišlar A, Perišić Nanut M, Kos J. Lysosomal cysteine peptidases - Molecules signaling tumor cell death and survival. Semin Cancer Biol. 2015 Dec; 35:168-79.
3. Dowling JK, O'Neill LA. Biochemical regulation of the inflammasome. Crit Rev Biochem Mol Biol. 2012 Sep;47(5):424-43.
4. Conus S, Simon HU. Cathepsins and their involvement in immune responses. Swiss Med Wkly. 2010 Jul 20;140.
5. Ivanova S, Repnik U, Bojic L, Petelin A, Turk V, Turk B. Lysosomes in apoptosis. Methods Enzymol. 2008;442:183-99