MUCOS Pharma CZ

Novější představy o proteolýze

MUDr. Jiří Strejček, CSc.

Medicína 1997: č. 9, str. 25.


Od pradávna je známo, že mnohé choroby, zejména chronické, jsou provázeny povšechným hubnutím či kachexií, jejíž součástí je atrofie kosterního svalstva spojená s výrazným katabolismem nitrosvalových proteinů. Zatím co mechanismy proteosyntézy jsou známy již z dřívější doby, teprve v posledních letech se pomalu odkrývají mechanismy, které zprostředkovávají a regulují katabolismus proteinů.

Tento proces je regulován velmi přesně, protože proteiny se účastní všech životních procesů a kvantitativně nevyvážený metabolismus byť jen jediného proteinu by mohl vyvolat těžkou, se životem neslučitelnou poruchu. Proteiny v podobě enzymů zprostředkovávají v těle syntézu rozklad nejrůznějších látek, a to jak regulačních molekul řídících průběh komplexních procesů, jakým je např. buněčné dělení, tak signálních molekul, např. hormonů nebo cytokinů, zajišťujících rychlé reakce těla na změnu vnějšího nebo vnitřního prostředí.

Metabolismus jednotlivých proteinů se vyznačuje různou rychlostí; poločas některých proteinů se počítá na minuty, jiných na dny. U dospělého člověka o hmotnosti 70 kg se denně syntetizuje a degraduje asi 280 g proteinů.

Savci degradují proteiny několika způsoby. Proteiny extracelulární (proteohormony, protilátky, proteiny akutní fáze, lipoproteiny, atd.), ale také membránové receptory, které byly po vazbě příslušné signální molekuly (cytokinu, protilátky, proteohormonu, acetylcholinu atd.) internalizovány, podléhají fagocytóze, při níž jsou zavzaty do výchlipky buněčné membrány fagocytující buňky a uzavřeny do takto vzniklé vakuoly. Splynutím membrány fagosomu s membránou preformovaného lyzosomu (např. granula v cytoplazmě neutrofilního leukocytu),

který obsahuje početnou soupravu proteináz a jiných hydro1áz, vzniká fagolyzosom. V něm jsou fagocytované proteiny degradovány na krátké peptidy a ty pak účinkem exopeptidáz rozštěpeny až na jednotlivé aminokyseliny. Fagocyty vykonávají zároveň funkci buněk prezentujících antigen (APC): určitá část krátkých peptidů, vzniklých rozkladem proteinových antigenů, tzv. epitopy, dříve "antigenní skupiny", se stane nositelem antigennosti. Tato část je vazbou na molekuly HLA I. nebo II. třídy uchráněna další degradace. Šroubovice epitopového peptidu se totiž naváže do rýhy na povrchu molekuly HLA a tak z prostorových důvodů unikne z dosahu exopeptidáz. Rýha molekuly HLA je schopná vázat velký počet variant peptidů; tato vazebná schopnost jednotlivých podskupin molekul HLA se sice do značné míry překrývá, určité rozdíly mezi jednotlivými typy však existují a ty, jak se zdá, jsou jedním z vysvětlení asociace znaků HLA s chorobami a jejich klinicko-laboratorními charakteristikami.

Komplex HLA-epitop je pak transportován na povrch buněčné membrány APC a nabídnut lymfocytům CD4 nebo CD8. Krátký peptid je v rýze uložen ve zcela přesné a konstantní poloze: zadní stranou je přichycen ke struktuře molekuly HLA, strana přední je volná a může se za podpory adhezních molekul specificky navázat v přesné poloze a na potřebně dlouhou dobu na odpovídající část receptoru lymfocytů CD4 nebo CD8, čímž se uvede do chodu na tymu dependentní imunitní protilátková odpověď nebo buněčná odpověď. Lyzosomová proteolýza však má na celkovém metabolismu proteinů kvantitativně jen nevelký podíl; hlavní váhu má metabolismus proteinů nitrobuněčných (např. svalových). Do tohoto metabolismu jsou začleněny i viry, které pronikly do buňky.

Do dnešní doby byl dobře probádán degradační systém ubikvitin-proteasom. Celý proces proteolýzy začíná tím, že proteinová molekula určená k

degradaci se kovalentně sváže s malým proteinovým kofaktorem, ubikvitinem. Karboxylový konec molekuly ubikvitinu se přitom aktivuje působením enzymu E1 konverzí na thiolový ester. Tato konjugace ubikvitinu se opakuje, až nakonec je na proteinový substrát navázán komplex alespoň pěti molekul ubikvitinu.

Aktivovaný proteinový komplex se pak přenese na některý z početné rodiny nosičů zvaných E2, při čemž se aktivovaná karboxylová skupina ubikvitinu působením ubikvitin-protein ligázy (E3) naváže na epsilon-aminové skupiny lysinu proteinového substrátu, který má být degradován.. Existuje řada proteinů E2 a E3. Právě kombinace určitých párů E2-E3, které jsou pro určitý protein substrátu typické, zajišťují do značné míry selektivnost uvedeného procesu. Popsaný aktivovaný proteinový substrát je pak odtransportován do místa, kde probíhá vlastní degradace. Jde o veliký komplex složité molekulové struktury, zvaný 26S proteasom. Podobá se soudku, který se skládá ze čtyř prstencovitých proteinů, vytvořených vždy ze sedmi podjednotek, obkružujících centrální dutinu, v níž jsou umístěny jednotlivé proteinázy. Vnější dva prstence se poněkud liší od prstenců vnitřních, nicméně struktura všech podjednotek jeví dalekosáhlé analogie.

Aktivovaná molekula proteinového substrátu, která má být degradována, se ve vnějším prstenci uvede do rozvinutého lineárního stavu a pak je odtransportována do centrální dutiny (=20S core proteasomu), kde se uplatní proteolytický účinek jednotlivých podjednotek obou vnitřních prstenců. Protein je postupně štěpen na peptidy obsahující asi 10 až 12 aminokyselin, a ty jsou pak úplně rozštěpeny účinkem cytosolových exopeptidáz. Výstupní peptidy mohou být v některých situacích a v některých typech buněk využity i jako epitopy pro navození imunitní odpovědi, což se týká např. virů. Podrobnosti jsou zatím poněkud nejasné, nepochybná je účast některých cytokinů, např. interferonů.

Proteinázy patří do široké skupiny hydroláz a dělí se na čtyři skupiny podle charakteristické funkční skupiny jejich aktivního centra (které zprostředkovává vlastní štěpící reakci). Jde o proteinázy serinové (např. pankreatické enzymy trypsin, chymotrypsin, hemokoagulační faktory, složky komplementu) , cysteinové (většina lyzosomových proteináz), metaloproteinázy (např. kolagenázy, enzym konvertující angiotenzin) a kyselé proteinázy (např. renin, proteináza HIV). V proteasomech jsou obsaženy proteinázy typu dosud nepopsaného, jejichž účinek katalyzují hydroxyly nebo threonin na N-terminálech podjednotek na vnitřní ploše prstenců jádra proteasomu. Každá z proteináz proteasomu se vyznačuje specifičností a jejich soubor se uplatňuje jako dobře koordinovaný funkční celek.

Proteasomy jsou velmi dobře jištěny proti nežádoucí nespecifické degradaci nitrobuněčných proteinů několikerým způsobem. Aktivní místa proteináz jsou uzavřena v centrální dutině proteasomu, kam proniknou pouze rozvinuté molekuly proteinů. Kromě toho konjugace ubikvitinu a následující štěpení proteinu je vysoce specifický proces, který vyžaduje 19S komplex, obsahující asi 20 podjednotek, které specificky váží proteiny konjugované s ubikvitinem, a dále šest ATPáz, které dodávají energii potřebnou pro rozvinutí proteinových molekul a vyznačují se rovněž selektivitou.

Celkový metabolismus nitrobuněčných proteinů je rovněž podroben přísné regulaci, a to jak poločas jednotlivých proteinů, tak celkový objem proteolýzy. To platí v plné míře např. o proteinech buněk kosterního svalstva. Většina uvolněných aminokyselin se přesouvá do jater, kde se jich využívá pro glukoneogenezi nebo syntézu některých proteinů (např. akutní fáze a albuminu), některých (zejména leucinu, izoleucinu a valinu). se využívá přímo ve svalech k získávání energie. Proteolýzu ve svalech vyvolává zejména acidóza (hladovění), infekce a některé

nádory (na rozdíl od ledvin a jater). Světlá svalová vlákna (která nejsou trvale v činnosti) ztrácejí proteinu více než vlákna tmavá (která jsou v činnosti trvale). Proteolýza je velmi výrazná také v denervovaných kosterních svalech (týká se především aktinu a myosinu, které se za normálních okolností vyznačují poměrně dlouhou životností).

Jednotlivé regulační stupně systému ubikvitin-proteasom nejsou zatím prozkoumány do všech detailů. Důležité jsou nepochybně ATPázy, které uvolňují potřebnou energii, a informační RNA (mRNA), které kódují ubikvitin, podjednotky proteasomu a E2, a které jsou zvýšenou měrou transkribovány.

Ztrátu svalové hmoty ("wasting") navozuje endotoxin, který navozuje uvolňování IL-1 a TNF alfa, trauma (i popáleninové) a různé malignity. Důležitým regulačním faktorem jsou glukokortikoidy. Jsou nezbytné pro transkripci mRNA regulujících tvorbu ubikvitinu a proteasomových podjednotek; navíc inhibují syntézu proteinů a transport aminokyselin do svalů a současně podporují i využití aminokyselin pro glukoneogenezi.

Hlavním antagonistou katabolických účinků glukokortikoidůn je inzulin. Aktivace proteolýzy ve svalech při hladovění vyžaduje dva signály: přítomnost glukokortikoidů a pokles inzulinu. K aktivaci proteolýzy ve svalech mimo stav hladovění stačí samotný nadbytek glukokortikoidů i za přítomnosti inzulinu.

Stimulačním účinkem na systém ubikvitin-proteasom se vyznačují cytokiny IL-1 a TNF alfa z aktivovaných makrofágů a endotelií, a dále IL-6 (např. při sepsi), a konečně INF gama, který do jisté míry modifikuje složení proteasomu a jeho funkci. Proteolýzu v kosterním svalstvu zvyšuje také tyroxin a trijódtyronin.

V prvních dnech hladovění se aminokyseliny svalových proteinů využívají pro glukoneogenezi k okamžitému získávání energie. Po několika dnech se však těžiště získávání energie přesune na mastné kyseliny tukové tkáně a proteolýza se sníží, což má životně důležitý význam. Také v situaci, kdy přísun aminokyselin je nízký při dostatečném přísunu karbohydrátů, proteolýza v kosterním svalu klesá, což se vysvětluje snížením funkce štítné žlázy.

V klinické praxi se nemocným v katabolické fázi mnohdy přivádí velké množství nejen kalorií, nýbrž i proteinů. Ty však nejsou využívány k proteosyntéze, naopak proteolýza s nadměrným přísunem proteinů stoupá a zvyšuje se množství odpadových dusíkatých látek. Nejasná je otázka, zda je v těchto situacích vhodné podávat růstový hormon nebo anabolické steroidy.

V experimentu pentoxifylin, který inhibuje uvolňování TNF alfa z makrofágů, proteolýzu v kosterním a svalstvu tlumí. Podobně se uplatňuje sympatikolytikum klenbuterol.

Zatím tedy sice neexistuje skutečně účinný způsob, jak zlepšit bilanci dusíku v katabolických stavech, současné poznatky na molekulární úrovni se však zdají být příslibem, že v dohledné době budou navrženy prakticky využitelné inhibitory degradace nitrobuněčných proteinů, které dokážou zabránit ztrátě hmoty kosterního svalstva a vzniku syndromu svalového chátrání.

Podle WM Mitch a AL Goldberg: Mechanisms of muscle wasting. New Engl J Med 335,1996,25:1897-1905.

Chcete zobrazit informace, které jsou určeny výhradně odborníkům (podle § 2a zákona č. 40/1995 Sb., o regulaci reklamy, v platném znění), tedy osobám oprávněným léčivé přípravky předepisovat, nebo vydávat.
  1. Kliknutím na tlačítko "ANO" výslovně prohlašuji a potvrzuji, že jsem odborníkem, tedy osobou oprávněnou léčivé přípravy vydávat či předepisovat. V případě, že nepatříte mezi osoby oprávněné léčivé přípravky předepisovat, nebo vydávat, opusťte prosím tyto stránky stisknutím tlačítka NE.
  2. Kliknutím na tlačítko "ANO" výslovně prohlašuji a potvrzuji, že je mi známa definice odborníka. V případě, že nikoliv nebo v případě, že nepatříte mezi osoby oprávněné léčivé přípravky předepisovat, nebo vydávat, opusťte prosím tyto stránky stisknutím tlačítka NE.
  3. Pro případ, že nejsem odborníkem, pak jsem seznámen s riziky, kterým se vystavuji v důsledku možného chybného vyhodnocení informací, které jsou určeny odborníkům, přičemž tato rizika zcela akceptuji.
Přejete-li si pokračovat a tím potvrdit, že jste tímto odborníkem, stiskněte ANO.