Do napisania tego artykułu zainspirowała mnie informacja w mediach dotycząca badań nad nowym lekiem – antidotum na COVID19. W połowie marca 2020 laureat Nagrody Fundacji na Rzecz Nauki Polskiej prof. Marcin Drąg z Politechniki Wrocławskiej z zespołem rozpracował enzym – proteazę, której działanie może być kluczowe dla walki z koronawirusem SARS-CoV-2 (z wywiadu z profesorem Marcinem Drągiem https://biotechnologia.pl/biotechnologia/kolejny-przelom-w-badaniach-prof-draga-kluczowy-enzym-sars-cov-2-bardzo-podobny-do-enzymu-sars-cov-1,19706). Od kilku lat pracował nad proteazą PLpro z pierwszego wirusa SARS. To była pierwsza wirusowa proteaza, którą badał w swojej karierze. Dzięki temu wiedział, kto jest ekspertem w tych białkach i z kim nawiązać współpracę. Jak informuje profesor Drąg, jego praca nie polegała na wypreparowaniu białka enzymatycznego, ale na zrozumieniu jego działania. Uruchomił wszystkie kontakty, które miał na świecie, aby dostać ten enzym do badań. I udało się – laboratorium profesora Shauna Olsena z Karoliny Południowej w USA pracowało trzy tygodnie, aby przygotować białko. Enzym przyleciał do Polski w Wielki Piątek.
SARS-CoV-2 tworzy 29 różnych białek, w tym dwie proteazy – SARS-CoV-Mpro oraz SARS-CoV-2-PLpro. Proteazy są uważane za wprawdzie trudny, ale bardzo dobry cel do poszukiwania leków. Na przykład niektóre leki na HIV, na wirusowe zapalenie wątroby typu C, na cukrzycę typu drugiego, czy leki przeciwnowotworowe nowej generacji. Proteaza SARS-Cov-2-PLpro, którą zbadał prof. Drąg, jest nie tylko niezbędna do replikacji wirusa, ale także blokuje mechanizm obrony organizmu przed tym patogenem. Enzym ten powstrzymuje mechanizmy prowadzące do śmierci zainfekowanej komórki. – Koronawirus wykorzystuje go do oszukiwania ludzkich komórek, a przez to może replikować i tworzyć olbrzymią liczbę swoich kopii. Zablokowanie jego aktywności mogłoby więc, jak się wydaje, wspomóc organizm w walce z wirusem. Wyniki badań profesora Drąga znalazłam w „Activity profiling of SARS-CoV-2-PLpro protease provides structural framework for anti-COVID-19 drug design” bioRxiv preprint The copyright holder for this preprintthis version posted April 29, 2020. https://doi.org/10.1101/2020.04.29.068890doi: (which was not certified by peer review) is the author/funder. All rights reserved. No reuse allowed without permission). Ta wspaniała wiadomość o sukcesie polskiego naukowca zainspirowała mnie do wyjaśnienia przemianom białek w naszym organizmie, ponieważ, jak mi się wydaje, bez podanej przeze mnie wiedzy trudno byłoby zrozumieć to odkrycie. Na poniższym schemacie pokazuję komórkę zainfekowaną przez COVID19 (https://pl.wikipedia.org/wiki/SARS-CoV-2) (patrz: „COVID19 – poszukiwanie antidotum”).
Zastosowany przez profesora Drąga inhibitor enzymu proteolitycznego zahamował proteolizę białek prowadzącą do powstania w komórce gospodarza białek NSP (z ang. non structural protein – nie strukturalne proteiny/białka) potrzebnych do powielenia COVID19. Enzym będący celem SARS2Lpro jest proteazą cysteinową papainopodobną ( z ang.papain-like protease (PLpro). Odłącza on ubukwitynę (Ub) od białek. W dużo dalszej części wytłumaczę, co to jest i po co jest ubikwityna. W każdym razie jest to (ubikwityna??) białko przyłączone do innego białka i w celu jego odłączenia potrzebny jest enzym proteolityczny (Hydrolaza, patrz: „Działanie bez sił witalnych – enzymy”). SARS-CoVPLpro uszkadza naturalną reakcję immunologiczną człowieka. Z tego też powodu ten enzym jest ważnym celem molekularnym w walce z infekcją wirusową. W opracowaniu leku istotne jest nie tylko odkrycie inhibitora enzymu komórkowego, ale także opracowanie właściwej drogi podania go człowiekowi. W takiej formie, która dotrze do miejsca docelowego – do wnętrza komórki zakażonej COVID19.
Papaina (EC 3.4.22.2) to enzym z podklasy proteaz o niskiej specyficzności substratowej (proteoliza zachodzi niezależnie od tego, jakie aminokwasy sąsiadują z wiązaniem peptydowym), otrzymywany z mleczka zielonych owoców i liści melonowca właściwego – papai (od którego łacińskiej nazwy gatunkowej pochodzi nazwa papainy) (https://link.springer.com/article/10.1007/s13337-020-00585-z). Jest to substancja podobna do ludzkiej pepsyny (enzym u nas w żołądku, patrz „Gdy zjemy białko…”). Uczestniczy w degradacji białek. Do osiągnięcia pełni aktywności enzymatycznej papaina musi mieć wolną grupę -SH(stąd ta cysteina w centrum aktywnym enzymu) i lekko kwaśne środowisko. Jest składnikiem sosów nadających kruchość potrawom mięsnym, soli zmiękczającej mięso oraz produktów kosmetycznych (peelingi chemiczne).
Po to, aby zrozumieć białka, należy zorientować się jakim przemianom metabolicznym ulegają one w naszym organizmie.
Z czego biorą się białka
W artykule „Gdy zjemy białko – …” opisałam niszczenie struktur białka, poprzedzając to omówieniem ich wielorzędowej budowy (I, II, III, a nawet IV rzędowej). Z polimerów białek prostych w przewodzie pokarmowym podczas trawienia uwalniane są aminokwasy, a z białek złożonych jeszcze dodatkowo towarzyszące im cząsteczki lub jony. Białka, które trafiły do nas wraz z pokarmem zostały zsyntetyzowane przez inne organizmy zdolne do wytworzenia z aminokwasów pobranych z otoczenia lub osobiście utworzonych z innych substancji. Krótko mówiąc, aby powstało białko muszą być najpierw odpowiednie aminokwasy i muszą one dotrzeć do naszych komórek. W błonach komórkowych znajdują się specjalne transportery (struktury białkowe) dla aminokwasów. Są one wyspecjalizowane w kierunku transportu aminokwasów o określonej budowie chemicznej. Dzięki ogromnemu rozwojowi biologii molekularnej dokładnie jest poznana budowa i funkcjonowanie tych transporterów w różnych obszarach naszego organizmu. Na poniższym schemacie pokazuję transportery znajdujące się w komórce nabłonkowej nerki (Moret C et al. Am J Physiol Renal Physiol 2007;292:F555-F566).
SLC (ang. – SoLute Carrier – zgodnie z funkcją można to przetłumaczyć – przenośnik rozpuszczonych) są grupą białek transbłonowych dokładnie sklasyfikowanych (rozpracowanych) przez HUGO (z ang Human Genom Organisation – Organizacje Ludzkiego Genomu). Towarzyszące skrótowcowi cyfry i litery precyzują funkcję danego transportera. Z kolei inne skrótowce to: AA+ – aminokwasy o charakterze dodatnim (kationowe), AA0– aminokwasy neutralne, CssC – cystyna (powstała z dwóch cysteine), PDG – glutaminaza zależna od fosforanu, GDH – dehydrogenaza glutaminianowa, αKG, α-ketoglutaran. Gln – glutamine, Glu – kwas glutaminowy, Cys – cysteina). W transporcie aminokwasów przez błony biorą też udział kationy (Na+, K+, H+).
Wracam do aminokwasów nazywanych białkowymi, czyli wchodzącymi w skład proteiny. Jest ich dwadzieścia. Wszystkie możemy pozyskać z pokarmu. Część z nich nasz organizm produkuje i te nazywane są „endogenne”. Problem pojawia się wtedy, gdy tych, których nie potrafimy zsyntetyzować (nazywane „egzogenne”), jest w pokarmie dostarczanym zbyt mało lub nie ma wcale. Przypominam tu podział na białka pełnowartościowe, które mają dla nas aminokwasy egzogenne i niepełnowartościowe, które pewnych aminokwasów nie mają lub mają je w niewystarczającej dla nas ilości (niektóre białka roślinne, na przykład kukurydza).
Na poniższym schemacie pokazuję 20 aminokwasów białkowych, czyli takich, które biorą udział w jego biosyntezie. Należy też zwrócić uwagę na aminokwas dodatkowy – selenocysteinę, ale o niej będzie dalej.
Biosynteza białka
Wszystkie organizmy komórkowe i bakterie są wyposażone w „fabrykę” produkującą białka. Pierwotną informacją jest DNA (kwas deoksyrybonukleinowy – podwójna spirala) znajdujący się u nas w jądrze komórkowym i w mitochondriach. Biosynteza tej struktury jest semikonserwatywna; w nowej cząsteczce jest zawsze jedna nić pierwotna (matryca) i jedna potomna. Proces nazywa się replikacja i wymaga zaangażowania wielu enzymów i białek. Podkreślam – zachodzi w jądrze komórkowym i w mitochondriach. Według DNA jest syntetyzowane RNA (kwas rybonukleinowy, który bywa jedyną informacją genetyczną dla niektórych wirusów, w tym COVID19). Proces biosyntezy RNA nazywa się transkrypcją i zachodzi w jądrze komórkowym (miejsca intensywnej transkrypcji – jąderka) oraz w mitochondriach. Po wyprodukowaniu odpowiednich RNA dochodzimy do miejsca biosyntezy białka, która to zachodzi w cytoplazmie lub w połączeniu z błonami wewnątrz komórki (retikulum endoplazmatyczne, układ Golgiego) i błoną komórkową oraz w mitochondriach. Ciekawostką jest fakt, że na białka wyprodukowane w mitochondriach jest zapotrzebowanie w cytoplazmie i odwrotnie. Proces biosyntezy białka nazywa się translacja. Nie jest on prostym „tłumaczeniem”, ale skomplikowanym procesem, w którym biorą udział rybosomy (struktury z rybonukleoproteiny), mRNA (kwas rybonukleinowy informacyjny – z ang, mesenger – jest zapisem dla kolejności aminokwasów) i aminokwasy białkowe zaktywowane do syntezy poprzez przyłączenie do odpowiednich tRNA. Jest to kwas rybonukleinowy transportujący – odczytujący kod na mRNA i dowożący tam odpowiedni aminokwas. Do utworzenie wiązań peptydowych potrzebna jest też energia pochodząca z powstałych w przemianach katabolicznych związkach wysokoenergetycznych. Pierwszym aminokwasem, czyli na N końcu białka jest metionina (Met-tRNA) lub formylometionina (OCH-Met-tRNA w mitochondriach), rozpoczynające translację. Na poniższym schemacie ilustruję drogę od informacji przekazanej z DNA na mRNA i dalej do białka.
Jak zwykle nie jest tak prosto, jakby się wydawało. Wiele lat temu poznano działanie białek z selenem – selenoprotein, ale dopiero jak rozwinęła się genetyka molekularna wykryto mechanizm powstawania tych struktur. Jak już wspomniałam o selenocysteinie, co jest oczywiste występuje selen. Tylko skąd on się tam bierze? Siarka to wiadomo z metioniny i cysteiny, a tu selen. Okazuje się, że z pobieranych z pokarmem selenin i selenianów (nieorganiczne), czyli z diety, w której może też być tak zwany selen organiczny w postaci selenocysteiny i selenometioniny (magazyn selenu). Jednak wspomniane aminokwasy nie biorą udziału w translacji. Dla utrudnienia podam, że selenocysteina występuje w naszych selenoproteinach, a selenometionina nie. Okazało się, że z dostarczonego selenu budujemy sobie własną selenecysteinę, ale w jedyny wyszukany sposób tylko dla tego aminokwasu. Proces, jakby „dbał” o to, aby przypadkiem selen się nie „zmarnował” na inne cele poza powstaniem wyposażonego w niego białka (http://www.sel-brca1.pl/wp-content/uploads/2011/12/SELEN-artykuł.pdf). Na poniższym schemacie przedstawiam syntezę Sec-RNA, czyli zaktywowanego do biosyntezy białka aminokwasu z selenem.
Najpierw powstaje Ser-tRNA (aktywowana jest seryna), a potem w wyniku przemian wymagających nakładów energetycznych (ATP à ADP + Pi) powstaje selenocysteina-tRNA. Nie zawiera siarki jak cysteina, ale zamiast niej selen.
Reszta selenocysteiny występuje w znaczących dla naszego metabolizmu białkach – enzymach. Peroksydaza glutationowa dba o właściwą regulację poziomu wolnych rodników (patrz „Tajemnicze tlenki azotu”) w komórkach. Oksydaza jodotyroninowa ma swój udział w metabolizmie jodowanych hormonów tarczycy, a reduktaza tioredoksyny (układ tioredoksyny) chroni nas przed stresem oksydacyjnym i przeciwdziała nowotworom. Korzystna dla nas suplementacja selenem nie jest.
Jeżeli białko ma znajdować się w błonie komórkowej lub w siateczce śródplazmatycznej (to też błona) to rybosomy wiążą się z receptorami w danej błonie i syntetyzowane białka wchodzą do tych struktur (interkalują błony), a gdy jest taka potrzeba i taka na nie informacja genetyczna, to przechodzą za te struktury i mogą nawet opuścić komórkę (są wydzielane). Biosynteza białek błonowych zachodzi na rybosomach przyczepionych do siateczki śródplazmatycznej (tzw. szorstkiej z powodu ich obecności). Przypominam tu o aparacie Golgiego. Jest to organellum występujące powszechnie w komórkach eukariotycznych, służące chemicznym modyfikacjom wytwarzanych przez komórkę substancji, ich sortowaniu oraz dystrybucji w obrębie komórki, a także przyczyniające się do wydzielania produkowanych w komórce substancji. Składa się ze stosu spłaszczonych cystern, od których mogą odrywać się pęcherzyki. Organellum zostało odkryte przez Camilla Golgiego w roku 1898 i od jego nazwiska pochodzi nazwa struktury (https://pl.wikipedia.org/wiki/Aparat_Golgiego). Zaobserwowano, że w komórkach zaatakowanych przez COVID19 powstaje nadnaturalne rozbudowanie sieci cystern.
Białka opiekuńcze
Nowo syntetyzowane białka, które nie osiągnęły jeszcze oczekiwanego ułożenia w przestrzeni (patrz „Gdy zjemy białko…”), właściwego dla siebie pofałdowania, są chronione przed rozpoznaniem za wadliwe i degradacją przez inne białka. Te białka opiekuńcze nazywane są chaperony (czytaj „szaperon, z fr. – chaperon – opiekun). Nazywane one też są białkami szoku cieplnego ( z ang. Heat shock proteins – HSP), ale ta nazwa nie wiąże się z żadnym przeżyciem psychicznym tylko metodami ich preparatyki. Chaperony okrywają przejściowo z „młode” białko i doprowadzają je do właściwej konformacji.
Wiele białek po translacji jeszcze nie jest gotowych do swej aktywności. Ich łańcuchy polipeptydowe mogą ulegać wielu modyfikacjom. Wiąże się to z charakterem występujących w nich reszt aminokwasowych, a potrzebne jest do spełnienia ich funkcji.
Modyfikacje potranslacyjne – uzdatnianie
Białka pełniące funkcje biologiczne na ogół różnią się od bezpośredniego produktu translacji. Przede wszystkim nie ma na ich N końcu formylometioniny – jest odcięta, a także – gdy nie jest potrzebna – odcinana jest metionina. Obróbka potranslacyjna może wiązać się z przyłączeniem cukru (glikozylacja), lipidu (acylacja – reszta kwasu tłuszczowego), reszty prenylowej (pochodna izoprenowa – prenylacja – patrz „Polub swój chol…”), ADP-rybozylacja, reszty metylowej( -CH3 – metylacja), hydroksylacje (grupa -OH–), karboksylacja (grupa -COOH) lub reszty nieorganicznej fosforanowej i siarczanowej. Modyfikacje te mogą prowadzić do powstania nowych aminokwasów, które nie są tak zwane „białkowe”, ale występują ostatecznie w białku. Zauważono te modyfikacje, gdy odkryto aminokwasy, które nie biorą udziału w translacji, a znajdują się w hydrolizacie białka, wtedy gdy zniszczone są wiązania peptydowe i mamy do czynienia z wolnymi aminokwasami. Przykładem tego są wiązania dwusiarczkowe między nawet odległymi od siebie w łańcuchu polipeptydowym resztami cysteiny (patrz „Gdy zjemy białko” , budowa insuliny). Wykryto istnienie cystyny, czyli aminokwasu zbudowanego z dwóch cystein – dimeru (oznacza się ją w moczu w celach diagnostycznych). Miernikiem nadmiernego niszczenia w organizmie kolagenu jest wzrastające stężenie hydroksyproliny. Okazało się, że ta hydroksylacja, czyli przyłączenie grupy -OH do reszty proliny wystającej z pojedynczego białka zachodzi na pierwotnej pojedynczej nici kolagen. Takiej hydroksylacji w kolagenie ulega też reszta lizyny. W procesach tych hydroksylacji niezbędnych dla utworzenia kolagenu bierze udział witamina C. W związku z tym, że kolagenu jest dużo w naszym organizmie, istotna dla nas w diecie jest witamina C (jedzmy witaminę C).
Kolejnym aminokwasem, którego reszta ulega modyfikacji w białku, jest reszta kwasu glutaminowego. Powstaje reszta Gla bogatsza o jedną grupę karboksylową w porównaniu z kwasem glutaminowym. W ten proces karboksylacji zaangażowana jest witamina K. Tą drogą wpływa ona na krzepnięcie krwi i właściwy skład macierzy tkanki kostnej. Białka zawierające tę modyfikację nazywane są „Gla-proteiny”. Na poniższym schemacie pokazuję przemiany reszt proliny i kwasu glutaminowego.
Hydroksylacje kolagenu są niezbędne do utworzenia silnej białkowej liny, a z kolei karboksylacja z utworzeniem Gla-protein potrzebna jest białkom do wiązanie jonów wapnia, jakby łapania go. Jon wapnia jest dwudodatnim kationem, a reszta Gla ma dwie anionowe grupy karboksylowe i to jest potrzebne na przykład dla budowania macierzy kostnej oraz dla procesu krzepnięcia krwi.
Anabolizm przechodzi w katabolizm, a ten z kolei w anabolizm i tak na okrągło. Jest to swego rodzaju sprzężenie zwrotne, a w odniesieniu do tkanek: resorpcja-budowanie-resorpcja-budowanie…. Jeden proces napędza drugi. Podobnie, jak z popytem i podażą. Ważne jest dla dorosłego człowieka, aby te procesy były w równowadze. Nasze białka zostały stworzone w wyniku wielkiego wysiłku metabolicznego. Przypomnę: pozyskanie pokarmu, rozbicie białek na aminokwasy w procesie trawienia, wchłonięcie aminokwasów, transport do komórek, a potem z krwią, transport przez błony komórkowe. Duża grupa aminokwasów tych endogennych jest syntetyzowana w naszych komórkach (nakłady energetyczne). Mamy tez aminokwasy z „odzysku”. Te wszystkie aminokwasy, różnego pochodzenia mogą być użyte w biosyntezie białka. Nareszcie translacja. Hurra! Mamy już białka. Teraz muszą one spełnić swoje biologiczne/metaboliczne funkcje. Niestety „żyją” krótko i przychodzi ich kres. Przy czym pojęcie czasu jest trudne do ogarnięcia. Należałoby zastąpić je przydatnością i tempem przemian metabolicznych zależnym od wielu czynników. Wszakże jesteśmy układem otwartym, a także niestety tempo naszych przemian zależny od naszego wieku. Gdy rośniemy przeważa proces budowania, a na strość resorpcji.
Białka niewykorzystywane, zbędne lub już wykorzystane są degradowane przy jednoczesnym zwiększeniu biosyntezy innych białek, które w danych warunkach są potrzebne. Zachowanie homeostazy proteomu komórki (proteostasis) wymaga regulacji na poziomie kwasów nukleinowych, biosyntezy, jak również i degradacji. Utrzymanie korzystnej dla organizmu proporcji między wytwarzaniem białek (anabolizmem), a ich degradacją (katabolizmem) zależy od fałdowania, potranslacyjnych modyfikacji, polimeryzacji, prawidłowego sortowania i aktywności mechanizmów degradacyjnych oraz dostępności witamin i innych substancji pochodzących z diety (na przykład aminokwasy egzogenne). Z zaburzeniami funkcjonowania białek powiązano wiele chorób. Białka uszkodzone i źle sfałdowane mogą wchodzić w niepożądane interakcje z innymi cząsteczkami, tworzyć w komórkach agregaty i nabierać toksycznego charakteru (patrz: „Gdy zjemy białko…”). Szybkie rozpoznanie i pozbycie się tego typu zagrożeń jest szczególnie ważne w przypadku błony cytoplazmatycznej, gdzie nawet kilka wadliwych białek transmembranowych może zaburzyć homeostazę lipidowo-białkową (błona komórkowa jest strukturą białkowo-lipidową) doprowadzając do destabilizacji i śmierci komórki. Funkcjonalne białka również podlegają nieustannemu cyklowi syntezy i proteolizy – wyjątkiem są m.in. krystaliny soczewki oka, które nigdy nie ulegają wymianie ani degradacji (soczewka oka rośnie przez całe nasze życie, a jej bardzo powszechna patologia jest nadal nieuleczalne zmętnienie – zaćma; można tylko naszą soczewkę zastąpić implantem). W zależności od funkcji, fazy cyklu komórkowego i panujących warunków środowiskowych, białka charakteryzują się różnym czasem przetrwania w naszym organizmie (Postepy Hig Med Dosw (online), 2018; tom 72: 512-525). Czasem „pamięć” o nich może pozostać na całe życie – przeciwciała.
Degradacja – katabolizm białek
W naszych komórkach są dwie drogi degradacji białek – degradacja w proteasomie oraz proteoliza lizosomalna. Uszkodzone i niepotrzebne białka cytozolowe, po rozpoznaniu, są kierowane na drogę degradacji proteasomalnej, choć w warunkach stresu głodowego mogą wybiórczo ulegać autofagii (w uproszczeniu to zamknięcie w pęcherzyku) i następnie trafiać do lizosomu. W proteasomie są hydrolizowane również białka zewnętrznej błony mitochondrialnej oraz z siateczki śródplazmatycznej. Otoczone podwójną błoną mitochondria, jako jedyne organella, wykształciły własny system proteolityczny – macierz mitochondrialna oraz błona wewnętrzna nie mają dostępu do cytoplazmatycznego systemu degradacji.
Białka błony komórkowej, które podlegają kilkuetapowemu transportowi do lizosomu, gdzie wraz z fragmentami błony są degradowane przez proteazy i lipazy (hydroliza lipidowych elementów). Biorąc pod uwagę różnorodność białek błonowych (np. transportery, receptory, kanały) zaburzenia procesu regulacji ich degradacji doprowadzają do zmian w sieci odpowiedzi wewnątrzkomórkowej (down stream signaling pathways), a to wpływa na fizjologię komórki. Może to bezpośrednio lub pośrednio powodować rozwój wielu chorób np. nowotwory, choroby serca, neurodegeneracyjne czy metaboliczne (Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281).
„Pocałunek śmierci”
Modyfikacja białek w procesie ubikwitynacji (ang. ubiquitous – wszechobecny) polega na przyłączaniu do reszt lizylowych danego białka grupy karboksylowej C-końca reszty glicyny niewielkiego białka ubikwityny (8,6 Da). Ubikwityna została opisana po raz pierwszy przez Gideona Goldsteina w 1975 roku. Za badania przeprowadzone w latach 80. XX wieku, które doprowadziły do odkrycia procesu degradacji białek z udziałem ubikwityny w komórkach, trzej badacze: Irwin Rose, Awram Herszko i Aaron Ciechanower w 2004 roku otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii. Ubikwitynacja białka może prowadzić do jego proteolizy – degradacji – to właśnie nazywane jest „pocałunkiem śmierci”.
Zanim białko zostanie ubikwitynowane, musi zostać rozpoznane jako przeznaczone do degradacji. Pozwalają na to sygnały degradacyjne, tzw. degrony, zawarte w samej strukturze tych białek. Degronami mogą być krótkie sekwencje, na przykład region bogaty w reszty aminokwasów: prolinę, gutaminian, serynę i treoninę, czyli PEST, wolne grupy α-aminowe, motywy z charakterystycznie ufosforylowanymi resztami serynowymi/treoninowymi, a także odsłonięte reszty hydrofobowe (Rechsteiner M., Rogers S.W.: PEST sequences and regulation by proteolysis. Trends Biochem. Sci., 1996; 21: 267-271). Na poniższym schemacie pokazuję proces ubikwitynacji, jak widać jest to proces enzymatyczny.
Znakowanie białka ubikwityną (Ub)
- rozpoczyna się od aktywacji wybranego białka przez aktywujący enzym E1 (Klasa Syntetazy; inaczej Ligazy – starsza nazwa), który korzysta z energii uwalnianej z ATP (ATP à ADP + Pi).
- Aktywna ubikwityna jest substratem dla enzymu E2.
Ligaza E3, tak nazywany jest ten enzym należący do klasy Syntetaz (patrz: „Działanie bez sił witalnych – enzymy” , syntetazy katalizują proces łączenia z użyciem enregii na ogół z ATP; łączenie to ligacja i stąd ta nazwa) łączy ubikwitynę z białkiem-substratem). Powstaje Ub-białko.
- Do białka może być przyłączona z różna liczba ubikwityn – od mono do multiubikwitynacji
Proces ubikwitynacji jest odwracalny. Cząsteczki ubikwityny ulegają recyklingowi. Za uwolnienie ubikwityny są odpowiedzialne swoiste izopeptydazy nazywane deubikwitynazami (DUBs, deubiquitinating enzymes)
(Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281).
Odkrycie ubikwityny i wyjaśnienie procesu ubikwitynacji było ważne w biologii molekularnej. Szybko zaobserwowano, że jakiekolwiek zaburzenia ubikwitynacji prowadzą do zaburzeń w homeostazie proteasomu komórkowego i w konsekwencji wielu chorób. Ubikwitynacja wpływa na regulowanie czasu obecności danego białka w błonie, bezpośrednio reguluje aktywność takich białek, jak kanały jonowe, transportery czy receptory. Zaburzenia regulacji wpływają na aktywację wewnątrzkomórkowych szlaków sygnałowych i mają różny wpływ na fizjologię komórki. Obecnie poznano wiele patologii związanych z zaburzeniami ubikwitynacji białek błonowych doprowadzających do nowotworzenia, rozwoju chorób neurodegeneracyjnych i układu krążenia, nadciśnienia czy mukowiscydozy (Foot N., Henshall T., Kumar S.: Ubiquitination and the regulation of membrane proteins. Physiol. Rev., 2017; 97: 253-281). Ukierunkowane blokowanie ligaz ubikwityny mogłoby stworzyć szansę na leczenie np. chorych z mukowiscydozą, dlatego tak ważne jest ustalenie mechanizmów regulujących ubikwitynację, a przy tym i degradację białek błonowych.
Podkreślam, że katabolizm białek nie jest procesem przypadkowym. Poniżej pokazuję na schemacie udział ubikwitynacji podczas powstawania białek błonowych, które stanowią 20% proteomu komórki (https://journals.physiology.org/doi/full/10.1152/physrev.00012.2016?url_ver=Z39.88-2003&rfr_id=ori%3Arid%3Acrossref.org&rfr_dat=cr_pub++0pubmed&).
W komórce w aparacie Golgiego, wewnątrz jego cystern zachodzą potranslacyjne modyfikacje białek i innych substancji. Wiąże się to w dużym stopniu z wytwarzaniem błony komórkowej oraz umieszczaniu hydrolaz w endosomach (póżny Endosom to Lizosom). Zapewnia również odzyskiwanie składników błony komórkowej, a te zostają do niej powtórnie włączone. Zjawisko określane jest jako recyklizacja błony.
Opis schematu
1. W sieci cystern gotowe proteiny są poddawane systemowi kontroli jakości (ERQC – ang. endoplasmic reticulum quality control).
Białka o nieprawidłowej budowie lub niepożądane rozpoznawane są w systemie degradacji związanym z siateczką śródplazmatyczną (z ang ER-associated degradation), a wyznakowywanie ubikwityną kieruje je do degradacji w proteasomie. Powstaje hydrolizat białka/proteiny – proteolizat – drobne peptydy i wolne aminokwasy.
2. Białka, które przeszły kontrolę jakości przesuwają się do aparatu Golgiego i tu poddawane są drugiej kontroli jakości. Jeżeli są nieprawidłowe, mogą być odesłane transportem wstecznym zamknięte w pęcherzykach z powrotem do siateczki śródplazmatycznej.
3. Nieprawidłowe białka z aparatu Golgiego mogą być na jego terenie wyznakowane ubikwityną i zamknięte w pęcherzyku (endosomie) podążającym w kierunku degradacji w lizosomie (o nim opowiem w dalszej części).
4. Jeżeli białko przejdzie powyższe kontrole dostaje się do swojego miejsca docelowego, tam gdzie będzie pełnić przypisaną mu funkcje metaboliczne. Jeśli nie jest już potrzebne ulega wchłonięciu (internalizacji), a ubikwitynacja „adresuje” je do degradacji.
5. Jest też droga alternatywna – białko z ubikwitynowane może opuścić komórkę w mikropęcherzyku.
6. Białko może też być uwolnione od ubikwityny i ponownie weziąć udział w metabolizmie błonowym. Okazuje się, że ubikwitynacja nie zawsze jest „pocałunkiem śmierci”, jest też rodzajem regulacji, ale to pokazują współczesne badania.
7. Białko błonowe może być po wchłonięciu (internalizacji) skierowane poprzez transport w (ang – multivesicular bodies – MVBs) do degradacji w lizosomie.
8. W lizosomie następuje degradacja (powstaje proteolizat).
9. Białko niekoniecznie musi być zdegradowane, może dostać następną szansę metaboliczną i być wydzielone z komórki – egzocytoza.
Proteasom
Białkowy wielkocząsteczkowy proteasom jest „agregatem” enzymatycznym o masie cząsteczkowej ok. 2 MDa, polimerem białkowym złożonym z kilku rodzajów proteaz tworzących kształt cylindra. (https://pl.wikipedia.org/wiki/Proteasom). Występuje w jądrze komórkowym i w cytoplazmie. Tworzy centrum proteolityczne komórki. Proteasomy składają się z podjednostek białkowych, wśród których są enzymy hydrolizujące białka. Proteasom składa się z katalitycznej cząstki rdzeniowej i cząstek regulacyjnych (https://pl.encyclopediaz.com/immunoproteasome-796187#menu-3). Każdy pierścień proteasomu to kompleks siedmiu różnych białek. Po dołączeniu dwóch cząsteczek aktywatora (podstawy i pokrywy) powstaje aktywny kompleks hydrolizujący wiązania peptydowe. To proteasomy degradują białka poliubikwitynowane do małych peptydów. W przebiegutej degradacji zużywana jest energia z ATP. W związku z tym, że proteasom nie pasował do kategorii znanych enzymów proteolitycznych, jego precyzyjna natura cząsteczkowa była przez wiele lat niejasna. W drugiej połowie lat 80. cząstka proteasomu 20S została najpierw wyizolowana i nazwana „proteasomem”, a analiza pierwotnej struktury eukariotycznego przez klonowanie cDNA trwała około 15 lat. Na poniższym schemacie pokazuję proteasom (Biochemia. Ilustrowany przewodnik – J Koolman, K-H Röhm, PZWL, Warszawa 2005).
Aktywne miejsca katalityczne proteasomu otrzymały nazwy zależnie od swojej swoistości substratowej. Aktywność przypominająca tę, jaką wykazuje chymotrypsyna, czyli enzym hydrolizujący białka w naszym przewodzie pokarmowym. Została ona nazwana aktywnością chymotrypsynopodobną (CT-L – chymotrypsin-like). Na tej samej zasadzie scharakteryzowano aktywność trypsynopodobną, której wynikiem jest rozpoznawanie reszt aminokwasów zasadowych i rozcinanie wiązań przy tych resztach (T-L – trypsin-like) oraz kaspazopodobną, działającą analogicznie, lecz dla reszt kwasowych (z ang. C-L – caspase-like lub PGPH – post-glutamyl peptide hydrolizing). Poza tymi dobrze poznanymi aktywnościami odkryto, iż proteasom ma jeszcze dwie: preferującą aminokwasy o rozgałęzionych łańcuchach bocznych (z ang. BrAAP – branched-chain amino acid-preferring) oraz preferującą niskocząsteczkowe aminokwasy neutralne (z ang. SNAAP – small neutral amino acid-preferring). Kolejne badania udowodniły, że każda z wymienionych aktywności jest przyporządkowana do innej podjednostki w katalitycznej części proteasomu. Podjednostki nie działają indywidualnie, lecz rozpad następuje jako multikatalityczna sekwencja zdarzeń. Ustalono także hierarchię aktywności proteasomu i ich znaczenie dla wzrostu komórek. Za najważniejszą z punktu widzenia przydatności, jako cel oddziaływania czynników terapeutycznych, przyjęto uważać aktywność chymotrypsynopodobną, następnie trypsynopodobną, natomiast za najmniej ważną – kaspazopodobną (kaspazy z ang. caspases, akronim od słów cysteine, aspartic, proteases – enzymy z grupy proteaz cysteinowych, które po aktywacji przez sygnały apoptozy- naturalnej śmierci komórki – degradują białka komórkowe, przecinając wiązanie peptydowe za resztą asparaginianu). Hierarchia ta została ustalona na podstawie przeżywalności mutantów z defektami poszczególnych aktywności.
Proteasomy mają również swoje odpowiedniki występujące głównie w narządach układu immunologicznego, zwane immunoproteasomami, które charakteryzują się aktywnością proteolityczną i służą do wytwarzania polipeptydów. Te ostatnie są następnie prezentowane jako antygeny w ramach MHC I (opowiem o tym w dalszej części). Swoisty typ immunoproteasomu wykryto w grasicy i nazwano tymoproteasomem, którego produkty są zaangażowane w działanie określonych komórek układu immunologicznego/obronnego organizmu (limfocyty T CD8+) (Proteasom choroby Postepy Hig Med Dosw. (online), 2013; 67: 90-106)
Lizosm
„Ciałko lizujące” – lizosom – organellum wytwarzane przez aparat Golgiego, występujące licznie w naszych komórkach (https://pl.wikipedia.org/wiki/Lizosom). Są to niewielkie pęcherzyki o średnicy ok. 0,5 μm (rzadko 0,1–1 μm), otoczone pojedynczą błoną lipidowo–białkową o grubości ok. 7 nm. Zawierają kwaśne hydrolazy (działają w kwaśnym środowisku) degradujące białka, kwasy nukleinowe, węglowodany i tłuszcze. Kwaśność, czyli pH (patrz „Gdy zjemy białko …”) wewnątrz lizosomu ma wartość optymalną dla występujących w nim enzymów, równą około 5. Dzięki przystosowaniu enzymów do kwaśnego środowiska ich przypadkowe wydostanie się do cytoplazmy (pH ≈ 7,2 – dezaktywacja) nie stanowi większego zagrożenia dla komórki, jednak wyciek z dużej liczby lizosomów może zniszczyć komórkę poprzez jej samostrawienie. Niskie pH zapewnia wbudowana w błonę lizosomu H+-ATPaza, pompującą protony do jego wnętrza (podobnie, jak w soku żołądkowym – patrz „Gdy zjemy białko…”. W terapii stosuje się inhibitory tego enzymu. W lizosomach odbywa się niszczenie pochłoniętych na drodze endocytozy substancji i usuwanie obumarłych części cytoplazmy (katabolizm). Lizosomy wykorzystują również swoje enzymy w celu odzyskania przez komórkę materiału organicznego (przeprowadzają autofagię). Autofagia, za wyjaśnienie której Yoshinori Ohsumi został laureatem Nagrody Nobla w dziedzinie medycyny w 2016 roku, jest niezbędnym dla nas procesem swoistego „komórkowego sprzątania”. Na poniższym schemacie pokazuję wyodrębnianie lizosomu z aparatu Golgiego (https://www-1sciencedirect-1com-100001ah70120.han3.wum.edu.pl/science/article/pii/S1096719211006524?via%3Dihub#f0005).
Potem w aparacie Golgiego syntetyzowany jest enzym proteolityczny ( hydrolaza katepsyna – opowiem o tym dalej). Białko enzymatyczne musi mieć przyczepiony „znaczek” w postaci fosforanu mannozy (M6P – mannozo-6-fosforanu) i dzięki temu odnajduje adres w lizosomie.. Jak już wspomniałam do aktywności lizosomalnych hydrolaz konieczne jest pH 5 i powstaje ono we wnętrzu lizosomu dzięki obecności enzymu wpompowującemu jony H+ do wnętrza tego organellum z wykorzystaniem energii z ATP (ATP-aza ). Na poniższym schemacie pokazuję lizosom w akcji hydrolizy.
Zwracam uwagę na to, że w błonie lizosomu znajdują się transportery dla aminokwasów uwalnianych z proteolizatu. Są to aminokwasy z odzysku.
Katepsyny
Enzymy naszego organizmu hydrolizujące białka (proteazy, enzymy proteolityczne) w kwaśnym pH 5 (klasa enzymów Hydrolazy, E3) to katepsyny. Polska nazwa pochodzi z angielskiego Cathepsin (CTS,) a ta z kolei z greckiego – kata- ang. – down, hepsein – ang – boil – wychodzi z tego trawić. Nazwie katepsyna towarzyszy litera, która ją kategoryzuje. Tu przypominam różną konstrukcję centrum aktywnego proteaz. Na poniższym schemacie przypominam enzymy proteolityczne, które mają w centrum aktywnym określone reszty aminokwasów, a należą do nich katepsyny. O tych z jonem metalu będzie w dalszej części (Nature 459, 371 – 378 (2009).
Na schemacie jest proteaza serynowa z resztą seryny w centrum aktywnym. Do tej grupy należy katepsyna A i G. Z resztą kwasu asparaginowego w centrum aktywnym jest katepsyna D i E, a z resztą cysteiny katepsyna B, C, F, H, K, L, O, S, V, W, X. Z tych powodów określa się proteinazy “serynowa”, “asparaginianowa” i “cysteinowa”.
Lizosomalne proteazy, biorąc udział w hydrolizie wiązań peptydowych w białkach, są zaangażowane w wiele ważnych fizjologicznych procesów komórkowych, takich jak proliferacja i różnicowanie się komórek, przemiany tkanki chrzęstnej i kostnej, czy apoptoza (naturalna śmierć komórki) (Postępy Hig Med Dośw, online, 2018; 72: 253-263 e-ISSN 1732-2693). Opisano także ich udział w procesach patologicznych, jak progresja nowotworów, zapalenie i neurodegeneracja. Ponadto proteazy kontrolują główne funkcje wrodzonej i nabytej odpowiedzi immunologicznej, takie jak: adhezja i migracja komórek, przetwarzanie i prezentacja antygenu limfocytom T oraz regulują oporność na zakażenia bakteryjne i wirusowe. Spośród licznych peptydaz zaangażowanych w fizjologiczne oraz patologiczne procesy odpowiedzi immunologicznej największą uwagę naukowców w ciągu ostatnich lat zwróciły katepsyny cysteinowe. Katepsyny B, C, F, H, L, K, O, S, V, W i X są proteazami cysteinowymi z rodziny papainy i tworzą największą i najbardziej znaną klasę katepsyn. W tym miejscu przypominam o początku artykułu, to co było dla mnie inspiracja do napisania go. Mianowicie wystąpienie profesora Drąga z informacją o tym, że odkrył działanie substancji hamującej katepsynę właśnie tego typu i zaangażowaną w infekcję, a właściwe rozwój COVOD19 w zaatakowanych komórkach. Droga tłumaczenia jego odkrycia długa, bo i trudna.
Obecność katepsyn, ich ilość oraz swoistość różni się w zależności od umiejscowienia w komórce, co sugeruje, że poszczególne katepsyny pełnią bardzo swoiste funkcje komórkowe. Wszystkie katepsyny są syntetyzowane jako prerenzymy (zymogeny) i aktywne są dopiero po odcięciu niewielkiego peptydu z ich białka, co daje dostęp substratowi do centrum katalitycznego enzymu. Przetwarzanie nieaktywnego proenzymu w katalitycznie aktywny enzym zwykle występuje w lizosomie za pomocą innych aktywnych proteaz, autokatalizy w odpowiednich warunkach, np. w niskim pH lub w obecności glikozaminoglikanów. Niektóre z nich występują powszechnie w różnych komórkach i tkankach, natomiast inne, takie jak katepsyna F, K, O, S, X, V lub W znajdują się tylko w szczególnych typach komórek. Katepsyna K (o tej katepsynie będzie jeszcze w dalszej części artykułu) jest uwalniana przez osteoklasty podczas resorpcji kości. W tkance kostnej, podobnie jak w innych, zachodzi naprzemiennie odbudowa i resorpcja. W resorpcje są zaangażowane specyficzne komórki „żerne” osteoklasty. Na poniższym schemacie pokazuję, jak katepsyna K uwalniana jest do macierzy tkanki kostnej. Substancji białkowo mineralnej, a tym minerałem jest hydroksyapatyt – fosforan wapnia o specjalnej strukturze. Właśnie katepsyna K hydrolizuje białka macierzy (kolagen I) oczywiście w pH 5, które tworzy specjalna pompa protonowa (VATP-aza – wakuolarna) (Bone Research (2013) 1: 11-26. www.boneresearch.org).
Na poniższym schemacie pokazuję udział katepsyny K i pompy protonowej w metabolizmie tkanki kostnej ( https://www3.unifr.ch/apps/med/elearning/de/stuetzgewebe/knochen/zellen/(d-osteoklast.php).
Osteoporoza – choroba – jest zaburzeniem proporcji między odbudową a resorpcją macierzy tkanki kostnej. Następuje nadmierna proteoliza białek macierzy. Wiedzę na temat katepsyny K wykorzystano w leczeniu tej choroby. Opracowano przeciwciało (Odanacatib, balicatib) wiążące ten enzym, kiedy znajduje się on już na zewnątrz komórki ( https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fmed.2017.00234/full doi: 10.3389/fmed.2017.00234). Podanie takiego leku tak, aby dotarł do miejsca docelowego, nie jest proste. Terapia z zastosowaniem leku, jakim jest przeciwciało, który będzie działał na inne wybrane katepsyny wewnątrz lizosomu, wydaje się być przyszłością medycyny.
Katepsynę O wykryto w ludzkich komórkach raka piersi, natomiast ekspresję katepsyny. W zidentyfikowano w limfocytach T CD8+. Katepsyna V jest enzymem swoistym dla tkanek i znajduje się w grasicy oraz jądrach, a katepsyny F i X występują bardziej powszechnie. Ponadto aby zapobiec aktywności proteolitycznej katepsyn, ich aktywność jest ściśle regulowana przez cystatyny – endogenne, czyli naturalne polipeptydy będące inhibitorami lizosomalnych protez cysteinowych. Działanie cystatyn jest odwracalne, a ich aktywność na ogół jest nieswoista wobec poszczególnych katepsyn. Katepsyny występują w postaci monomerów, z wyjątkiem tetramerycznej katepsyny C. Wszystkie katepsyny charakteryzują się podobną sekwencją aminokwasów. Wśród katepsyn cysteinowych wyróżniono endopeptydazy (katepsyny D, E, F, G, K, L, S i V), które hydrolizują wiązania wewnątrz łańcucha peptydowego oraz egzopeptydazy (katepsyny A, C i X), które odszczepiają tylko aminokwasy na N- lub C-końcu łańcucha peptydowego. Katepsyna B oraz H mogą działać zarówno jako endopeptydazy, jak i egzopeptydazy. Wraz z odkrywaniem i charakterystyką nowych przedstawicieli proteaz cysteinowych możliwe staje się poznawanie ich roli zarówno w wyspecjalizowanych procesach fizjologicznych, jak i patologicznych. Ze względu na to, iż katepsyny pełnią rolę podczas replikacji i rozprzestrzeniania się wirusów oraz bakterii, stanowią istotny cel w przypadku leczenia, podczas których ich funkcja fizjologiczna zostaje rozregulowana.
Katepsyny odgrywają istotną funkcję w różnych procesach układu odpornościowego, a ich działanie jest ściśle kontrolowane przez odpowiednie inhibitory, aby nie doszło do patologicznego uszkodzenia komórek lub tkanek.
Obrona przed inwazją – prezentowanie antygenu
Termin „antygen” ewoluował razem z pojęciem „przeciwciało” i nie jest jasne, kto użył go po raz pierwszy. Zwykle uważa się, że pojęcie zostało wprowadzone w 1899 roku przez Ladislasa Deutscha (Laszlo Detre), a upowszechnił je noblista Paul Ehrlich (Nagroda Nobla w dziedzinie medycyny za rok 1908 za prace nad immunologią). Antygen (źródłosłów niejasny: stgr. ἀντί anti, przeciw, γένος genos, ród, rodzaj; przytaczane także ang. antigen = antibody generator, generator przeciwciał) – substancja, która wykazuje: immunogenność, czyli właściwość wywołania przeciw sobie odpowiedzi odpornościowej (komórkowej i/lub pobudzającej produkcje przeciwciał) lub antygenowość, czyli właściwość wiązania się ze swoistymi przeciwciałami.
W bardziej ogólnym sensie antygen to każdy związek chemiczny, który może być wykryty za pomocą swoistych przeciwciał w różnych metodach diagnostycznych. Pojęcie antygenu jest szerokie i zależne od kontekstu – mianem antygenu można określić całą komórkę bakteryjną lub tylko jedno z białek na jej powierzchni (https://pl.wikipedia.org/wiki/Antygen).
Udział katepsyn w regulacji wrodzonej odpowiedzi immunologicznej a mechanizmy odporności wrodzonej
Główny układ zgodności tkankowej, MHC (od ang. major histocompatibility complex) – zespół białek odpowiedzialnych za prezentację antygenów limfocytom T. Swoją nazwę zawdzięczają temu, że odkryto je jako pierwsze i najważniejsze białka decydujące o utrzymaniu się lub odrzuceniu przeszczepu, zatem odpowiadające za zgodność tkanek dawcy i biorcy (http://pl.wikipedia.org/wiki/Główny_układ_zgodności_tkankowej).
Można ten temat przybliżyć na podstawie grup krwi. Grupa krwi 0 nie prezentuje „wypustki” (antygenu) na swej powierzchni i dlatego taka krew może być podana wszystkim, ponieważ nie wywoła u nich reakcji alergicznej, czyli pobudzenia powstawania przeciwciał i niszczenia podanych krwinek. Z kolei osoba mając grupę krwi AB może przyjąć krew o grupie A, grupie B, grupie 0 i oczywiście AB, ponieważ „wypustki” na błonie komórek dawców są jej układowi immunologicznemu już znane i nie zareaguje na nie, jak na intruza. Antygeny charakterystyczne dla krwinek w układzie grup krwi AB0 są na zawsze i nie ma tu zjawiska przejściowego prezentowania antygenu. Układ MHC powoduje pojawienie się na powierzchni komórki „wypustki” (antygenu) lub nie w zależności od sytuacji.
Wyróżnia się trzy klasy MHC I, II, III, które różnią się pełnionymi funkcjami. MHC klasy I prezentują antygen na powierzchni komórki, a z kolei nasz układ immunologiczny rozpoznaje antygen i może nastąpić jeden z dwóch scenariuszy. Jeśli komórka jest „zdrowa”, to nic się nie stanie, gdyż limfocyt T nie stwierdzi obecności obcego białka na powierzchni komórki, a jeśli komórka zawiera patogen, jego białka będą cięte przez znany nam już proteasom i umieszczone na białku MHC klasy I. Układ immunologiczny rozpozna taki obcy peptyd, po czym zabije zakażoną komórkę razem z patogenem (zostaje ona poświęcona dla dobra całego organizmu).
Prezentacja z udziałem MHC klasy I wpływa na odporność przeciwko patogenom wewnątrzkomórkowym. Wynika to z faktu, że białka patogenów, które znajdują się w komórce, są ubikwitynowane i cięte na fragmenty tak samo, jak własne białka komórki. W ten sposób patogen nie może ukryć się we wnętrzu komórki w celu uniknięcia reakcji układu odpornościowego. Nie jest on wprawdzie osiągalny dla przeciwciał, ale limfocyty Tc (nie produkują przeciwciał, ale niszczą rozpoznane wadliwe komórki) są często wystarczająco silną bronią, powstrzymującą rozwój choroby. Ma to znaczenie w przypadku wirusów, gdyż często przestawiają one syntezę białek w komórce na swoje potrzeby. Znaczny odsetek białek wewnątrzkomórkowych stanowią białka wirusowe, dlatego pojawiają się one w dużych ilościach na komórce w postaci kompleksów z MHC klasy I.
Limfocyty Tc dzięki rozpoznaniu kompleksu antygenu z cząsteczką MHC klasy I nie zawsze są w stanie ograniczyć zakażenie. Wraz z eliminacją komórki docelowej może dojść do uwolnienia np. potomnych wirusów z jej wnętrza. Dlatego też, zwłaszcza na późniejszym etapie odpowiedzi przeciwwirusowej, przeciwciała odgrywają istotną rolę w mechanizmie obronnym organizmu.
O znaczeniu odpowiedzi na obce antygeny prezentowane przez cząsteczki MHC klasy I świadczy fakt, że wiele patogenów wewnątrzkomórkowych stara się wpłynąć na ich działanie albo poprzez jej ograniczenie, albo przez zamianę cząsteczek MHC klasy I na inne, podobne białka, ale nierozpoznawane przez limfocyty Tc. Wtedy jednak mogą zadziałać komórki NK (ang. Natural Killer – naturalni zabójcy), niszczące takie komórki jądrzaste.
Prezentacja antygenu przez MHC klasy II dotyczy jedynie antygenów egzogennych (zewnętrznych z punktu widzenia komórki).
Katepsyny a odporność wrodzona regulujące wnikanie wirusów do komórek gospodarza
W działaniu naszego układu immunologicznego mają znaczenie poza proteasomem również katepsyny (Postepy Hig Med Dosw (online), 2018; tom 72: 253-263). Odnosi się to do odporności wrodzonej i nabytej, włączając adhezję i migrację komórek, przetwarzanie i prezentację antygenu oraz oporność na liczne zakażenia wirusowe. Niektóre katepsyny (B i L) wpywają na struktury komórkowe biorące udział w rozpoznawaniu wirusowych kwasów nukleinowych. Ponadto katepsyny bezpośrednio stymulują lub hamują wydzielanie cytokin, zaangażowanych w regulację wrodzonej odpowiedzi przeciwwirusowej. Podkreśla się ważną rolę katepsyn we wnikaniu filowirusów, reowirusów, retrowirusów oraz innych wirusów do wnętrza komórek gospodarza. Liczne wirusy osłonkowe wymagają obecności katepsyn do skutecznej fuzji z błonami zakażonej komórki, a zahamowanie ich aktywności znacznie obniża wydajność wirusowej replikacji. Wirusy wykorzystują mechanizmy komórkowe do skutecznej penetracji do wnętrza komórki, takie jak endocytoza lub niskie pH wewnątrz endosomów, demontażu kapsydu oraz innych etapów produktywnego cyklu replikacyjnego. Dlatego lepsze zrozumienie funkcjonalnej roli katepsyn w patogenezie zakażeń wirusowych powinno się przyczynić do rozwoju nowych metod terapii w zwalczaniu patogenów szczególnie groźnych dla człowieka. Wiele patogenów wymaga obecności katepsyn do efektywnej fuzji z błoną zakażanej komórki, a zahamowanie ich aktywności obniża wydajność replikacji wirusów.Ponadto wiele wirusów wykorzystuje mechanizmy komórkowe, takie jak endocytoza czy niskie pH wewnątrz endosomu (lizosomu), w celu efektywnego przedostawania się do wnętrza komórki oraz intensywnej replikacji(patrz: COVID19 – poszukiwanie antidotum). Zatem poznanie mechanizmów regulujących udział katepsyn we wczesnych etapach wnikania wirusów do wnętrza komórek jest ważne. Dokładne określenie funkcji tych enzymów może się przyczynić do rozwoju nowatorskich metod terapii przeciwwirusowej. Tu należy zwrócić uwagę na osiągnięcia profesora Drąga.
Rozprzestrzenianie się komórek
Łatwo jest zrozumieć fakt, że krew transportuje erytrocyty i limfocyty komórki, które należą do tej tkanki (krew jest jedną z tkanek łącznych), ale – jak zwykle – życie jest bardziej skomplikowane. Otóż transportuje także komórki, które powstały w szpiku kostnym i są prekursorami komórek zasiedlających inne tkanki łączne. Takie bardziej „stałe” w porównaniu z płynna krwią. Należą do nich nawet komórki tkanki kostnej. Okazuje się, że komórki wędrują między tkankami i jeśli nie są to przerzuty nowotworowe wszystko układa się należycie.
Metalproteinazy macierzy komórkowej
Macierz komórkowa jest substancją naszego organizmu, która otacza komórki tkanki łącznej. Szczególne i skrajne przykłady tej macierzy to osocze dla komórek we krwi i ta porównywana ze skałą macierz tkanki kostnej zawierające hydroksyapatyt. W macierzy występują metaloproteinazy (ang. matrix metalloproteinase – MMP) , czyli te enzymy, które zawierają w swym centrum aktywnym jon metalu – cynk (Zn++). Odgrywają one rolę w zachowaniu się komórek związanym z rozrostem, wędrówką (przyleganie/rozproszenie, różnicowaniem, angiogenezą (tworzenie naczyń), apoptozą (naturalna śmierć komórki), mechanizmami obronnymi.
Tak jak wspomniałam, dla udanego metabolizmu ważna jest równowaga między anabolizmem i katabolizmem. Tak i w przypadku metaloproteinaz są u nas w stosunku do nich naturalne tkankowe inhibitory (ang. – tissue inhibitor of metalloproteinase – TIMP). TIMB są białkami. Opisano cztery, które kontrolują 23 MMP. Zarówno te enzymy, jak i ich inhibitory niestety mogą być produkowane przez komórki nowotworowe i to może powodować rozprzestrzenianie się ich tak zwane przerzuty. .
Syntetyzowane są w komórkach w formie preproenzymu i uwalniane do przestrzeni międzykomórkowej w formie nieaktywnej, jako proenzymy (proMMP) (https://pl.wikipedia.org/wiki/Metaloproteinazy_macierzy_pozakomórkowej). Aktywacja enzymu następuje przez proteolityczne cięcie w rejonie propeptydu. Aktywność metaloproteinaz jest precyzyjnie regulowana na poziomie ich transkrypcji, translacji oraz poprzez inhibitory endogenne, w tym α2-makroglobulinę i tkankowe inhibitory metaloproteinaz (TIMP). W warunkach fizjologicznych uczestniczą one w embriogenezie, an (??) giogenezie, gojeniu się ran, agregacji płytek, a także regulują metabolizm jonów (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0002944011008984). Zmiany aktywności metaloproteinaz zaobserwowano w wielu stanach patologicznych, między innymi w procesach zapalnych, chorobach degeneracyjnych i nowotworach. MMP odgrywają istotną rolę w progresji nowotworu, poprzez pobudzanie wzrostu komórek raka, migrację, inwazję, tworzenie przerzutów i nowych naczyń krwionośnych. Wydzielanie i aktywność metaloproteinaz są zwiększone prawie we wszystkich typach nowotworów u ludzi i korelują ze stopniem zaawansowania, większą inwazyjnością, zdolnością do przerzutów, a także z krótszym okresem przeżycia.
MMP odznaczają się swoistością substratową. Podzielono je na trzy klasy: kolagenazy, żelatynazy i stromolizyny. Nowo odkryta grupa metaloproteinaz błonowych (MT-MMP), która w odróżnieniu od trzech poprzednich jest zakotwiczona w błonie komórkowej, została zaliczona do odrębnej klasy związków (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0945053X15000554#f0010). U nas poznano ich sześć.
MT-MMP odgrywają istotną rolę w rozwoju nowotworów oraz powstawaniu przerzutów guzów różnego pochodzenia.
MMP są używane jako markery nowotworowe. Znalezienie odpowiednich w stosunku do nich inhibitorów oraz poznawanie mechanizmu ich działania daje możliwość znalezienia nowych strategii terapeutycznych.
Na poniższym schemacie pokazuję rozprzestrzenianie się komórek (https://www.nature.com/articles/nrc745).
Jak zaznaczyłam na schemacie komórka rakowa uwalnia MMP1, 3, 7,9,13, a hamuje je TIMP1.
Teraz należy się poważnie zastanowić, czy suplementowanie się cynkiem będzie sprzyjać MMP naszej, czy tej z komórki rakowe.
Opisałam różne przemiany metaboliczne białek, w których znaczącą rolę odgrywają przetwarzające je enzymy. Wracając do mojej inspiracji – walka z COVID19 i jego enzymami trwa. Rozumiem, że znowu bardzo dużo szczegółów, ale „diabeł tkwi” właśnie w nich i to jest piękne w czytaniu mądrych ksiąg o odkryciach ważkich dla ludzkości i dzielenia się nimi z czytelnikami.