פרוטאזום

פרוטֵאָזוֹמים (לעיתים נקראים בעברית גם בשם "פרוטאוזומים") הם קומפלקסים חלבוניים הנמצאים בכל האיקריוטיים והארכיאות ובחלק מהחיידקים. באיקריוטיים מצויים הפרוטאזומים בגרעין ובציטופלזמה. תפקידו העיקרי של הפרוטאזום הוא לפרק חלבונים שאינם דרושים או פגומים בתהליך של פרוטאוליזה, תגובה כימית שבה מתפרקים קשרים פפטידים. אנזימים המבצעים תהליך זה נקראים "פרוטאזות". הפרוטאזום הוא מרכיב חשוב במנגנון המבקר את ריכוז החלבונים בתא ובפירוק חלבונים בעלי קיפול פגום. תהליך הפירוק מניב פפטידים באורכים של 7–8 חומצות אמינו, העשויים להתפרק בהמשך לחומצות אמינו שישמשו לסינתזה של חלבונים חדשים. חלבונים מסומנים לפירוק על ידי חלבון קטן הנקרא "אוביקוויטין", ותגובת הסימון מסתייעת באנזימי אוביקוויטין ליגאז. סימון חלבון על ידי מולקולת אוביקוויטין יחידה מעודד ליגאזות להוסיף מולקולות אוביקוויטין נוספות, עד ליצירתה של שרשרת פוליאוביקוויטין, אשר קשורה לפרוטאזום ומאפשרת לו לפרק את החלבון המסומן. מבנהו של הפרוטאזום גלילי (חבית), והוא מכיל "ליבה" של ארבע טבעות סביב נקבובית מרכזית. כל טבעת מורכבת משבעה חלבונים. שתי הטבעות הפנימיות מורכבות משבע תת-יחידות β, המכילות בין 3 ל-7 אתרים פעילים של פרוטאז. אתרים פעילים אלו מצויים בחלקן הפנימי של הטבעות, וחלבון המטרה נדרש להיכנס לנקבובית המרכזית לפני פירוקו. שתי הטבעות החיצוניות, מרכיבות כל אחת 7 תת-יחידות α, שתפקידן לשמש כ"שער" דרכו נכנסים החלבונים לפרוטאזום. תת-יחידות α אלו מבוקרות על ידי היקשרות ל"מכסים", חלקיקים רגולטוריים המזהים את סימון הפוליאוביקוויטין המסמן את החלבון, והם אחראים להתחלת תהליך הפירוק. מסלול הפירוק הפרוטאזומי חיוני למגוון תהליכים תאיים, ובהם מחזור התא, בקרת ביטוי גנים, ותגובות לעקה חמצונית. האוביקוויטין התגלה ותואר במחקר שערכו בסוף שנות השבעים אברהם הרשקו ואהרן צ'חנובר מהפקולטה לרפואה בטכניון, יחד עם אירווין רוז מהמכון לחקר הסרטן בפילדלפיה. מחקר זה, שהביא לפריצת דרך בחקר הסרטן, מחלות ניווניות במוח ומחלות אחרות, זיכה את השלושה בפרס נובל לכימיה לשנת 2004. תהליך פירוק החלבונים על ידי מערכת זו מתחיל על ידי הצמדת שרשרת המורכבת ממספר יחידות של חלבון האוביקוויטין (Ubiquitin) לחלבון המיועד לפירוק. שרשרת זו משמשת כ"תגית זיהוי" ואישור לכך שהחלבון המסומן יכול להתפרק על ידי הפרוטיאוזום. תהליך ההצמדה של האוביקוויטין לחלבון נעשה במספר שלבים על ידי שלושה אנזימים .E3, E2, E1 :לכל אחד מאנזימים אלו יש תפקיד ייחודי בחיבור הספציפי של האוביקוויטין לחלבון המטרה המיועד לפירוק. השלב הראשון מבוצע על ידי האנזים הE1 ההופך את האוביקוויטין לפעיל מבחינה כימית בתהליך תלוי ATP. במצב פעיל זה האוביקוויטין נקשר לאנזים E2, ויחד הם נקשרים לאנזים הE3 הקרוי ליגאז האוביקוויטין (Ubiquitin ligase). קומפלקס זה מקשר באופן ספציפי בין מולקולת האוביקוויטין לסובסטרט. במהלך קישור זה, מולקולת האוביקוויטין מועברת מאנזים ה-E2 ונקשרת לסובסטרט. באופן דומה תהליך זה יכול להתבצע מספר פעמים, עד ליצירת שרשרת המורכבת ממספר יחידות אוביקוויטין אשר יכולה לעבור צימוד לחלבון המטרה, או לחלופין בנייה של השרשרת על גבי חלבון. הצמדת שרשרת אוביקוויטין לסובסטרט חלבוני משמשת לפעולות אחרות, מלבד סימון החלבון. חיבור בין מולקולות היוביק. דרך שרשרת הליזין 48 מעיד שההצמדה בין החלבונים נועדה לסימון הסובסטרט לפירוק. לאחר שחלבון המטרה סומן על ידי שרשרת הפולי-אוביקוויטין, הוא מגיע לפירוק בפרוטאזום. קומפלקס הפרוטאזום מורכב משתי יחידות: היחידה המכילה פרוטאזות המבצעות את חיתוך חלבון המטרה, והיחידה הרגולטורית המבקרת את הפעילות ומבצעת פעילויות מקדימות וחיוניות לפני פירוק הסובסטרט. הפרוטיאוזום השלם והיחידות המרכיבות אותו קרויות על פי מקדמי השקיעה שלהן (sedimentation): 26S או 30S - הפרוטיאוזום השלם המורכב משתי היחידות יחד. 20S – יחידת הפעילות הקטליטית הפנימית, 19S - יחידת הבקרה. ה-19S מבצעת שלוש פעולות עיקריות הקובעות את קצב הפעילות של הפרוטיאוזום השלם: זיהוי האוביקוויטין ופתיחת השער: ה-19S מתפקד כ"שער" המוביל ליחידה הקטליטית של הפרוטיאוזום (ה-20S). ה-19S מזהה את שרשרת האוביקוויטין שעל גבי הסובטרט ובכך קובע את הכוונתו ליחידה הקטליטית. תהליך הכניסה של הסובטרט ליחידה הקטליטית מחייב פתיחה של השער המפריד בינה לבין הסובסטרט. התרת/פתיחת מבנה הסובסטרט החלבוני: חלבונים בתא הן במצב מקופל בו יש להם מבנה תלת-ממדי וחלקיהם הפנימיים קבורים ומוסתרים מפני הסביבה המקיפה אותם. כדי לפרק חלבונים יש צורך בהתרת המבנה שלהם וחשיפת השרשרת הפולי-פפטידית שלהם, כך שתהיה נגישה ליחידה הקטליטית. פתיחה והתרת המבנה של חלבון המטרה מבוצעת על ידי ה,19S- תוך כדי השקעת אנרגיה המתקבלת מפירוק מולקולות ATP. הסרת שרשרת היוביקווטין מהסובסטרט: ה-19S חותך ומסיר את שרשרת האוביקוויטין מהסובסטרט לפני פירוקו, ובכך מאפשר שימוש חוזר במולקולות האוביקוויטין, שכמותן בתאים מוגבלת. מלבד ה-19S ישנם מבנים נוספים המשמשים כ'מודולטורים' ומבקרים של פעילות הפרוטיאוזום, ביניהם ה-Blm10, PA200 ועוד, אך הדומיננטי מביניהם הוא ה-19S. לאחר פעילות יחידת הבקרה, הסובסטרט נקשר לפרוטיאוזום, שרשרת הפולי-אוביקוויטין הוסרה ממנו והמבנה של הסובסטרט הותר. בשלבים הבאים, הסובסטרט מועבר דרך שער המחבר את יחידת הבקרה ליחידה הקטליטית, ה - 20S/ Core Particle (CP),(מסומן בכחול בתמונה). ליחידה זו קיים מבנה דמוי חבית, המורכב מארבע שכבות של טבעות חלבונים. טבעות אלה מורכבות משני סוגי חלבונים: טבעת המורכבת משבעה חלבוני α, וטבעת המורכבת משבעה חלבוני β. לכל טבעת כזו יש שני עותקים, כאשר טבעות האלפא נמצאות בחלקיה החיצוניים של היחידה המחברים אותה ליחידת הבקרה, ואילו טבעות β נמצאות בחלק המרכזי והפנימי של היחידה הקטליטית. הפירוק בתוך מבנה ה-20S- מבוצע על ידי 3 פרוטאזות β. (β1, β2, β5). כל אחת מהן אחראית על חיתוך חלק אחר מהחלבון. פרוטאזת הטריפסין β2, (Trypsine) על חיתוך החלקים הבסיסיים בסובסטרט. פרוטאזת הכימו-טריפסין, β5 ,(Chymotrypsin) אחראית על חיתוך החלקים ההידרופוביים מהחלבון. פרוטאזת הקספאז β1 ,(Caspase), האחראי על חיתוך חלקים חומציים מהחלבון.<Regulation /> מדיה וקבצים בנושא פרוטאזום בוויקישיתוף חדווה גונן ואהרן צ'חנובר, חלבונים ומפרקים, גלילאו 38, 2000, עמ' 61-57 פרס נובל לכימיה 2004, באתר קרן נובל Schmidt, M., & Finley, D, Regulation of proteasome activity in health and disease., Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Molecular Cell Research Keiji TANAKA, The proteasome: Overview of structure and functions.