Was ist der Ubiquitinationsweg?
Viele der Proteine in einer Zelle werden regelmäßig recycelt und dienen als Aminosäurequelle für die neue Proteinsynthese. Ubiquitin ist ein sehr kleines Protein, das so genannt wird, weil es in eukaryotischen Zellen allgegenwärtig ist und eine sehr ähnliche Struktur zwischen sehr unterschiedlichen Organismen aufweist. Es fungiert als Tag, das sich an Proteine anheftet, um sie anzugreifen, im Allgemeinen zum Abbau. Der Prozess des Hinzufügens dieses Tags zu den Zielproteinen ist als Ubiquitinierungsweg bekannt. Anschließend werden diese Proteine in einer als Proteasom bekannten Struktur in kleine Stücke zerlegt.
Proteine sind Moleküle, die aus Einheiten von Aminosäuren bestehen, die durch Peptidbindungen aneinander gebunden sind. Sie können viele Modifikationen erfahren, von denen eine Verbindungen aufweist, die an den Anfang oder das Ende des Proteinmoleküls gebunden sind. Viele Proteine sind Enzyme, die Reaktionen beschleunigen. Eine Art von Enzym ist eine Protease, die unter bestimmten und stark regulierten Bedingungen andere Proteine abbaut. Der Ubiquitinierungsweg beinhaltet die Aktivität von Proteasen.
Ubiquitin ist in höheren Organismen ein allgegenwärtiges Molekül. Es wird nicht in Bakterien gefunden. Dieses kleine Protein kommt in Zellen vor. Es hat eine ungewöhnlich hohe Anzahl von Molekülen der Aminosäure Lysin und es sind sieben dieser Verbindungen vorhanden.
Ursprüngliche Arbeiten zu Ubiquitin legten nahe, dass Zielproteine, insbesondere solche, die defekt waren, an ein bestimmtes Lysinmolekül auf diesem Protein-Tag gebunden sind. Nun ist bekannt, dass abzubauende Proteine an verschiedene Lysingruppen oder sogar an die Endgruppe dieses allgegenwärtigen Proteins binden können. Der Prozess der Bindung des Proteins an Ubiquitin, um den Ubiquitinierungsprozess zu starten, ist energieintensiv. Normalerweise setzt die Spaltung einer Peptidbindung Energie frei. In diesem Fall wird ein Molekül der Energiewährung Adenosintriphosphat (ATP) der Zelle verwendet.
Der Ubiquitinierungsweg ist komplex. Sogar die Bindung von Ubiquitin an das Zielprotein umfasst drei verschiedene Enzyme. Man aktiviert das Ubiquitin und ist als E1 bekannt. Es gibt Dutzende verschiedener Arten von Enzymen, die in Schritt 2 involviert sind, bekannt als E2, bei denen das aktivierte Ubiquitin an ein konjugierendes Enzym gebunden ist. In Schritt 3 wird eines von Hunderten verschiedener Arten von Enzymen verwendet, die verschiedene abzubauende Proteine erkennen und das Zielprotein an eine Lysingruppe auf dem Ubiquitinmolekül binden.
Die Ubiquitinierung findet in einem Komplex statt, der als Proteasom bezeichnet wird. Dies ist eine große Struktur, in der Proteasen das ubiquitinylierte Protein abbauen. Es wird in kleinere Fragmente von Aminosäuren zerlegt, die als Peptide bekannt sind. Diese Stücke können leicht durch Peptidasen in ihre Aminosäurekomponente zerlegt und als Aminosäurequelle zur Synthese neuer Proteine verwendet werden. In einigen Fällen produziert der Prozess aktive Peptide, die am Zellstoffwechsel beteiligt sind.
Die Entdeckung, dass der Ubiquitinierungsweg zum Abbau der Proteine im Proteasom führte, war bahnbrechend. Für die drei beteiligten Wissenschaftler wurde es mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet. Da weitere Untersuchungen zu diesem Prozess durchgeführt wurden, hat sich herausgestellt, dass er viel komplizierter ist als ursprünglich angenommen. Proteine können Ubiquitin in einer Reihe von Moden, wie in einer Kette, hinzugefügt haben. Dieser Prozess hat Auswirkungen auf das gesamte Spektrum der Physiologie, Infektionskrankheiten und genetischen Störungen.