Wszystkie komórki korzystają z wielu różnych mechanizmów kontroli jakości, aby zapewnić funkcjonalność i stabilność swojej różnorodności białek. W świecie naukowym ten proces nazywa się proteostazą. Proteostaza składa się z dwóch pojęć: proteomu (całość białek, które komórka może produkować) oraz homeostazy (równowaga). W idealnym przypadku białka w pojedynczej komórce są zawsze prawidłowo złożone i dostępne w odpowiedniej ilości. Pomimo szlachetnych starań, nasz organizm nie jest w stanie zapewnić tego optimum. W tym artykule pokażemy ci, co starzenie się i niektóre choroby związane z wiekiem mają wspólnego z utrata proteostazy .
Od DNA przez łańcuch do białka
Pierwszym krokiem jest lepsze zrozumienie molekularnej budowy białek. Każde białko jest wytwarzane w podobny sposób.Pierwszy krok, zwany również transkrypcją , odbywa się w jądrze komórkowym i oznacza odczytanie i przepisanie planu budowy z DNA – naszej substancji dziedzicznej.
Następnie następuje transport tej przepisanej informacji z jądra komórkowego, podobnie jak tłumaczenie (tłumaczenie). Oznacza to, że język DNA jest tłumaczony na język białkowy , co oznacza, że białko jest składane na podstawie planu budowy DNA. Przede wszystkim białko jest długim, liniowym łańcuchem aminokwasów, podobnym do łańcuszka pereł. Tę luźną sekwencję aminokwasów nazywa się strukturą pierwotną.
Aby białka w strukturze pierwotnej mogły teraz rozpocząć swoją pracę, muszą zostać jeszcze złożone, co jest bardzo skomplikowanym procesem. Najpierw łańcuch białkowy może być na przykład skręcony, co prowadzi do powstania spirali, która ze względu na typowy kształt nazywana jest alfa-helisą.Ta forma jest najczęstszą strukturą drugorzędową. Dzięki dalszym krokom fałdowania białka osiągają trójwymiarową formę – strukturę trzeciorzędową. W tym stanie łączą się i współpracują z innymi białkami.
Wiedziałeś? Pierwszym aminokwasem, który został odkryty, było cystyna w 1810 roku. Zanim całe białko zostało zdekodowane w swojej sekwencji aminokwasowej (strukturze pierwszorzędowej), minęło do 1953 roku. Frederic Sanger zdołał zdekodować sekwencję aminokwasów insuliny .
Chaperony – damy honorowe naszego ciała
Widzisz na schemacie, że sama sekwencja aminokwasów jako struktura pierwszorzędowa to za mało. Aby białka w naszym ciele mogły wypełniać swoje zadania, potrzebują kilku kroków pośrednich. Dopiero w strukturze trzeciorzędowej aminokwasy tworzą trójwymiarową formę, która jest funkcjonalna. Zanim tam dotrą, potrzebna jest spora praca.
Muszą zostać nawiązane nowe połączenia, a mostki siarkowe będą tworzone między poszczególnymi aminokwasami. Całość staje się bardzo skomplikowana i jest ekstremalnie podatna na błędy. Jeden błędny związek i białko staje się niezdolne do funkcjonowania. Dlatego w naszym ciele istnieje wiele kontroli jakości , które mają zapewnić, że wszystko jest w porządku.
Jedną z tych kontroli jakości są chaperony. Jeśli ktoś interesuje się Anglią i językiem, to znaczenie jest dość często już jasne. Mała wskazówka: jest to często używane w popularnym serialu Netflix „Bridgerton”.
Chaperon to zatem starsza kobieta, która towarzyszy młodszej jako opiekunka. Dama do towarzystwa z Anglii jest w ciele czymś w rodzaju białka towarzyszącego. To pomaga z jednej strony nowym białkom w fałdowaniu lub uszkodzonym białkom w ponownym prawidłowym fałdowaniu.
Czy wiedziałeś? Ile białek istnieje na świecie? Złożoność architektury białkowej jest trudna do uchwycenia. Z tego powodu naukowcy opracowali sztuczną inteligencję, która z wysokim prawdopodobieństwem może przewidzieć trójwymiarowy kształt białka. „AlphaFold” był w stanie przewidzieć w samym 2022 roku 215 milionów białek i ich strukturę trzeciorzędową. Praca badaczy z Bael uznawana jest za jedną z najważniejszych w ostatnich latach, ponieważ dzięki sztucznej inteligencji można w przyszłości szybciej rozwijać leki i szczepionki
Utrata proteostazy – jak dochodzi do błędnie sfałdowanych białek?
Od 40 do 80% wszystkich białek jest błędnie sfałdowanych i wymaga pomocy. To jest ogromna liczba. Istnieje kilka czynników, które mogą negatywnie wpływać na strukturę białka. Należą do nich promieniowanie ultrafioletowe, metale ciężkie, ciepło lub etanol. W przypadku żywności lub suplementów diety ważne jest, aby zwracać uwagę na odpowiednie certyfikaty.
Proteostaza – jak organizm się broni
Proteostaza obejmuje kilka mechanizmów w dążeniu do utrzymania równowagi. Z powodów przejrzystości skupimy się na dwóch z najważniejszych mechanizmów. W odpowiedzi na szkodliwe wpływy środowiskowe komórka wytwarza więcej białek z rodziny białek szoku cieplnego. To bardzo odporne białka, które w sytuacjach stresu komórkowego mogą stabilizować inne białka. Osiągają to w współpracy z chaperonami.
Jeśli stabilizacja lub przywrócenie prawidłowego fałdowania się nie powiedzie, białka stają się na początku bezużyteczne i muszą zostać usunięte.Co w naszym przypadku wykonuje piec do spalania odpadów lub punkt recyklingu, w ciele realizuje proteasom. Wraz z małym białkiem zwanym ubikwityną (Ub) uszkodzona cząsteczka jest wielokrotnie oznaczana, rozkładana i dzielona na poszczególne aminokwasy.
Wszystkie te systemy działają skoordynowanie w celu przywrócenia lub usunięcia źle sfałdowanych białek. Dzięki temu organizm jest w stanie zapobiegać gromadzeniu się uszkodzonych komponentów i zapewniać ciągłą regenerację białek wewnątrzkomórkowych. Kolejnym elementem naszego wewnętrznego systemu usuwania odpadów jest autofagia, którą przedstawimy Ci jako 12. znak starzenia się.
Jeśli chodzi o teorię. W praktyce niestety nie ma gwarancji, że te skomplikowane mechanizmy będą działać w każdej chwili. Słowo kluczowe czas prowadzi nas już do następnego punktu.
Czy wiedziałeś? W naszym ciele istnieją różne białka szoku cieplnego. Są one klasyfikowane według swojej wagi. Jak sama nazwa wskazuje, są aktywowane między innymi przez ciepło. Jednym z najlepszych sposobów na to są sauny na podczerwień lub wizyty w saunie. Zwiększenie stężenia białek szoku cieplnego wiąże się z szeregiem korzyści zdrowotnych.
W badaniach naukowcy wykazali, że wyższe wartości Hsp70 mogły obniżyć mediator zapalny interleukin-10. W ten sposób naukowcy wyjaśniają, dlaczego sauna może pomóc w zapaleniach takich jak artritis.
Zmarszczki – w przypadku białek świetnie, w wieku starczym kiepsko
Zmarszczki w naszym wyobrażeniu są oznaką starości i mają raczej negatywne konotacje, podczas gdy w przypadku białek, jak już wiemy, jest dokładnie odwrotnie.
Wiele badań wykazało, że proteostaza zmienia się wraz z wiekiem. Przewlekłe gromadzenie się źle sfałdowanych lub niesfałdowanych białek przyczynia się do rozwoju niektórych chorób związanych z wiekiem, takich jak choroba Alzheimera, Parkinsona i zaćma. Częstość występowania tych patologii rośnie w związku z wydłużającą się długością życia.
Produkcja chaperonów w odpowiedzi na stres jest w wieku starczym znacznie obniżona. Badania na modelach zwierzęcych wspierają hipotezę, że spadek chaperonów jest przyczyną skrócenia długości życia. Genetycznie zmodyfikowane robaki i muchy, które wytwarzają więcej chaperonów, są szczególnie długowieczne. Również w długowiecznych liniach myszy stwierdzono wysoką regulację niektórych białek szoku cieplnego.
Dodatkowo badania na komórkach ssaków pokazują, że wysoka regulacja SIRT1 poprawia reakcję na szok cieplny. SIRT1 należy do rodziny genów Sirtuin, , które ze względu na liczne efekty związane z procesem starzenia określane są jako szlaki długowieczności . Wiele innych eksperymentów i badań dostarczyło naukowych dowodów na związek między ilością chaperonów a długością życia – jednak wymienienie ich wszystkich wykracza poza ramy tego artykułu.
Proteostop
Badania medyczno-biologiczne wykonały już wiele pracy edukacyjnej w zakresie proteostazy, ale czy istnieją już konkretne punkty, aby zatrzymać związane z wiekiem osłabienie proteostazy? Rzeczywiście, istnieje wiele badań na ten temat.
Jednym z podejść jest aktywacja stabilności i fałdowania białek za pośrednictwem chaperonów. W modelu myszy farmakologiczne indukowanie specjalnego białka szoku cieplnego zachowało funkcję mięśniową i spowolniło postęp niektórych chorób mięśniowych. W innych organizmach modelowych badacze również stosowali chaperony, poprawiając w ten sposób związane z wiekiem fenotypy. Nasze cnotliwe białka nie są więc tylko damami, ale także wojowniczkami na pierwszej linii frontu przeciwko starzeniu się.
Innym punktem podejścia są proteasomy i inne mechanizmy, które służą do rozkładu uszkodzonych białek, ponieważ badania pokazują, że aktywność tych systemów maleje wraz z wiekiem. Udało się to osiągnąć dzięki wybranym enzymom, które rozwinęły swoje działanie w ramach tego złożonego szlaku sygnałowego.
Suplementacja Spermidyną aktywowała na przykład system autofagii. Chodzi o rozkład uszkodzonych struktur komórkowych (takich jak białka). Uproszczone, autofagia w swojej funkcji przypomina znany nam proteasom.
