Degradasi protein adalah proses yang diatur secara ketat yang menghilangkan protein yang rusak, salah lipat, atau tidak diperlukan, mempertahankan homeostasis seluler dan mengendalikan kadar protein pengatur. Dua sistem utama melakukan degradasi protein intraseluler: sistem ubiquitin-proteasom dan jalur autofagi-lisosom.
Sistem Ubiquitin-Proteasom
Sistem ubiquitin-proteasom adalah jalur utama untuk degradasi protein selektif dalam sel eukariotik. Protein ditargetkan untuk degradasi melalui penempelan kovalen ubiquitin, protein sepanjang 76 asam amino, melalui ikatan isopeptida antara glisin ujung C-terminal ubiquitin dan residu lisin pada protein target. Ubiquitinasi bersifat reversibel, dan enzim deubiquitinasi menghilangkan ubiquitin dari substrat.
Kaskade Ubiquitinasi
Ubiquitinasi memerlukan tiga enzim yang bekerja secara berurutan. Enzim pengaktif ubiquitin menggunakan ATP untuk membentuk ikatan tioester berenergi tinggi antara sistein situs aktifnya dan ujung C-terminal ubiquitin. Ubiquitin yang diaktifkan ditransfer ke enzim pengkonjugasi ubiquitin. Ubiquitin ligase kemudian mengkatalisis transfer ubiquitin dari E2 ke protein target, membentuk ikatan isopeptida. Genom manusia mengkode sekitar 35 enzim E2 dan lebih dari 600 ligase E3, memberikan spesifisitas substrat yang sangat besar.
Ubiquitinasi prosesif menambahkan molekul ubiquitin tambahan ke lisin 48 dari ubiquitin sebelumnya, membentuk rantai poliubiquitin. Rantai setidaknya empat ubiquitin yang terhubung melalui lisin 48 adalah sinyal kanonik untuk degradasi proteasom. Jenis ikatan lain, seperti rantai lisin 63, menandakan fungsi non-proteolitik termasuk perbaikan DNA dan pensinyalan sel.
Proteasom
Proteasom 26S adalah kompleks protease besar yang terdiri dari partikel inti 20S yang ditutup oleh satu atau dua partikel pengatur 19S. Inti 20S adalah struktur berbentuk tong dari empat cincin bertumpuk, dengan cincin alfa luar membentuk saluran berpintu dan cincin beta dalam mengandung situs aktif proteolitik. Tiga jenis subunit katalitik memiliki aktivitas kimotripsin-like, tripsin-like, dan kaspase-like, membelah setelah residu hidrofobik, basa, dan asam.
Partikel pengatur 19S mengenali protein terubiquitinasi, menghilangkan rantai ubiquitin melalui enzim deubiquitinasi, membuka lipatan substrat, dan mentranslokasinya melalui saluran sempit ke dalam inti 20S. Hidrolisis ATP oleh subunit ATPase partikel pengatur memberi daya pada proses ini. Proteasom mendegradasi protein menjadi peptida sepanjang 7 hingga 9 asam amino, yang kemudian didegradasi lebih lanjut oleh peptidase sitosolik atau digunakan untuk presentasi antigen.
Autofagi
Autofagi mengirimkan materi sitoplasma ke lisosom untuk degradasi. Dalam makroautofagi, struktur membran ganda yang disebut fagofor memanjang dan menelan sebagian sitoplasma, membentuk autofagosom yang menyatu dengan lisosom. Isinya didegradasi oleh hidrolase lisosom, dan asam amino serta metabolit lain yang dihasilkan dilepaskan kembali ke sitosol.
Autofagi diatur oleh jalur pensinyalan mTOR, yang menghambat autofagi ketika nutrisi berlimpah. Kelaparan, penarikan faktor pertumbuhan, dan stres seluler mengaktifkan autofagi. Autofagi penting untuk kontrol kualitas, menghilangkan organel yang rusak dan agregat protein. Autofagi yang rusak berkontribusi pada penyakit neurodegeneratif, kanker, dan penuaan.
Sistem Ubiquitin-Proteasom pada Penyakit
UPS terlibat dalam banyak penyakit. Pada kanker, ligase E3 seperti MDM2 yang mengatur p53 sering kali disregulasi, dan komponen kompleks SCF bermutasi pada keganasan tertentu. Inhibitor proteasom seperti bortezomib adalah pengobatan efektif untuk multiple myeloma. Penyakit neurodegeneratif ditandai dengan akumulasi agregat protein terubiquitinasi, menunjukkan gangguan pada UPS. Sindrom Angelman disebabkan oleh hilangnya fungsi ligase E3 UBE3A.
Aturan N-End
Aturan N-End menghubungkan waktu paruh protein dengan identitas residu N-terminalnya. Asam amino N-terminal tertentu, seperti arginin, lisin, dan leusin, bersifat destabilisasi dan menargetkan protein untuk degradasi cepat melalui pengenalan oleh ligase E3 spesifik. Jalur aturan N-End penting untuk mengatur kontrol kualitas protein, penginderaan heme, dan segregasi kromosom. Residu N-terminal dapat dihasilkan oleh pembelahan proteolitik, menyediakan mekanisme untuk degradasi teratur protein spesifik.
