Az intracelluláris fehérjelebontás létezésének közvetlen kísérleti bizonyítékai és további kérdések

Az intracelluláris fehérjelebontás egyik fontos sajátosságát feltáró első közvetlen és jelentős kísérleti bizonyítékot Melvin V. Simpson publikálta az1950-es évek elején. Eszerint a táplálék bélben való emésztésekor zajló fehérjelebontás és a májsejtekben folyó endogén proteolízis alapvetően különbözik egymástól. Az utóbbi ugyanis oxigén hiány hatására csökken, tehát energiát (ATP-t) igényel (Simpson, 1953).

Harry Eagle (függelék 12. ábra) és munkatársai 1959-ben döntő kísérletsorozatot publikáltak a szövettenyészeti sejtekben folyó fehérje megújulás (turnover) bizonyítására.

[14C]-el jelzett tirozint vagy fenilalanint adtak a médiumhoz, de egy vagy több más esszenciális aminosavat kihagytak belőle. Ilyen körülmények között, a korábbi elképzelés szerint stabil fehérjéket feltételezve, nem lehetett fehérjeszintézis. A szövettenyészet ilyenkor valóban nem növekszik, az összes fehérjetartalma vagy stagnál, vagy kissé csökken. Ennek ellenére a radioaktív aminosav 0,7-1 %/h sebességgel beépül proteinbe, az izotóp hozzáadása után 24-48h között mérve (Eagle és mtsai., 1959). Nem mérhető tehát „netto protein szintézis”, vagyis nincs protein tartalom növekedés, és mégis van aminosav beépülés, mégis van protein szintézis. Egy újabb kísérletben megmérték azt is, hogy növekvő tenyészetekben a protein tartalom növekedése által indokoltnál jelentősen nagyobb mértékben épült be a radioaktivitás. A további részletek mellőzésével a legfontosabb megállapítást idézem. Eszerint a sejtek saját fehérjéiket intracellulárisan maguk bontják le, és a lebontás eredményeként keletkezett aminosavak ugyancsak saját fehérjéik szintézisében újrahasznosulnak (Eagle és mtsai., 1959).

Fontos megjegyezni még azt is, hogy további kísérletek szerint tévesnek bizonyult az a dogma, hogy a baktériumokban nincs fehérje turnover. Kimutatták, hogy ez a látszat azért keletkezett, mert optimális körülmények között élő, exponenciálisan növekvő tenyészeteket vizsgáltak, ahol valóban nincs endogén fehérjelebontás. Nem növekvő baktérium tenyészetekben az eukarióta sejtekéhez hasonló turnover mérhető (Mandelstam, 1958).

A hatvanas évek elejére eldőlt tehát a kérdés, minden kétséget kizáróan megállapították, hogy létezik intracelluláris fehérje lebontás. (Az angol nyelvű szakirodalomban erre több szakkifejezést használnak pl. „intracellular protein degradation”, „endogenous proteolysis”, „intracellular protein breakdown”). A sejtek saját citoplazmájukban, energia felhasználásával, aktívan és folyamatosan aminosavakra bontják saját fehérjéiket, és az így keletkezett aminosavakat azonnal felhasználják, főként új fehérje szintézisére.

A döntő bizonyítékok megszületése után nyomban új kérdések sora merült fel.

Miért energiaigényes az intracelluláris lebontás, amikor a bélben a fehérjelebontás nem az?

Miért kell egyáltalán lebontani a már megszintetizált fehérjéket?

A fehérjeszintézis idő és energiaigényes folyamat, a lebontása szintén az. A sejt és a szervezet tehát energiát és időt fordít arra, hogy lebontsa azt, amit idő és energia felhasználásával megszintetizált. Mi ennek az értelme?

Az endogén fehérjék intracelluláris lebontásához nyilvánvalóan endogén proteázok kellenek. Melyek és hol találhatók a sejtben a lebontást végző proteázok, milyen jellegzetességeik vannak?

Hogyan működik az endogén fehérjék intracelluláris lebontó rendszere, hogyan válogat, és mi szabályozza? Vajon csak egy, vagy több lebontó rendszer van? Ha az utóbbi igaz, akkor milyen viszonyban vannak egymással, milyen közöttük a munkamegosztás?

A kérdésekre csak meglehetősen lassan születtek a válaszok, és természetesen újabb kérdések is felmerültek. Különösen az 1970-80-as években gyakran hangoztatták a témával foglalkozó kutatók, hogy az anabolikus folyamatokéhoz képest elmarad a katabolikus folyamatok tanulmányozása, és a róluk való tudásunk. Ez a kijelentés növekvő ismereteink ellenére, még ma sem vesztette érvényét.

Már magának a lebontásnak a puszta jelentősége is kevésbé kézenfekvő a szintézisénél, emiatt fogadták el olyan sokáig a „wear and tear” hipotézist. Miért van tehát egyáltalán szükség lebontásra? Ennek magyarázata éppen a gyors és hatékony fejlődés és alkalmazkodás kényszeréből adódik. A hatékonyság alapfeltétele, hogy megfelelő minőségben, mennyiségben, könnyen és gyorsan hozzáférhető legyen az, amire éppen szükség van. Könnyebb belátni a lebontás jelentőségét a test minőségi összetételével kapcsolatban. Nyilvánvaló, hogy fölösleges megtartani mindazt, ami csak a fejlődés egy-egy szakaszában működik; nem érdemes hosszan tárolni azt, ami csak ritkán szükséges; el kell távolítani mindazt ami „elkopott, elromlott”, tehát hibás. A minőségi szabályozás mellett azonban a lebontásnak nélkülözhetetlen szerepe van az összes folyamatosan, de változó intenzitással használt testalkotó fehérje mennyiségi szabályozásában is. Ha egy testalkotó proteinből több, majd kevesebb, majd ismét több kell, akkor a csökkentést lebontás nélkül lehetetlen elérni. Emellett, ha ismét több kell valamiből, akkor a mennyiséget azonos szintézis sebesség mellett is el lehet érni a lebontás csökkentésével. A lebontásnak a mennyiségi szabályozásba való belépése új dimenziót nyit a regulációs lehetőségek dinamikájának, és ezáltal az alkalmazkodó képességnek a fejlődésében (1.4. ábra).

Fekete nyilak mutatják a szintézis (baloldal) ill. a lebontás (jobboldal) növekvő, ill. csökkenő irányú változásait.

1.4. ábra A növekedés szabályozásának lehetőségei a lebontás részvételével.