Az intracelluláris lebontó folyamatok komplexitásának feltárása; teljes citoplazma részek és organellumok lebontása autofágia révén

Az 1950-es évek során a lebontó folyamatokkal kapcsolatos másik nagy jelentőségű új fejlemény a lizoszóma felfedezése volt. Christian de Duve (függelék 13. ábra) a szubcelluláris alkotók centrifugális ülepítésével olyan membránnal határolt részecskéket mutatott ki, amelyekben az összes sejtalkotó emésztésére alkalmas minden enzim jelen volt (de Duve, 1959; de Duve és mtsai., 1955). A felfedezés, és az azt követően kapott eredmények jelentőségét a de Duve-nek 1974-ben odaítélt orvosi Nobel-díj mutatja. A lizoszóma tehát elvileg képes lehetett arra, hogy elvégezze az intracelluláris fehérje lebontást. Az endogén fehérjelebontásról és a lizoszómákról szerzett kísérleti ismeretek azonban nagyon sok szempontból nem voltak egymással összeegyeztethetőek.

A sejtbiokémiai mérések alapján az 1960-as évek közepére világosan kiderült, hogy ha összehasonlítjuk az egyes testalkotó fehérjék turnoverét, az igen tág határok között mozog.

A turnovert leggyakrabban a fél-életidővel (half-life) jellemzik. A fél-életidő alatt azt az időt értjük, amely alatt egy a sejtben állandó koncentrációban jelen lévő fehérje molekuláinak fele lebomlik, és újra szintetizálódik. A mérések azt mutatták, hogy percekben, órákban, napokban, sőt hónapokban és években mérhető fél-életidejű fehérjék is léteznek (Goldberg és St John, 1976; Schimke, 1970). A heterogenitás nemcsak a citoszolikus fehérjékre értendő. Kiderült, hogy még az azonos organellumban és a membránokban lévő fehérjék turnovere is eltér egymástól (Siekevitz, 1972). Eközben normális esetben az egész kifejlett állatra, annak egyes szerveire, szöveteire és organellumaira nézve is lehet különböző az átlagos turnover és emellett a teljes protein tartalom hosszabb távon állandó marad. Mindez már a sejtek szintjén sem egyszerű, de amint azt az 1.5. ábra elvi sémája mutatja a teljes szervezet szintjén különösen bonyolult szabályozási folyamatok és kölcsönhatások meglétét vetítette előre (1.5. ábra).

fekete-fehér vonalas ábra, öt egymásba rajzolt négyzet ábrázolja a szintézis (befelé irányuló nyíl, baloldal) és a lebontás (kifelé irányuló nyíl, jobb oldal) szintjeit, amelyek kívülről befelé haladva a következők: az egész szervezet, a szervek és szövetek, az egyes sejtek, az egyes szubcelluláris kompartmentumok és az egyes fehérjék. Mindezen szinteken felnőtt szervezetben hosszabb távon egyensúlyban van a fehérjék szintézise és lebontása.

1.5. ábra A fehérje egyensúly szintjei soksejtű szervezetekben. A fehérje egyensúly megteremtése a soksejtű szervezetekben a különböző szerveződési szintek hierarchikus egymásra épülésének megfelelően történik. Minden szinten biztosítani kell a szintetikus és lebontó folyamatok megfelelő egyensúlyát. Ennek érdekében a szintetikus és a lebontó folyamatokat időben is össze kell hangolni. A pontosabb kép érdekében és a szabályozás bonyolultságának illusztrálására a fenti általános megállapítást ki kell egészíteni legalább két megjegyzéssel. 1. Az egyensúly általános tendenciaként érvényesül; állandó, dinamikus és bizonyos határok közötti fluktuáció mellett, ami a természetes fiziológiás alkalmazkodás része. Ilyen fluktuációt okozó hatások pl. a napszakos, a táplálkozási és a szexuális ciklus ritmusának változásai. 2. A lebontáshoz szorosan hozzátartozik az újrahasznosítás. Emellett azonban valódi fehérjeveszteség is történik (pl. szekréciós termékek, az elhalt bőr és bélhámsejtek, menstruációs vér, ejakulátum távozásával stb.), amit a szintézisnek szintén pótolnia kell.

Az egyes fehérjék lebontásának egyedi értékei specifikus szabályozás és lebontó rendszer létére utaltak. Ez elméletileg megvalósulhat pl. úgy, hogy minden fehérjének létezik egy lebontó enzime. Egy ilyen rendszer azonban végtelen sorozathoz vezet (Schimke, 1970), mivel a lebontót és a lebontó lebontóját is le kell bontani, stb. Ezért elvi meggondolások alapján is világos, hogy ha vannak is adott fehérjére specifikus lebontó enzimek, léteznie kell legalább egy nem specifikus degradációs rendszernek is, amelyik nem csak egy adott fehérjét ismer fel.

Az egyik fő kérdés tehát a lebontó rendszer szelektivitását érintette. Ennek magyarázatára felmerült, hogy az egyes fehérjéknek, mint szubsztrátoknak, különböző érzékenységük lehet egy feltételezett nem specifikus lebontó rendszerrel szemben. Emiatt az 1970-es években fellendülő kutatómunka jelentős mértékben a lebontást meghatározó molekuláris szerkezeti tulajdonságoknak, azaz a szelektivitás biokémiai alapjainak felderítésére irányult. Kiderült, hogy az aminosav analógok beépülésével létrehozott abnormális fehérjéket mind a baktériumok (Goldberg és Dice, 1974), mind az eukarióta sejtek fokozott sebességgel bontják (Knowles és mtsai., 1975; Rabinovitz és Fisher, 1964; Schimke és Bradley, 1975). Mivel az abnormális konformáció hajlamosít a lebontásra, felmerült az a lehetőség, hogy a normális proteinek egyedi élettartamát is valamilyen szerkezeti sajátosságuk határozza meg (Schimke és Bradley, 1975).

Kimutatták pl. azt, hogy a fehérjék denaturálhatósága savas pH és magas hőmérséklet hatására, korrelációba hozható a fél-életidejükkel (Goldberg és St John, 1976). A lebontást befolyásoló tényezőként számos egyéb paraméter (hidrofobicitás, az alegységek mérete, izoelektromos pont, enzimek esetében a szubsztrát jelenléte, abnormális térszerkezet stb.) is szóba került (Ballard, 1977; Goldberg és St John, 1976), de ezeknek a tényezőknek a szerepe további vizsgálatra szorult.