thumb|right|Proteazom. Aktivna mesta su unutar cevi (plavo). Kape (crveno; u ovom slučaju, 11S regulatorni molekuli) na krajevima regulišu ulaz u komoru za destrukciju, u kojoj dolazi do razgradnje proteina thumb|right|Pogled od gore na proteazom

Proteazomi su proteinski kompleksi prisutni kod svih eukariota i archaea, i kod nekih bakterija. Kod eukariota, oni se nalaze u jedru i citoplazmi. Glavna funkcija proteazoma je razgradnja nepotrebnih ili oštećenih proteina putem proteolize, hemijske reakcije kojom se razlažu peptidne veze. Enzimi koji izvode ovu reakcije se zovu proteaze. Proteazomi su deo velikog mehanizma kojim ćelije regulišu koncentraciju pojedinih proteina i razgrađuju nepravilno savijene proteine. Proces degradacije proizvodi peptide sa oko sedam do osam aminokiselina, koji se zatim dalje razrađuju u aminokiseline i koriste u sintezi novih proteina. Proteini se obeležavaju za degradaciju malim proteinom zvanim ubikvitin. Reakcija obeležavanja je katalizovana enzimima ubikvitinskim ligazama. Vezivanje jednog ubikvitina na protein je signal drugim ligazama da vežu dodatne molekule ubikvitina. Rezultat je poliubikvitinski lanac za koji se vezuje proteazom, čime se omogućava degradacija ciljnog proteina.

Po strukturi, proteazom je cilindrični kompleks koji sadrži „jezgro” od četiri naslagana prstena koji čine središnju poru. Svaki prsten sačinjen je od sedam pojedinačnih proteina. Unutrašnja dva prstena napravljena su od sedam β podjedinica koje sadrže tri do sedam aktivnih mesta proteaze. Ta mesta nalaze se na unutrašnjoj površini prstenova, tako da ciljni protein mora da uđe u centralnu pora pre nego što se razgradi. Svaka dva spoljna prstena sadrže sedam α podjedinica čija je funkcija održavanje „kapije” kroz koju proteini ulaze u barel. Ove α podjedinice su kontrolisane vezivanjem za „zaklapajuće” strukture ili regulatorne čestice koje prepoznaju poliubikvitinske oznake vezane za proteinske supstrate i pokreću proces razgradnje. Celokupni sistem ubikvitacije i proteazomske razgradnje poznat je pod nazivom ubikvitin-proteazomski sistem.

Put proteazomske razgradnje je važan za mnoge ćelijske procese, uključujući ćelijski ciklus, regulaciju ekspresije gena i response na oksidativni stres. Važnost proteolitičke razgradnje unutar ćelija i uloge ubikvitina u proteolitičkim putevima bila je naglašena dodeljivanjem Nobelove nagrade za hemiju 2004. godine Aronu Čihanoveru, Avramu Heršku i Irvinu Rouzu.

Otkriće

Pre otkrića ubikvitinskog proteazomnog sistema, smatralo se da se razgradnja proteina u ćelijama uglavnom oslanja na lizozome, organele vezane za membranu sa kiselim i proteaznim unutrašnjostima, koje mogu da razgrade i potom recikliraju egzogene proteine i stare ili oštećene organele. Međutim, rad Džozefa Etlingera i Alfreda Goldberga iz 1977. godine na ATP-zavisnoj razgradnji proteina u retikulocitima, kojima nedostaju lizozomi, sugerisao je prisustvo drugog mehanizma unutarćelijske degradacije. Za taj proteinski sistem je pokazano 1978. godine da je sačinjen od nekoliko različitih lanca proteina, što je bila novina među proteazama u to vreme. Kasniji rad na modifikaciji histona doveo je do identifikacije neočekivane kovalentne modifikacije proteina histona vezom između lizinskog bočnog lanca histona i -{C}--terminusnog glicinskog ostatka ubikvitina, proteina koji nije imao poznatu funkciju. Zatim je otkriveno da je prethodno identifikovani protein povezan sa proteolitičkom razgradnjom, poznat kao faktor proteolize 1 zavisan od ATP-a (APF-1), isti protein kao i ubikvitin. Proteolitičke aktivnosti ovog sistema izolovane su kao multiproteinski kompleks koji su Šervin Vilk i Marion Orlovski nazvali multikatalitičkim proteinaznim kompleksom. Kasnije je otkriven ATP-zavisni proteolitički kompleks koji je odgovoran za razgradnju proteina zavisnih od ubikvitina i nazvan je -{26S}- proteazom.

Veliki deo ranog rada koji je doveo do otkrića ubikvitin proteazomnog sistema odvio se krajem 1970-ih i početkom 1980-ih u Tehnionu u laboratoriji Avrama Herška, gde je Aron Čihanover radio kao postdiplomski student. Herškovo jednogodišnje gostovanje u laboratoriji Irvina Rouza u Foks Čejsovom centru za kancer pružilo je ključne konceptualne spoznaje, mada je Rouz kasnije umanjivao svoju ulogu u otkriću. Njih troje su podelili Nobelovu nagradu za hemiju 2004. godine za njihov rad na otkrivanju ovog sistema.

Elektronsko mikroskopski podaci koji su otkrili prstenastu strukturu naslaganih prstenova proteazoma postali su dostupni sredinom 1980-ih, dok je prva struktura jezgrenog dela proteazoma rešena pomoću rendgenske kristalografije 1994. godine.

Struktura i organizacija thumb|right|Shematski dijagram dela jezgra proteazoma -{20S}- gledan sa strane. α podjedinice koje čine spoljna dva prstena prikazane su zelenom bojom, a β podjedinice koje čine unutrašnja dva prstena prikazane su plavom bojom.

Proteazomske podkomponente često se nazivaju po njihovim Svedbergovim koeficijentima sedimentacije (označenim sa -{S}-). Proteazom koji se isključivo koristi kod sisara je citosolni -{26S}- proteasom, koji ima molekulsku masu od oko 2000 kilodaltona (-{kDa}-) i sadrži jednu -{20S}- proteinsku podjedinicu i dve -{19S}- regulatorne podjedinice. Jezgro je šuplje i pruža zatvorenu šupljinu u kojoj se proteini razgrađuju; otvori na dva kraja jezgra omogućavaju ulazak ciljnog proteina. Svaki kraj jezgra je udružen sa -{19S}- regulatornom podjedinicom koja sadrži više aktivnih mesta ATPaze i mesta vezanja ubikvitina. Ta struktura prepoznaje poliubikvitinirane proteine i prenosi ih u katalitičko jezgro. Jedan alternativni oblik regulatorne podjedinice, koji se naziva -{11S}- deo, može se povezati s jezgrom na isti način kao i -{19S}- deo. Deo -{11S}- može da igra ulogu u razgradnji stranih peptida, kao što su oni koji nastaju nakon virusne infekcije.

20-{S}- deo jezgra

Broj i raznolikost podjedinica sadržanih u 20S jezgrenim delovima zavisi od organizma; broj različitih i specijalizovanih podjedinica je veći u višećelijskim nego u jednoćelijskim organizmima, i veći je kod eukariota nego kod prokariota. Svi 20S delovi se sastoje od četiri složene heptamerne prstenaste strukture koje su i same sastavljene od dve različite vrste podjedinica; α podjedinice su strukturne prirode, dok su β podjedinice pretežno katalitičke. α podjedinice su pseudoenzimi koji su homologni β podjedinicama. One su skolopljene sa svojim -{N}--terminusima u blizini onih sa β podjedinica. Spoljašnja dva prstena u snopu se sastoje od sedam α podjedinica koje služe kao domeni za pozicioniranje regulatornih delova, a alfa podjedinični -{N}--terminusi () formiraju kapije koje blokiraju neregulisani pristup supstrata unutrašnjosti šupljine. Unutarnja dva prstena sastoje se od sedam β podjedinica svaki i u njihovim -{N}--terminusima su sadržana aktivna mesta proteaze koja izvode reakcije proteolize. U pročišćenom kompleksu su identifikovane tri različite katalitičke aktivnosti: hidroliza slična himotripsinu, tripsinu i peptidilglutamil-peptidu. Veličina proteazoma je relativno konzervisana i iznosi oko 150 angstrema (Å) sa 115 Å. Unutrašnja komora je široka najviše 53 Å, dok ulaz može biti uzak sa samo 13 Å, što ukazuje na to da se proteini supstrata moraju barem delimično razvući da bi se ušli.

U arhejama kao što je -{Thermoplasma acidophilum}-, sve α i sve β podjedinice su identične, dok eukariotski proteazomi poput onih u kvascu sadrže sedam različitih vrsta svake podjedinice. Kod sisara su podjedinice β1, β2 i β5 katalitičke; iako imaju zajednički mehanizam, one imaju tri različite supstratne specifičnosti koje se smatraju sličnim himotripsinu i tripsinu, kao i peptidil-glutamil peptidnoj hidrolizi (PHGH). Alternativni β oblici, koji su označeni sa β1i, β2i i β5i, mogu biti izraženi u hematopoetskim ćelijama kao odgovor na izloženost proinflamatornim signalima, kao što su citokini, naročito interferonu gama. Proteazom sastavljen od ovih alternativnih podjedinica poznat je pod nazivom imunoproteazom, i njegova je specifičnost supstrata izmenjena u odnosu na normalan proteazom. Nedavno je identifikovan alternativni proteazom u ljudskim ćelijama kojima nedostaje α3 podjedinica jezgra. Ovi proteazomi (poznati kao α4-α4 proteazomi) umesto toga formiraju -{20S}- delove jezgra koje sadrže dodatnu α4 podjedinicu umesto nedostajuće α3 podjedinice. Za ove alternativne 'a4-a4' proteazome je ranije bilo poznato da postoje u kvascu. Iako je precizna funkcija ovih proteazomskih izoformi još uvek u velikoj meri nepoznata, ćelije koje izražavaju te proteazome pokazuju pojačanu otpornost na toksičnost indukovanu metalnim jonima, poput kadmijuma.

19-{S}- regulatorni deo

Deo -{19S}- se kod eukariota sastoji se od 19 pojedinačnih proteina i deli se na dva podsklopa, bazu sa 9 podjedinica koja se veže direktno na α prsten jezgrenog dela -{20S}- i poklopac sa 10 podjedinica. Šest od devet proteina baze su ATPazne podjedinice iz porodice AAA, a evolucijski homolog ovih ATPaza postoji kod arheja, koji se naziva -{PAN}- (nukleotidaza koja aktivira proteazom). Asocijacija -{19S}- i -{20S}- delova zahteva vezanje ATP-a na podjedinice ATPaze -{19S}-, i neophodna je hidroliza ATP da bi sastavljeni kompleks razgradio sklopljene i ubikvitinisane proteine. Jedino korak rasklapanja supstrata zahteva energiju ATP hidrolize, dok samo vezanje ATP-a može da podržava sve ostale korake potrebne za razgradnju proteina (npr. sklapanje kompleksa, otvaranje kapija, translokacija i proteoliza). Zapravo, vezanje ATP-a na ATPaze samo po sebi podržava brzu razgradnju nesklopljenih proteina. Međutim, iako je potrebna hidroliza ATP-a samo za rasklapanje, još nije jasno da li se ta energija možda koristiti u sprezanju nekih od ovih koraka.

thumb|right|Prikaz -{26S}- proteazoma.

Godine 2012, dva nezavisna napora rasvetlila su molekularnu arhitekturu -{26S}- proteazoma elektronskim mikroskopijom sa jednom česticom. Tokom 2016. godine, tri nezavisna napora utvrdila su prvu strukturu u skoro atomskoj rezoluciji ljudskog -{26S}- proteazoma u odsustvu supstrata primenom krio-EM. U 2018. godini, nakon velikih napora su utvrđeni detaljni mehanizmi deubikvitacije, inicijacije translokacije i procesivnog rasklapanja supstrata, simultanim određivanjem sedam atomskih struktura -{26S}- proteazoma tokom delovanja na supstrat. U srcu 19-{S}--a, neposredno pored 20-{S}--a, nalaze se AAA-ATPaze (AAA proteini) koji se formiraju u heteroheksamerni prsten reda -{Rpt1/Rpt2/Rpt6/Rpt3/Rpt4/Rpt5}-. Ovaj prsten je trimer dimera: -{Rpt1/Rpt2}-, -{Rpt6/Rpt3}- i -{Rpt4/Rpt5}- se dimerizuju preko njihovih namotanih zavojnica -{N}--terminusa. Ove namotane zavojnice strše iz heksamernog prstena. Najveće regulatorne čestice, ne-ATPaze -{Rpn1}- i -{Rpn2}-, vezuju se za vrhove -{Rpt1/2}- i -{Rpt6/3}-, respektivno. Ubikvitinski receptor -{Rpn13}- se vezuje za -{Rpn2}- i dovršava bazni potkompleks. Poklopac pokriva polovinu AAA-ATPaze heksamera (-{Rpt6/Rpt3/Rpt4}-) i neočekivano direktno je u kontaktu sa -{20S}- preko -{Rpn6}- i u manjem obimu sa -{Rpn5}-. Podjedinice -{Rpn9}-, -{Rpn5}-, -{Rpn6}-, -{Rpn7}-, -{Rpn3}- i -{Rpn12}-, koje su strukturno povezane između sebe i podjedinicama -{COP9}- kompleksa i eIF3 (stoga se nazivaju -{PCI}- podjedinice) sastavljaju se u konstrukciju sličnu potkovici koja obuhvata -{Rpn8/Rpn11}- heterodimer. -{Rpn11}-, deubikinirajući enzim, smešta se na ulazu AAA-ATPaznog heksamera, idealno je postavljen za uklanjanje ubikvitinskih delova neposredno pre translokacije supstrata u -{20S}-. Drugi ubikvitinski receptor identifikovan do danas, -{Rpn10}-, smešten je na obodu poklopca, u blizini podjedinica -{Rpn8}- i -{Rpn9}-.

Konformacione promene 19-{S}- dela