Ферментам протеазам, как и большинству других ферментов, для работы нужна вода. Кроме того что вода необходима каталитическому центру, в водном растворе белки приобретают специфическую укладку, без которой они не могут функционировать. В этой укладке хорошо видны места, сайты расщепления, по которым протеаза может молекулу-субстрат разрезать.

Существует, однако, особый вид протеаз, которые называют ромбоидальными; они работают в двойном слое липидов, образующем клеточные мембраны. Эти протеазы нужны, чтобы расщеплять мембранные белки (среди которых, напомним, видимо-невидимо рецепторов и сигнальных белков). У таких белков один домен высовывается за пределы мембраны, в водную среду цитоплазмы или внеклеточной жидкости, а другой домен находится в липидном окружении мембраны. И эта часть белка организуется в пространстве иначе, чем его водная «половина». Если внешний домен стремится повернуться к воде гидрофильными аминокислотами и спрятать гидрофобные внутри молекулы-клубка, то в мембране, в липидном окружении приходится поступать наоборот: выставлять наружу гидрофобные аминокислоты, а гидрофильность аминокислот с электрическим зарядом как-то гасить через их взаимодействие друг с другом. Как в таком случае протеаза понимает, где ей резать, как находит специфический сайт для расщепления?

На этот вопрос попытались ответить исследователи из Медицинской школы Университета Джонса Хопкинса (США). Учёные погружали ромбоидальные протеазы в микроскопические гелеобразные капли, где те могли чувствовать себя примерно как в настоящей мембране. Кроме того, за поведением ферментов наблюдали и в настоящих мембранах. Вот так и удалось сравнить, как протеазы работают в условиях, так сказать, разной степени натуральности и как разница влияет на специфичность ферментов.

В общем, принцип работы ромбоидальных протеаз, на первый взгляд, не слишком отличается от протеаз обычных. Ромбоидальные протеазы напоминают бочку, в которую могут проникать лишь некоторые белки. После того как субстрат вошёл в «бочку», его разрезает активный центр протеазы. Однако, как пишут исследователи в журнале eLife, если ферменты находились в условиях, не вполне похожих на естественные, то точность их действий заметно снижалась: они взаимодействовали с бόльшим, чем полагается, набором белков и резали их в самых разных местах. То есть для точности ромбоидальным протеазам необходима именно клеточная мембрана.

Исследователи попытались предложить протеазам, находящимся в настоящих мембранах, белки с изменённой структурой. В результате оказалось, что специфическая аминокислотная последовательность почти не играет для ромбоидальных протеаз никакой роли. Они определяют, надо или не надо расщеплять белок, по тому, как он ведёт себя в водном окружении, принимает или нет стабильную структуру. Тут надо сказать, что в активном центре протеазы хранится какое-то количество воды, защищённой от окружающего липидного слоя «телом» молекулы. Другие белки, которые подходят к протеазе, в липидном окружении сохраняют постоянную, как бы замороженную форму. Когда они попадают в воду активного центра, то либо оставляют постоянную укладку, либо становятся нестабильны, то есть утрачивают упорядоченное пространственное строение. И протеаза реагирует как раз на нестабильность: нестабильные, неопределённые молекулы она расщепляет. При этом, необходимо ещё раз подчеркнуть, аминокислотная последовательность субстрата роли почти не играет, поскольку стабильность и нестабильность могут быть реализованы в самых разных аминокислотных цепях.

Исследования ромбоидальных протеаз имеют значение не только для фундаментальной науки. Известно, например, что они участвуют в расщеплении белков, накапливающихся в нервных клетках во время нейродегенеративных болезней вроде синдрома Паркинсона или синдрома Альцгеймера. Так что изучение этих ферментов, возможно, в будущем поможет справиться с этими недугами.