La cellula ha diverse strategie per eliminare le proteine mal assemblate o non funzionali o semplicemente per abbassare le concentrazione intracellulare di una certa specie proteica. Una di queste è la degradazione enzimatica svolta dai lisosomi, organelli cellulari delimitati da una membrana monostratificata. Oltre ai lisosomi c'è anche un meccanismo di demolizione proteica citosolico che vede coinvolto un enorme complesso macromolecolare denominato proteasoma, che ora verrà trattato in dettaglio.
Consideriamo il proteasoma 26s: si tratta di una macromolecola enorme, formata da un'unità base centrale e 2 cappucci agli estremi. L'unità è formata a sua volta da 4 rings (anelli), ciascuno costituito da 7 unità proteiche (per un totale di 28 proteine), chamate β nei 2 rings centrali ed α nei due rings esterni. I cappucci sono formati da un'unità ed un lid (cappuccio).
Negli organismi superiori non tutte le subunità α e β sono uguali tra di loro, alcune sono funzionali ed altre no ed inoltre le funzioni possono essere differenti. Negli organismi inferiori invece tali subunità sono solitamente identiche, questo indica che c'è stata un'evoluzione.
I vari tipi di subunità dell'unità base centrale sono stati evidenziati tramite marcatura delle metionine con 35S, purificazione del proteasoma tramite tecniche immunologiche ed infine elettroforesi bidimensionale SDS-PAGE, nella quale si fa una prima separazione in funzione del peso e una seconda separazione in funzione del potenziale isoelettrico.
Per la via di degradazione proteolitica del proteasoma sono indispensabili 3 proteine: E1, E2 ed E3. Queste sono in grado di legarsi alla proteina target e di cedervi molecole di ubiquitina fino a formare una catena di poliubiquitina.
La fase cruciale di questo processo è protprio il riconoscimento di E2 ed E3 delle proteine da distruggere, mentre E1 fornisce per primo l'ubiquitina alle altre componenti. Il meccanismo di poliubiquitinalizzazione può variare a seconda del tipo di proteine E2 ed E3 coinvolte. Ad esempio in alcuni casi l'ubiquitina viene passata da E2 ad E3 e poi alla proteina bersaglio, in altri casi viene cedutata direttamente da E2 alla proteina.
Il riconoscimento del proteasoma nei confroti delle proteine da degradare è di tipo aspecifico, esso infatti le individua soltanto per il fatto che sono legate alla catena di poliubiquitina. Successivamente, con consumo energetico, srotola la proteina e la degrada. Una volta avvenuta la proteolisi le molecole di poliubiquitina vengono depolimerizzate per essere riciclate, grazie anche alla famiglia proteica delle DUBs.
Il sito attivo del proteasoma è dato da treonine attive appartenenti ad alcune sunità β dei rings centrali, queste treonine sono responsabili del taglio proteolitico per cessione del loro gruppo ossidrilico. Grazie alla differenza delle varie subunità β il taglio proteolitico può avvenire accanto ad un aminoacido idrofobico, basico oppure acido. Per evitare danni cellulari, le varie subunità β vengono all'inizio sintetizzate come precursori inattivi (pre-β), con un peptide aggiuntivo all'estremità N-terminale e solo dopo il completo assemblaggio dei 2 rings verranno attivate tramite taglio proteolitico.
Il proteasoma è un complesso dotato di una straordinaria plasticità la quale gli permette di svolgere il proprio ruolo nel miglior modo possibile. Ad esempio, analizzando il genoma di Arabidopsys, sono stati trovati ben 1327 diversi geni coinvolti nella degradazione proteica del proteasoma, nel lievito invece sono soltanto 148.
Sperimentalmente sono stati mescolati proteasomi di topo marcati con 35S e proteasomi umani non marcati. Successivamente è stata fatta una purificazione per immunoaffinità con anticorpi specifici per l'unità di base del proteasoma umano e quando il materiale ottenuto è stato fatto migrare per elettroforesi SDS-PAGE inaspettatamente comparivano segnali di radioattività . Questo significa che è avvenuto uno scambio tra i cappucci del proteosoma di topo con quello umano, indicando che esistono vari tipi di cappuccio e che il proteasoma, a seconda delle esigenze pu&ogeave scambiarli tra di loro.
L'epoxomicina è una molecola di origine vegetale utilizzata come farmaco ed ha la proprietà di inibire il proteasoma. La sua attività è stata dimostrata su molecole di p53 (molto labili e facilmente degradabili dal proteasoma). I controlli, dopo corsa con Western blot, mostravano una quantità di proteine molto inferiore rispetto a quella delle cellule trattate con epoxomicina.
Si può dimostrare che gli inibitori del proteasoma possono intervenire anche nella trascrizione, quindi influenzare l'espressione genica. Ad esempio l'NFkB è un fattore nucleare che media la risposta infiammatoria. Normalmente è complessato ad IkB, un inibitore che lo blocca finchè non arriva uno stimolo appropriato. Inibendo il proteasoma si accumula IkB, quindi si ha una repressione di NFkB. Questa è la ragione per cui gli inibitori del proteasoma agiscono da antinfiammatori. Questo è stato dimostrato anche in vivo misurando la risposta infiammatoria in topi trattati e non con epoxomicina, nei primi la risposta era sensibilmente inferiore.