В клетках четыре основные системы разрушения (деградации) белков и компонентов:

1. Убиквитин-протеасомная система
2. Аутофагия (лизосомальный путь)
3. Кальпаины
4. Каспазы

Они работают сообща, и их роль варьируется в зависимости от контекста (гомеостаз, гипертрофия, апоптоз).​


КАЛЬПАИНЫ (действуют быстро и локально, минуты-часы).
Кальпаины — это специализированные кальций-зависимые протеазы.
Протеазы — ферменты, катализирующие гидролиз (расщепление) пептидных связей в белках. Они разрывают связи между аминокислотами, разделяя большие белковые молекулы на меньшие фрагменты или отдельные аминокислоты.

Кальпаиновый протеолиз — это первый шаг в обновлении миофибрилл. Кальпаины осуществляют ограниченное (первичное) расщепление крупных структурных молекул. Они буквально "откусывают" поврежденные белки от саркомера, после чего эти крупные фрагменты отправляются на полную переработку в убиквитин-протеасомную систему или лизосомы.

Это не хаотическое разрушение, а тонкая селективная регуляция:
Они разрушают далеко не все белки, а работают строго с определенными мишенями: цитоскелетными (актин, спектрин), сигнальными (киназы, факторы транскрипции) и структурными (десмин, тропонин в мышцах) белками.

В состоянии гомеостаза кальпаины критически важны для защиты: удаления поврежденных белков и модуляции сигнальных путей.

Но при избыточном стрессе (например, при перетренированности) их гиперактивация вызывает чрезмерный распад сократительных структур, разрушая даже здоровые белки.

Регуляция (баланс):

• Главный активатор: Ионы Са2+ (кальций).
• Дополнительные пути: окислительный стресс, фосфорилирование, взаимодействие с липидами
• Главные ингибиторы: Кальпастатин (специфический белок-ингибитор) и NO (оксид азота). 

Уровень распада белка определяется тем, насколько уровня NO и кальпастатина достаточно для сдерживания кальпаинов. Поскольку при мышечной работе растут все эти факторы (и кальций, и NO), итоговый баланс (анаболизм или катаболизм) определяется интенсивностью нагрузки, качеством восстановления и уровнем окислительного стресса.

УБИКВИТИН-ПРОТЕАСОМНАЯ СИСТЕМА (действуют часы-дни)
Это более системный механизм распада, который является основной причиной мышечной атрофии при бездействии (иммобилизации).

Система обеспечивает 80–90% всей внутриклеточной деградации белков, разрушая короткоживущие, дефектные и поврежденные молекулы путем их предварительного "мечения" убиквитином.

Убиквитин (от англ. ubiquitous — вездесущий, всеобщий) — это белок-метка, который прикрепляется к целевому белку, приговоренному к уничтожению ("черная метка").
E3-лигазы (убиквитин-лигазы) — это ферменты, катализирующие присоединение убиквитина к белкам.

Центральный регулятор распада — FOXO
Главный регулятор экспрессии E3-лигаз — транскрипционный фактор FOXO (Forkhead Box O). Это белок, который, проникая в ядро клетки, активирует специфические гены.

Находясь в ядре, FOXO запускает работу генов, кодирующих "атрогены" (белки, необходимые для разрушения мышц): убиквитин-лигазы (Atrogin-1, MuRF-1), гены аутофагии (Bnip3, LC3) и другие атрофические факторы.

Таким образом, FOXO действует как мастер-регулятор катаболизма в мышце.

Главные активаторы FOXO:
1. АМПК (Энергодефицит): Высокий уровень АМФ активирует AMPK, который напрямую стимулирует семейство FoxO, вызывая увеличение экспрессии атрогина-1 и распад белков для получения энергии.
2. Окислительный стресс (АФК / ROS): Избыток свободных радикалов (АФК) повреждает мышечные белки. В ответ на это FOXO активируется как система очистки.
Кроме того, АФК повреждают митохондрии, тормозя выработку АТФ. Падение АТФ ведет к росту АМПК, что замыкает “порочный круг” и еще сильнее активирует FOXO. В итоге окислительный стресс тормозит белковый синтез и радикально усиливает распад.


Что подавляет FOXO:
FOXO физически инактивируется (выбрасывается из ядра в цитоплазму) анаболическими каскадами:

• IGF-1 / Инсулин: активируя путь Akt, они фосфорилируют FOXO, не давая ему читать ДНК. Это объясняет, почему анаболические гормоны не только строят мышцы, но и мощно подавляют их атрофию.
• mTORC1: при достаточном количестве энергии и аминокислот mTOR также блокирует катаболические сигналы FOXO.

FOXO3 регулирует одновременно убиквитин-протеасомы (E3-лигазы) и аутофагию (лизосомальные ферменты). Оба пути активируются при энергетическом стрессе.

АУТОФАГИЯ И ЛИЗОСОМАЛЬНЫЙ ПУТЬ (Часы-дни)

Аутофагия (буквально «самопоедание») — это процесс захвата клеточного мусора (поврежденных органелл и белковых агрегатов) в мембранные пузырьки (аутофагосомы) с их последующей доставкой в лизосомы для переваривания.

Лизосомы — это органеллы-«утилизаторы». Они представляют собой сферические пузырьки, заполненные расщепляющими (гидролитическими) ферментами и обладающие кислой средой (рН 4,5–5,0), в которой клеточный мусор распадается до базовых аминокислот.

При старении лизосомы теряют эффективность, а аутофагия замедляется. Из-за этого в мышечных клетках накапливается непереваренный клеточный "мусор" (пигмент старения — липофусцин).
Это особенно проявляется при резком снижении функциональной активности мышц, малоподвижном образе жизни или голодании (высокий уровень распада белков, с которым лизосомы не справляются).
Также это является одним из факторов старческой мышечной слабости.

Регуляция аутофагии:

• АMPK (энергодефицит): сильно стимулирует аутофагию для получения энергии из "вторичного сырья".
• mTORC1 (изобилие): блокирует аутофагию.
• Кальцинейрин (фоновый кальций от нагрузки): уникальный фактор, который активирует и рост (через NFAT), и базовую аутофагию. Если mTOR при этом активен, патологической атрофии не происходит, а мышца получает только плюсы (своевременное обновление).

Парадокс mTOR (Острый vs Хронический):
Для гипертрофии критически важен именно пульсирующий (средний) уровень синтеза белка. Весь вопрос в том, сколько времени будет держаться высокий уровень mTOR.

• Кратковременно высокий mTOR (пик 2–4 часа после нагрузки) — мощно активирует синтез белка. При этом системы деградации (в т.ч. убиквитин-протеасомная) находятся в оптимальном для анаболизма балансе.
• Долговременно (хронически) высокий mTOR (часы и дни без адекватного восстановления) — вызывает парадоксальную дистрофию. Клетка переполняется белками, возникает протеотоксичность. Более того, хронический mTOR включает отрицательную обратную связь: он подавляет сигнальный путь Akt. Без защиты Akt "просыпается" фактор FOXO, который включает гены атрофии (убиквитин-лигазы Atrogin-1, MuRF1) и запускает аварийную деградацию.

Оптимум для роста:
Пиковый mTOR (во время и сразу после тренировки) + достаточное восстановление (сон, аминокислоты) + периоды спада mTOR и работы аутофагии (голодание, легкие дни для очистки клетки от "мусора").

АПОПТОЗ И КАСПАЗНАЯ СИСТЕМА (Демонтаж клетки)

Апоптоз — это генетически запрограммированный, жестко регулируемый процесс клеточного саморазрушения. В отличие от некроза (травмы), апоптоз протекает "чисто" — без воспаления или повреждения окружающих тканей. В норме он необходим для поддержания гомеостаза, однако его избыточная активация — это ключевой механизм потери мышц при саркопении (старении), диабете и жестокой атрофии от неиспользования.

Главные исполнители апоптоза — каспазы. Это ферменты-«палачи», которые осуществляют физический демонтаж клетки, разрезая структурные белки и ДНК.

Активируются каспазы, прежде всего, митохондриями.

Митохондрии интегрируют сигналы, особенно важными из которых являются: уровень АМПК (энергодефицит), АФК (окислительный стресс), мембранный потенциал, гомеостаз кальция.

И если баланс сигналов достаточен — митохондрии исполняют приговор. 
Они открывают поры, через которые в саркоплазму (цитозоль) выходит цитохром С. И через создание апоптосом это приводит к активации палачей — каспаз.


Цитохром С в саркоплазме связывается с другими молекулами, формируя комплекс — апоптосому.
Апоптосома служит сборочным центром: она захватывает неактивную про-каспазу-9, "пробуждает" её и превращает в активную каспазу-9 (инициатор).
Каспаза-9, в свою очередь, массово режет и активирует про-каспазы-3 (эффекторы), которых очень много в цитозоле.
Армия активных каспаз-3 лавинообразно распространяется по клетке, разрезая структурные белки и необратимо запуская апоптоз.


При старении формирование апоптосом может нарушаться, и тогда клетка запускает каспазо-независимый сценарий апоптоза, но его разрушительная суть от этого не меняется.

Критическим фактором защиты от апоптоза является здоровье митохондрий.
В здоровых митохондриях пороговый уровень устойчивости к стрессу высок. Чтобы их мембраны открыли поры и выпустили цитохром, нужен сильный стресс.

В дефектных митохондриях мембраны нестабильны. Даже легкий стресс может вызвать повреждение их оболочки, неконтролируемую утечку цитохрома С и уничтожение жизнеспособной мышечной клетки.