Доставка эукариотических белков к клеточным мембранам и проникновение через них

Процессинг СИНТЕЗИРОВАННЫХ БЕЛКОВ

 

Рисунки к тексту прилагаются отдельно в виде JPG-файлов

 

Соединение аминокислот с образованием полипептидной цепи – это только первый шаг в процессе формирования многих белков. Полипептидная цепь должна быть уложена так, чтобы образовались правильные вторичная и третичная структуры, а в большинстве случаев отдельные полипептиды долж­ны объединиться в функциональные олигомерные комплексы. До образования функцио­нально активных белков первичные продукты транс­ляции часто претерпевают разные сложные изме­нения.

 

Посттрансляционная модификация полипептидных цепей (примеры)

Функционально активный гемоглобин образует­ся только после того, как α- и β-цепи объединятся в а₂β₂-структуру и с боковыми группами аминокислот обеих субъединиц свяжется гемогруппа. Для того чтобы пируваткарбоксилаза и ацетил-СоА-карбоксилаза стали активными ферментами, с опреде­ленными боковыми цепями их аминокислот должен ковалентно связаться биотин. Некоторые белки, участвующие в процессе свертывания крови, долж­ны претерпеть карбоксилирование специфических остатков глутаминовой кислоты, для того чтобы образовались центры связывания Са²⁺. Для образования коллагена должно произойти гидроксилирование специфических пролиновых и лизиновых ос­татков.

Очень важным и широко распространенным способом регуляции метаболизма являются фосфорилирование и дефосфорилирование определенных остатков серина, треонина и тирозина особыми протеинкиназами и протеинфосфатазами соответст­венно. Многие протеолитические белки, участвую­щие в процессах пищеварения и свертывания крови, синтезируются в виде крупных предшественников, которые далее активируются путем отщепления уча­стка полипептидной цепи. Инсулин синтезируется в виде препроинсулинового полипептида и превра­щается в зрелый инсулин после расщепления цепи и удаления сначала N-концевого, а затем внутреннего сегмента (рисунок 1, прилагается). Многие вирусные белки, гормоны, нейропептиды образуются из первичных трансляционных продуктов-полипротеинов в ре­зультате расщепления по многим сайтам и образо­вания нескольких зрелых белков и пептидов мень­шего размера.

 

В клетках эукариот помимо плазматических мембран имеются разнообразные внутриклеточные мембраны, отграничивающие различные клеточные органеллы: митохондрии, хлоропласты (у расте­ний), эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольд-жи, пероксиомы, лизосомы и секреторные пузырьки (везикулы).

 

Транспортный аппарат эукариотиче­ских клеток.

Рибосомы в эукариотических клетках существуют в двух состояниях: в свободном и связанном с мембранами. Белки, предназначенные для некоторых органелл и цитозоля, синтезируются на свободных рибосомах, а белки, остающиеся в лизосомах, структурах Гольджи и плазматической мембране, образуются на рибосомах, ассоциированных с эндоплазматическим ретикулумом. Белки, синтезированные на рибосомах, связанных с ЭПР, проходят через мембраны в просвет ЭПР, а «прокладывает» им путь N-концевой участок. Затем этот участок, состоящий преимущественно из гидрофобных аминокислот, сигнальная последовательность – отщепляется специфическими эндопептидазами, локализованными в просвете ЭПР. Такой направленный перенос белка от рибосом в просвет ЭР начинается уже во время синтеза полипептидной цепи и поэтому называется котрансляционным транспортом.

 

Направление синтезируемых полипептидных це­пей в просвет ЭПР.

Транспорт мембранных и секретируемых белков в просвет ЭР опосредуется вза­имодействием полипептидной сигнальной последо­вательности с сигнал-распознающей частицей (СРЧ) и рецептором этой частицы (СРЧ-Р). Белки цитозоля синтези­руются на рибосомах, идентичных рибосомам, син­тезирующим белки ЭПР. В самом деле, рибосома, в одном раунде синтезирующая белок цитозоля, в следующем может синтезировать мембранный белок. Попадание белка в ЭР происходит только в результате взаимодействия СРЧ с сигнальной последовательностью синтезируемой белковой цепи (рисунок 2, прилагается). Комплекс «СРЧ-сигнальная последова­тельность» взаимодействует впоследствии с рецеп­тором СРЧ, локализованным в мембране ЭПР. Таким образом, СРЧ служит адаптером между аппаратом синтеза белка в цитоплазме и аппаратом его до­ставки и отвечает за попадание белков в просвет ЭПР. СРЧ связывается с сигнальной последователь­ностью сразу после выхода ее из рибосомы, т.е. после синтеза сегмента длиной примерно 70 аминокислот. Элонгация полипептидной цепи замедляется до тех пор, пока комплекс СРЧ-сигнальная после­довательность не свяжется с СРЧ-Р в мембране ЭР. Сразу после этого СРЧ отделяется, скорость синтеза полипептидной цепи увеличивается и растущая полипептидная цепь протягивается сквозь мембрану в просвет. Таким образом, ассоциация транслирующей рибо­сомы с СРЧ-Р приводит к однонаправленному пе­реносу растущей полипептидной цепи в просвет ЭПР. Особая пептидаза, локализованная в просвете ЭР, осуществляет специфическое отщепление сигналь­ной последовательности от новосинтезированного белка.

СРЧ представляет собой комплекс из шести бел­ков с мол. массами от 10000 до 75000 Да и единст­венной молекулы РНК длиной 300 нуклеотидов-7SL-PHK. Ни РНК, ни белки сами по себе не могут функционировать как СРЧ. Однако при смешивании РНК и белков образуется функциональная СРЧ.

Сигнальная последовательность обычно нахо­дится на N-конце белков, предназначенных для экс­порта к одной из клеточных мембран или внутри­клеточным органеллам. Длина сигнальной последовательности колеблет­ся от 15 до 35 аминокислот, и в первых трех ее четвертях преобладают гидрофобные остатки, однако никакой консервативной аминокислот­ной последовательности этот участок не имеет. Для узнавания сигнальной последовательности СРЧ ско­рее важна ее вторичная структура. В пределах сигнальной последовательности на­ходится также и сайт, распознаваемый сигнальной пептидазой. Обычно расщепление происходит со стороны С-конца остатков глицина, серина или аланина, поэтому N-конец многих зрелых секретируемых или мембранных белков соседствует с одной из этих аминокислот в сигнальной последовательности.

.

Транспорт белков от ЭПР к аппарату Голъджи и из него.

Белки направляются к лизосомам, плаз­матическим мембранам или секретируются с по­мощью аппарата Гольджи – набора тесно упакованных, взаимопроникающих, окруженных мембрана­ми цистерн. Перенос белков к аппарату Гольджи осуществляется с помощью так называе­мых окаймленных пузырьков (везикул), отпочковы­вающихся от ЭПР и сливающихся с цистернами Гольджи. Белки проходят через аппарат Гольджи от цис-цистерн к транс. Транспорт белков через цистерны также осуществляется с помощью окаймленных транспортных везикул.

Белки, предназначенные для секреции, сначала попадают в секреторные везикулы, которые в конце концов сливаются с плазматическими мембранами и высвобождают свое содержимое наружу. Когда секреция белков индуцируется (как в случае инсули­на или некоторых нейропептидов), цитозольные сек­реторные пузырьки сливаются с мембраной и вы­свобождают содержимое наружу только после ин­дукции.

 

Гликозилирование.

Проходя через ЭПР и аппарат Гольджи, белки подвергаются интенсивной модифи­кации. Специальный фермент ЭПР присо­единяет разветвленный олигосахарид к специфиче­ским аспарагиновым остаткам транспортируемых белков. Далее олигосахарид подвергается действию целого ряда специфических гликозилгидролаз и гли-козилированию. Эти реакции протекают и в ЭПР, и в то время, когда белки проходят через аппарат Гольджи.