Сортировка и транспорт белков митохондрий

и ядер.

 

Все белки, синтезируемые мембраносвязанными рибосомами, имеют гидрофобную СП, необходимую для проникновения полипептидной цепи через мембрану ЭПС.

Митохондриальные белки, как уже упоминалось, в подавляющем большинстве (95%) образуются свободными рибосомами; да и остальные 5% приходятся не на мембраносвязанные, а на внутримитохондриальные рибосомы.

Однако при трансляции этих белков тоже образуется СП. Это обеспечивает прохождение пептидной цепи через мембраны митохондрий — из гиалоплазмы в митохондриальный матрикс. Потом (в матриксе) эта СП отщепляется.

Более того, если белок должен в конечном счете оказаться в межмембранном пространстве, он имеет и вторую СП, которая экспонируется после удаления первой СП. Тогда с помощью второй СП белок проникает из матрикса в межмембранное пространство.

Причем до окончания всех этих транспортных процессов полипептидная цепь остается в развернутом состоянии, что обеспечивается специальными шаперонами.

В итоге последовательность событий выглядит так, как показано на рис. 2.8.

а) Синтезируемая на свободных рибосомах цепь митохондриального белка, во-первых, имеет СП (одну или две) и, во-вторых, сразу связывается с шаперонными белками, препятствующими фолдингу.

б) По окончании трансляции цепь сохраняет связь с шаперонами и диффундирует к митоходрии. Здесь она с помощью СП пересекает (уже без шаперонов) обе митохондриальные мембраны в месте их соприкосновения.

в) В матриксе митохондрии (если это конечный «пункт маршрута») другие шапероны обеспечивают правильный фолдинг вновь прибывшего белка.

Что касается ядерных белков, то многие из них тоже имеют СП и тоже проникают с их помощью через поры в ядерной оболочке (которая опять-таки состоит из двух мембран). Возможно, в процессе этого проникновения в диафрагме, закрывающей пору, образуются временные каналы.

Требование о наличии СП относится и к транскрипцион­ным факторам. Правда, СП не обязательно должна находиться на N-конце цепи: она может быть расположена и в середине. Очевидно, в этих случаях она просто является «меткой», которая узнается теми структурами, которые обеспечивают перенос в ядро.

В то же время для гистоновых белков СП не требуется. Очевидно, это связано с тем, что данные белки являются небольшими и содержат значительные гидрофобные области (для взаимодействия друг с другом). То и другое облегчает перенос через ядерную оболочку.

 

 

2.4. Образование коротких пептидов

Помимо белков, в клетках синтезируются и пептиды. Это может происходит двумя способами:

· путем вырезания из более длинной полипептидной цепи,

· путем прямого безматричного синтеза.

В первом случае в ДНК имеется ген, кодирующий первичную пептидную цепь, которая, как обычно, синтезируется на рибосомах.

В определенных участках этой цепи содержатся аминокислотные остатки, по месту нахождения которых действует специальная протеаза. Это и ведет к высвобождению пептида.

Так синтезируются пептидные гормоны (окситоцин, вазопрессин, нейропептиды) и прочие биологически активные вещества (кинины, ангиотензины и т. д.).

Во втором случае в ДНК нет гена, прямо кодирующего последовательность аминокислот в пептиде. Но зато кодируются специальные ферменты, способные синтезировать пептид.

Образуясь на рибосомах, эти ферменты катализируют цепь реакций, в ходе которых определенные аминокислоты присоединяются друг к другу в определенной последовательности.

У животных и человека так синтезируются очень небольшие пептиды: трипептид глутатион, специфические дипептиды мышечной ткани (карнозин, ансерин) и пр.

У бактерий этот способ синтеза пептидов имеет большее значение. С его помощью образуются пептидные компоненты клеточных стенок, антибиотик грамицидин (циклический декапептид) и другие соединения.

2.5. РАСПАД БЕЛКОВ

В клетках постоянно происходит не только синтез белков, но и их распад.

Причинами такого распада являются:

· Во-первых, белки, как и ДНК, подвергаются «старению» — так или иначе модифицируются под действием свободных радикалов, излучения, тепловых флуктуации и т.д. И если в случае ДНК просто взять и разрушить всю молекулу нельзя, а приходится ее «ремонтировать», то в случае белков легче заменить «старую», поврежденную молекулу на новую.

· Во-вторых, содержание тех или иных белков в клетке или внеклеточной среде не всегда должно быть постоянным. В процессе адаптации к меняющимся условиям жизнедеятельности нередко возникает необходимость в изменении концентрации определенных белков — повышении или снижении. Это осуществляется, как правило, путем соответствующего изменения скорости их синтеза. Но, чтобы последнее эффективно сказывалось на концентрации, должен постоянно происходить распад белковых молекул.

В то же время белки значительно различаются по средней продолжительности жизни своих молекул. Наиболее короткоживущими являются регуляторные белки (например, белок р53, являющийся ключевым транскрипционным фактором).

Структурные белки (например, мышечные) имеют гораздо большую продолжительность жизни. Но и они периодически обновляются. Причем при ряде состояний (недостаточной функции или голодании) распад начинает преобладать над синтезом и мышечная масса снижается.

Многие белки разрушаются в тех же клетках, где и синтезируются. Это большинство внутриклеточных белков.

Но есть и такие белки, которые образуются в одних, а разрушаются в других клетках. В основном, это внеклеточные белки (соединительной ткани, плазмы крови и т. д.). Однако сюда же относятся и некоторые внутриклеточные белки, например гемоглобин. Его синтез происходит в клетках эритроидного ряда (предшественниках эритроцитов), а распад — в макрофагах селезенки, захватывающих «старые» эритроциты.

Как бы ни были пространственно разделены синтез и распад белка, содержание последнего является постоянным (стационарным), если скорости синтеза и распада совпадают.

Так, постоянство содержания гемоглобина в крови обеспечивается тем, что ежесуточно и образуется (в красном костном мозгу), и разрушается (в селезенке) примерно 6,25 г этого белка.

Хотя чаще всего количество белка меняется в результате изменения скорости его образования в результате тех или иных регуляторных воздействий, скорость распада тоже изменяется. Обычно она прямо пропорциональна текущей концентрации белка. Поэтому, например, при повышении скорости синтеза постепенное накопление белка ведет к «автоматическому» росту и скорости распада. Так что в итоге эти скорости вновь уравниваются, и достигается новое стационарное состояние — но на более высоких уровнях концентрации белка и скоростей его обмена. Причем количество белка увеличится ровно во столько раз, во сколько возросла скорость синтеза (а затем и распада).

Относительно того, как и в каких структурах разрушаются белки многое еще остается неясным. Однако известно, что у эукариот распад короткоживущих белков (например, того же белка р53) является убиквитин-зависимым. Убиквитин (Убн) — небольшой белок (76 аминокислотных остатков), который связывается с данными белками и тем самым как бы «метит» их.

Для присоединения Убн к белку-мишени требуются три фермента:

- Убн-активирующий фермент (Е₁), формирующий по С-концу Убн тиоэфирную связь;

- Убн-конъюгирующий фермент (Е₂), принимающий Убн на себя; таких ферментов — целое семейство; из них каждый служит донором Убн для определенных белков;

- Убн-лигаза (Е₃), переносящая Убн с Е₂ на белок; она также представлена различными формами, специфичными в отношении тех или иных белков.

Связывание Убн осуществляется через остатки лизина белка, причем с одной молекулой белка соединяется сразу много молекул Убн. Это происходит по следующим причинам:

- во-первых, в белке может быть несколько остатков лизина;

- во-вторых, последующие молекулы Убн, видимо, могут присоединяться к предыдущим, образуя цепочки.

Помеченные таким образом белки затем быстро разрушаются в специальных частицах — протеосомах.Это мультибелковые цилиндрические структуры, которые содержат многочисленные протеазы.

Вполне возможно, что для рассмотренной системы «безразлично», имеет ли какие-либо дефекты белок, с которым связывается Убн, или нет. Т.е. связывание Убн происходит с любой «попавшейся под руку» молекулой белка соответствующего вида. Такая «беспринципность» обеспечивает требуемый эффект — очень быстрый обмен молекул данного белка в клетке.

Другие белки — с большей продолжительностью жизни — разрушаются в лизосомах.Здесь уже может иметь значение функциональное состояние белка — точнее, состояние его структуры, «диагностируемое» шаперонами. Как уже отмечалось ранее, последние, видимо, участвуют в переносе «старых» белковых молекул в лизосомы.

 

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Молекулярная биология клетки: В 5 т.: Пер. С англ./ Б.Албертс, Д.Брей, Д.Льюис и др. - М.: Мир, 1986.

2. Мушкамбаров Н.Н., Кузнецов С.Л. Молекулярная биология. - М.: МИА, 2003.- 535 с.

3. Рис Э., Стенберг М. Введение в молекулярную биологию. - М.: Мир, 2002.- 141 с.

4. Птицын О.Б. Сворачивание белков: нуклеация и компактные интермедиаты.// Биохимия, 1998.- №63.- С.435-443.

5. Спирин А.С. Молекулярная биология: Структура рибосом и биосинтез белка.- М.: Высш. Школа, 1986.- 302 с.

6. Страйер Л. Биохимия М.: Мир, 1985. Т. 1,3

7. Эллиот В., Эллиот Д. Биохимия и молекулярная биология. М.:НИИБМХ, 1999.- 372 с.

8. Harper’s Biochemistry: 24-th ed./ R.K.Murray, D.K.Granner, P.A.Mayes, V.W.Rodwell.- Stamford:Appleton@Lange, 1996.- 870 p.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Образование белков: общее представление о фолдинге............................ 3

1.1. Строение белков.............................................................................. 4

1.2. Модели сворачивания белков......................................................... 10

1.2.1. Модель промежуточного состояния..................................... 10

1.2.2. Сворачивание по принципу «все или ничего».................... 11

1.2.3. Феномен кооперативности.................................................... 12

1.2.4. Отношение фолдинга к трансляции..................................... 13

1.3. Факторы фолдинга.......................................................................... 13

1.3.1. Ферменты фолдинга ............................................................. 14

1.3.1.1. Протеиндисульфидизомераза (ПДИ) .......................... 14

1.3.1.2. Пептидилпролилизомераза(ППЛ)............................... 15

1.3.2. Шапероны............................................................................. 16

1.3.2.1.Функции шаперонов...................................................... 16

1.3.2.2. Система DnаК/DnaJ у бактерий................................... 17

1.3.2.3. Система GгоЕL/GгоЕS у бактерий............................. 18

1.3.3. Прионы как антишапероны.................................................. 21

2. Сортировка и модификация белков............................................................ 22

2.1. Процессы в гранулярной ЭПС...................................................... 22

2.1.1. Структура гранулярной ЭПС.............................................. 22

2.1.2. Особенности трансляции...................................................... 23

2.1.3. Модификация белков в ЭПС................................................ 26

2.2. Процессы в комплексе Гольджи..................................................... 28

2.2.1. Структура и функции комплекса Гольджи......................... 28

2.2.2. Сортировка белков............................................................... 29

2.3. Сортировка и транспорт белков митохондрий

и ядер................................................................................................... 31

2.4. Образование коротких пептидов.................................................... 32

2.5. Распад белков.................................................................................. 33

Литература................................................................................................. 35

Котрольные вопросы................................................................................. 36