Транспорт белков

Учреждение образования

«ПОЛЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ»

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ 

КАФЕДРА БИОТЕХНОЛОГИИ

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

Транспорт белков

 

 

 

 

 

                                                                  Подготовила: 

студентка 5 курса 831411 группы

Гайдалёнок Виктория Сергеевна

                                                                                                                                 

                                                                                        

 

 

 

 

 

ПИНСК 2012

Содержание:

1. Секреция белков у прокариот: Sec-аппарат, системы секреции I-IV типов
2. Распределение белков по компартментам клетки эукариот

2.1 Котрансляционная транслокация белков в полость эндоплазматического ретикулума

2.2 SRP-частица и ее рецептор

2.3 Модификации белков в полости ЭР и их последующая сортировка

3. Транспорт белков в митохондрии и хлоропласты, контроль локализации белков внутри этих органелл

3.1 Транспорт белков через  ядерные поры

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Секреция белков у прокариот: Sec-аппарат, системы секреции I-IV типов Процесс  секреции  белков  является  важным  аспектом   жизнедеятельности бактерий, поскольку  значительное  количество  белков  бактериальной  клетки локализованы  вне  цитоплазмы.  Способность  к  секреции   белков   является важнейшей для вирулентных бактерий, поскольку  в  процессе  инфекции  многие белковые продукты должны располагаться на внешней поверхности  бактериальной клетки, либо секретироваться во внешнюю среду. Кроме того,  секреция  белков имеет важнейшее значение для  биотехнологии,  поскольку  очистка  белков  из культуральной среды простого состава  значительно  проще,  чем  из  лизатов, которые представляют собой сложные смеси различных веществ. В связи  с  этим изучение процесса белковой секреции является  весьма  актуальной  проблемой.

Секреция присутствует не только у эукариот, она также есть у бактерий и архей. Кассетные  АТФ-связывающие транспортеры (АВС-система) характерны для всех трёх доменов  живых организмов. Сек-система —  это другая консервативная секреторная  система, которая гомологична каналу-транслокону  в эндоплазматическом ретикулуме эукариот. Она состоит из комплекса Сек-61 у дрожжей и комплекса Сек Y-E-G у бактерий.

Sec система.

В отличие от секреции у  эукариот, секреция через бактериальную  плазматическую мембрану протекает  в основном посттрансляционно. Работу Sec системы можно разделить на три стадии:

- направление белка на  транспорт

- собственно транслокация  белка через мембрану

- освобождение транспортированного  белка на периплазматической  стороне мембраны

На первой стадии пребелки направляются к точкам секреции в  цитоплазматической мембране (местам, где собран транслокационный комплекс). На второй стадии полипептидная цепочка  пересекает липидный бислой, скорее всего  через транслоказу. На третьей стадии транслоцированный полипептид освобождается  и либо принимает свою нативную конформацию, либо направляется для дальнейшей секреции в одну из терминальных ветвей GSP.

Как минимум 10 белков необходимы для работы Sec системы (Рис. 1.). Первая стадия реакции требует присутствия специфичного для секреции шаперона SecB. Этото шаперон является тетрамером, опознает белки, содержащие сигнальный пептид, и связывается с ними, выполняя фактически функцию молекулярного шаперона, связываясь собластями пресекреторных белков, не принявшими свою окончательную конформацию и поддерживая их в компетентном для транслокации состоянии. Второй функцией SecB является "доставка" предшественников белков к SecA субъединице мембранной транслоказы. В некоторых случаях могут привлекаться гомеостатические шапероны GroEL и DnaK.

Рис.1

Вторая стадия реакции  катализируется сложным белковым комплексом, расположенным в цитоплазматической мембране - транслоказой. Транслоказа  содержит пронизывающий мембрану канал, состоящий из субъединиц трех белков, SecY, SecE и SecG. Эти три белка являются интегральными мембранными белками, составляющими структурную основу транслоказы - каркас или раму. SecY -интегральный мембранный белок (10 НТМ - стр-ра подобная мембр транспортерам, напр, LacY). SecE имеет  три трансмембранных сегмента, SecD и SecF - шесть. А «мотором» транслокационный машины служит АТФаза SecA. Этот белок  уникален для бактерий - эукариоты  используют другую транслокационную АТФазу. SecA - большая вытянутая димерная молекула, содержащая два домена -амино-концевой АТФазный и карбокси-конец, необходимый  для димеризации. Карбокси-концевой домен позволяет SecA связаться с SecYEG, что создает функциональную основу транслоказы. Дополнительные субъединицы  транслоказы SecD и SecF оптимизируют секреторную  реакцию. Источником энергии для  секреции служит АТФ и протондвижущая сила (ускоряет транслокацию).

Бактериальные системы  секреции

   Для секреции белков  бактериальные  клетки  используют  различные  системы секреции в зависимости от строения и  конечной  локализации  белка.  Поэтому является необходимым  приведение  небольшого  обзора  систем  секреции  всех типов.

   Секреция первого  типа. Аппарат этой системы секреции  устроен относительно просто. Он включает в себя три  компонента  белковой  природы.  Эта  система является Sec-независимой и осуществляет секрецию субстратов  непосредственно из цитоплазмы в одну стадию без  периплазматических  посредников.  По  этому пути  секретируются  токсины,  протеазы,  липазы,   антибиотики   и   другие соединения (D. Thanassi et al., 2000).

   Секреция второго  типа. Эта система секреции устроена уже довольно сложно. Характерной особенностью является ее разделение  на  две  части  и  секреция субстратов  в   две   стадии.   Первая   часть,   называемая   Sec-системой, экспортирует белки  через  цитоплазматическую  мембрану,  далее  белки  либо остаются  в  периплазме,   либо   секретируются   через   внешнюю   мембрану посредством терминальных компонентов системы секреции (S.  Lory,  1998).  По этому пути секретируются такие белки, как  пектатлиазы,  пектинметилэстеразы и  целлюлазы  рода  Erwinia,  целлюлаза,  протеаза  и амилаза   Xanthomonas campestris, липаза, фосфолипаза,  эластаза,  энтеротоксин  А у Pseudomonas aeruginosa, амилаза и протеаза Aeromonas hydrophila,  хитиназа,  протеаза  и холерный токсин Vibrio cholerae (J. Hacker at al., 2000). В связи с большим количеством и разнообразием субстратов,  секретируемых  через  этот  аппарат секреции,  его  называют  “общим  секреторным  путем”   (General   Secretory Pathway, GSP).

   Секреция третьего  типа. Этот тип секреции, подобно  первому типу, является независимым от Sec-системы. Характерной особенностью его  является  доставка субстратов    (факторов    вирулентности)    непосредственно    в     клетку эукариотического хозяина,  также  наличие  большого  количества  секреторных шаперонов. Сам аппарат включает в себя около двадцати белковых  компонентов, большая часть которых расположена во внутренней  мембране,  и  по  структуре довольно схож  с  системой  сборки  жгутика.  Посредством  системы  секреции третьего  типа  экспортируются  многие   факторы   вирулентности   патогенов человека  и  животных,  а  также  Avr-белки,  харпины   и   другие   факторы вирулентности фитопатогенных бактерий (J. Hacker еt al., 2000).

   Секреция четвертого  типа. Аппарат секреции  четвертого  типа  состоит  из двух  компонентов:  конъюгационного   канала,   через   который   происходит транслокация  субстратов,  и  конъюгационного   пилюса,   необходимого   для контакта с реципиентной клеткой. Строение этой системы  секреции  сходно  со строением аппарата конъюгации некоторых плазмид. Она также обладает  широкой специфичностью  как  субстратов  (экспортируются  крупные   нуклеопротеидные комплексы, сложные белковые токсины, мономерные белки), так  и  реципиентов, т.к. ими могут служить практически все живые организмы (S. Lory, 1998).

   Секреция пятого  типа. В некоторых публикациях  именуется системой секреции четвертого типа.  Эта  система  секреции  включает  в  себя  группу  белков, называемых автотранспортерами, к числу  которых  относятся:  протеазы  (IgA)Neiseria    gonorrhoeae,   цитотоксин    (Vac)     Helicobacter     pylori.

Автотранспортеры  экспортируются   из   цитоплазмы   через   Sec-систему   с отщеплением сигнальной аминоконцевой последовательности.  Некоторые  из  них могут оставаться заякоренными в клеточной стенке, другие  же  экспортируются непосредственно во внеклеточное пространство (J. Hacker еt al., 2000).

Распределение белков по компартментам клетки эукариот

У эукариотической клетки таких отсеков несколько, эти  клетки поделены на функционально различные, окруженные мембранами области (компартменты). Каждый компартмент, или органелла, имеет свой собственный набор  ферментов и других специализированных молекул; существуют и сложные системы  распределения, проводящие специфические  продукты из одного компартмента в  другой. Чтобы разобраться в строении эукариотической клетки, необходимо знать, что происходит в каждом из ее компартментов, какие молекулы курсируют  между ними и как возникают  и сохраняются сами компартменты.

 Центральную роль в  компартментации эукариотической  клетки играют белки. Они катализируют  реакции, протекающие в каждой  органелле, и избирательно переносят  малые молекулы внутрь органеллы  и из нее. Белки также служат  специфичными для органелл поверхностными  маркерами, которые направляют  новые партии белков и липидов  к соответствующим компартментам.  Клетка млекопитающих содержит  около 10 миллиардов (1010) молекул белков  примерно 10000 разных типов, синтез  почти всех этих белков начинается  в цитозоле - общем пространстве, окружающем все органеллы. Каждый  вновь синтезированный белок  затем специфически доставляется  в тот клеточный компартмент,  который в нем нуждается. Прослеживая  путь белка из одного компартмента  в другой, можно разобраться в  запутанном лабиринте клеточных  мембран.

2.1 Котрансляционная  транслокация белков в полость  эндоплазматического ретикулума

Транспорт белков в ЭПР  осуществляется по мере их синтеза, так  как рибосомы, синтезирующие белки  с сигнальной последовательностью  для ЭПР, «садятся» на специальные  транслокационные комплексы на мембране ЭПР. Сигнальная последовательность для  ЭПР включает обычно 5-10 преимущественно  гидрофобных аминокислот и расположена  на N-конце белка. В ее удаленном  от конца части имеется консенсусная последовательность, узнаваемая специфической  протеазой. Эта сигнальная последовательность опознаётся специальным комплексом — «опознающей сигнал частицей» (signal-recognition particle, SRP). В состав SRP входит шесть белков и короткая молекула РНК [1]. Один участок SRP связывает сигнальную последовательность, а другой связывается  с рибосомой и блокирует трансляцию. Отдельный домен SRP отвечает за связывание с SRP-рецептором на мембране ЭПР.

 Вместе с SRP рибосома  перемещается к ЭПР и связывается  с рецептором SRP (интегральным белком) на цитозольной стороне мембраны  ЭПР. Этот комплекс (рибосома —  SRP — рецептор SRP) связывается с  порой — транслокатором белка  на мембране ЭПР. Обычно с  мРНК связаны несколько рибосом,  и на мембране ЭПР сидят  полирибосомы, причем каждая рибосома  присоединена к своей поре. Дойдя  до 3'-конца мРНК, рибосома возвращается  в цитоплазму, однако мРНК удерживается  у мембраны ЭПР за счет того, что новые рибосомы, вязанные  с SRP, присоединяются к ее 5'-концу.

 После связывания с  транслокатором комплекс SRP — рецептор SRP отделяется от рибосомы, и это  приводит к возобновлению трансляции. Сейчас доказано, что белок по  мере трансляции проникает в  ЭПР через водный канал транслокатора,  имеющий воротный механизм и  сформированный у эукариот четырьмя  субъединицами комплекса Sec61 (гомологичные  белки есть и на мембранах  бактериальных клеток).

 После возобновления  трансляции гидрофобный участок  сигнальной последовательности  остается связан с транслокатором, а вновь синтезируемый белок  в виде петли проталкивается  внутрь ЭПР. Этот процесс не требует дополнительных затрат энерги АТФ. После того, как С-конец белка отделяется от рибосомы и оказывается внутри ЭПР, протеаза сигнального пептида отрезает его от белка. Белок внутри ЭПР сворачивается, приобретая нормальную конформацию, а сигнальный пептид через открывшийся в транслокаторе боковой канал перемещается в липидный бислой мембраны ЭПР, где быстро разрушается протеазами.

 Попавший в ЭПР белок  остается в этой органелле,  если имеет специальную «удерживающую  в ЭПР» (ER-retaining) последовательность  из четырех аминокислот на  С-конце. Некоторые из остающихся  в ЭПР белков играют важную  роль в сворачивании и посттрансляционной  модификации проходящих через  ЭПР белков. Так, фермент дисульфид-изомераза  катализирует окисление свободных  SH-групп цистеина и образование  дисульфидных связей, в белок-шаперон  BiP препятствует неправильному сворачиванию  и агрегации белков до образования  ими четвертичных структур, а  также способствует удержанию  связанных с ним белков в  ЭПР.

В направлении сигнального  пептида к мембране ЭР участвуют  SRP - частица, распознающая сигнал (a signal-recognition particle) и ее рецептор, известный также как  стыкующий белок.

2.2 SRP-частица и ее рецептор.

 Частица, распознающая  сигнал, связывается с сигнальным  пептидом, как только он "сходит" с рибосомы. Это приводит к  временной остановке синтеза белка. Возникшая пауза в трансляции, вероятно, дает возможность рибосоме связаться с мембраной ЭР до того, как синтез полипептидной цепи будет завершен. Благодаря этому ненужного высвобождения белка в цитозоль не происходит.