Транспорт белков

 Пауза в трансляции  длится до тех пор, пока захватившая  рибосому частица не свяжется  с SRP-рецептором, находящемся на  цитоплазматической стороне мембраны  шероховатого ЭР. Он взаимодействует  с SRP-связанными рибосомами таким  образом, что частица меняет  свое положение, и трансляция  возобновляется. Одновременно рибосома  связывается с мембраной ЭР, и  растущая на ней полипептидная  цепь переносится к системе  транслокации в мембране. Эта  система изучена плохо, известно  только, что она включает белок-рецептор  второго сигнального пептида,  отличающийся от SRP. По- видимому, ее  роль заключается в связывании  рибосомы, на которой синтезировался  сигнальный пептид ЭР, с мембраной  ЭР; участвует она и в последующем  переносе белка через мембрану.

2.3 Модификация белков в полость ЭПР

Карбоксильный конец некоторых  белков плазматической мембраны с помощью  специфических ферментов ковалентно присоединяется к остатку сахара в гликолипиде. Механизм образования  этой связи представлен на рис.2 встраивание  белков в мембрану ЭР. Установлено, что при этом к белку добавляется  гликозилированная молекула  фосфатидилинозитола, содержащая две жирных кислоты. Такая  модификация обнаружена для большого числа белков плазматической мембраны, включая одну из форм адгезивного  белка нейронов .

Рис.2

3. Транспорт белков в митохондрии

Белки, импортируемые в  митохондриальный матрикс, обычно поступают  из цитозоля в течение одной - двух минут после их отделения от полирибосом. Белки переносятся в матрикс  митохондрии через  зоны слипания , связывающие внешнюю и внутреннюю мембраны. Для этого переноса требуется  гидролиз ATP, а также электрохимический  градиент на внутренней мембране.

 Транспортируемый белок  разворачивается, когда пересекает  митохондриальные мембраны. Поскольку  в развернутом состоянии и  водорастворимые и гидрофобные  белки имеют сходную структуру,  они могут быть перенесены  с помощью общего механизма.  Предполагается, что гидролиз ATP обеспечивает  энергией разворачивание молекулы  белка и что для этой реакции  разворачивания необходимы некоторые  гены семейства  hsp70 .

 Белки, импортируемые в  митохондриальный матрикс, почти всегда несут на N-конце сигнальный пептид длиной от 20 до 80 аминокислотных остатков. После поступления белка в митохондрию сигнальный пептид быстро удаляется при помощи специфической протеазы (сигнальной пептидазы ) матрикса и затем, вероятно, деградирует в матриксе до аминокислот. Сигнальный пептид может быть исключительно простым. На втором этапе транспорта белок может переноситься во внутреннюю мембрану. Для этого он должен иметь еще гидрофобный сигнальный пептид; этот пептид открывается после удаления первого сигнала.

 Во  внешней мембране  митохондрий имеется одна необычная  стуктура (она напоминает внешнюю  мембрану грамоотрицательных бактерий), липидный слой которой содержит  большие количества образующего  поры белка -  порина . По этой  причине внешняя мембрана свободно  проницаема для неорганическимх  ионов и метаболитов и для  молекул белков размером меньше 10 кДа. Но для больших по  размеру белков внешняя мембрана  является барьером и поэтому  помогает удержать белки межмембранного  пространства от утечки обратно  в цитозоль.

 Импорт кодируемых  ядерным геномом белков в митохондрии  - сложный мультистадийный процесс  [ Schatz G., Dobberstein В., 1996 ,  Neupert W., 1997 ,  Pfanner N. et al., 1997 ,  Whelan J., Glazer E., 1997 ]. Наряду  с основным направлением импорта  белков - в матрикс митохондрий  - существуют пути импорта белков  в другие митохондриальные субкомпартменты.

ТРАНСПОРТ БЕЛКОВ В ХЛОРОПЛАСТЫ

 Транспорт нуклеиновых  кислот (ДНК или РНК) через мембраны  оболочки хлоропластов неизвестен, тогда как транспорт белков  из цитоплазмы в хлоропласт  происходит очень активно. Без  него было бы невозможно построение  внутренней структуры хлоропласта.  При этом одни белки, синтезированные  в цитоплазме для хлоропласта,  встраиваются в мембраны хлоропластной  оболочки, другие направляются в  строму, третьи встраиваются в  тилакоидные мембраны или, проходя  через них, оказываются во внутреннем  пространстве "тилакоидного мешка".

 Как же белки проникают  через две мембраны оболочки  хлоропласта? И как они находят  свой адрес внутри хлоропласта?  Как выяснилось, в ядерных генах,  кодирующих хлоропластные белки,  записана информация не только  об их структуре, но и об  их локализации в хлоропласте.  Адрес белка содержится в специальной  транзитной аминокислотной последовательности, локализованной в начале синтезируемой  белковой цепи хлоропластного  белка (на N-конце) и состоящей  для белков стромы примерно  из 40, а для белков тилакоидов  более чем из 80 аминокислотных  остатков. Транзитная последовательность  находит рецептор на наружной  мембране хлоропласта (в англоязычной  литературе используется термин "причальный комплекс") и обеспечивает  прохождение через нее полипептида.  Затем специальный фермент стромы, специфическая пептидаза (signal peptidase), узнает транзитную последовательность  и отрезает ее от белка, гидролизуя  всего лишь одну пептидную  связь. Освобожденный от транзитного  пептида белок встраивается в  соответствующие ферментные комплексы  в строме, например при формировании  РБФК. Если же белок предназначен  для тилакоидной мембраны, дополнительная  сигнальная последовательность  помогает ему найти свое место  в этой мембране или даже  пройти через нее. После этого  дополнительная сигнальная последовательность  отрезается от белка пептидазой  тилакоида, которая гидролизует  одну пептидную связь, соединяющую  сигнальную последовательность  с основным белком. Так происходит  доставка хлоропластных белков  к месту их действия.

Сигналы для сортировки белков

Транспорт белков в хлоропласты во многих отношениях напоминает транспорт в митохондрии: и тот, и другой процесс происходят после трансляции, и тот. и другой нуждаются в энергии, и в том. и в другом случае используются гидрофильные N-концевые сигнальные пептиды, которые затем удаляются. Однако имеется по крайней мере одно важное отличие: в митохондриях для проведения этого транспорта используется еще электрохимический градиент на их внутренней мембране. В хлоропластах же, где электрохимический градиент имеется не на внутренней мембране, а на мембране тилакоида, по-видимому, для транспорта через внешнюю двумембранную оболочку в качестве источника энергии используется только гидролиз АТР.

Сигнальные пептиды для  переноса белков в хлоропласты напоминают раннее описанные пептиды для  импорта в митохондрии. Но в растительных клетках имеются и митохондрии, и хлоропласты, и соответственно, белки должны «выбирать» между ними Например, в растительных клетках  бактериальный фермент, присоединенный (методами генной инженерии) к N-концевой последовательности митохондриального белка, направляется в митохондрии. Хлоропласты содержат еще один окруженный мембраной компартмент - тилакоид. Множество белков хлоропластов, включая белковые субъединицы фотосинтетической системы и АТР-синтетазы. импортируются в мембрану тилакоида из цитозоля. Подобно некоторым митохондриальным белкам-предшественникам, эти белки доставляются к мест> назначения в два этапа. Сначала они проникаю! через двумембранную оболочку в матрикс хлоропласта (называемый стромой), а затем переносятся в мембрану тилакоида (или сквозь нее в тилакоидное пространство). Предшественники этих белков имеют кроме N-концевого сигнального пептида для хлоропластов еще гидрофобный тилакоидный сигнальный пептид. После того, как белок с помощью N-концевого сигнального пептида проникает в строму, этот пептид удаляется стро-мальной протеазой (аналогичной протеазе матрикса митохондрий). В результате открывается тилакоидный сигнальный пептид, который затем инициирует транспорт через мембрану тилакоида. Как и в митохондриях, этот второй этап служит для встраивания собственных белков хлоропласта в мембрану тилакоида; необходимый для этого белок-транслокатор, вероятно, происходит от бактериального предка хлоропластов.

Сигнальные пептиды —  это короткие участки, расположенные  на N- и С-концах, реже — в центральной  части полипептидной цепи. Эти  фрагменты имеют характерные  физико-химические свойства, такие, как  гидрофобный характер, наличие положительного или отрицательного заряда, более  важные в функциональном отношении, чем аминокислотная последовательность. Сигнальные участки представляют собой  трехмерные структуры на поверхности  белка, составленные из различных фрагментов одной и той же или нескольких пептидных цепей. На схеме показаны некоторые из известных сигнальных последовательностей и сигнальных участков. Последовательности даны с  использованием однобуквенного кода для аминокислот. Например, последовательность KDEL-COO- (2) определяет сродство белка к мембране ШЭР.

Сигнальные пептиды (участки) — это структурные сигналы, которые  могут быть прочитаны клеткой  двумя способами. Обычно они узнаются и связываются рецепторами, локализованными  в мембранах органелл. Затем рецепторы  при участии белков-посредников  переносят связанные белки энергозависимым  образом через мембраны в соответствующие  органеллы, обеспечивая селективность  переноса.

Сигнальные пептиды, расположенные  на N- или С-концах полипептидной  цепи, после выполнения своей функции  удаляются специфичными гидролазами. На схеме эти ферменты показаны в  виде ножниц. При наличии в белке  нескольких сигнальных последовательностей  они удаляются поочередно. Это  имеет место, например, в случае импорта  белков в митохондрии и хлоропласты, когда большинству белков приходится последовательно проходить через  несколько мембран.

3.1 Транспорт белков  через ядерные поры.

В ядро белки попадают через  ядерные поры. Через ядерную пору может одновременно транспортироваться до 500 макромолекул в обоих направлениях. Белки (пептиды) с молекулярной массой до 5.000 дальтон свободно диффундируют через ядерные поры. Путем пассивного транспорта (диффузии) через поры могут  проникать белки с молекулярной массой до 60.000 дальтон.

Из более крупных белков в ядро попадают только обладающие сигнальной последовательностью для  ядра (это один или два коротких участка белка, богатых остатками  положительно заряженных аминокислот - аргинина или лизина). С этой последовательностью  связываются специальные белки- рецепторы импорта в ядро (иногда с помощью дополнительных адаптерных белков). Рецепторы импорта в ядро связываются также с компонентами ядерных пор. Энергию для транспорта обеспечивает гидролиз ГТФ, осуществляемый малыми мономерными ГТФ-азами - Ran-белками. В цитоплазме Ran-белок находится  в связанном с ГДФ виде, так  как в цитоплазме локализованы Ran-GAP белки (белки-активаторы ГТФ-азной активности Ran), а в ядре Ran-белок находится  в связанном с ГТФ виде, так  как в ядре локализован белок, обеспечивающий обмен ГДФ на ГТФ. Ran-ГТФ, связываясь на внутренней стороне  ядреной поры с "нагруженным" рецептором импорта в ядро, обеспечивает его  прохождение внутрь ядра и разгрузку. Затем рецептор с присоединенным Ran-ГТФ выходит в цитоплазму, где GAP-белок вызывает гидролиз ГТФ и  отделение Ran-ГДФ от рецептора импорта  в ядро.

Аналогичный механизм обеспечивает экспорт белков из ядра, только эти  белки должны обладать иной сигнальной последовательностью, с которой  связываются рецепторы экспорта из ядра (белки, сходные по структуре  с рецепторами импорта).

Список литературы

1. Албертс, Б. Молекулярная биология клетки: В 3-х т. 2-е изд. перераб. М75 и доп. Т. 2.: Пер. с англ.- М.: Мир, 1993.-539 с.
2. 1. H. Akatsuka, R. Binet, E. Kawai, C. Wandersman, and K.  Omori.  Lipase secretion  by  bacterial  hybrid   ATP-Binding   Cassette   Exporters: molecular recognition of the LipBCD, PrtDEF, and HasDEF exporters.  // Journal of bacteriology. - 1997. – Vol. 179. №15 - Р. 4754–4760.
3. R. Binet, S. Leґtoffe, J. M. Ghigo,  P.  Delepelaire,  C.  Wandersman. Protein secretion by Gram-negative bacterial ABC exporters – a review.  // Gene. - 1997. – Vol. 192. - Р. 7–11.
4. W. H.  Bingle,  J.  F.  Nomellini,  and  J.  Smit.  Secretion  of  the Caulobacter crescentus S-Layer potein: further localization of the  C-terminal secretion signal and its use  for  secretion  of  recombinant proteins. // Journal of bacteriology. - 2000. – Vol. 182.  №11.  -  Р. 3298–3301.
5. P. Delepelaire, C. Wandersman. The SecB chaperone is involved  in  the   secretion of the Serratia  marcescens  HasA  protein  through  an  ABC  transporter. // EMBO J. - 1998. - Vol. 17. №4. - P. 936–944.
6. M. J. Fath, R.  Kolter.  ABC  Transporters:  Bacterial  Exporters.  // Microbiological reviews. -1993. – Vol. 57. №4. -  Р. 995–1017.
7. J. Hacker, J. B. Kaper. Pathogenicty  islands  and  the  evolution  of   microbes. // Annu. Rev. Microbiol. - 2000. – Vol. 54. - Р. 641–79.