11.2: Торгівля білками
- Page ID
- 3533
Ідея про те, що пропептидні послідовності мають важливі функції в дозріванні білка, окрім того, щоб просто утримувати їх від активності, не є винятковою для складання. Основним класом розщеплених пептидних послідовностей є сигнальні пептиди. Сигнальні пептиди направляють білок з цитоплазми в конкретний клітинний відсік. У випадку з прокаріотами це, по суті, означає клітинну мембрану, але для еукаріотів існують специфічні сигнальні пептиди, які можуть направляти білок в ядро, в мітохондрії, в ендоплазматичний ретикулум та інші внутрішньоклітинні органели. Пептиди спеціально розпізнаються рецепторами на мембранах певних відсіків, які потім допомагають направляти введення білка в мембрану або через неї. Майже весь синтез білка в еукаріотів здійснюється в цитоплазмі (за винятком декількох білків в хлоропластах і мітохондріях), тому білки, знайдені в будь-якому іншому відсіку або вбудовані в будь-яку мембрану, повинні бути цільовими і транспортовані в цей відсік за його сигнальною послідовністю.
Хоча це в першу чергу вважається еукаріотичним процесом, враховуючи, що існує так багато потенційних цілей, прокаріоти мають мембранні білки (насправді, близько 800 різних в кишковій паличці, що містять ~ 20% загального білка), і вони розміщуються там за допомогою інсертазних ферментів, таких як YiDc і такі комплекси, як Sec транслоказа. Транслоказа Sec використовує частинку розпізнавання сигналу (SRP), подібну до еукаріотів, і буде розглянуто пізніше в цьому розділі, коли буде введений SRP. YiDC, який має еукаріотичні гомологи (наприклад, Oxa1 в мітохондріях), являє собою трансмембранний білок 61 кДа, який поміщається в мембрану за допомогою транслоказного механізму SRP-Sec. Потрапивши туди, YiDc взаємодіє з зароджуються поліпептидами (як тільки вони досягають ~ 70 амінокислот довго), які почали взаємодіяти з ліпідами клітинної мембрани, і проштовхує білок в/через мембрану.
Ядро є одним з таких відсіків, і приклади білків, виявлених всередині, включають полімерази ДНК та РНК, фактори транскрипції та гістони. Ці та інші ядерні білки мають N-термінальну послідовність сигналу, відому як NLS, або сигнал ядерної локалізації. Це добре вивчений шлях, який передбачає набір імпортних білків-адаптерів і комплекс ядерних пор (рис.\(\PageIndex{3}\)). Транспортування в ядро є особливо складним, оскільки воно має подвійну мембрану (пам'ятайте, що вона суміжна з мембраною ендоплазматичної ретикулума. Хоча існують інші механізми виготовлення білків, які вбудовані в ядерну мембрану, основним механізмом імпорту та експорту великих молекул в і з самого ядра є комплекс ядерних пор. Комплекс дуже великий і може бути складений з понад 50 різних білків (нуклеопоріни, іноді звані нупсами). Нуклеопоріни збираються у велику відкриту восьмикутну пору через ядерні мембрани. Як\(\PageIndex{3}\) показує малюнок, на цитоплазматичному обличчі є антеноподібні фібрили, і вони допомагають направляти білки від їх походження в цитоплазмі до ядерної пори, а на ядерній стороні є структура кошика. Звичайно, не всі білки пускаються в ядро, і механізм розрізнення відповідних мішеней простий. Білок повинен нести сигнал ядерної локалізації (НЛС). Перебуваючи в цитоплазмі, імпортно-α білок зв'язується з НЛС ядерного білка, а також зв'язується з імпортним-β. Імпорт-β розпізнається і пов'язаний ядерним порним комплексом. Деталі транспортного механізму мутні, але фенілаланін-гліцин повторюється в нуклеопоринних субодиницях (FG-NUP), як вважають, беруть участь.
Після того, як агрегат імпорту нуклеопротеїну переміщується в ядро, RAN-GTP, невелика GTpase, викликає дисоціацію агрегату (рис.\(\PageIndex{3}\) С). Імпортний білок вивільняється в ядрі. Імпорти також вивільняються в ядрі, але вони знову експортуються назад для повторного використання з іншим білком, орієнтованим на ядро.
Механізми малої GTpase активації інших процесів будуть розглянуті знову більш докладно в наступних розділах (цитоскель- етон, сигналізація). Ключ до розуміння механізму полягає в тому, щоб пам'ятати, що GTPase гідролізує GTP до ВВП, але все ще тримається за ВВП. Хоча GTPase буде гідролізувати GTP спонтанно, білок, активуючий GTPASE, GAP (або Ran-gap в цьому випадку) значно прискорює швидкість гідролізу. Для того, щоб повернути систему назад до GTP, ВВП не повторно фосфорилюється: його обмінюють на новий GTP. Обмін значно полегшується дією допоміжного білка, гуанін-нуклеотидного обмінного фактора (ФГОС), в даному конкретному випадку - RAN-ГЕФ.
Експорт з ядра в цитоплазму також відбувається через ядерну пору. Ran-GTP також є частиною експортного комплексу (рис.\(\PageIndex{3}\) d), і в поєднанні з експортним білком і тим, що потрібно експортувати, переміщується з ядра через ядерну пору. Потрапивши в цитоплазму, гідроліз GTP до ВВП Ran (активований Ran-gap, цитоплазматичним білком) забезпечує енергію для дисоціації вантажу (наприклад, мРНК) від експортних транспортних молекул. RAN-ВВП потім зв'язується з імпортіни, знову потрапляє в ядро, а ВВП обмінюється на GTP.
Ядерна пора є єдиним транспортним комплексом, який охоплює подвійні мембранні шари, хоча в подвійних мембранних органелах є узгоджені пари транспортних комплексів, таких як мітохондрії. Транспортні білки зовнішньої мембрани мітохондрій зв'язуються з транспортними білками у внутрішній мембрані мітохондрій для переміщення пов'язаних з матрицею білків (наприклад, тих, хто бере участь у циклі TCA) з цитоплазми. Комплекси, які переміщують білки через зовнішню мембрану, складаються з сімейства білків Tom (зовнішня мембрана транслокатора). Деякі з білків залишаться вбудованими у зовнішню мембрану: вони обробляються комплексом SAM (сортувально-монтажних машин), також вбудованим у зовнішню мембрану). Тим часом інші продовжують білки Тіма (транслокатора внутрішньої мембрани), які переміщують їх через внутрішню мембрану. Як і у випадку з ядерними білками, існує консенсусна послідовність сигналів на мітохондріальних білках, яка пов'язана цитозольними шаперонами, які приносять їх до транспортерів Тома. Як показано в таблиці нижче, існують сигнальні послідовності/пропептиди, які орієнтовані на білки в кілька інших відділень.
Особливе значення для решти цієї глави має послідовність націлювання білків до ендоплазматичної сітки, і, крім того, будь-які білки, призначені для ER, апарату Гольджі, клітинної мембрани, везикули та бульбашкові відсіки, а також секреції з клітини. Тут, крім послідовності сигналу N-терміналу, положення вторинних внутрішніх послідовностей сигналів (іноді їх називають сигнальними патчами) допомагає визначити розташування білка, коли він потрапляє в ER.
Початкова вставка вимагає розпізнавання послідовності сигналу SRP, білком розпізнавання сигналу. SRP - це G-білок і обмінює свій пов'язаний ВВП на GTP при зв'язуванні з послідовністю сигналів білка. SRP з приєднаним білком потім приєднується до рецептора (званого рецептором SRP, досить дивно), вбудованим в мембрану ER і поширюється в цитоплазму. SRP зазвичай зв'язується, як тільки послідовність сигналу доступна, і коли він робить це, він затримує трансляцію, поки він не стикується з мембраною ER. До речі, це походження «шорсткого» ендоплазматичного ретикулума: рибосоми, що шипують ЕР, прикріплюються до цитоплазматичної поверхні ER зароджується поліпептидом, який він виробляє, і SRP. Рецептор SRP може існувати самостійно або в асоціації з транслоконом, який є двостороннім транслокаційним каналом. Рецептор SRP (SR) також є GTpase, і зазвичай несе молекулу ВВП, коли вона не пов'язана. Однак при асоціації з транслоконом він обмінює свій ВВП на GTP. Ці GTP важливі, оскільки, коли SRP зв'язується з SR, активуються обидві дії GTpase, і результуючий вивільнення енергії дисоціює як від транслокона, так і від зароджується поліпептиду. Це знімає блок на переклад, накладений SRP, і новий білок проштовхується через транслокон, коли він синтезується. Після того, як послідовність сигналу повністю увійшла в просвіт ER, вона виявляє місце розпізнавання сигнальної пептидази, гідролітичного ферменту, який знаходиться в просвіті ER і метою якого є відсікання сигнального пептиду.
Прокаріоти також використовують гомолог SRP. У кишковій паличці SRP простий, складається з однієї білкової субодиниці (Ffh) та невеликої 4.5S РНК. Для порівняння, деякі вищі еукаріоти мають SRP, що складається з шести різних субодиниць білків та 7S РНК. Аналогічно існує простий прокаріотичний гомолог до рецептора SRP, FtSy. Цікава відмінність полягає в тому, що FTSy зазвичай не взаємодіє з експортованими білками, і, здається, необхідні лише для вбудованих в мембрану білків. В іншому випадку існує багато подібностей у механізмі введення мембранних білків на основі SRP в еукаріотичні та прокаріотичні види, включаючи залежність GTP та завершення механізму транслоказом (SecyEg в E. coli).
Якщо це була єдина сигнальна послідовність в білку, залишок білка синтезується і проштовхується через транслокон і розчинний білок осідає в просвіті ER, як показано на малюнку\(\PageIndex{4}\). А як щодо білків, які вбудовані в мембрану? Трансмембранні білки мають внутрішні сигнальні послідовності (іноді їх називають сигнальними патчами). Залежно від їх відносних місць розташування вони можуть розглядатися або початком -перенесенням, або зупинкою -передачею послідовності, де «передача» відноситься до транслокації пептиду через транслокацію через транслокон. Це найпростіше зрозуміти, звернувшись до рис\(\PageIndex{5}\).
Якщо існує значна розтяжка переважно безперебійних гідрофобних залишків, це буде вважатися сигналом стоп-передачі, оскільки ця частина білка може застрягти в транслоконі (а згодом і мембрані ER), змушуючи решту білка залишатися поза ER. Це генерує білок, який вставляється в мембрану один раз, з його N-кінцем у просвіті ER та C-кінцем у цитоплазмі. У багатопрохідному трансмембранному білку може бути кілька пускових і стоп-передачі гідрофобних сигнальних патчів.
Спираючись на однопрохідному прикладі, якщо після послідовності зупинки-передачі був інший патч сигналу, він буде діяти як послідовність пуску-передачі, приєднуючись до транслокона і дозволяючи залишку білка переміщати в ER. Це призводить до того, що білок як з N-, так і C- termini в просвіті ER, проходячи через мембрану ER двічі, і з цитоплазматичної петлею стирчить назовні. Звичайно, N-кінцевий може бути з іншого боку. Для цитоплазматичного N-кінцевого білка не може мати N-кінцеву послідовність сигналу (рис.\(\PageIndex{7}\)). Натомість він має внутрішній патч сигналу. Він грає по суті ту ж роль, але орієнтація пластиру означає, що N-термінал залишається цитоплазматичним. Поліпептид, що перекладається після того, як пластир подається в ЕР. І так само, як і в останньому прикладі, множинні стоп- і стартові послідовності можуть знову вставити білок в мембрану і змінити облицювання наступної порції.
