stringtranslate.com

Нацеливание на белок

Нацеливание на белки или сортировка белков — это биологический механизм , с помощью которого белки транспортируются к соответствующим местам назначения внутри или за пределами клетки. [1] [2] [примечание 1] Белки могут быть направлены во внутреннее пространство органеллы , различные внутриклеточные мембраны , плазматическую мембрану или наружу клетки посредством секреции . [1] [2] Информация, содержащаяся в самом белке, управляет процессом доставки. [2] [3] Правильная сортировка имеет решающее значение для клетки; ошибки или дисфункции при сортировке были связаны с множеством заболеваний. [2] [4] [5]

История

Гюнтер Блобель получил Нобелевскую премию по физиологии 1999 года за открытие того, что белки содержат внутренние сигнальные последовательности.

В 1970 году Гюнтер Блобель провел эксперименты по транслокации белков через мембраны . Блобель, тогда доцент Рокфеллеровского университета , опирался на работу своего коллеги Джорджа Паладе . [6] Паладе ранее продемонстрировал, что несекретируемые белки транслируются свободными рибосомами в цитозоле, тогда как секретируемые белки (и целевые белки в целом) транслируются рибосомами, связанными с эндоплазматическим ретикулумом . [6] Кандидатские объяснения в то время постулировали разницу в обработке свободных и связанных с ER рибосомами, но Блобель предположил, что нацеливание на белок основано на характеристиках, присущих белкам, а не на различиях в рибосомах. В подтверждение своей гипотезы Блобель обнаружил, что многие белки имеют на одном конце короткую аминокислотную последовательность , которая действует как почтовый индекс, указывающий внутриклеточное или внеклеточное место назначения. [3] Он описал эти короткие последовательности (обычно от 13 до 36 аминокислотных остатков) [1] как сигнальные пептиды или сигнальные последовательности и был удостоен за это Нобелевской премии по физиологии в 1999 году. [7]

Сигнальные пептиды

Сигнальные пептиды служат сигналами-мишенями, позволяя механизму клеточного транспорта направлять белки в определенные внутриклеточные или внеклеточные места. Хотя для сигнальных пептидов не выявлено консенсусной последовательности , многие из них, тем не менее, обладают характерной трехсторонней структурой: [1]

  1. Положительно заряженная гидрофильная область вблизи N-конца.
  2. Диапазон от 10 до 15 гидрофобных аминокислот вблизи середины сигнального пептида.
  3. Слегка полярная область вблизи С-конца, обычно отдающая предпочтение аминокислотам с меньшими боковыми цепями в положениях, приближающихся к месту расщепления.

После того, как белок достиг места назначения, сигнальный пептид обычно расщепляется сигнальной пептидазой . [1] Следовательно, большинство зрелых белков не содержат сигнальных пептидов. Хотя большинство сигнальных пептидов расположены на N-конце, в пероксисомах направляющая последовательность расположена на С-концевом участке. [8] В отличие от сигнальных пептидов, сигнальные участки состоят из аминокислотных остатков, которые прерывисты в первичной последовательности , но становятся функциональными, когда сворачивание объединяет их на поверхности белка. [9] В отличие от большинства сигнальных последовательностей, сигнальные участки не расщепляются после завершения сортировки. [10] В дополнение к внутренним сигнальным последовательностям, модификации белков , такие как гликозилирование, также могут вызывать нацеливание на определенные внутриклеточные или внеклеточные области.

Транслокация белка

Поскольку трансляция мРНК в белок с помощью рибосомы происходит внутри цитозоля , белки , предназначенные для секреции или конкретной органеллы , должны быть транслоцированы. [11] Этот процесс может происходить во время трансляции, известный как котрансляционная транслокация, или после завершения трансляции, известный как посттрансляционная транслокация. [12]

Котрансляционная транслокация

Обобщенный обзор нацеливания на белки, который иллюстрирует котрансляционную транслокацию в эндоплазматический ретикулум и посттрансляционную транслокацию в указанные места. Если нацеливающая последовательность отсутствует, то синтезированный белок останется в цитозоле.

Большинство секреторных и мембраносвязанных белков транслоцируются котрансляционно. Белки, которые находятся в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), аппарате Гольджи или эндосомах , также используют путь котрансляционной транслокации. Этот процесс начинается во время синтеза белка на рибосоме, когда частица распознавания сигнала (SRP) распознает N-концевой сигнальный пептид образующегося белка. [13] Связывание SRP временно приостанавливает синтез, в то время как рибосомно-белковый комплекс переносится на рецептор SRP на ЭР у эукариот и на плазматическую мембрану у прокариот . [14] Там зарождающийся белок вставляется в транслокон , мембраносвязанный белковый проводящий канал, состоящий из транслокационного комплекса Sec61 у эукариот и гомологичного комплекса SecYEG у прокариот. [15] В секреторных белках и трансмембранных белках типа I сигнальная последовательность немедленно отщепляется от образующегося полипептида, как только он транслоцируется в мембрану ЭР (эукариоты) или плазматическую мембрану (прокариоты) с помощью сигнальной пептидазы . Сигнальная последовательность мембранных белков типа II и некоторых политопных мембранных белков не отщепляется и поэтому называется сигнальными якорными последовательностями. Внутри ЭР белок сначала покрывается белком-шапероном, чтобы защитить его от высокой концентрации других белков в ЭР, давая ему время правильно свернуться . После сворачивания белок модифицируется по мере необходимости (например, путем гликозилирования ), затем транспортируется в аппарат Гольджи для дальнейшей обработки и направляется к органеллам-мишеням или удерживается в ЭР с помощью различных механизмов удержания в ЭР .

Аминокислотная цепь трансмембранных белков , которые часто являются трансмембранными рецепторами , проходит через мембрану один или несколько раз. Эти белки встраиваются в мембрану путем транслокации до тех пор, пока процесс не будет прерван последовательностью остановки-переноса, также называемой мембранным якорем или последовательностью сигнального якоря. [16] Эти сложные мембранные белки в настоящее время характеризуются с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мультитрансмембранные белки содержат структурные аспекты, которые не соответствуют этой модели. Семь трансмембранных рецепторов, связанных с G-белком (которые составляют около 5% генов у человека), в основном не имеют аминоконцевой сигнальной последовательности. В отличие от секреторных белков, первый трансмембранный домен действует как первая сигнальная последовательность, которая направляет их на мембрану ЭР. Это также приводит к транслокации аминоконца белка в просвет мембраны ЭР. Эта транслокация, которая была продемонстрирована с опсином в экспериментах in vitro, [17] [18] нарушает обычный паттерн «котрансляционной» транслокации, который всегда сохранялся для белков млекопитающих, нацеленных на ER. Большая часть механики трансмембранной топологии и сворачивания еще предстоит выяснить.

Посттрансляционная транслокация

Несмотря на то, что большинство секреторных белков транслоцируются котрансляционно, некоторые из них транслируются в цитозоле и позже транспортируются к ЭР/плазматической мембране с помощью посттрансляционной системы. У прокариот этот процесс требует определенных кофакторов, таких как SecA и SecB, и ему способствуют Sec62 и Sec63, два мембраносвязанных белка. [19] Комплекс Sec63, встроенный в мембрану ЭР, вызывает гидролиз АТФ, позволяя белкам-шаперонам связываться с открытой пептидной цепью и перемещать полипептид в просвет ЭР. Попав в просвет, полипептидная цепь может правильно свернуться. Этот процесс происходит только в развернутых белках, расположенных в цитозоле. [20]

Кроме того, белки, нацеленные на другие клеточные направления, такие как митохондрии , хлоропласты или пероксисомы , используют специализированные посттрансляционные пути. Белки, нацеленные на ядро, также транслоцируются посттрансляционно за счет добавления сигнала ядерной локализации (NLS) , который способствует прохождению через ядерную оболочку через ядерные поры . [21]

Сортировка белков

Митохондрии

Обзор основных путей импорта белка в митохондрии.
Путь переноса белков, направленных на внутреннюю мембрану митохондрий.

Хотя некоторые белки в митохондриях происходят из митохондриальной ДНК внутри органеллы, большинство митохондриальных белков синтезируются как цитозольные предшественники, содержащие сигналы поглощения пептидов . [22] [23] [24] [25] Несвернутые белки, связанные цитозольным шапероном hsp70 , нацеленным на митохондрии, могут быть локализованы в четырех различных областях в зависимости от их последовательностей. [2] [25] [26] Они могут быть нацелены на митохондриальный матрикс , внешнюю мембрану, межмембранное пространство или внутреннюю мембрану. Дефекты в любом из этих процессов связаны со здоровьем и болезнями. [27]

Митохондриальный матрикс

Белки, предназначенные для митохондриального матрикса, имеют в начале (N-конце) специфические сигнальные последовательности, состоящие из цепочки из 20–50 аминокислот. Эти последовательности предназначены для взаимодействия с рецепторами, которые направляют белки к их правильному местоположению внутри митохондрий. Последовательности имеют уникальную структуру с кластерами водолюбивых (гидрофильных) и водоизбегающих (гидрофобных) аминокислот, что придает им двойную природу, известную как амфипатическая. Эти амфипатические последовательности обычно образуют спиральную форму (альфа-спираль) с заряженными аминокислотами на одной стороне и гидрофобными на противоположной стороне. Эта структурная особенность важна для правильного функционирования последовательности при направлении белков к матриксу. Если происходят мутации, которые нарушают эту двойственную природу, белок часто не достигает намеченного пункта назначения, хотя не все изменения в последовательности имеют такой эффект. Это указывает на важность амфипатического свойства белка для правильного нацеливания на митохондриальный матрикс. [28]

Путь пре-последовательности во внутреннюю мембрану митохондрий (ВМ) и митохондриальный матрикс.

Белки, нацеленные на митохондриальный матрикс, сначала включают взаимодействия между последовательностью нацеливания на матрикс, расположенной на N-конце, и комплексом рецепторов импорта внешней мембраны TOM20/22. [2] [23] [29] В дополнение к стыковке внутренних последовательностей и цитозольных шаперонов с TOM70. [2] [23] [29] Где ТОМ — аббревиатура транслоказы внешней мембраны. Связывание матричной нацеливающей последовательности с рецептором импорта запускает передачу полипептида в ядро ​​общего импорта (GIP), известное как TOM40. [2] [23] [29] Затем общее импортное ядро ​​(TOM40) подает полипептидную цепь через межмембранное пространство в другой транслоказный комплекс TIM17/23/44, расположенный на внутренней митохондриальной мембране. [2] [24] [25] [30] Это сопровождается необходимым высвобождением цитозольных шаперонов , которые поддерживают развернутое состояние до входа в митохондрии. Когда полипептид попадает в матрицу, сигнальная последовательность расщепляется процессинговой пептидазой , а оставшиеся последовательности связываются митохондриальными шаперонами, ожидая правильного сворачивания и активности. [25] [26] Проталкивание полипептида из цитозоля в межмембранное пространство, а затем в матрикс достигается за счет электрохимического градиента , который устанавливается митохондриями во время окислительного фосфорилирования . [1] [24] [25] [26] При котором митохондрия, активная в метаболизме, генерирует отрицательный потенциал внутри матрикса и положительный потенциал в межмембранном пространстве. [25] [31] Именно этот отрицательный потенциал внутри матрицы направляет положительно заряженные области целевой последовательности в желаемое место.

Внутренняя мембрана митохондрий

Направление митохондриальных белков на внутреннюю мембрану может происходить тремя различными путями в зависимости от их общих последовательностей, однако проникновение с внешней мембраны остается тем же, с использованием комплекса рецепторов импорта TOM20/22 и общего импортного ядра TOM40. [2] [24] Первый путь белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, повторяет те же этапы, что и пути, назначенные для матрикса, где он содержит последовательность, нацеленную на матрикс, которая направляет полипептид к комплексу внутренней мембраны, содержащему ранее упомянутый комплекс транслоказы TIM17/ 23/44. [2] [24] [25] Однако разница состоит в том, что пептиды, предназначенные для внутренней мембраны, а не для матрикса, содержат расположенную выше последовательность, называемую последовательностью остановки-переноса-якоря. [2] Эта последовательность стоп-перенос-якорь представляет собой гидрофобную область, которая встраивается в фосфолипидный бислой внутренней мембраны и предотвращает дальнейшую транслокацию в митохондрии. [24] [25] Второй путь белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, полностью соответствует пути матричной локализации. Однако вместо последовательности «стоп-перенос-якорь» он содержит другую последовательность, которая взаимодействует с белком внутренней мембраны, называемым Oxa-1, однажды внутри матрикса, который встраивает его во внутреннюю мембрану. [2] [24] [25] Третий путь митохондриальных белков, нацеленных на внутреннюю мембрану, следует за тем же входом, что и другие, во внешнюю мембрану, однако этот путь использует транслоказный комплекс TIM22/54, которому помогает комплекс TIM9/10 в межмембранное пространство для закрепления поступающего пептида в мембрану. [2] [24] [25] Пептиды для этого последнего пути не содержат матричной нацеливающей последовательности, но вместо этого содержат несколько внутренних нацеливающих последовательностей.

Митохондриальное межмембранное пространство

Если вместо этого белок-предшественник попадает в межмембранное пространство митохондрии, это может происходить двумя путями в зависимости от распознаваемых последовательностей. Первый путь в межмембранное пространство повторяет те же этапы, что и белок, нацеленный на внутреннюю мембрану. Однако после связывания с внутренней мембраной С-конец закрепившегося белка расщепляется с помощью пептидазы, которая высвобождает пребелок в межмембранное пространство, чтобы он мог свернуться в свое активное состояние. [2] [25] Одним из ярких примеров белка, следующего по этому пути, является цитохром b2 , который после расщепления взаимодействует с кофактором гема и становится активным. [2] [32] Второй путь в межмембранном пространстве не использует какие-либо внутренние мембранные комплексы и, следовательно, не содержит сигнала, направляющего на матрикс. Вместо этого он проникает через общее импортное ядро ​​TOM40 и далее модифицируется в межмембранном пространстве для достижения своей активной конформации. TIM9/10 является примером белка, который следует по этому пути, чтобы оказаться в том месте, где он должен находиться, чтобы способствовать нацеливанию на внутреннюю мембрану. [2] [25] [33]

Наружная мембрана митохондрий

Нацеливание на внешнюю мембрану просто включает взаимодействие белков-предшественников с транслоказными комплексами внешней мембраны, которые встраивают его в мембрану посредством последовательностей внутреннего нацеливания, которые должны образовывать гидрофобные альфа-спирали или бета-цилиндры , охватывающие фосфолипидный бислой. [2] [24] [25] Это может происходить двумя разными путями в зависимости от внутренних последовательностей пребелка. Если пребелок содержит внутренние гидрофобные области, способные образовывать альфа-спирали, то пребелок будет использовать митохондриальный импортный комплекс (MIM) и переноситься латерально на мембрану. [24] [25] Что касается пребелков, содержащих гидрофобные внутренние последовательности, которые коррелируют с белками, образующими бета-цилиндры, они будут импортированы из вышеупомянутого комплекса внешней мембраны TOM20/22 в межмембранное пространство. В котором они будут взаимодействовать с белковым комплексом межмембранного пространства TIM9/10, который передает их механизму сортировки и сборки (SAM), присутствующему во внешней мембране, который латерально смещает целевой белок в виде бета-цилиндра. [24] [25]

Хлоропласты

Хлоропласты похожи на митохондрии тем, что содержат собственную ДНК для производства некоторых своих компонентов. Однако большинство их белков получены посредством посттрансляционной транслокации и возникают из ядерных генов. Белки могут быть направлены на несколько участков хлоропласта в зависимости от их последовательностей, таких как внешняя оболочка, внутренняя оболочка, строма, просвет тилакоида или тилакоидная мембрана. [2] Белки направляются к тилакоидам с помощью механизмов, связанных с транслокацией бактериальных белков. [28] Белки, нацеленные на оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемой сортировочной последовательности и вытесняются латерально через мембранные сортировочные комплексы. Общий импорт большинства пребелков требует транслокации из цитозоля через комплексы Toc и Tic, расположенные внутри оболочки хлоропласта. Где Toc — это аббревиатура транслоказы внешней оболочки хлоропласта, а Tic — транслоказа внутренней оболочки хлоропласта. Существует минимум три белка, которые выполняют функцию комплекса Toc. Два из них, называемые Toc159 и Toc34, отвечают за стыковку последовательностей импорта стромы и оба содержат активность ГТФазы . Третий, известный как Toc 75, представляет собой фактический канал транслокации, который доставляет распознанный пребелок с помощью Toc159/34 в хлоропласт. [34]

Строма

Нацеливание на строму требует, чтобы препротеин имел последовательность импорта в строму, которая распознается комплексом Tic внутренней оболочки после транслокации из внешней оболочки комплексом Toc. Комплекс Tic состоит как минимум из пяти различных белков Tic, которые необходимы для формирования канала транслокации через внутреннюю оболочку. [35] После доставки в строму последовательность импорта в строму отщепляется с помощью сигнальной пептидазы. В настоящее время известно, что этот процесс доставки в строму осуществляется гидролизом АТФ через стромальные шапероны HSP , а не трансмембранным электрохимическим градиентом , который устанавливается в митохондриях для управления импортом белка. [34] Дальнейшая внутрихлоропластная сортировка зависит от дополнительных целевых последовательностей, например, тех, которые предназначены для тилакоидной мембраны или просвета тилакоида .

Просвет тилакоида

Если белок должен быть направлен в просвет тилакоида, это может происходить четырьмя различными известными путями, которые очень напоминают механизмы транспорта бактериальных белков. Выбор пути зависит от того, находится ли белок в строме в развернутом или связанном с металлом свернутом состоянии. Оба из них по-прежнему будут содержать последовательность, нацеленную на тилакоиды, которая также расщепляется при входе в просвет. Хотя импорт белка в строму осуществляется АТФ, было показано, что путь металлосвязанных белков в свернутом состоянии в просвет тилакоида определяется градиентом pH.

Пути проникновения белков к тилакоидной мембране хлоропластов.

Тилакоидная мембрана

Белки, связывающиеся с мембраной тилакоида, будут следовать четырьмя известными путями, которые показаны на соответствующем рисунке. Они могут следовать котрансляционному пути вставки, который использует стромальные рибосомы и трансмембранный комплекс SecY/E, SRP-зависимому пути, пути спонтанной вставки или пути GET. Последние из трех являются посттрансляционными путями, происходящими от ядерных генов, и поэтому составляют большинство белков, направленных на мембрану тилакоида. Согласно недавним обзорным статьям в журнале биохимии и молекулярной биологии, точные механизмы еще не до конца изучены.

И хлоропласты, и митохондрии

Многие белки необходимы как в митохондриях , так и в хлоропластах . [36] В общем, пептид двойного действия имеет промежуточный характер по отношению к двум специфическим. Нацеливающие пептиды этих белков имеют высокое содержание основных и гидрофобных аминокислот , низкое содержание отрицательно заряженных аминокислот . Они имеют более низкое содержание аланина и более высокое содержание лейцина и фенилаланина. Белки с двойной мишенью имеют более гидрофобный нацеливающий пептид, чем митохондриальные и хлоропластические белки. Однако предсказать, является ли пептид двойной мишенью или нет, на основе его физико-химических характеристик утомительно .

Ядро

Ядро клетки окружено ядерной оболочкой, состоящей из двух слоев, причем внутренний слой обеспечивает структурную поддержку и фиксацию хромосом и ядерной пластинки. [16] Внешний слой похож на мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭР). Эта оболочка содержит ядерные поры, которые представляют собой сложные структуры, состоящие примерно из 30 различных белков. [16] Эти поры действуют как селективные ворота, которые контролируют поток молекул в ядро ​​и из него.

В то время как небольшие молекулы могут без проблем проходить через эти поры, более крупные молекулы, такие как РНК и белки, предназначенные для ядра, должны иметь определенные сигналы, чтобы их можно было пропустить. [20] Эти сигналы известны как сигналы ядерной локализации и обычно включают короткие последовательности, богатые положительно заряженными аминокислотами, такими как лизин или аргинин. [16]

Белки, называемые рецепторами ядерного импорта, распознают эти сигналы и проводят большие молекулы через ядерные поры, взаимодействуя с неупорядоченными сетчатообразными белками, которые заполняют поры. [16] Этот процесс является динамическим: рецептор перемещает молекулу через сеть, пока она не достигнет ядра. [20]

Оказавшись внутри, фермент ГТФаза под названием Ran, который может существовать в двух разных формах (одна связана с GTP, а другая с GDP), облегчает высвобождение груза внутри ядра и возвращает рецептор обратно в цитозоль. [16] [20] Энергия для этого транспорта поступает от гидролиза GTP под действием Ran. Точно так же рецепторы ядерного экспорта помогают выводить белки и РНК из ядра, используя другой сигнал, а также используя преобразование энергии Рана. [16]

В целом, комплекс ядерных пор эффективно транспортирует макромолекулы с высокой скоростью, позволяя белкам перемещаться в свернутом состоянии, а рибосомальным компонентам - как полноценным частицам, что отличается от того, как белки транспортируются в большинство других органелл. [16]

Эндоплазматическая сеть

Эндоплазматическая сеть (ЭР) играет ключевую роль в синтезе и распределении белка в эукариотических клетках. Это обширная сеть мембран, в которых белки обрабатываются и сортируются по различным направлениям, включая саму ЭР, поверхность клетки и другие органеллы, такие как аппарат Гольджи, эндосомы и лизосомы. [16] В отличие от других белков, нацеленных на органеллы, те, которые направляются в ЭР, начинают переноситься через его мембрану еще в процессе образования. [20] [16]

Синтез и сортировка белков

Существует два типа белков, которые перемещаются в ЭР: водорастворимые белки, которые полностью проникают в просвет ЭР, и трансмембранные белки, которые частично пересекают и внедряются в мембрану ЭР. [20] Эти белки попадают в ЭР с помощью сигнальной последовательности ЭР, короткого участка гидрофобных аминокислот. [16]

Белки, поступающие в ЭР, синтезируются рибосомами. В клетке есть два набора рибосом: те, которые связаны с ЭР (что делает его «грубым»), и те, которые свободно плавают в цитозоле. Оба набора идентичны, но различаются белками, которые они синтезируют в данный момент. [16] [20] Рибосомы, которые производят белки с сигнальной последовательностью ЭР, прикрепляются к мембране ЭР и запускают процесс транслокации. Этот процесс является энергоэффективным, поскольку растущая белковая цепь сама по мере своего удлинения проходит через мембрану ЭР. [16]

Когда мРНК транслируется в белок, к ней могут прикрепиться несколько рибосом, создавая структуру, называемую полирибосомой. [16] Если мРНК кодирует белок с сигнальной последовательностью ЭР, полирибосома прикрепляется к мембране ЭР, и белок начинает проникать в ЭР, пока он еще синтезируется. [20] [16]

Направленное поступление растворимых белков

В процессе синтеза белков внутри эукариотических клеток растворимые белки, предназначенные для эндоплазматической сети (ЭР) или для секреции из клетки, направляются в ЭР с помощью двухкомпонентной системы. Во-первых, частица распознавания сигнала (SRP) в цитозоле прикрепляется к сигнальной последовательности ER возникающего белка и самой рибосоме. [16] Во-вторых, рецептор SRP, расположенный в мембране ЭР, распознает SRP и связывается с ним. Это взаимодействие временно замедляет синтез белка до тех пор, пока комплекс SRP и ребер не свяжется с рецептором SRP на ER. [16] [20]

Как только это связывание происходит, SRP высвобождается, и рибосома переносится к белковому транслокатору в мембране ЭР, позволяя продолжить синтез белка. [16] [20] Полипептидная цепь белка затем вводится через канал транслокатора в просвет ЭР. Сигнальная последовательность белка, обычно находящаяся в начале (N-конце) полипептидной цепи, играет двойную роль. Он не только нацеливает рибосому на ЭР, но также запускает открытие транслокатора. [16] Когда белок проходит через транслокатор, сигнальная последовательность остается прикрепленной, позволяя остальной части белка проходить через него в виде петли. Сигнальная пептидаза внутри ЭР затем отсекает сигнальную последовательность, которая впоследствии отбрасывается в липидный бислой мембраны ЭР и разрушается. [16] [20]

Наконец, как только последняя часть белка (С-конец) проходит через транслокатор, весь растворимый белок высвобождается в просвет ЭР, где он затем может сворачиваться и подвергаться дальнейшим модификациям или транспортироваться к конечному пункту назначения. [16] [20]

Механизмы трансмембранной интеграции белков

Трансмембранные белки, которые частично интегрируются в мембрану ЭР, а не высвобождаются в просвет ЭР, имеют сложный процесс сборки. [16] [20] Начальные стадии аналогичны растворимым белкам: сигнальная последовательность запускает вставку в мембрану ЭР. Однако этот процесс прерывается последовательностью остановки-переноса — цепочкой гидрофобных аминокислот, — которая заставляет транслокатор останавливаться и высвобождать белок латерально в мембрану. [16] [20] Это приводит к образованию однопроходного трансмембранного белка с одним концом внутри просвета ЭР, а другим в цитозоле, и эта ориентация является постоянной. [16]

Некоторые трансмембранные белки используют внутренний сигнал (последовательность запуска-переноса) вместо сигнала на N-конце, и в отличие от исходной сигнальной последовательности эта последовательность начала-переноса не удаляется. [16] [20] Начинается процесс переноса, который продолжается до тех пор, пока не встретится последовательность остановки-переноса, после чего обе последовательности закрепляются в мембране в виде альфа-спиральных сегментов. [16]

В более сложных белках, которые многократно пересекают мембрану, используются дополнительные пары последовательностей старт- и стоп-переноса для вплетения белка в мембрану способом, похожим на швейную машину. Каждая пара позволяет новому сегменту пересекать мембрану и дополняет структуру белка, обеспечивая его правильное внедрение с правильным расположением сегментов внутри и снаружи мембраны ЭР. [16]

Пероксисомы

Обобщенное нацеливание белка на пероксисомальный матрикс

Пероксисомы содержат один фосфолипидный бислой, который окружает пероксисомальный матрикс, содержащий широкий спектр белков и ферментов, которые участвуют в анаболизме и катаболизме. Пероксисомы — это специализированные клеточные органеллы, которые осуществляют специфические окислительные реакции с использованием молекулярного кислорода. Их основная функция — удаление атомов водорода из органических молекул, в результате чего образуется перекись водорода ( H 2 O 2 ). [37] [20] В пероксисомах решающую роль играет фермент каталаза . Он использует перекись водорода, образующуюся в предыдущей реакции, для окисления различных других веществ, включая фенолы , муравьиную кислоту , формальдегид и спирт. [37] [20] Это известно как «перекисная» реакция. [20]

Пероксисомы особенно важны в клетках печени и почек для детоксикации вредных веществ, попадающих в кровоток. Например, они ответственны за окисление около 25% потребляемого нами этанола в ацетальдегид . [37] Кроме того, каталаза в пероксисомах может расщеплять избыток перекиси водорода на воду и кислород и, таким образом, предотвращать потенциальный ущерб от накопления H 2 O 2 . [37] [20] Поскольку он не содержит внутренней ДНК, такой как ДНК митохондрий или хлоропластов, все пероксисомальные белки кодируются ядерными генами. [38] На сегодняшний день известно два типа сигналов нацеливания на пероксисомы (PTS):

  1. Сигнал 1 нацеливания на пероксисому (PTS1) : C-концевой трипептид с консенсусной последовательностью (S/A/C)-(K/R/H)-(L/A). Наиболее распространенным PTS1 является серин - лизин - лейцин (SKL). [37] Первоначальные исследования, которые привели к открытию этого консенсуса, показали, что когда люцифераза светлячков экспрессировалась в культивируемых клетках насекомых, она была нацелена на пероксисому. Путем тестирования различных мутаций в гене, кодирующем экспрессируемую люциферазу , затем была определена консенсусная последовательность. [39] Также было обнаружено, что при добавлении этой С-концевой последовательности SKL к цитозольному белку она становится мишенью для транспорта в пероксисому. Большинство белков пероксисомального матрикса обладают сигналом типа PTS1.
  2. Сигнал нацеливания на пероксисому 2 (PTS2) : нонапептид, расположенный вблизи N-конца с консенсусной последовательностью (R/K)-(L/V/I)-XXXXX-(H/Q)-(L/A/F) ( где X может быть любой аминокислотой). [37]

Существуют также белки, которые не обладают ни одним из этих сигналов. Их транспорт может быть основан на так называемом «контейнерном» механизме: такие белки связываются с белками матрикса, содержащими PTS1, и вместе с ними транслоцируются в пероксисомальный матрикс. [40]

В случае цитозольных белков, которые продуцируются с помощью С-концевой последовательности PTS1, их путь к пероксисомальному матриксу зависит от связывания с другим цитозольным белком, называемым pex5 (пероксин 5). [41] После связывания pex5 взаимодействует с пероксисомальным мембранным белком pex14 , образуя комплекс. Когда белок pex5 со связанным грузом взаимодействует с мембранным белком pex14, комплекс индуцирует высвобождение целевого белка в матрикс. После высвобождения белка-груза в матрикс диссоциация pex5 от pex14 происходит посредством убиквитинилирования с помощью мембранного комплекса, включающего pex2, pex12 и pex10 , с последующим АТФ-зависимым удалением с участием цитозольного белкового комплекса pex1 и pex6 . [42] Цикл опосредованного pex5 импорта в пероксисомальный матрикс восстанавливается после АТФ-зависимого удаления убиквитина и может свободно связываться с другим белком, содержащим последовательность PTS1. [41] Белки, содержащие последовательность, нацеленную на PTS2, опосредуются другим цитозольным белком, но, как полагают, действуют по тому же механизму, что и белки, содержащие последовательность PTS1. [37]

Болезни

Транспорт белков нарушен при следующих генетических заболеваниях:

У бактерий и архей

Как обсуждалось выше (см. Транслокация белков), большинство прокариотических мембраносвязанных и секреторных белков направляются к плазматической мембране либо путем котрансляции, который использует бактериальный SRP, либо путем посттрансляции, который требует SecA и SecB. На плазматической мембране эти два пути доставляют белки к транслокону SecYEG для транслокации. Бактерии могут иметь одну плазматическую мембрану ( грамположительные бактерии ) или внутреннюю мембрану плюс внешнюю мембрану, разделенную периплазмой ( грамотрицательные бактерии ). Помимо плазматической мембраны, у большинства прокариот отсутствуют мембраносвязанные органеллы, как у эукариот, но они могут собирать белки на различных типах включений, таких как газовые везикулы и запасающие гранулы.

Грамотрицательные бактерии

У грамотрицательных бактерий белки могут быть включены в плазматическую мембрану, внешнюю мембрану, периплазму или секретироваться в окружающую среду. Системы секреции белков через внешнюю мембрану бактерий могут быть весьма сложными и играть ключевую роль в патогенезе. Эти системы можно охарактеризовать как секрецию типа I, секрецию типа II и т. д.

Грамположительные бактерии

У большинства грамположительных бактерий определенные белки предназначены для экспорта через плазматическую мембрану и последующего ковалентного прикрепления к клеточной стенке бактерий. Специализированный фермент сортаза расщепляет целевой белок в характерном сайте узнавания рядом с С-концом белка, таком как мотив LPXTG (где X может быть любой аминокислотой), а затем переносит белок на клеточную стенку. Обнаружено несколько аналогичных систем, которые также имеют характерный мотив на внецитоплазматической стороне, С-концевой трансмембранный домен и кластер основных остатков на цитозольной стороне на крайнем С-конце белка. Система PEP-CTERM/ экзосортаза , обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с продукцией внеклеточных полимерных веществ . Система PGF-CTERM/археосортаза А у архей связана с производством S-слоя . Система GlyGly-CTERM/ромбосортаза, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и некоторых других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.

Биоинформатические инструменты

Примечания

  1. ^ В этой статье рассматривается нацеливание на белки у эукариот , если не указано иное.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdef Нельсон DL (январь 2017 г.). Ленингерские принципы биохимии. Кокс, Майкл М., Ленинджер, Альберт Л. (Седьмое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-1-4641-2611-6. ОКЛК  986827885.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  2. ^ abcdefghijklmnopqrs Лодиш, Берк, Кайзер, Кригер, Бретчер, Пло, Мартин, Яффе, Амон (2021). Молекулярно-клеточная биология (9-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-319-20852-3.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ ab Блобель Г., Добберштейн Б. (декабрь 1975 г.). «Перенос белков через мембраны. I. Наличие протеолитически процессированных и непроцессированных легких цепей иммуноглобулина на мембраносвязанных рибосомах мышиной миеломы». Журнал клеточной биологии . 67 (3): 835–51. дои : 10.1083/jcb.67.3.835. ПМК 2111658 . ПМИД  811671. 
  4. ^ аб Шмидт В., Уиллноу Т.Е. (февраль 2016 г.). «Сортировка белков пошла не так: рецепторы домена VPS10P при сердечно-сосудистых и метаболических заболеваниях». Атеросклероз . 245 : 194–9. doi : 10.1016/j.atherosclerosis.2015.11.027 . ПМИД  26724530.
  5. ^ Го Ю, Сиркис Д.В., Шекман Р. (11 октября 2014 г.). «Сортировка белков в сети транс-Гольджи». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 30 (1): 169–206. doi : 10.1146/annurev-cellbio-100913-013012. ПМИД  25150009.
  6. ^ ab Лесли М (август 2005 г.). «Трудности перевода: сигнальная гипотеза». Журнал клеточной биологии . 170 (3): 338. doi :10.1083/jcb1703fta1. ПМК 2254867 . ПМИД  16167405. 
  7. ^ «Нобелевская премия по физиологии и медицине 1999 г.». NobelPrize.org . Проверено 19 сентября 2020 г.
  8. ^ Вандерс RJ (май 2004 г.). «Метаболические и молекулярные основы пероксисомальных расстройств: обзор». Американский журнал медицинской генетики. Часть А. 126А (4): 355–75. doi : 10.1002/ajmg.a.20661. PMID  15098234. S2CID  24025032.
  9. ^ Морейра И.С., Фернандес П.А., Рамос М.Дж. (сентябрь 2007 г.). «Горячие точки - обзор аминокислотных остатков, определяющих интерфейс белок-белок». Белки . 68 (4): 803–12. дои : 10.1002/прот.21396 . PMID  17546660. S2CID  18578313.
  10. ^ Сюзанна Р. Пфеффер ; Джеймс Э. Ротман (1 января 1987 г.). «Биосинтетический транспорт белков и сортировка эндоплазматической сетью и аппаратом Гольджи». Ежегодный обзор биохимии . 56 : 829–852. doi :10.1146/ANNUREV.BI.56.070187.004145. ISSN  0066-4154. PMID  3304148. Викиданные  Q39664981.
  11. ^ Зоммер М.С., Шляйф Э. (август 2014 г.). «Нацеливание и транспорт белков как необходимое следствие увеличения клеточной сложности». Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 6 (8): а016055. doi : 10.1101/cshperspect.a016055. ПМК 4107987 . ПМИД  25085907. 
  12. ^ Уолтер П., Ибрагими I, Блобель Дж. (ноябрь 1981 г.). «Транслокация белков через эндоплазматический ретикулум. I. Белок распознавания сигналов (SRP) связывается с полисомами, собранными in vitro, синтезирующими секреторный белок». Журнал клеточной биологии . 91 (2 ч. 1): 545–50. дои : 10.1083/jcb.91.2.545. ПМК 2111968 . ПМИД  7309795. 
  13. ^ Вурхис Р.М., Хегде Р.С. (август 2016 г.). «К структурному пониманию котрансляционной транслокации белков». Современное мнение в области клеточной биологии . 41 : 91–9. дои : 10.1016/j.ceb.2016.04.009. ПМИД  27155805.
  14. ^ Ньяти Ю., Уилкинсон Б.М., Пул М.Р. (ноябрь 2013 г.). «Котрансляционное нацеливание и транслокация белков в эндоплазматический ретикулум». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Исследования молекулярных клеток . 1833 (11): 2392–402. дои : 10.1016/j.bbamcr.2013.02.021 . ПМИД  23481039.
  15. ^ Мэндон EC, Труман С.Ф., Гилмор Р. (август 2009 г.). «Транслокация белков через каналы Sec61 и SecYEG». Современное мнение в области клеточной биологии . 21 (4): 501–7. дои : 10.1016/j.ceb.2009.04.010. ПМЦ 2916700 . ПМИД  19450960. 
  16. ^ abcdefghijklmnopqrstu vwxyz aa Alberts (ноябрь 2018 г.). Основная клеточная биология (Пятое изд.). Нью-Йорк. ISBN 978-0-393-67953-3. ОСЛК  1048014962.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  17. ^ Каннер Э.М., Фридлендер М., Саймон С.М. (2003). «Котрансляционное нацеливание и транслокация аминоконца опсина через эндоплазматическую мембрану требует GTP, но не АТФ». Ж. Биол. хим. 278 (10): 7920–7926. дои : 10.1074/jbc.M207462200. ПМИД  12486130.
  18. ^ Каннер Э.М., Кляйн И.К. и другие. (2002). «Аминоконец опсина транслоцируется «посттрансляционно» так же эффективно, как и котрансляционно». Биохимия 41 (24): 7707–7715. дои : 10.1021/bi0256882. ПМИД  12056902.
  19. ^ Рапопорт Т.А. (ноябрь 2007 г.). «Транслокация белков через эукариотический эндоплазматический ретикулум и бактериальные плазматические мембраны». Природа . 450 (7170): 663–9. Бибкод : 2007Natur.450..663R. дои : 10.1038/nature06384. PMID  18046402. S2CID  2497138.
  20. ^ abcdefghijklmnopqrs Лодиш Х., Берк А., Кайзер С., Кригер М., Бретшер А., Плох Х., Амон А., Мартин К. (2008). Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 591–592. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  21. ^ Ланге А., Миллс Р.Э., Ланге С.Дж., Стюарт М., Девайн С.Е., Корбетт А.Х. (февраль 2007 г.). «Классические сигналы ядерной локализации: определение, функции и взаимодействие с импортином альфа». Журнал биологической химии . 282 (8): 5101–5. дои : 10.1074/jbc.R600026200 . ПМК 4502416 . ПМИД  17170104. 
  22. ^ Кокс М., Дудна Дж., О'Доннел М. (2015). Принципы и практика молекулярной биологии (2-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-319-15413-4.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  23. ^ abcd Араисо Ю, Эндо Т (2022). «Структурный обзор транслоказы комплекса наружной мембраны митохондрий». Биофиз Физикобиол . 19 : e190022. doi : 10.2142/biophysical.bppb-v19.0022. ПМК 9260164 . ПМИД  35859989. 
  24. ^ abcdefghijk Иглсфилд Р., Токатлидис К. (2021). «Нацеливание и внедрение мембранных белков в митохондрии». Границы клеточной биологии и биологии развития . 9 : 803205. doi : 10.3389/fcell.2021.803205 . ПМК 8740019 . PMID  35004695 – через Frontiers. 
  25. ^ abcdefghijklmno Видеманн Н, Пфаннер Н (2017). «Митохондриальные механизмы для импорта и сборки белка». Ежегодный обзор биохимии . 86 : 685–714. doi : 10.1146/annurev-biochem-060815-014352 . PMID  28301740 – через Ann Rev Biochem Online.
  26. ^ abc Траскотт К., Пфаннер Н., Вос В. (2001). «Транспорт белков в митохондрии». Обзоры физиологии, биохимии и фармакологии . 143 : 81–136. дои : 10.1007/BFb0115593. ISBN 978-3-540-41474-2. ПМИД  11428265.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  27. ^ Кан Ю, Филден Л, Стояновски Д (2018). «Транспорт митохондриального белка в здоровье и болезни». Семинары по клеточной биологии и биологии развития . 76 : 142–153. doi :10.1016/j.semcdb.2017.07.028. ПМИД  28765093.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  28. ^ аб Лодиш, Харви; Берк, Арнольд; Кайзер, Крис А; Кригер, Монти; Бретшер, Энтони; Плоэ, Хидде; Амон, Анжелика; Скотт, Мэтью П. (2016). Молекулярно-клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк, США: WH Freeman and Company. стр. 609–610. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  29. ^ abc Пфаннер Н, Гейсслер А (2001). «Универсальность механизма импорта митохондриального белка». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 2 (5): 339–349. дои : 10.1038/35073006. PMID  11331908. S2CID  21011113 – через Nature.
  30. ^ аб Бауэр М., Хофманн С., Нойперт В., Бруннер М. (2000). «Транслокация белков в митохондрии: роль ТИМ-комплексов». Тенденции в клеточной биологии . 10 (1): 25–31. дои : 10.1016/S0962-8924(99)01684-0. PMID  10603473 – через Elsevier Science Direct.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  31. ^ Нельсон Д., Кокс М. (2017). Принципы биохимии (7-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: WH Freeman and Company. ISBN 978-1-4641-2611-6.
  32. ^ Шварц Э., Зейтер Т., Гуард Б., Нойперт В. (1993). «Нацеливание цитохрома b2 в межмембранное пространство митохондрий: специфическое распознавание сортировочного сигнала». ЭМБО Дж . 12 – через PubMed.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  33. ^ Курц М., Мартин Х., Рассов Дж., Пфаннер Н., Райан М. (2017). «Биогенез белков Тима пути импорта митохондриального носителя: механизмы дифференциального нацеливания и пересечение с основным путем импорта». Молекулярная биология клетки . 10 (7): 2461–2474. дои : 10.1091/mbc.10.7.2461. ПМК 25469 . ПМИД  10397776. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  34. ^ аб Солл Дж., Шляйфф Э. (2004). «Импорт белка в хлоропласты». Nature Reviews Молекулярно-клеточная биология . 5 (3): 198–208. дои : 10.1038/nrm1333. PMID  14991000. S2CID  32453554 – через Nature.
  35. ^ Гутенсон М., Фан Э., Фрилингсдорф С., Ханнер П., Хоу Б., Хуст Б., Клосген Р. (2005). «Ток, Тик, Тат и др.: структура и функции механизмов транспорта белков в хлоропластах». Журнал физиологии растений . 163 (3): 333–347. дои : 10.1016/j.jplph.2005.11.009. PMID  16386331 – через PubMed.{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  36. ^ Шарма М., Бенневиц Б., Клёсген Р.Б. (декабрь 2018 г.). «Скорее правило, чем исключение? Как оценить актуальность двойного нацеливания белков на митохондрии и хлоропласты». Исследования фотосинтеза . 138 (3): 335–343. Бибкод : 2018PhoRe.138..335S. дои : 10.1007/s11120-018-0543-7. PMID  29946965. S2CID  49427254.
  37. ^ abcdefgh Альбертс Б, Джонсон А, Льюис Дж (2002). Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Garland Science.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  38. ^ Энциклопедия биологической химии. Леннарц, Уильям Дж., Лейн, М. Дэниел (второе изд.). Лондон. 8 января 2013 г. ISBN. 978-0-12-378631-9. ОСЛК  828743403.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) CS1 maint: другие ( ссылка )
  39. ^ Келлер Г., Гулд С., Делука М., Субрамани С. (1987). «Люцифераза светлячка нацелена на пероксисомы в клетках млекопитающих». Труды Национальной академии наук . 84 (10): 3264–3268. Бибкод : 1987PNAS...84.3264K. дои : 10.1073/pnas.84.10.3264 . ПМК 304849 . ПМИД  3554235. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  40. ^ Сарий Н.А., Хатчинсон Дж.Д., Аль-Хеджадж М.Ю., Седельникова С., Бейкер П., Хеттема Э.Х. (февраль 2017 г.). «Комплексный импорт Pnc1 в пероксисомы основан на гомодимеризации Gpd1». Научные отчеты . 7 (1): 42579. Бибкод : 2017NatSR...742579S. дои : 10.1038/srep42579. ПМЦ 5314374 . ПМИД  28209961. 
  41. ^ аб Бейкер А., Хогг Т., Уорринер С. (2016). «Импорт пероксисомального белка: сложный путь». Труды Биохимического общества . 44 (3): 783–789. дои : 10.1042/BST20160036. ПМЦ 4900764 . ПМИД  27284042. {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  42. ^ Гулд С., Коллинз С. (2002). «Импорт пероксисомальных белков: неужели все так сложно?». Природа преподобный мол. Клеточная Биол . 3 (5): 382–389. дои : 10.1038/nrm807 . PMID  11988772. S2CID  2522184.
  43. ^ Маклауд Д.А., Ринн Х., Кувахара Т., Золин А., Ди Паоло Г., Маккейб Б.Д. и др. (Февраль 2013). «RAB7L1 взаимодействует с LRRK2, изменяя сортировку внутринейрональных белков и риск болезни Паркинсона». Нейрон . 77 (3): 425–39. doi :10.1016/j.neuron.2012.11.033. ПМЦ 3646583 . ПМИД  23395371. 

Внешние ссылки