3.10. СУДЬБА СИНТЕЗИРОВАННЫХ БЕЛКОВ

164

ЧАСТЬ I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ: ОБЗОР

Препроинсулин

Проинсулин

Инсулин

РИС.3.56.

Превращение препроинсулина в инсулин. При трансля-

те чего удаляется центральная часть (С) первичного

ции инсулиновой мРНК образуется крупный предшест-

трансляционного продукта. Остающиеся А- и В-цепи

венник - препроинсулин. Функциональный гормон, пред-

активного инсулина удерживаются вместе дисульфид-

ставляющий собой гетеродимер, образуется после от-

ными связями, образовавшимися в исходном полипеп-

щепления N-концевого сигнального сегмента и расщеп-

тиде.

ления молекулы проинсулина в двух местах, в результа-

го сегмента (рис. 3.56). Многие вирусные белки,

да такой информации и как она реализуется?

гормоны, нейропептиды образуются из первичных

Сложный транспортный аппарат эукариотиче-

трансляционных продуктов полипротеинов–в ре-

ских клеток. Рибосомы в эукариотических клетках

зультате расщепления по многим сайтам и образо-

существуют в двух состояниях: в свободном и свя-

вания нескольких зрелых белков и пептидов мень-

занном с мембранами. Белки, предназначенные для

шего размера.

некоторых органелл и цитозоля–водной фракции

цитоплазмы,–синтезируются на свободных рибосо-

б. Доставка эукариотических белков

мах, а белки, остающиеся в лизосомах, структурах

Гольджи и плазматической мембране, образуются

к клеточным

мембранам

на рибосомах, ассоциированных с эндоплазматиче-

и проникновение через них

ским ретикулумом (ЭР)–непрерывной сети внутри-

клеточных мембран, окружающих пространство, на-

В клетках эукариот помимо плазматических

зываемое просветом ЭР. Мембраны ЭР, с которыми

мембран имеются разнообразные внутриклеточные

связаны рибосомы,

называются шероховатым ЭР,

мембраны, отграничивающие различные клеточные

а мембраны, не связанные с рибосомами,– гладким

органеллы: митохондрии, хлоропласты (у расте-

ЭР (рис. 3.57). Белки, синтезированные на рибосо-

ний), эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольд-

мах, связанных с ЭР, проходят через мембраны ЭР

жи, пероксиомы, лизосомы и секреторные пузырьки

в просвет ЭР, а «прокладывает» им путь N-концевой

(везикулы) (рис. I.1, А). Каким образом белки, пред-

участок (рис. 3.58). Затем этот участок, состоящий

назначенные для столь многочисленных клеточных

преимущественно из

гидрофобных аминокислот,–

мембран и компартментов, попадают к месту сво-

сигнальная последовательность – отщепляется специ-

его назначения? Закодирована ли в белковой струк-

фическими эндопептидазами, локализованными в

туре информация об их внутриили внеклеточной

просвете ЭР. Такой направленный перенос белков

локализации? Если да, то какова химическая приро-

от рибосом в просвет ЭР начинается уже во время

3. АППАРАТ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ И ЕГО ЛОГИКА

165

Электронная микрофотография среза печени крысы, на

тиц. Напротив, протяженные мембранные структуры

которой видны гладкий и шероховатый эндоплазмати-

шероховатого ЭР (справа и внизу) усеяны рибосомами.

ческий ретикулум (ЭР). Мембраны гладкого ЭР (слева

Крупные, более плотные структуры - митохондрии. (С

вверху) почти не содержат связанных рибосомных час-

любезного разрешения George E. Palade.)

синтеза полипептидной цепи и поэтому называется

кислот. Элонгация полипептидной цепи замедляется

котрансляционным транспортом.

до тех пор, пока комплекс СРЧ – сигнальная после-

Направление

синтезируемых полипептидных це-

довательность не свяжется с СРЧ-Р в мембране ЭР.

пей в просвет ЭР. Транспорт мембранных и секре-

Сразу после этого СРЧ отделяется, скорость синтеза

тируемых белков в просвет ЭР опосредуется вза-

полипептидной цепи увеличивается и растущая по-

имодействием полипептидной сигнальной последо-

липептидная цепь протягивается сквозь мембрану

вательности с сигнал-распознающей частицей (СРЧ)

в просвет. Итак, ассоциация транслирующей рибо-

и рецептором этой частицы (СРЧ-Р). Что заставляет

сомы с СРЧ-Р приводит к однонаправленному пе-

рибосому направиться к ЭР, если белок, который

реносу растущей полипептидной цепи в просвет ЭР.

она синтезирует, должен впоследствии секретиро-

Особая пептидаза, локализованная в просвете ЭР,

ваться или транспортироваться в лизосомы или

осуществляет специфическое отщепление сигналь-

плазматические мембраны? Несомненно, это зави-

ной последовательности от новосинтезированного

сит не от самой рибосомы. Белки цитозоля синтези-

белка.

руются на рибосомах, идентичных рибосомам, син-

СРЧ представляет собой комплекс из шести бел-

тезирующим белки ЭР. В самом деле, рибосома,

ков с мол. массами от 10000 до 75000 Да и единст-

в одном раунде

синтезирующая белок цитозоля,

венной молекулы РНК длиной 300 нуклеотидов –

в следующем может синтезировать мембранный

7SL-PHK. Ни РНК, ни белки сами по себе не могут

белок. Попадание белка в ЭР происходит только

функционировать как СРЧ. Однако при смешивании

в результате взаимодействия СРЧ с сигнальной

РНК и белков in vitro образуется функциональная

последовательностью синтезируемой белковой цепи

СРЧ. В таких экспериментах молекулы 7SL-PHK из

(рис. 3.59). Комплекс «СРЧ–сигнальная последова-

клеток млекопитающих, амфибий и насекомых мо-

тельность» взаимодействует впоследствии с рецеп-

гут образовать СРЧ с белками млекопитающих.

тором СРЧ, локализованным в мембране ЭР. Таким

Этот факт наряду с данными о близости нуклеотид-

образом, СРЧ служит адаптером между аппаратом

ных последовательностей 7SL-PHK из этих источни-

синтеза белка в цитоплазме и аппаратом его до-

ков говорит о том, что структура 7SL-PHK эволю-

ставки и отвечает за попадание белков в просвет

ционно консервативна. Состоит ли роль 7SL-PHK

ЭР. СРЧ связывается с сигнальной последователь-

в прямом узнавании сигнальной последовательно-

ностью сразу после выхода ее из рибосомы, т.е.

сти или она служит каркасом для сборки разных

после синтеза сегмента длиной примерно 70 амино-

белковых субъединиц в функциональной СРЧ, а воз-

3. АППАРАТ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ И ЕГО ЛОГИКА

169

Транспортные везикулы, содержащие полипептиды, ко-

ность в составе транспортных везикул, отделяющихся от

торые должны попасть в лизосомы, плазматические

цистерн Гольджи. Во время прохождения полипептидов

мембраны или секретироваться, отделяются от ЭР и

через структуры аппарата Гольджи они претерпевают

сливаются с цис-поверхностью аппарата Гольджи. По-

такие посттрансляционные модификации, как протеоли-

липептиды проходят через аппарат Гольджи в составе

тическое расщепление и гликозилирование.

этих везикул и выходят в цитозоль через транс-поверх-

стороны С-конца остатков глицина, серина или

ных, взаимопроникающих, окруженных мембрана-

аланина, поэтому N-конец многих зрелых секрети-

ми цистерн (рис. 3.61). Перенос белков к аппарату

руемых или мембранных белков соседствует с одной

Гольджи осуществляется с помощью так называе-

из этих аминокислот в сигнальной последователь-

мых окаймленных пузырьков (везикул), отпочковы-

ности.

вающихся от ЭР и сливающихся с цистернами

Транспорт белков от ЭР к аппарату Гольджи

Гольджи (рис. 3.62). Белки проходят через аппарат

и из него. Белки направляются к лизосомам, плаз-

Гольджи от цис-цистерн к транс. Транспорт белков

матическим мембранам или секретируются с по-

через цистерны также осуществляется с помощью

мощью аппарата Гольджи–набора тесно упакован-

окаймленных транспортных везикул.

170

ЧАСТЬ I. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ

НАСЛЕДСТВЕННОСТИ: ОБЗОР

Шероховатый ЭР

Гольджи

цис

транс

N-ацетилглюкозамин

Долихол

Манноза

Глюкоза

Галактоза

Фукоза

Сиаловая кислота

Фосфат

Гликозилирование белков в шероховатом ЭР и цистер-

белок проходит через аппарат Гольджи. Разные белки

нах Гольджи. В ЭР разветвленный олигосахарид, свя-

содержат различные N-связанные олигосахариды в за-

занный с липидом долихолом с помощью пирофосфат-

висимости от первичной и вторичной структуры белка,

ного мостика, переносится на аспарагиновый остаток

а также от наличия или отсутствия специфических фер-

белка в последовательности asn-x-ser или asn-x-thr (где

ментов, осуществляющих процессинг

олигосахаридов

х - любая аминокислота). Затем N-связанный олигоса-

в клетках [J. Darnell, H. Lodish, D. Baltimore, Molecular

харид модифицируется в результате последовательных

Cell Bioilogy (New York: Scientific

American

Books,

специфических гликозилгидролазных и гликозилазных

1986).]

реакций, протекающих либо в ЭР, либо в то время, когда

Белки, предназначенные для секреции, сначала

в. Транспорт белков

попадают в секреторные везикулы, которые в конце

в эукариотические клеточные

концов сливаются с плазматическими мембранами

органеллы

и высвобождают свое содержимое наружу. Когда

секреция белков индуцируется (как в случае инсули-

Не все белки, направляемые к внутриклеточным

на или некоторых нейропептидов), цитозольные сек-

органеллам, следуют маршрутом, включающим ЭР

реторные пузырьки сливаются с мембраной и вы-

и аппарат Гольджи. Большинство белков митохонд-

свобождают содержимое наружу только после ин-

рий, ядер, хлоропластов растений синтезируются на

дукции. Как окаймленные везикулы различают бел-

свободных цитоплазматических рибосомах

либо

ки, предназначенные для того или иного клеточного

сразу в виде зрелых форм, либо в виде предшест-

компартмента, неясно. Неизвестно также, различа-

венников и затем подхватываются соответствую-

ются ли между собой везикулы, несущие разные

щими органеллами. Остальные белки митохондрий

белки, и если различаются, то чем именно.

и хлоропластов кодируются ДНК,

содержащейся

Гликозилирование. Проходя через ЭР и аппарат

в этих органеллах, и синтезируются с помощью

Гольджи, белки подвергаются интенсивной модифи-

аппарата трансляции этих органелл аналогично то-

кации (рис. 3.63). Специальный фермент ЭР присо-

му, как это происходит в цитоплазме.

единяет разветвленный олигосахарид к специфиче-

Митохондрии, например, имеют несколько ком-

ским аспарагиновым остаткам транспортируемых

партментов: матрикс, наружную мембрану и меж-

белков. Далее олигосахарид подвергается действию

мембранное пространство (рис. 3.64). Белки, коди-

целого ряда специфических гликозилгидролаз и гли-

руемые ядерной ДНК, которые должны быть

козилированию; эти реакции протекают в ЭР и в

локализованы в матриксе, синтезируются в виде

то время, когда белки проходят через аппарат

предшественника и содержат от 25 до 60 лишних

Гольджи.

аминокислот на N-конце. После связывания с ре-

цептором на наружной мембране предшественник

транспортируется в этот внутренний матрикс. Дви-

жущей силой процесса является электрохимический