Сортировка и модификация белков

По окончании трансляции процесс образования белков обычно еще не завершен. Так, затем происходят:

• Фолдинг – сворачивание пептидной цепи в пространственную структуру (который мы обсудили на прошлой лекции);

• В случае многих белков также модификация: присоединение углеводных компонентов, окисление определенных аминокислотных остатков и т.д.;

• Доставка белка к месту его будущего функционирования.

Синтез белка осуществляется двумя типами рибосом: рибосомами гранулярной эпс либо свободными.

Мембраносвязанные рибосомы (прикрепленные к поверхности эпс) синтезируют «экспортные» (предназначенные к выделению из клетки), мембранные и лизосомальные белки. При этом конец синтезируемого пептида, а затем и весь белок проникает во внутреннее пространство эпс. Это первая структура, играющая ключевую роль в формировании данных белков, здесь происходят фолдинг и их модификация. Затем в транспорте и модификации принимают участие другие мембранные структуры, прежде всего аппарат Гольджи. Далее этот белок:

• Либо выделяется в ходе экзоцитоза из клетки

• Либо включается в состав мембран

• Либо остается внутри сформировавшейся лизосомы.

На свободных мембранонесвязанных рибосомах синтезируются внутренние белки (белки гиалоплазмы, митохондрий, ядра и др.).

Процессы в гранулярной эпс

Структура эпс

ЭПС или ЭР представляет собой единый непрерывный компартмент, отграниченный мембраной от гиалоплазмы. Этот компартмент образует всевозможные инвагинации и складки, которые на срезе на электронных микрофотографиях выглядят как отдельные трубочки, пузырьки и плоские параллельно расположенные цистерны. Некоторые пузырьки с порцией новосинтезированных белков отшнуровываются от эпс и направляются к комплексу Гольджи.

Эпс подразделяется на гладкую и гранулярную (шероховатую), которая со стороны гиалоплазмы покрыта рибосомами (мембраносвязанными). Здесь и происходит трансляция «экспортных», мембранных, лизосомальных и пероксисомальных белков, что мы сейчас и обсудим подробнее.

Важно помнить, отдельные субъединицы рибосом с эпс никогда не связаны. Объединение субъединиц в рибосому происходит только при инициации трансляции (поэтому, говоря о рибосомах, подразумевают, что они находятся в состоянии трансляции). Т. е. рибосомы становятся мембраносвязанными только в процессе трансляции.

Особенности трансляции

Возникают две проблемы:

1. Связывание начавшей трансляцию свободной рибосомы с мембраной определенной области эпс.

2. Проникновение синтезируемого пептида во внутреннее пространство эпс.

В решении этих проблем ключевую роль играет сигнальная последовательность (СП), с которой всегда начинается первичная полипептидная цепь рассматриваемых белков.

СП находится с N-конца пептидной цепи и включает 15 – 35 а.о. В начале и конце СП расположены остатки с полярными радикалами, в середине – с неполярными, а значит, гидрофобными. Это обеспечивает взаимодействие СП с мембраной эпс: гидрофобные радикалы оказываются «как дома» в липидном бислое.

Рис.

Последовательность событий при трансляции (Рис.)

1. В гиалоплазме собирается инициаторный комплекс, включающий мРНК, рибосому и инициирующую аа-тРНК. Начинается трансляция, и рибосома, оставаясь свободной, синтезирует СП.

2. В гиалоплазме имеются специальные СП-узнающие частицы (SRP – signal recognition particles) – комплексы РНК с белком. SRP связывается с СП, останавливает трансляцию и взаимодействует с докинг-белками, находящимися на поверхности эпс. Так СП является своего рода «меткой», которая определяет, какая из транслирующих свободных рибосом должна быть прикреплена к эпс. При этом синтез белков разного назначения происходит в разных областях эпс. Т.о., в ходе первого этапа сортировки будущих белков произошло, во-первых, прикрепление части рибосом к эпс, а во-вторых, их распределение по разным областям эпс.

3. СП проникает в липидную фазу мембраны и служит организатором, вокруг которого особым образом группируются мембранные белки, образуя канал – полипептид-транслоцирующую пору (или транслокон). Происходит гидролиз ГТФ, а SRP возвращается в гиалоплазму.

4. Из-за диссоциации SRP трансляция возобновляется, и синтезируемая полипептидная цепь протягивается через пору во внутреннее пространство эпс. При этом СП остается фиксированной в области поры, что сохраняет структуру канала. Т.о., мРНК перемещается относительно «заякоренных» на эпс рибосом. А полипептидная цепь имеет двойную фиксацию: к поре (через СП – с N-конца) и к рибосоме (с С-конца).

5. По окончании трансляции цепь отделяется от рибосомы с С-конца. Фермент сигнальная пептидаза отщепляет СП от N-конца. Цепь оказывается в пространстве эпс, где происходит ее фолдинг при участии фолдаз и шаперонов.

Модификация белков в эпс

Многие из рассматриваемых белков являются гликопротеинами, т.е. содержат углеводный компонент. Например,

• «экспортные» белки – белки плазмы (кислый α₁-гликопротеин);

• мембранные – гликофорин (в мембране эритроцитов), антигенные детерминанты, транслоказы (белки-переносчики), рецепторы к гормонам и т.д.

• почти все лизосомальные ферменты.

Углеводные компоненты имеют сходный план строения.

Этапы гликозилирования

1. В гиалоплазме образуется одинаковая для всех белков «заготовка» – олигосахаридное звено из 14 мономеров. В него входят 2 остатка N-ацетилглюкозамина, 9 остатков маннозы и 3 остатка глюкозы. Синтез происходит путем последовательного присоединения моносахаридных остатков к липидоподобному веществу – долихолфосфату. (Известен антибиотик туникомицин, который блокирует прикрепление к долихолфосфату первого остатка (N-ацетилглюкозамина). Вследствие этого нарушается весь синтез гликопротеинов). Долихолфосфат – длинная углеводородная цепочка (около 100 С-атомов), поэтому он является гидрофобным веществом и легко проходит через мембраны.

2. С помощью долихолфосфата олигосахаридные ядра транспортируются во внутреннее пространство эпс, где специальная трансфераза переносит их на прошедшие фолдинг белки. Связывание происходит через амидную (NH₂-CO-) группу остатка аспарагина. Поэтому этот процесс называют N-гликозилирование (Известно также О-гликозилирование через гидроксигруппу (ОН-) серина или треонина. Этот процесс осуществляется в аппарате Гольджи).

3. В эпс происходят и другие виды модификации. Например, гидроксилирование остатков пролина и лизина.

4. Упаковка формирующихся белков в транспортные пузырьки. В местах высокой концентрации гликозилированных белков мембрана эпс начинает выгибаться во внешнюю сторону и отшнуровывается в виде пузырька с высококонцентрированным раствором белка. Пузырьки с внешней поверхности покрыты белком клатрином, который образует как бы дополнительную оболочку – решетчатую структуру. Этот белок всегда оказывается на внешней поверхности участков мембраны (в т.ч. плазматической), которые способны к инвагинации и отшнуровыванию. Видимо, клатрин и придает данным участкам эти свойства.

5. Пузырьки диффундируют к комплексу Гольджи и сливаются с его мембранами.