Сортировка и транспорт белков митохондрий и ядер
Большинство митохондриальных белков (95 %) образуются свободными рибосомами (мембранонесвязанными), остальные 5 % - на внутримитохондриальных рибосомах. Но при их трансляции также образуется СП, необходимая для прохождения через мембраны митохондрий и отщепляемая в матриксе.
Последовательность событий:
А) Синтезируемая на свободных рибосомах цепь митохондриального белка имеет СП (одну или две) и сразу связывается с шаперонными белками, препятствующими фолдингу.
Б) Этот комплекс диффундирует к митохондрии и с помощью СП пересекает (уже без шаперонов) обе митохондриальные мембраны в месте их соприкосновения.
В) В матриксе митохондрии отщепляется СП, и другие шапероны обеспечивают правильный фолдинг. Белки межмембранного пространства имеют вторую СП, которая экспонируется после удаления первой и обеспечивает проникновение из матрикса в межмембранное пространство (при этом пептидная цепь остается в развернутом состоянии до окончания всех транспортных процессов благодаря шаперонам).
Ядерные белки и транскрипционные факторы также имеют СП для проникновения через поры в ядерной оболочке.
Гистоновые белки не имеют СП, что можно объяснить:
это небольшие белки;
содержат протяженные гидрофобные области для взаимодействия друг с другом.
Образование коротких пептидов
Помимо белков в клетках синтезируются и пептиды. Это может происходить двумя способами:
Путем вырезания из более длинной первичной полипептидной цепи благодаря действию специальных протеаз в определенных участках цепи. Так синтезируются пептидные гормоны (окситоцин, вазопрессин, нейропептиды) и другие бав (кинины, ангиотензины и т.д.)
Путем прямого безматричного синтеза. В ДНК нет такого гена, но закодированы ферменты, способные синтезировать пептид на рибосомах, в результате чего определенные аминокислоты присоединяются друг у другу в определенной последовательности. У животных и человека – это очень небольшие пептиды (трипептид глутатион, специфические дипептиды мышечной ткани (карнозин, ансерин) и пр.).
У бактерий этот способ имеет большее значение: так образуются пептидные компоненты клеточных стенок, антибиотик грамицидин (циклический декапептид) и др.
Распад белков
В клетках постоянно происходит не только синтез белков, но и их распад.
А) Какой в этом смысл? Зачем разрушать столь важные макромолекулы, созданные в результате сложных процессов транскрипции ДНК, процессинга, трансляции РНК, фолдинга, модификации и сортировки белков?
1. Белки, как и ДНК, подвергаются «старению» - модифицируются под действием свободных радикалов, излучения, тепловых флуктуаций и т.д. Если в случае ДНК нельзя взять и разрушить всю молекулу, ее приходится ремонтировать, то в случае белков проще заменить «старую», поврежденную молекулу на новую.
2. Содержание белков в клетке или во внеклеточной среде часто изменяется в процессе адаптации к меняющимся условиям жизнедеятельности. Обычно, изменяется скорость их синтеза. Но чтобы это было эффективным, должен происходить их распад.
Б) Белки различаются по средней продолжительности жизни своих молекул. Наиболее короткоживущие – регуляторные белки (вспомнить р53). Структурные белки (например, мышечные) имеют большую продолжительность жизни, но и то периодически обновляются. Причем при ряде состояний (недостаточной функции или голодании) распад преобладает над синтезом и мышечная масса снижается.
В) Большинство внутриклеточных белков разрушаются в тех же клетках, где и синтезируются. Другие белки образуются в одних клетках, а разрушаются в других (в основном это внеклеточные белки – соединительной ткани, плазмы крови). Из внутриклеточных белков – гемоглобин, который синтезируется в клетках эритроидного ряда (предшественниках эритроцитов), а распад происходит в макрофагах селезенки, захватывающих «старые» эритроциты.
Г) Как бы ни были пространственно разделены синтез и распад белка, его содержание является стационарным (постоянным), если скорости синтеза и распада совпадают. Так, постоянство содержания гемоглобина в крови обеспечивается тем, что ежесуточно и образуется (в красном костном мозгу) и разрушается (в селезенке) примерно 6,25 г этого белка.
При повышении скорости синтеза белка увеличивается и скорость распада, в результате чего достигается новое стационарное состояние.
Д) У эукариот распад короткоживущих белков (например, р53) является убиквитин-зависимым. Убиквитин (Убн) – небольшой белок (76 а.о.), который связывается с белками и «метит» их.
Для присоединения Убн к белку-мишени требуются три фермента:
Убн-активирующий фермент (Е1), формирующий по С-концу Убн тиоэфирную связь.
Убн-конъюгирующий фермент (Е2), принимающий Убн на себя (это семейство белков, являющихся донорами Убн).
Убн-лигаза (Е3), переносящая Убн с Е2 на белок.
Связывание Убн происходит через остатки лизина белка. К одному белку может присоединяться несколько молекул Убн либо через разные остатки лизина, либо с образованием цепочек. Помеченные таким образом белки быстро разрушаются в протеосомах, содержащих большое количество протеаз. Это взаимодействие происходит с любой молекулой белка (т.е. не оценивается дефектен ли белок), что обеспечивает очень быстрый обмен молекул.
Белки с большей продолжительностью жизни разрушаются в лизосомах. В этом случае состояние белка диагностируется шаперонами, которые участвуют в переносе старых белковых молекул в лизосомы.