Механізми цитозольних транспортних процесів

Лекція 4

ТЕМА: Цитозоль як система внутрішньоклітинної інтеграції

План лекції.

1. Хімічний склад цитозолю.
2. Сигнали сортування та їх роль у внутрішньоклітинному розподілі білків, що синтезуються.
3. Типи транспортних процесів в цитозолі.
4. Післятрансляційна модифікація цитозольних білків.
5. Тривалість життя цитозольних білків.
6. Приєднання жирної кислоти до водорозчинного білку, та роль цього процесу у направленні білку до певних мембран, обернених в цитозоль.
7. Протеолітичний механізм вибіркової деградації цитозольних білків.
8. Убікитин – залежний протеоліз цитозольних білків.

 

Загальна характеристика цитозолю

 

Цитозоль

· є частиною цитоплазми, що займає простір між мембранними органелами,

· становить майже половину загального об'єму клітини,

· містить

1. білкові філаменти, зібрані у фібрілярний цитоскелет, який:

o зумовлює форму клітини,

o забезпечує рух цитоплазми,

o утворює загальну мережу, яка організує ферментативні реакції,

2. ферменти проміжного обміну,

3. цитозольні білки:

o складають близько 20% його маси, тому цитозоль вважають скоріш високоорганізованим гелем, ніж розчином ферментів,

o близько половини всіх білків, синтезованих на рибосомах, залишаються саме в цитозолі як його постійні компоненти (Рис.4.1.).

 

Дослідження швидкості дифузії, однак, показують, що малі молекули та невеликі білки дифундують в цитозолі з тією ж швидкістю, що і в дистильованій воді. Тобто, з боку проміжного обміну (де і субстрати, і продукти є малими молекулами) ми можемо вважати цитозоль простим розчином.

 

Практично всі білки (за виключенням окремих мітохондріальних та хлоропластних)

1. починають свій синтез на рибосомах цитозолю,

2. лише в процесі синтезу їх шляхи розходяться, формуючи дві транспортні гілки,

3. за 1-2 хвилини вивільнений в цитозоль білок надходить у відповідну органелу.

 

 

· білки однієї транспортної гілки

a. після завершення синтезу виділяються в цитозоль,

b. деякі з них містять специфічні сигнали сортування, які направляють їх до мітохондрій, хлоропластів (у рослин), ядра або пероксисом,

c. досягнувши відповідних органел, на цьому закінчують свій шлях,

d. більшість не мають специфічних сигналів сортування і залишаються в цитозолі як постійні компоненти.

 

Утримання Утримання

Митохонд- рії

Пероксисоми

Утримання

Апарат Гольджі

	Ядро
		Клітинна поверхня

Рис.4.1. Спрощена схема шляхів метаболізму білків.

 

· білки другої транспортної гілки

· призначені

a. для виведення з клітини,

b. для компонентів ЕР, апарату Гольджі, плазмолеми або лізосом,

· в процесі утворення переносяться в ЕР за допомогою сигналів сортування, розташованих на їх N – кінці,

· залучаються до подальшого транспорту за участю транспортних пухирців (що може тривати не одну годину).

 

Механізми цитозольних транспортних процесів

 

В цитозолі існує два принципово різних транспортних процеси переміщення хімічних комплексів, білків, в першу чергу, з одного компартменту в інший:

1. Шляхом безпосереднього транспорту через мембрану:

a. вимагає наявності в мембрані білка-транслокатора,

b. забезпечує надходження з простору, топологічно еквівалентного цитозолю, в простір, топологічно еквівалентний позаклітинному, і навпаки,

c. вимагає розгортання, молекули білку, що транспортується,

d. здійснює транспорт білків з цитозолю в порожнину ЕР,

2. шляхом везикулярного транспорту:

a. пухирці захоплюють певні молекули в порожнині одного компартмента (від якого вони відшнуровуються) та переносять їх в інший компартмент, зливаючись з ним,

b. білки не перетинають ніяких мембран, тому вони переносяться лише між компартментами, топологічно еквівалентними один одному, ЕР та апаратом Гольджі, наприклад.

 

Обидва типи транспортних процесів контролюються за участю спеціальних білків, що виконують роль сигналів сортування:

a. у білків, що безпосередньо переносяться через мембрану, ці сигнали розпізнаються транслокаторами в мембрані,

b. в транспортний пухирець білок потрапляє, якщо сигнал сортування зв’язується з рецепторами на мембрані пухирця.

 

Припускають, що на цитозольних білках існує два типи сигналів сортування (рис. 4.2.):

a. для деяких етапів транспорту сигналами сортування є ділянка амінокислотної послідовності, довжиною 15-60 залишків, коли ця стадія залишається пройденою, такий сигнальний пептид відрізається,

b. певна тримірна структура, утворена атомами поверхні білку при згортанні його молекули,

Амінокислотні залишки, що формують такі сигнальні ділянки, можуть розташовуватись на певній відстані один від одного в лінійній послідовності білку.

c. сигнальні пептиди направляють білки з цитозолю в ЕР, мітохондрії, хлоропласти та ядро, забезпечують затримку певних білків в ЕР та залучаються до розпізнання певних лізосомних білків спеціальним ферментом в апараті Гольджі.

 

Таким чином, щоб з’ясувати пункт призначення того, чи іншого білку в цитозолі, необхідно визначити тип його сигнального пептиду:

· білки, що повинні потрапити в порожнину ЕР несуть N-кінцевий сигнальний пептид, центральна частина якогоутворена 5-10 гідрофобними амінокислотними залишками,

· білки, що залишаються як постійні компоненти в ЕР, мають на С-кінці специфічну послідовність з 4-ьох амінокислот,

· більшість білків, призначених для мітохондрій, мають N-кінцеві сигнальні пептиди з 12-80 амінокислотних залишків, в яких позитивно заряджені залишки чергуються з гідрофобними:

	Згорнутий білок

Розгорнутий білок

Сигнальна ділянка

Сигнальний пептид

Послідовності, що утворюють сигнальну ділянку

 

Рис.4.2. Два способи формуванні у білку сигнального сигналу.

 

a. вони формують так званий амфіфільний завиток: заряджені залишки згруповані на одному боці альфа-спіралі, а неполярні – на іншому.

b. амфіфільний завиток взаємодіє зі зв’язувальним доменом мітохондріального рецептору розпізнання, локалізованого на зовнішній мембрані органели.

 

Транспортування мітохондріальних білків

 

Сам процес транспорту білків, призначених для мітохондрій, є складним, він включає декілька етапів, одним з яких є їх зв’язування зі специфічним класом цитозольних білків – білками шаперонами. Крім інших функцій, шаперони забезпечують правильне згортання – фолдінг – та остаточну конформацію інших білків.

 

Шаперони

· виявлені у клітинах всіх організмів від бактерій до людини, та майже у всіх клітинних органелах та цитозолі,

· так, наприклад, до групи шаперонів гранулярного ЕР належать

1. ВіР – білок зв’язування тяжкого ланцюгу імуноглобулінів,

2. GRР94 – білок, що регулюється глюкозою,

1. більшість шаперонів має АТФазну активність та залучають АДФ та АТФ у взаємодію білок – шаперон.

 

Велику групу білків-шаперонів складають білки теплового шоку (hsp):

1. в клітинах дріжджів S. cerevisiae, наприклад, є 8 hsp70- генів (генів, що кодують білки теплового шоку родини hsp 70 кДа), деякі з них транскрибуються за будь яких умов, інші - лише при дії високих температур та інших екстремальних факторів,

2. вони зв’язуються як із розгорнутими, так і зі згорнутими білками,

3. шаперони hsp мають велику внутрішньовидову стійкість та інтенсивно експресуються у всіх клітинах навіть за нормальних для росту умов,

4. їх експресія суттєво посилюється за екстремальних умов довкілля – припускають, що шаперони забезпечують правильне згортання білків в умовах теплового шоку,

5. діють вони шляхом зв’язування з активною поверхнею поліпептидів, наприклад, з гідрофільною поверхнею, тим самим блокуючи ці активні поверхні і ефективно запобігаючи агрегації, а значить, полегшуючи правильну укладку поліпептидного ланцюгу,

6. у випадку мітохондріального транспорту зв’язування поліпептидного ланцюгу, що росте, з шаперонами запобігає передчасній випадковій укладці та сприяє переносу поліпептиду у мітохондріальний простір, тобто білки імпортуються у розгорнутому вигляді, набуваючи робочої конформації вже після транслокації за призначенням,

 

Транспорт білків у мітохондрії та вивільнення упакованого білку є АТФ-залежними процесами. Шаперони родини hsp 60 або (GroEL) та hsp 70 або (DnaK) вже у внутрішньому мітохондріальному просторі зв’язуються з розгорнутими білками та забезпечують формування їх правильної конформації. Цей тип укладки є енергозалежним.

І, нарешті, родина шаперонів hsp 90 приймає участь у регуляції активності деяких факторів транскрипції та різних білкових кіназ.

 

Транспортування ядерних білків

 

Маркерна система ядерних білків

1. ядерні білки мають сигнальні пептиди – ядерні локалізаційні сигнали, утворені кластером 5-6 позитивно заряджених основних амінокислотних залишків, наприклад пролін-пролін-лізин-лізин-лізин-лізин-аланін-лізин-валін,

2. групи основних амінокислот ядерного локалізаційного сигналу можуть бути розташованими в будь-якому місті білку,

3. сигнал не змінюється при транслокаційних перетвореннях,

4. з ядерним локалізаційним сигналом зв’язується білок імпортин (60 кДа), який ініціює і підтримує імпорт білків.