Механизм импорта белка в пероксисому
Обновлено: 03.05.2024
Перспективы изучения обмена и адресования белков в клетке
Большая часть статей на сайте посвящена объяснению того, каким образом белки переносятся через мембрану эндоплазматического ретикулума (ЭПР). В основном это связано с тем, что транспортная функция ЭПР изучена лучше всего. Достаточно подробно исследован основной путь транслокации секреторных белков. Однако вопросы, связанные с транслокацией более сложных субстратов, остаются неисследованными, в особенности это касается интеграции мембранных белков.
Каким образом ориентируются трансмембранные домены и что определяет их интеграцию в мембрану? Какую роль играет взаимодействие между ТМ доменами, которое происходит до момента их интеграции? Наряду с этим, становится ясно, что транслокация представляет собой регулируемый процесс, при котором эффективность позиционирования, переноса и интеграции белка, а также необходимые для этого факторы, существенно зависят от субстрата и от условий, в которых находится клетка. Пока мы не понимаем, как регулируется транслокация и каким образом клетка осуществляет этот процесс в соответствии со своими запросами.
Хотя в настоящее время выяснена структура канала транслокации, способ мобилизации и воротный механизм транслокона еще исследуются. Каким образом узнавание сигнальной последовательности приводит к структурным изменениям канала? Обладает ли структура канала гибкостью, достаточной для переориентации переносимой цепи, или для обеспечения накопления нескольких трансмембранных доменов? Что происходит со структурой канала по окончании транслокации? В какое время и каким образом белки, находящиеся поблизости от транслокона, связываются с ним?
Еще менее изучен вопрос, как ЭПР осуществляет сворачивание белков, а также узнает и удаляет белки с неправильной структурой. Почти совершенно не исследован наиболее фундаментальный аспект процесса, каким образом органел-ла «чувствует» правильно и неправильно собранный белок Многое предстоит выяснить о том, как шапероны взаимодействуют с белками. Необходимо определить, насколько тесно взаимодействуют между собой многочисленные системы шаперонов ЭПР и обладают ли они разными или перекрывающимися функциями. Также остается неясным, каким образом клетка принимает решение о деградации белка, обладающего неправильной структурой.
Существование механизма, ограничивающего длительность его взаимодействия с шаперонами, представляется привлекательным, однако какие-либо предположения о том, каким образом он может работать, отсутствуют. Наконец, неизвестно, как белок, отобранный для деградации, направляется обратно в канал и в цитозоль. Это же относится к механизму, посредством которого канал может открываться изнутри.
Еще менее изучена роль ЭПР в синтезе и сортировке липидов. Отчасти это связано с тем, что, по сравнению с белками, липиды труднее поддаются анализу, поскольку с ними гораздо сложнее манипулировать экспериментально. Дискуссионным остается основной вопрос, связанный с мембранными липидами: каким образом осуществляется их адресный транспорт из ЭПР в соответствующие мембраны. Обнаружение физического взаимодействия ЭПР с другими органеллами, например с мембранами митохондрий, предполагает существование возможного механизма переноса. Однако конкретная роль таких контактов не установлена. Также остается неясным, каким образом ЭПР регулирует синтез отдельных фосфолипидов.
Наконец, неизвестны механизмы, управляющие динамикой ЭПР в целом. Каким образом органелла сохраняет свою характерную форму? Как поддерживаются субкомпартменты? Как осуществляется связь ЭПР с цитоскелетом и как он перемещается в клетке? Чем определяются размеры ЭПР и каким образом он расширяется? Существование отклика неструктурированных белков свидетельствует о взаимосвязи между ЭПР и ядром. Возможно, что наличие такой взаимосвязи поможет ответить на некоторые из перечисленных особенностей ЭПР. Наличие контактов между ЭПР и другими компартментами клетки позволяет предполагать, что между ними возможен обмен, однако, каким конкретным образом это может происходить, остается неизвестным.
В клетке содержится много разных органелл, окруженных мембранами, некоторые из которых импортируют белки прямо из цитозоля. Митохондрии, хлоропласта и пероксисомы импортируют необходимые белки. Эндоплазматический ретикулум (ЭПР) также импортирует белки из цитозоля, однако большинство этих белков транспортируется дальше, или секретируется, или функционирует в органелл ах и мембранах, которые не могут импортировать белки сами. К их числу относятся плазматическая мембрана и органеллы секреторного или эндоцитозного пути.
Секреция белков начинается с их адресования и транслокации через мембрану гранулярного эндоплазматического ретикулума.
После формирования нативной структуры и посттрансляционных модификаций белки выходят из ЭПР в везикулах, связывающихся с аппаратом Гольджи.
Большая часть белков переносится из аппарата Гольджи к клеточной поверхности в секреторных везикулах.
Белки, импортируемые в органеллы, идентифицируются с помощью сигнальной последовательности, представляющей собой короткую цепочку аминокислот, обычно расположенную на N-конце цепи. Последовательности, соответствующие разным органеллам, различаются по длине и по составу. Последовательности ЭПР содержат около двадцати аминокислот и характеризуются протяженным участком, состоящим из гидрофобных остатков. Близкими размерами обладают сигнальные последовательности митохондрий. Однако они содержат чередующиеся группы гидрофобных и заряженных аминокислот. Поэтому, когда сигнальная последовательность принимает форму а спирали, одна ее сторона становится гидрофобной, а другая заряженной.
Сигнальная последовательность пероксисом обычно состоит только из трех аминокислотных остатков. Во всех случаях белки идентифицируются и позиционируются больше не в соответствии с составом сигнальных последовательностей, а на основании их физических свойств.
Каждый тип сигнальной последовательности связывается со специфическим рецептором, который направляет белок к определенной органелле. Когда белок достигает органеллы, он транслоцируется внутрь нее по мембранному каналу. От момента распознавания сигнальной последовательности, при синтезе белка или после его завершения, зависит тип транслокации. Котрансляционная транслокация происходит в случаях, когда сигнальная последовательность узнается в процессе синтеза белка. При этом, рибосома, на которой синтезируется белок, связывается с мембраной, и образующийся белок переносится в канал транслокации. Посттрансляционная транслокация происходит, когда сигнальная последовательность узнается после завершения синтеза белка.
Большинство белков попадают в ЭПР путем котранс-ляционной транслокации. Сразу после выхода сигнальной последовательности с рибосомы с ней связывается частица, распознающая сигнал (SRP). Рибосома и растущий белок позиционируются на мембране ЭПР за счет взаимодействия между SRP и ее рецептором. Затем рибосома вместе с растущей цепью занимают канал, по которому белок проходит через мембрану. Сердцевину канала образует комплекс Sec61, вокруг — большая группа белков, участвующих в транслокации. Все вместе это называется транслоконом. При взаимодействии с сигнальной последовательностью канал открывается, что позволяет цепи войти в него таким образом, который исключает транспорт других молекул через мембрану ЭПР. Трансляция продолжается до тех пор, пока рибосома остается связанной с каналом, и белок транспортируется по нему в люмен.
Интеграция белка в мембрану ЭПР начинается в тот момент, когда трансмембранный домен начинает транслироваться и входить в канал. Поскольку трансмембранные домены обладают гидрофобностью, они узнаются каналом, и проходят через его стенки в липидный бислой мембраны. После узнавания трансмембранного домена транспорт образующегося белка через мембрану прекращается. Трансляция, однако, продолжается, что приводит в выходу дальнейший участков полипептидной цепи в цитозоль. Для полной интеграции мембранных белков с несколькими трансмембранными доменами, вероятно, необходимо многократное открытие и закрытие канала.
Процесс интеграции мембранных белков осложняется необходимостью их определенной ориентации в мембране. Очевид но, что она зависит от свойств трансмембранных доменов белков. Однако не ясно, как домены должны взаимодействовать с каналом, мембранными липидами, или друг с другом, чтобы определить ориентацию белков.
Некоторые белки транслируются в ЭПР посттрансляционно. Связывание шаперонов в цитоплазме предотвращает сворачивание этих белков, и пока они находятся в процессе адресования, поддерживает их в состоянии, готовом для транслокации. Адресование обеспечивается при связывании их сигнальных последовательностей с Sec6l в канале транслокации. Это тот же канал, который используется при котрансляционной транслокации, однако содержащий четыре дополнительных белка, включая Sec62 и Sec63. Вновь образованные белки проходят через канал за счет энергии, высвобождающейся при гидролизе АТФ белком BiP в люмене ЭПР. BiP использует гидролиз АТФ для связывания и высвобождения белка на конце канала со стороны люмена. Молекулы BiP остаются в связанном состоянии достаточно долго и действуют как храповик, продвигающий белок в люмен.
При транслокации в ЭПР многие белки подвергаются ковалентной модификации. Обычно сигнальная последовательность удаляется пептидазой вскоре после того, как белок вошел в канал. Остальные участки молекулы транслоцируемого белка часто модифицируются после того, как они прошли в люмен. К белку могут добавляться остатки сахаров олигосахаридтрансферазой, или за счет действия протеиндисульфидизомеразы (ПДИ) в молекуле могут образоваться дисульфидные связи. Некоторые полностью транслоцированные белки расщепляются рядом с С-концевым участком и присоединяются к гликозилфос-фатидилинозитолу (ГФИ), фосфолипиду, который связывает их с мембраной.
После попадания в люмен белки начинают приобретать нативную структуру. Это обеспечивается большим количеством разнообразных шаперонов. BiP и Grp94 непосредственно взаимодействуют с неструктурированными белками. Кальнексин и кальретикулин связываются с сахарными остатками, которые добавляются к белкам при транслокации. Они также участвуют в процессе добавления глюкозного остатка к полипептидной цепи. Наличие этого остатка позволяет судить о том, насколько правильной нативной структурой обладает белок ПДИ участвует в перегруппировке дисульфидных связей, которая сопровождает структурирование белка. После приобретения белками правильной нативной структуры они уже не реагируют с шаперонами и получают возможность выйти из ЭПР в аппарат Гольджи Если несколько попыток образования белком правильной нативной структуры оказались безуспешными или белок не может образовать комплекс с другими белками, то он возвращается в канал и назад в цитозоль за счет ретроградной транслокации. Когда он попадает в цитозоль, то подвергается деградации в протеосомах.
Органеллы секреторного пути могли возникнуть при интернализации участка плазматической мембраны,
обладающей функцией секреции белка.
В клетках эукариот белки непосредственно не секретируются через плазматическую мембрану,
а транспортируются в люмен ЭПР, который по составу напоминает внешнее окружение клетки.
Накопление в ЭПР больших количеств белков, не имеющих нативной структуры, вызывает отклик неструктурированных белков. Это цепь сигналов от ЭПР к ядру, которые обеспечивают дополнительный синтез шаперонов. Сигнал опосредуется трансмембранными белками, резидентными компонентами ЭПР, которые узнают присутствие неструктурированных белков, не связанных с BiP. При этом запускаются события, в результате которых изменяется экспрессия генов, и ЭПР получает возможность преодолеть последствия избытка неструктурированных белков. В-случае высших эукариот, при продолжающемся состоянии стресса, эти же процессы вызывают клеточную гибель.
Импорт белков в митохондрии и хлоропласты происходит после окончания трансляции. Для обеих органелл характерно существование двух мембран. Белки могут быть локализованы в одной из мембран, в межмембранном пространстве или внутри органеллы. Каждая мембрана имеет свой транслокон. У митохондрий они носят название ТОМ для наружной мембраны и TIM для внутренней мембраны, а у хлоропластов ТОС и TIC соответственно. Сигнальные последовательности узнаются транслоконом наружной мембраны. Транслоконы внутренней и наружной мембран связаны между собой, так что импортируемые белки переносятся между ними непосредственно. Белки митохондрий могут переноситься через обе мембраны и затем при узнавании отдельной сигнальной последовательности снова направляться к внутренней мембране.
В транслокации белков хлоропластов через мембрану внутренней органеллы, называемой тилакоидом, также участвует особая сигнальная последовательность.
Транслокация белов в митохондрии происходит за счет электрохимического градиента через внутреннюю мембрану и сил взаимодействия между импортируемыми белками и шаперонами в матриксе митохондрий. За счет чего происходит транслокация в хлоропласты, остается неясным. Мы также не знаем, каким образом происходит интеграция белков в мембраны этих органелл.
Транспорт белков в пероксисомы происходит посттрансляционно, но отличается от их транслокации в другие органеллы. При импорте в пероксисомы белок проходит через одну мембрану, и процесс начинается после того, как он приобрел в цитозоле нативную структуру. Сигнальная последовательность для пероксисом узнается в цитозоле при участии белков, которые остаются связанными с субстратом в момент его транслокации. Белки-переносчики диссоциируют только после того, как они оказались внутри органеллы, и возвращаются в цитозоль для дальнейшего использования. Происхождение белков мембраны пероксисом остается неизвестным.
Наряду с импортом, созреванием и распределением белков, ЭПР выполняет в клетке еще несколько функций. Его функции отражаются в структуре. Транслокация и созревание белков происходят в гранулярном ЭПР, покрытом рибосомами. Гладкий ЭПР отличается от гранулярного. Обычно он представляет собой трубочки, организованные в динамичную сеть, разветвленную по всему цитозолю. Гладкий ЭПР часто связан с элементами цитоскелета и контактирует с другими мембранами клетки. К числу его функций относится синтез липидов для всех клеточных мембран. Липиды должны каким-то образом транспортироваться из ЭПР в другие мембраны, однако неизвестно, как это происходит. Возможно, что это происходит в точках контакта гладкого ЭПР с другими мембранами. ЭПР также служит резервуаром внутриклеточного кальция. Кальций выходит в ответ на получаемый клеткой сигнал, и после выполнения своих функций закачивается назад в органеллу.
В специализированных клетках в гладком ЭПР могут также синтезироваться жирорастворимые гормоны или обезвреживаться потенциально опасные для клетки химические соединения. В клетках, специализированных для выполнения какой-либо функции, осуществляемой за счет ЭПР, например секретирующих много белка, или образующих стероидные гормоны, может дополнительно образовываться гранулярный или гладкий ЭПР, и занимать в них большую часть цитозоля. В таких высокоспециализированных клетках как скелетные мышцы, ЭПР также чрезвычайно высокоспециализирован по своему составу и строению. Саркоплазматический ретикулум, который представляет собой специализированный гладкий ЭПР, обернут вокруг саркомеров скелетных мышц и приспособлен для доставки ионов кальция, стимулирующих мышечное сокращение.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Механизм импорта белка в пероксисому
Механизм импорта белка в митохондрии
• Митохондрии обладают внутренней и внешней мембранами, в каждой из которых присутствует транслокационный комплекс
• Импорт белков в митохондрии происходит после завершения трансляции
• Митохондриальная сигнальная последовательность узнается рецептором, расположенным на наружной мембране
• Комплексы ТОМ и TIM физически связаны между собой и при импорте белки непосредственно переходят от одного к другому
• Импорт белков обеспечивается энергией за счет Hsp70 матрикса митохондрий и мембранного потенциала внутренней мембраны
Считается, что митохондрии произошли из клеток прокариот, захваченных другими, более крупными клетками, что привело к развитию между ними симбиотических отношений. В результате таких эволюционных событий, в отличие от других органелл, митохондрия оказалось окруженной двумя мембранами, а не одной. Белки, предназначенные для внутренней части митохондрии (матрикса митохондрий), должны пройти через обе мембраны и через промежуток между ними (межмембранное пространство). Каждая мембрана пронизана специфическим мультиферментным комплексом, который включает канал транслокации.
Комплекс ТОМ (транслоказа внешней мембраны) пронизывает внешнюю мембрану, a TIM (транслоказа внутренней мембраны) — внутреннюю. В специфических точках между мембранами оба комплекса находятся в контакте, но они способны действовать независимо.
Митохондриальные белки переносятся к мембране после окончания трансляции. При этом узнается N-концевая сигнальная последовательность, длина которой обычно составляет 20-50 аминокислот. Эта последовательность обогащена как основными (положительно заряженными), так и гидрофобными аминокислотами. Эти остатки образуют амфипатические спирали, заряженные группы которых размещены с одной стороны, а гидрофобные остатки — с другой.
Сигнальная последовательность митохондриального белка вначале узнается Tom20, интегральным мембранным белком, который является компонентом ТОМ-комплекса. Tom20 связывается с гидрофобной стороной сигнальной последовательности, находящейся в мелкой бороздке (в отличие от глубокой и гибкой бороздки, которая используется SRP при таргетинге в ЭПР).
Как показывает рисунок ниже, взаимодействие между сигнальной последовательностью и Tom20 носит слабый характер и позиционирует положительно заряженные остатки в сигнальной последовательности вне связывающего кармана. Затем взаимодействие сигнальной последовательности с ТОМ-комплексом укрепляется вторым белком, Tom22. Tom22 содержит кислый цитозольный домен, который взаимодействует с остатками основных аминокислот в составе сигнальной последовательности. В основном в результате этих двух взаимодействий белок входит в контакт с комплексом ТОМ. При таргетинге митохондриальные белки находятся в несвернутом состоянии и подготавливаются к транслокации за счет связи с hsp70, находящимся в цитозоле.
Рисунок ниже иллюстрирует транспорт митохондриального белка с участием комплексов ТОМ и TIM. Наряду с белками Tom20 и Tom22, комплекс ТОМ содержит и другие белки. Из них в образовании канала, вероятно, принимает участие белок Тот40. До настоящего времени остаются не вполне понятными ни механизм узнавания транслоцируемого белка в канале, ни воротный механизм канала. Однако после прохода в канал основная сигнальная последовательность субстрата за счет сил электростатического притяжения входит в контакт в межмембранном пространстве с кислыми доменами белков Tom22 и Tim23.
Последний входит в комплекс TIM. Близость Tom22 и Tim23 обеспечивает прохождение белка между этими комплексами, минуя выход в межмембранное пространство. Существуют данные, свидетельствующие о том, что N-концевой участок Tim23 может быть ингегрирован во внешнюю мембрану. Это приводит к тесной ассоциации комплексов TIM и ТОМ и обеспечивает эффективный перенос белковой цепи от одного комплекса к другому. Предполагается также, что важная роль в транспорте предшественников белков от комплекса ТОМ в канал TIM23 принадлежит белку Tim50.
После причаливания цепи в комплексе TIM (который образуется в основном белками Tim23, Tim17 и Tim44; из них два первых, вероятно, образуют канал) она продвигается в матрикс под действием двух сил. Белок mtHsp70, являющийся гомологом в матриксе белка, Hsp70, связывается с каналом посредством взаимодействия с Tim44. Так же как и при посттрансляционной транслокации в ЭПР, mtH-sp70 связывает субстрат по мере его выхода из канала и действует как храповой механизм, или как мотор, а возможно, осуществляет обе функции. Многое здесь зависит от транслоцируемого субстрата.
Транслокации также способствует электрохимический потенциал внутренней мембраны, вероятно, за счет взаимодействия с положительно заряженной сигнальной последовательностью. Потенциал направлен поперек мембраны, что благоприятствует движению положительных зарядов в направлении матрикса. Пока, однако, неизвестно, каким образом потенциал, действительно, способствует транслокации. После входа в матрикс большинство сигнальных последовательностей отщепляются растворимой митохондриальной процессирующей протеазой (МРР).
Так же как и в случае белков, интегрированных в мембрану ЭПР, белки митохондриальной мембраны часто позиционируются с участием внутренней неотщеп-ляемой сигнальной последовательности. Эта последовательность также содержит инструкции по интеграции в виде отдельных участков гидрофобных аминокислот. Каким образом узнаются и интегрируются в одну из двух мембран трансмембранные домены, в общем, неизвестно. Белки, которым необходимо интегрироваться во внутреннюю мембрану, позиционируются в альтернативном транслоконе, состоящем из Tim22, Tim54 и Tim18. Транспорту белка из комплекса ТОМ в этот альтернативный транслокон способствуют небольшие белки, которые называются «Маленькие Тимы», и которые находятся в межмембранном пространстве. Последовательность событий представлена на рисунке ниже. Подробнее об этих процессах почти ничего не известно.
Белки внутренней мембраны, независимо от их кодирования в ядре или в митохондрии, интегрируются с участием белка внутренней мембраны Оха1р. Белки внутренней мембраны, кодируемые в ядре, вначале транслоцируются через обе мембраны в матрикс. Затем от белка отщепляется сигнальная последовательность, за счет которой происходит импорт, и еще одна последовательность направляет белок обратно к внутренней мембране, где она интегрируется с участием Оха1р. Белки, кодируемые митохондриальным геномом, синтезируются рибосомами матрикса, и затем непосредственно интегрируются во внутреннюю мембрану с участием Оха1р. Детали этого процесса пока точно не выяснены.
Идентифицирован еще один транслокон митохондрий, названный «комплекс SAM» (sorting and assembly machinery of the outer membrane complex; сортировочно-сборочный комплекс наружной мембраны). Хотя состав и механизм действия этого комплекса в деталях неизвестны, он, вероятно, благоприятствует транслокации и интеграции белков внешней мембраны, которые пронизывают мембрану b-структурами, а не более обычными а-спиралями. Так же как и комплекс Tim22, для транспорта субстратов из ТОМ канала, комплекс SAM использует «Маленьких Тимов».
Особый интерес представляет вопрос, как белки внутренней мембраны проходят через наружную мембрану и при этом не интегрируются в нее. Такая специфичность может объясняться различиями между трансмембранными доменами белков внутренней и наружной мембран, которые делают белки внутренней мембраны неузнаваемыми комплексом интеграции ТОМ. В то же время, не исключено, что комплекс TIM может узнавать белки внутренней мембраны до того, как они интегрируются во внешнюю мембрану комплексом ТОМ. Пока еще не совсем понятны воротные механизмы, регуляции и координации комплексов ТОМ и TIM. Хотя многие выполняемые ими функции аналогичны функциям транслокона ЭПР, остается неясным, насколько близки механизмы их функционирования.
При формировании спиральной структуры последовательность митохондриального сигнала образует поверхности с основными и гидрофобными свойствами.
Последовательность аминокислот, соответствующая митохондриальному сигналу,
представлена наверху, и та же последовательность, свернутая в спираль, показана справа.
Гидрофобный участок спирали взаимодействует с гидрофобной щелью Tom20; остатки положительно заряженных аминокислот взаимодействуют с кислым доменом Tom22.
Слева показана структура Tom20, связанная с сигнальной последовательностью; гидрофобная поверхность белка выделена желтым цветом. Белок, предназначенный для транслокации в матрикс митохондрии,
узнается на поверхности наружной мембраны и затем проходит между каналами в наружной и внутренней мембранах.
Когда белок достигает матрикса, сигнальная последовательность удаляется.
Необходимая для транспорта энергия поставляется за счет гидролиза АТФ шаперонами матрикса и за счет мембранного потенциала на внутренней мембране.
Белок Tim23 интегрирован в обе мембраны и связывает между собой каналы. Для импорта белков в различные отсеки митохондрий требуются различные пути.
Во многих из них может участвовать комплекс ТОМ, однако для комплексов внутренней мембраны характерна специализация.
Существуют два пути, посредством которых белки могут достигать внутренней мембраны.
Некоторые белки используют комбинированный путь: вначале они транспортируются в матрикс, а потом поступают назад в мембрану.
Импорт белков в пероксисомы
Существует два типа сигнальных последовательностей, необходимых для импорта белков в пероксисомы. Чаще всего в белках присутствует С-концевой трипептид Ser-Lys-Leu-COOH (S-K-L-). С-концевые трипептиды различных белков могут отличаться по одному из остатков, но обычно встречается именно этот набор аминокислотных остатков.
Наиболее важное значение имеет локализация пероксисомного направляющего сигнала (peroxisomal targeting signal, PTS). Остатки, входящие в состав PTS, должны располагаться на С-конце белка. У большинства ферментов, находящихся в пероксисомах, сигнальный пептид локализуется на С-конце. Однако у некоторых пероксисомных ферментов сигнальная последовательность расположена ближе к N-концу. Важное значение этих направляющих сигналов подтверждает тот факт, что различные нарушения метаболизма человека связаны с неспособностью клетки импортировать белки в пероксисомы или с ошибочным попаданием пероксисомных ферментов в другой клеточный компартмент.
Различные нарушения функционирования пероксисом представлены в таблице 3-7, важные характеристики некоторых из этих нарушений даны в таблице 3-8.
Таблица 3-7. Пероксисомные болезни
| Название | MIM-номер | Хромосомная локализация |
| Синдром Цельвегера | 7q11.23 | |
| Неонатальная адренолейкодистрофия | ||
| Детская болезнь Рефсума | ||
| Гиперпипеколовая ацидемия | ||
| Ризомелическая точечная хондродисплазия | ||
| Адренолейкодистрофия | Xq28 | |
| Псевдонеонатальная адренолейкодистрофия | ||
| Синдром псевдо-Цельвегера | 3р23-р22 | |
| Гипероксапурия I типа | 2q36-q37 | |
| Акаталаземия | 11з13 | |
| Дефицит глутарил-СоА оксидазы |
Таблица 3-8. Характеристики пероксисомных болезней
| Дефицит или биохимический дефект фермента | Повышение содержания ЖКОДЦ | Нарушение синтеза плазмалогена | Нарушение синтеза желчных кислот | Нрушение окисления фитановой кислоты | Повышенное содержание пипеколиновой кислоты | Другие | |
| Группа I: Генерализованные пероксисомные нарушения вследствие нарушения биосинтеза пероксисом | |||||||
| Синдром Цельвегера | Множественные | + | + | + | +/- | + | - |
| Неонатальная АЛД | Множественные | + | + | + | +/- | + | - |
| Детская болезнь Рефсума | Множественные | + | + | + | + | + | - |
| Гиперпипеколовая ацидемия | Множественные | + | + | + | +/- | + | - |
| Группа II: Дефект более одного пероксисомного фермента, интактные пероксисомы | |||||||
| Цельвегероподобный синдром | Множественные | + | + | + | - | - | - |
| Ризомелическая точечная хондродисплазия | Ацил-СоА: DHAPAT, α-окисление фитановой кислоты | - | + | - | + | - | - |
| Группа III: Дефект одного пероксисомного фермента, интактные пероксисомы | |||||||
| АЛД/АМН | Лигноцерил-СоА-лигаза | + | - | - | - | - | - |
| Псевдонеонатальная АЛД | Ацил-СоА-оксидаза | + | - | - | - | - | - |
| Недостаток бифункционального фермента | Бифункциональный фермент | + | - | + | - | - | - |
| Синдром псевдо-Цельвегера | 3-оксоацил-СоА-тиолаза | + | - | + | - | +/- | |
| Гипероксалурия I типа | Аланин: глиоксилатаминотрансфераза | - | - | - | - | - | + |
| Акаталаземия | Каталаза | - | - | - | - | - | + |
| Недостаток глутарил-СоА-оксидазы | Глутарил-СоА-оксидаза | - | - | - | - | - | + |
АЛД — адренолейкодистрофия; АМН — адреномиелонейропатия; CoA — кофермент A; DHAPAT — дигидрокси- ацетонфосфатацилтрансфераза; ЖКОДЦ — жирные кислоты с очень длинными боковыми цепями; + — нарушения; — норма.
• Сигнальные последовательности пероксисом узнаются в цитозоле и позиционируются в транслокационный канал
• Белки импортируются в пероксисомы после сворачивания
• Белки, узнающие сигнальные последовательности пероксисом, при импорте остаются в связанном с ними состоянии. Они входят в органеллу и выходят из нее
• Мембраны пероксисом образуются при отпочковывании от мембран ЭПР
Так же как и при транспорте в эндоплазматический ретикулум (ЭПР), митохондрии и хлоропласты, белки позиционируются и транслоцируются прямо в пероксисомы. Эти органеллы участвуют в таких окислительных процессах, как окисление жирных кислот и образование перекиси водорода, и окружены одним липидным бислоем. В отличие от митохондрий и хлоропластов, пероксисомы не содержат собственного генома, и поэтому все их белки должны импортироваться из цитозоля. Происхождение пероксисом представлялось не вполне ясным, пока не было убедительно продемонстрировано, что они образовались из ЭПР. Их предшественники, которые отпочковались от ЭПР, содержат лишь минимальный набор характерных компонентов, и большая часть белков пероксисом импортируется в органеллы на более поздней стадии их развития.
После завершения трансляции белки содержимого пероксисом или их матрикса направляются в органеллу по одному из двух путей. Один путь реализуется с участием С-терминального сигнала пероксисомального адресования (PTS1). Простейшие последовательности PTS1 гораздо короче, чем сигнальные последовательности большинства других органелл, и часто состоят всего из трех остатков аминокислот. Подобно другим сигнальным последовательностям, они различаются по составу. (Каноническая последовательность, содержит серин, цистеин или аланин, после которого расположен остаток основной аминокислоты, а затем лейцин.) Наличие дополнительных аминокислот вне последовательности PTS1 может усиливать адресный сигнал, особенно в случаях, когда состав основной сигнальной последовательности отличается от канонического.
Белки, имеющие PTS1, позиционируются на пероксисомах с участием цитозольного белка Рех5р, который связывается с сигнальной последовательностью. Белки, имеющие PTS2, которые распространены в меньшей степени, чем PTS1, несут более длинные последовательности, обычно расположенные в N-терминальной части молекулы. Эти последовательности представляют собой часть более крупного пептида, который отщепляется после окончания процесса транспорта. Белки PTS2 узнаются и позиционируются другим белком цитозоля, Рех7р. У млекопитающих адресование белков с PTS2 происходит с участием белка, представляющего собой альтернативный вариант сплайсинга Рех5р. Пути пероксисомального импорта белков, с участием PTS1 и PTS2, характеризуются наличием в мембране общих компонентов. К числу их относится комплекс заякоривания, состоящий по крайней мере из трех белков, Рех17р, Рех14р и Рех13р.
Впрочем, также существуют белки, уникальные для каждого пути импорта. Могут существовать и другие механизмы адресования белков в пероксисомальный матрикс, независимые от PTS1 и PTS2, однако о них известно мало.
Хотя механизм импорта белков матрикса пероксисом исследован не в полной мере, он существенным образом отличается от транслокации белков в ЭПР, митохондрии и хлоропласты, по крайней мере в одном отношении: белки матрикса пероксисом импортируются после того, как они приобрели в цитозоле нативную или даже олигомерную структуру. Эта особенность импортируемых белков хорошо иллюстрируется электронно-микроскопическими исследованиями препаратов, содержащих частицы коллоидного золота, размерами 90 А, покрытые пептидами PTS1. Несмотря на большие размеры, такие частицы способны импортироваться в пероксисомы. В этом отношении импорт белков в матрикс пероксисом напоминает транспорт через комплекс ядерных пор (см. 5 Структура ядра и процессы транспорта).
Вместе с тем, при транспорте в ядро и пероксисому, рецептор, узнающий сигнальную последовательность (т. е. Рех5р при пероксисомальном транспорте и импортины при ядерном транспорте), переносится вместе с транслоцируемым субстратом через мембрану. Рецептор затем экспортируется отдельно и в дальнейшем используется. Содержимое пероксисомы было бы токсично для клетки, если мембрана органеллы была бы также проницаема для белков и мелких молекул, как ядерная оболочка. Поэтому канал транслокации в пероксисоме должен обладать системой эффективного воротного механизма, гарантирующего, что из органеллы ничего не выходит. Каким образом осуществляется такой контроль, неизвестно.
В отличие от полностью транслоцируемых белков, импорт мембранных компонентов пероксисом происходит по-другому. Предполагается, что в процессе участвуют несколько белков, включая Рех19р, Рех3р и Рех16р, причем Рех19р, вероятно, служит рецептором импорта. Однако роли этих белков остаются невыясненными.
Белки пероксисом импортируются после того, как они приобрели нативную структуру и были отобраны одной из двух узнающих систем.
Обе системы используют некоторые общие компоненты канала транспорта, однако остальные компоненты специфичны для каждой из них.
Белки, узнающие сигнальные последовательности пероксисом, импортируются вместе со своими субстратами. На этой микрофотографии, сделанной с помощью электронного микроскопа,
видны частицы золота, покрытые пептидом PTS1, которые были импортированы в пероксисомы.
Размеры золотых частиц составляют 90 А в диаметре,
т. е. существенно выше, чем размеры большинства глобулярных белков.
Организация клетки. Внутриклеточный транспорт
А. Транспорт белков
Биосинтез белков начинается на свободных рибосомах (на схеме вверху). Однако вскоре пути синтезируемых белков расходятся в соответствии с их функцией: белки, несущие на N-конце сигнальный пептид для ЭР ( 1 ), проходят через секреторный путь (на схеме справа), а прочие белки, не имеющие этой сигнальной последовательности, следуют по цитоплазматическому пути (на схеме слева).
Секреторный путь. Рибосомы, синтезирующие белок с сигнальной для ШЭР последовательностью, связаны с мембраной эндоплазматического ретикулума (см. с. 226). Растущая пептидная цепь направляется через мембрану в просвет ШЭР. Последующий путь растущей цепи определяется наличием соответствующего сигнального пептида или сигнального участка .
Белки, имеющие в растущей цепи специальную стоп-сигнальную последовательность ( 4 ), остаются в мембране ШЭР в качестве интегрального мембранного белка. По механизму везикулярного транспорта они могут быть перенесены из ШЭР на другие органеллы (см. с. 226).
Белки, попавшие в просвет ШЭР, транспортируются обычным путем в аппарат Гольджи и далее в плазматическую мембрану. Белки, которые остаются в ШЭР, например ферменты модификации белков, возвращаются из аппарата Гольджи в ШЭР с помощью сигнала возврата ( 2 ). Прочие белки из аппарата Гольджи попадают в лизосомы ( 3 , см. с. 228) или в плазматическую мембрану (в качестве интегральных мембранных белков или продуктов конститутивного экзоцитоза), либо транспортируются секреторными везикулами ( 8 ) в межклеточное пространство ( 9 ; регулируемый экзоцитоз).
Цитоплазматический путь. Белки, не имеющие сигнального пептида для ШЭР, синтезируются в цитоплазме на свободных рибосомах и остаются в этом отделе клетки. Для последующего транспорта в митохондрии ( 5 ), ядро ( 6 ) или пероксисомы ( 7 ) белки должны иметь специальные сигнальные последовательности.
Б. Сигналы для сортировки белков
Сигнальные пептиды — это короткие участки, расположенные на N- и С-концах, реже — в центральной части полипептидной цепи. Эти фрагменты имеют характерные физико-химические свойства, такие, как гидрофобный характер, наличие положительного или отрицательного заряда, более важные в функциональном отношении, чем аминокислотная последовательность. Сигнальные участки представляют собой трехмерные структуры на поверхности белка, составленные из различных фрагментов одной и той же или нескольких пептидных цепей. На схеме показаны некоторые из известных сигнальных последовательностей и сигнальных участков. Последовательности даны с использованием однобуквенного кода для аминокислот (см. с. 66). Например, последовательность KDEL-COO - ( 2 ) определяет сродство белка к мембране ШЭР.
Сигнальные пептиды (участки) — это структурные сигналы, которые могут быть прочитаны клеткой двумя способами. Обычно они узнаются и связываются рецепторами, локализованными в мембранах органелл. Затем рецепторы при участии белков-посредников переносят связанные белки энергозависимым образом через мембраны в соответствующие органеллы, обеспечивая селективность переноса. Кроме того, сигнальные последовательности могут служить местами узнавания для ферментов, которые модифицируют белки, существенно изменяя их свойства и дальнейшую судьбу, в качестве примера можно привести белки лизосом (см. с. 228) или мембранные белки с липидным якорем (см. с. 230).
Сигнальные пептиды, расположенные на N- или С-концах полипептидной цепи, после выполнения своей функции удаляются специфичными гидролазами. На схеме эти ферменты показаны в виде ножниц. При наличии в белке нескольких сигнальных последовательностей они удаляются поочередно. Это имеет место, например, в случае импорта белков в митохондрии и хлоропласты, когда большинству белков приходится последовательно проходить через несколько мембран.
Читайте также: