Локализация и функции белков SNARE в транспорте белка

Обновлено: 18.05.2024

Белки являются сложными органическими соединениями или биополимерами, содержащих в составе водород, углерод, азот и кислород, а в редких случаях — серу.

Мономерами белков являются аминокислоты.

В жизни любого организма белки играет важную роль (и в клетке тоже). При неисчерпаемом разнообразии белков, им характерна определенная специфичность.

Белки и нуклеиновые кислоты — материальная база всего существующего богатства организмов окружающей среды. От сухой массы клетки их доля может составлять от 50 до 80%.

Каково строение молекулы белка?

Молекулы белков — это длинные цепи, которые состоят из 50-1500 остатков аминокислот. Между собой они соединены прочной ковалентно-углеродной (пептидной) связью. Как результат — образование первичной структуры белка или полипептидной цепи.

Молекула белка представляет собой полипептид с молекулярной массой от 5 до 150 тысяч (в некоторых случаях даже больше).

В составе простых белков присутствуют только аминокислоты. Сложные белки помимо аминокислот могут содержать нуклеиновые кислоты (нуклеопротеиды), липиды (липопротеиды), окрашенные химические соединения (хромопротеиды), углеводы (гликопротеиды) и др.

Химические, функциональные и морфологические свойства клетки определяются специфическими белками, которые в ней присутствуют.

Набор аминокислот, их количество и последовательность расположения в полипептидной цепи — формирующие составляющие специфичность белка.

Если в составе белковой молекулы заменить одну аминокислоту, или поменять последовательность расположения аминокислот, то в результате может произойти изменение функций белка в клетке. Все это и является причиной большого разнообразия строения белка (белковой молекулы первичной структуры).

Становится понятным, почему живой организм для выполнения своих функций использует особенные виды белков. В этом отношении его возможности являются неограниченными.

Свойства белков определяются также и пространственным расположением полипептидных цепей. Полипептидные цепи в живой клетке являются скрученными или согнутыми, для них характерная вторичная или третичная структура.

Спирально закрученная белковая цепочка — это вторичная структура. Удержание витков спирали осуществляется за счет водородных связей, которые образуются между CO- и NH-группами, расположенными на соседних витках.

Дальнейшее закручивание спирали приводит к специфической конфигурации каждого белка, то есть — к третичной структуре. Ее образование происходит за счет связей между белковыми радикалами аминокислотных остатков. Это связи:

ковалентная дисульфидная (S- S-связь) между остатками цистеина;
водородная;
ионная;
гидрофобные взаимодействия.

Гидрофобные взаимодействия в количественном соотношении можно считать наиболее важными. Они появляются в результате того, что неполярные боковые цепи аминокислот пытаются объединиться друг с другом без смешения с водной средой. При этом происходит свертывание белка таким образом, что его гидрофобные боковые цепи прячутся внутрь молекулы: так они получают защиту от воды. Наружу выставлены, при этом, боковые гидрофильные цепи.

Есть определенные специфичные для любого белка моменты:

количество молекул аминокислот с гидрофобными радикалами;
количество молекул цистеина;
характер их взаиморасположения в полипептидной цепи.

Сохранение определенной формы молекулы обеспечивает взаимное расположение групп атомов, необходимое для проявления активности белка в качестве катализатора, его гормональные функции и др. По этой причине стойкость макромолекул не является случайным свойством, а важный и необходимый способ стабилизации организма.

Проявление биологической активности белка характерно только при наличии третичной структуры. Замена даже одной аминокислоты в полипептидной цепи приводит к изменениям в конфигурации белка, а также к снижению его биологической активности и даже исчезновению.

В некоторых случаях возможно объединение в единый комплекс двух, трех и более белковых молекул с третичной структурой. В итоге получаем четвертичную структуру белка.

Пример четвертичной структуры белка — гемоглобин. Он состоит из четырех субъединиц и небелковой части (гема). Только в такой форме он может выполнять свои функции.

Белковые субъединицы в четвертичной структуре не имеют химической связи. Но сама структура при этом довольно крепкая за счет действия слабых межмолекулярных сил.

Третичная и четвертичная структуры могут меняться в результате разрыва водородных и ионных связей. Это происходит под влиянием различных физических и химических факторов:

обработки щелочами, кислотами, ацетоном, спиртом;
высокой температуры;
давления и др.

Денатурация — это нарушение естественной или нативной белковой структуры.

Денатурация приводит к снижению растворимости белка, изменению формы и размеров молекул, утрате ферментативной активности и т.д. При этом, процесс денатурации является обратимым: при возвращении нормальных условий происходит непроизвольное обновление естественной (природной) структуры белка. Этот процесс получил название ренатурации.

Первичная белковая структура определяет особенности строения белка и функционирование белковой макромолекулы. От строения перейдем к функциям белков.

Функции белков в клетке

Выделяют как минимум 3 основных функции белка в клетке:

Строительная функция белков или пластическая. Одна из важнейших функций, так как белки являются составными компонентами клеточных мембран и органелл. В основном из белка состоят стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи высших животных.
Двигательная. Ее обеспечивают особенные сократительные белки, за счет которых приходят в движение жгутики и реснички, перемещение хромосом в ходе деления клеток, сокращение мускулатуры, движение органов растений, а также изменения положений разнообразных структур организма в пространстве.
Транспортная. Эта функция обеспечивается способностью белков к связыванию и переносу с течением крови химических соединений.

Теперь пройдемся по другим функциям белков кратко.

Белок крови гемоглобин осуществляет перенос кислорода из легких в клетки других органов и тканей. В мышцах такую функцию выполняет миоглобин.

Белки сыворотки крови осуществляют перенос липидов и жирных кислот, а также различных биологически активных веществ.

Говорить о белках и их функциях невозможно, не отметив защитную функцию белков. Клетка способна вырабатывать особые белки — иммуноглобулины. Это происходит, когда в нее проникают различные чужеродные вещества вроде антигенов-белков или высокомолекулярных полисахаридов бактерий, вирусов. Иммуноглобулины или антитела устраняют чужеродные вещества и обеспечивают иммунологическую защиту организма.

Функционирование иммунной системы организма осуществляется благодаря распознаванию антигенов антигенным детерминантом (характерным участком их молекул). Таким образом чужеродные вещества связываются и обеззараживаются.

Внешняя защитная функция может выполняться также белками, которые являются токсичными для других организмов. К примеру, белок змей.

Стоит выделить и сигнальную функцию белков. Молекулы белков, способные к изменению третичной структуры в ответ на действия факторов окружающей среды, встроены в поверхность клеточной мембраны. Таким образом осуществляется восприятие сигналов из внешней среды и передача команд в клетку.

Есть еще регуляторная функция, которая присуща белкам-гормонам, влияющим на обмен веществ. Гормоны поддерживают постоянную концентрацию веществ в крови, а также принимают участие в росте, размножении и прочих жизненно важных процессов.

Инсулин — самый известный гормон, отвечающий за снижение уровня сахара в крови. При недостатке инсулина уровень сахара в крови повышается, что приводит к возникновению сахарного диабета. Разнообразные белки-ферменты также выступают в роли главных регуляторов биохимических процессов в организме (каталитическая функция).

Белки — энергетический материал. В результате расщепления 1 грамма белка до конечных продуктов происходит выделение 17,6 кДж энергии, которая используется в большинстве жизненно важных процессов в клетке.

Функции белков в таблице:

Разобравшись со строением и функциями белков, переходим к ферментам.

Ферменты и их роль в клетке

Ферменты или энзимы — это особые белки, которые присутствуют в любом организме и выполняют функцию биологических катализаторов.

Протекание химических реакций в живой клетке зависит от умеренной температуры, нормального давления и нейтральной среды. Такие условия обеспечивают довольно медленное течение реакций синтеза или распада веществ в клетке. Однако именно ферменты ускоряют реакции путем снижения энергии активации, при этом не происходит изменений их общего результата. Чтобы придать молекулам реакционную способность, в случае наличия ферментов необходимо гораздо меньше энергии.

При прямом или косвенном участии ферментов протекают все процессы в живом организме.

Составляющие компоненты пищи — белки, углеводы, липиды и др. — под влиянием ферментов расщепляются до простейших соединений. Позже из них синтезируются новые, присущие данному виду макромолекулы. В случае нарушения образования и активности ферментов возникают тяжелые заболевания.

Ферментативный катализ протекает в соответствии с теми же законами, что и неферментативный катализ в химической промышленности. Но у ферментативного катализа есть и определенные отличия. Ему характерная высокая степень специфичности — фермент катализирует только одну реакцию или действует в отношении только одного типа связи.

Все это обеспечивает регулирование жизненно важных процессов, которые происходят в клетке и организме: фотосинтеза, дыхания, пищеварения и др.

Только одно вещество катализирует расщепление фермент уреаза. Это вещество — мочевина. При этом, фермент не действует каталитически на структурно родственные соединения.

Теория активного центра — важный момент для понимания того, каков механизм действия ферментов с характерной им высокой специфичностью. Согласно этой теории, молекула фермента содержит один или несколько участков, где катализ осуществляется благодаря тесному (во множестве мест) контакту между молекулами фермента и субстрата (специфического вещества). Активным центром выступает функциональная группа (например, OH — группа аминокислоты серина) или отдельная аминокислота.

Действие катализатора нуждается в объединении нескольких аминокислотных остатков, которые располагаются в определенной последовательности. В среднем требуется от 3 до 12 остатков.

Формирование активного центра может происходить также в результате связи ферментов с ионами металлов, витаминами и прочими соединениями небелковой природы. Это коферменты или кофакторы.

Форма активного центра и его химическое строение таковы, что подразумевают связь только с определенными субстратами за счет их идеального соответствия друг другу — взаимодополняемости или комплементарности.

Другие аминокислотные остатки обеспечивают большой молекуле фермента определенную глобулярную форму — она нужна для эффективной работы самого центра.

Вокруг большой молекулы фермента образуется сильное электрическое поле. Это поле обеспечивает ориентацию молекул субстрата и их ассиметричная форма. Происходит ослабевание химических связей, и начальная затрата энергии на катализируемую реакцию сокращается. При этом, скорость реакции увеличивается.

За одну минуту одна молекула фермента каталазы расщепляет свыше 5 млн. молекул перекиси водорода, возникающая при окислении в организме различных соединений.

Наблюдается изменение конфигурации активного центра некоторых ферментов в присутствии субстрата. Чтобы обеспечить наибольшую каталитическую активность, этот фермент специально ориентирует свои функциональные группы.

При присоединении молекул субстрата к ферменту, в определенных пределах наблюдается изменение их конфигурации. Это позволяет увеличить реакционную способность функциональных групп центра. Распад комплекса фермента и субстрата происходит на заключительном этапе химической реакции — с образованием конечных продуктов и свободного фермента. Происходит освобождение активного центра, в результате чего он снова может принимать новые молекулы субстрата.

Множество факторов определяют скорость реакций с участием ферментов. К ним относятся:

концентрация фермента;
природа субстрата;
давление;
температура;
кислотность среды;
наличие ингибиторов и др.

Скорость биохимических реакций минимальна при температуре около 0 по Цельсию. Такое свойство широко применяется в различных отраслях, в частности — в медицине и сельском хозяйстве.

Для снижения интенсивности биохимических реакций и продления жизни, органы человека, планируемые к пересадке (почки, селезенка, печень, сердце), охлаждают. Быстрое замораживание пищевых продуктов предотвращает размножение микроорганизмов и инактивирует ферменты, в результате чего пищевые продукты не разлагаются.

Эта статья поможет вам разобраться в свойствах и функциях белков (функции белков представлены в таблице).

Синтез белка всегда начинается в цитоплазме. Окончание синтеза происходит в цитоплазме либо на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (ШЭР).
Можно условно выделить два пути транспорта белка в клетке:
1. Из цитоплазмы в некоторые органеллы (ядро, пластиды, митохондрии)
2. Большой путь везикулярного транспорта из ШЭР через аппарат Гольджи (АГ) к другим органеллам (лизосомы, пероксисомы) и через секреторные везикулы во внеклеточную среду. Поскольку синтез всех белков начинается в цитоплазме, а конечная локализация каждого белка может быть различна внутри полипептида имеется система сигналов определяющая его транспортный путь. Первичный сигнал определяет путь из цитоплазмы (в ШЭР, в ядро, в митохондрию или в пластиду), вторичный сигнал определяет дальнейшее направление, например, внешняя или внутренняя мембрана митохондрии или матрикс; лизосома, пероксисома или секреторная гранула.

Сигнальные последовательности белков

Сигнальные последовательности имеют длину 3-80 аминокислот узнаются специфическими рецепторами на мембранах различных компартментов клетки.
Сигнальная последовательность ЭР - гидрофобный участок 5-15 аминокислот на N-конце полипептида.
Сигнал митохондриальных белков 20-80 аминокислот состоящий из спирали и торчащих концов - (+)-заряженного и гидрофобного. 5 (+)-заряженных аминокислот для транспортировки в ядро. Пероксисомные белки имеют последовательность на С-конце Ser-Lys-Leu-COOH.
Имеется класс сигнальных последовательностей которые не позволяют белку достигшему определенной локализации транспортироваться дальше. Например, мотив Lys-Asp-Glu-Leu-COOH (KDEL) не позволяет белкам покидать эндоплазматический ретикулум.

Одна из функций гладкого ЭР - удержание кальция готового для выпуска в цитозоль при стимуляции клетки. Кальретикулин - белок удерживающий ионы кальция. Первые 17 аминокислот включают 14 гидрофобных (синие) - сигнальная последовательность для проникновения в ЭР из цитозоля. Последние четыре аминокислоты KDEL удерживают белок в ЭР.
(NH2) MLL S VPLLL G LL G LAVA E PAV Y F K EQ FL DGDG W TSR WI ESKHKSD F GK FVL SSGK F
YGDEEKDKG L QTSQD A R F Y AL S A S F E PF SNKGQT LVV Q F T V KHEQN I DCGGGY V K LFP
NS L DQTD M HGDSEYN IMF G P D I CG P GTKK V H VIF NYKGKN VLI NKD I RCKDDE F TH L YT LIV R P
DNTYE V K I DNSQ V ESGS L EDD W D FLPP KK I KD P D A SK P ED W DER A K I DD P TDSK P
ED W DK P EH IP D P D A KK P ED W DEE M DGE W E PPVI QN P EYKGE W K P RQ I
DN P DYKGT WI H P E I DN P EYS P D P S I Y A YDN F
G VL G L D LW Q V KSGT IF DN FLI TNDE A Y A EE F GNET W G V TK AA EKQ M KDKQDEEQR L
KEEEEDKKRKEEEE A EDKEDDEDKDEDEEDEEDKEEDEEED VP GQ A KDE L (COOH)

]]> сервер для предсказания сигнальных последовательностей белков ]]>
Некоторые белки имеют различные локализации в клетки. Существует несколько путей транспортировки идентичных полипептидов в различные компартменты клетки [Karniely, 2005]:
1. Несколько сигнальных последовательностей в одном полипептиде преднозначенные для разных компартментов. Каталаза А дрожжей имеет две сигнальные последовательности - для митохондрий и пероксисом, причем количество фермента в этих органеллах зависит от состава среды. Некоторые цитохромы имеют два сигнала - митохондриальный и ЭР. Митохондриальный сигнал запускается после посттрансляционного фосфорилирования белка. Известно, что белок-предшественник амилоида болезни Альцгеймера также имеет два сигнала локализации - ЭР и митохондрий.
2. Одна сигнальная последовательность узнается различными рецепторами на поверхности компартментов. Например, некоторые белки митохондрий и хлоропластов имеют общую сигнальную последовательность, которая более гидрофобна чем специфические сигналы.
3. Сигнал может быть блокирован другим белком. Апуриновая/апиримидиновая эндонуклеаза 1 (Apn1) - основной фермент эксцизионной репарации репарации ДНК в ядре и митохондриях. С-конец имеет сигнал ядерной локализации (NLS), за которым идет сигнал митохондриальной локализации. белок Pir1 взаимодействует с С-концом Apn1 блокируя NLS.
4. Сигнал может быть блокирован специфическим сворачиванием белка. Аденилат-киназа дрожжей Aky2 локализуется в цитоплазме и в небольшом количестве в межмембранном пространстве митохондрий, имеет две сигнальные последовательности, активность которых зависит от конформации белка.
5. Сигнал может быть блокирован после модификации полипептида. Фосфорилированный цитохром CYP2B1, взаимодействует с цитозольным шапероном Hsp70, что приводит к конформационным изменениям и переключает одну сигнальную последовательность на другую.
6. Одна РНК может иметь два сайта инициации трансляции при этом образуются два белка - один с сигнальной последовательностью, другой без нее, что определит различную локализацию белков в клетке. В другом случае может образовываться две различные РНК кодирующие два идентичных белка, но у одного будет сигнальная последовательность, а у другого нет.

Транспорт в ядро

Транспорт в митохондрии и пластиды

Митохондрии и пластиды имеют собственную ДНК и самостоятельно синтезируют некоторые белки. Однако многие из основных белков митохондрий и пластид синтезируются в цитозоле.
Белки проникающие в митохондрии должны нести сигнал, определяющий локализацию - внутрення или наружная мембрана, или матрикс.
Белки преднозначенные для матрикса несут сигнал на N-конце, который узнается рецепторами на внешней мембране. Рецептор связан с комплексом переноса белка, который разворачивает белок и переносит его через мембрану. После переноса белка сигнальная последовательность отрезается и белок снова сворачивается.
Белки шапероны связываются с вновь синтезированным белком предотвращая его сворачивание.
Шаперонины связываются с белком после его транспортировки к месту доставки и способствуют правильному сворачиванию.
В ответ на различные стрессовые воздействия (например повышение температуры) в клетке синтезируются шапероны называемые белками теплового шока - hsp (heat-shock proteins), которые стабилизируют клеточные белки. Hsp обнаружены во всех клеточных компартментах эукариот и у бактерий.

Везукулярный транспорт

Из одной органеллы в другую перемещение происходит в везикуле или на ее поверхности в виде интегральных белков.
Донорый компартмент - органелла от которой отрывается мембрана в составе везикулы, акцепторный компартмент - принимает везикулу.
конститутивная секреция - происходит постоянно и не зависит от внешних сигналов.
регулируемая секреция - под ПМ происходит накопление пузырьков, которые сливаются с ПМ при наличии внешних сигналов - гормоны, нервы - и повышении конц. Ca2+ до 1мкм
ретроградный транспорт - возвращение рецепторных белков и липидов из АГ в Эр - восполнение мембраны ЭР.
антероградный транспорт - растворимые грузовые белки двигаются по секреторному пути ЭР→ пузырек?цис-Гольджи?пузырек?транс-Гольджи?пузырек?органелла или секреция
Окаймленные везикулы - покрыты белками, кот узнают и концентрируют специфич. м-ные белки и отделяют м-ну пузырька, формируют решетку и придают форму везикуле: клатриновые, COPI, COPII:
Клатриновые везикулы - ~0,1мкм, транспорт из АГ и ПМ,клатрин - 3типа, 3 большие и 3 малые субъединицы формирующие трискелетон - собирающиеся на поверхности м-ны со стороны цитоплазмы в пента- и гексагоны, кот спонтанно формируют сферу. Адаптин - связывает клатрин с м-ной и ловит различные трансм-ные белки в том числе грузовые рецепторы, кот. захватывают р-римые грузовые белки, кот попадают внутрь везикулы. Имеетя по крайней мере 4 типа адаптинов
динамин - GTP-аза, р-римый цитоплазматический белок, образует кольцо на отделяющейся клатриновой везикуле - регулирует кол-во клатрина отщепляющееся вместе с м-ной в составе везикулы, ассоциирует другие белки помогающие выпучить м-ну и белки модификаторы липидов, изменяющие локально липидный состав м-ны для выпучивания
После отделения везикулы от м-ны клатрин и адипин отделяют шапероны - ATP-азы hsp70 семейства. Ауксилин - прикрепляется к везикуле и активирует АТФ-азу. Т.к кайма формирующейся везикулы сущ. дольше чем кайма отделенной - имеется стабилизирующий механизм. Клатриновая оболочка обеспечивает значительную силу для изгибания м-ны, т.к. везикулы из внутриклеточных компартментов образуются на уже выпученной м-не
COP-I - транспорт от АГ и ЭР, 8субъединиц, GTP-белок - фактор рибозилирования АДФ -ARF - транспорт
COP-II - транспорт из АГ и ЭР, 5 субъединиц
Везикулы мб не только сферические, часто образуются трубчатые везикулы в которых высокое соотношение S/V
Образование клатриновых и COP везикул регулируется GTP-связывающими белками, которые могут находится в активном GTP- и неактивном GDP-состоянии
Два класса белков обменивают GDP-GTP: GEF-гуанин-нуклеотид-фактор обмена активирует белки заменяя GDF?GTF, GAP- белок активирующий GTP-азы - инактивирует GTP-связывающие белки меняя GTP?GDP.
GTP-азы необходимые для сборки окаймленных везикул перед сборкой пузырьков: мономерные GTP-связывающие белки (GTP-азы):
ARF-белки - необх для клатриновой и COP сборки на пов-ти м-ны АГ. Sar1 белок, необходим для COPII сборки на на ЭР м-не
тримерные (G белки).
GTP-азы находятся в цитозоле в неактивном состоянии, перед сборкой GEF встраивается в м-ну ЭР и связывает цитозольный SarI, кот обменивает GDF?GTP. В GTP состоянии SarI встраивается остатком жирной к-ты в м-ну ЭР. Ассоциирует белки об-ки и инициирует отпочковывание везикулы. GTP-азы попавшие в м-ну активируют фосфолипазу D, кот преобразует фосфолипиды в фосфотидную к-ту, что усиливает связывание оболочных белков. Вместе белок-белковые и белок-липидные взаимодействия изгибают м-ну
SNARE - белки - отвечают за слияние донорной и акцепторной м-н, более 20, каждая на специфич пов-ти м-ны, трансмембранные белки на пов-ти везикулы - v-SNAR, на пов-ти донора - t-SNAR. Взаимодействуя v- и t-SNAR обвиваются др на друга в транс-SNAR-комплекс, обеспечивающий слияние м-н. SNF-белок разрушает транс-SNAR-комплексы - цитозольный шаперон ATP-аза, использует адаптирующие белки для связывания с комплексом-SNAR
Rab-белки - мономерные GTP-азы, более 30, каждая органелла имеет хотя бы один Rab на м-не со стороны цитоплазмы, регулируют стыковку везикул и связывание v-SNAR-ов и t-SNAR-ов необходимых для слияния м-н. В состоянии GDP-не активны, нах в цитозоле, в состоянии GTP-активны и переходят на пов-ть м-ны органеллы или везикулы. В активном состоянии Rap связываются с м-ной липидным якорем и собирают другие белки участвующие в слиянии м-н
неактивный Rab-GDP связан с GDI - GDP-диссоциирующий ингибитор. Rab-GDP связывается с GEF-гуанин нуклеотид меняющий фактор, связанный с м-ной донорного компартмента - меняет GDP на GTP. Rab-GTP связывается с м-ной формирующейся везикулы и ассоциирует v-SNARE, которые в составе везикулы транспортируются к органелле и связываются с Rab-эффекторами и t-SNARE, связанными с м-ной акцепторного компартмента и обеспечивают слияние м-н
белок органелла
Rab1 ЭР и АГ
Rab2 цис-АГ
Rab3A синаптич везикулы, секрет гранулы
Rab4 ранние эндосомы
Rab5A ПМ, клатриновые везикулы
Rab5C ранние эндосомы
Rab6 промежуточный- и транс-АГ
Rab7 поздние эндосомы
Rab8 секреторные везикулы (базолатеральные)
Rab9 поздние эндосомы, trans-АГ
Слияние м-н происходит не только при везикулярном транспорте: слияние спермия с яйцом, слияние миобластов во время развития мышечной клетки.

Образование клатринового пузырька. Диаметр клатринового пузырька ~0,3 мкм

Везикулярный транспорт

Транспорт малых молекул

ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНУ МАЛЫХ МОЛЕКУЛ

унипорт-независимый перенос, симпорт-одновременный, однонаправленный перенос, антипорт-одновременно антинаправленный транспорт | симпорт и антипорт - контранспорт - скорость процесса зависит от двух переносимых в-в
пассивный транспорт - идущий по градиенту концентрации и/или по электрическому градиенту - простая диффузия, канальный транспорт, облегченная диффузия
простая диффузия - липидная м-на обладает малой проницаемостью для ионов и большинства полярных молекул (исключение вода). Неполярные диффундируют Н2О, CO2, O2. Коэффициенты проницаемости для низкомолекулярных соединений коррелируют с отношением их растворимости в неполярных растворителях к растворимости в воде. Эта зависимость дает основание думать, что низкомолекулярные соединения проходят сквозь двуслойную липидную мембрану следующим образом: сначала они теряют окружающую их гидратную оболочку, затем растворяются в углеводородном внутреннем слое мембраны, после чего диффундируют через этот внутренний слой к другой стороне мембраны, где вновь растворяются в воде.
каналы - трансм-ные белки формирующие в м-не сквозные проходы - индиферентные (всегда открыты - каналы чувствительные к давлению), аллостерические (химически регулируемые - при наличии лиганда никотиновый ацетилхолиновый рец-р, рец-р -аминомаслянной к-ты, рец-р глицина) и потенциал-зависимые (при изменении м-ного потенциала Na+-канал, K+-канал, Ca2+-канал)
облегченная диффузия осущ белками переносчиками, кот специфич связывают и переносят молекулы через липидный бислой, путем изменения конформации
активный транспорт - требующий затрат энергии:
первично-активные -непосредственно использует энергию- сопряженные с ох-red р-циями (цитохром с-оксидаза), сопряженные с поглощ. hv (бактериородопсин), АТФ-азы (Na+/K+-АТФ-аза, Ca2+-АТФ-аза, Н+-АТФ-аза, K+-АТФ-аза, H+/K+-АТФ-аза
вторичноактивные по градиенту, созданному в процессе первично-активного транспорта - контранспорты - симпортеры (лактозопермеаза), антипортеры (белок полосы 3)
транспорт некоторых сахаров и аминокислот внутрь животных клеток обусловливается градиентом Na+ через плазматическую мембрану. Всасывание глюкозы в клетки кишечника и почек достигается с помощью системы симпорта, в которой глюкоза и ионы Na+ связываются с различными участками на белке-переносчике глюкозы (рис. 56). Na+ стремится войти в клетку по своему электрохимическому градиенту и как бы "тащит" глюкозу внутрь за собой. Чем выше градиент Na+, тем больше скорость всасывания
глюкозы. И наоборот, если концентрация Na+ во внеклеточной жидкости заметно уменьшается, транспорт глюкозы останавливается. Ионы Na+, проникающие в клетку вместе с глюкозой, выкачиваются обратно Na+,К+-АТФазой, которая, поддерживая градиент концентрации Na+, косвенным путем контролирует транспорт глюкозы. В плазматических мембранах многих животных клеток существует, по крайней мере, 5 различных белков переносчиков аминокислот, которые действуют как системы симпорта, перенося одновременно ионы Na+, причем каждый из этих белков специфичен для группы родственных аминокислот. У бактерий большинство систем активного транспорта, приводящихся в действие ионными градиентами, использует в качестве котранспортируемого иона Н+, а не Na+. В частности, активный транспорт большей части сахаров и аминокислот в бактериальные клетки обусловлен градиентом Н+ через плазматическую мембрану. Наиболее хорошо изученный пример такого рода - это трансмембранный белок переносчик лактозы (пермеаза, или М-белок), состоящий из одной полипептидной цепи (30 кДа) и осуществляющий Н+-зависимый симпорт: с каждой транспортируемой в клетку молекулой лактозы переносится один протон.

векторный транспорт - способ активного транспорта - молекулы, проникшие в клетку пассивно, химически модифицируются с затратой энергии, так что модифицированные молекулы уже не могут выйти обратно через тот же канал. Встречается у бактерий при транспорте сахаров: при переносе через плазматическую мембрану сахара фосфорилируются, становятся заряженными и не могут выйти обратно, поэтому они начинают накапливаться в клетке. При этом концентрация нефосфорилированных сахаров внутри клетки остается очень низкой, и сахара продолжают поступать в клетку по градиенту концентрации. Механизм сопряженного с транспортом фосфорилирования сахаров у бактерий довольно сложен: в нем участвуют, по крайней мере, четыре разных мембранных белка, а в качестве донора фосфатной группы используется не АТФ, а фосфоенолпируват

ТРАНСПОРТ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ МАКРОМОЛЕКУЛ

ТРАНСПОРТ БЕЛКОВ через мембраны
пориновый комплекс - 125000кДа транспорт ч-з ядерную м-ну цитозольных белков, сигнальные посл-ти связ с пк и переносятся с сохранением третичной стр-ры
белки-переносчик - транспорт из цитоплазмы в органеллы, белковые комплекся переносятлинейные пептиды ч-з биомембраны энергозависимым образом посредством связывания сигнальной посл-ти с рецептором, разворачивание и сворачивание белка контролируется шаперонами

Важнейшие стрелочники клеток организма: белки Wnt

Обзор

Дилемма стрелочника

Автор

Редакторы

Статья на конкурс «био/мол/текст»: Говорят «стрелочник во всем виноват», а ведь он только выполняет переданную команду: скажут ему «переводи стрелку», он и направит поезд по другому пути, а не скажут — так он и не переведет. Таким же образом действуют и сигнальные молекулы нашего организма, в том числе в сигнальном пути Wnt. Задача этих биомолекул — передать «приказы» клеток-«начальников» клеткам-«подчиненным».

Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучший обзор».

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

Введение от редакции

Wnt-путь — один из важнейших молекулярных сигнальных путей, который регулирует эмбриональное развитие и дифференцировку клеток. Весь путь назван по имени одного из лигандов, который активирует путь в клетках — Wnt. Это сокращение произошло от слияния названий двух генов — Wg + Int. Прототип гена был открыт у дрозофилы, где мутация в гене Wg (wingless) подавляла развитие крыльев. Гомологичный ген у позвоночных — Int — связан с развитием раковых опухолей.

На сегодняшний день известно, что Wnt-путь регулирует развитие многих органов во время эмбриогенеза и отвечает за билатеральную симметрию организма. Его функции — все то, что формирует из массы эмбриональных клеток сформированный организм. У взрослых особей нарушения Wnt-пути ведут к повышенному риску раковых заболеваний. Также недавние работы показали важную роль компонентов Wnt в пролиферации и дифференциации стволовых клеток.

Гликопротеины Wnt — это семейство секретируемых клетками сигнальных молекул, которые участвуют в координации поведения клеток в организме. Эти белки, открытые еще в начале 1980-х в качестве маркеров многих видов раковых заболеваний, оказались ключевыми регуляторами эмбрионального развития, процессов регенерации, роста костей, дифференцировки стволовых клеток и массы других процессов, связанных с морфогенезом и определением клеточной судьбы.

Структура Wnt белков

Структура белков семейства Wnt напоминает кисть руки (рис. 1; [1]). Роль большого пальца играет аминоконцевой домен, состоящий из пучка α-спиралей, стабилизированных пятью дисульфидными мостиками. «Указательный палец» — карбоксиконцевой домен, включающий два β-тяжа, поддерживаемых шестью дисульфидными мостиками. «Ладонь» обладает высокой гибкостью, обеспечивая конформационную подвижность белка. Кроме этого, к «большому пальцу» ковалентно присоединяется пальмитолеиновая жирная кислота, необходимая для взаимодействия с транспортными белками. Присоединение остатка жирной кислоты называется ацилированием, и зависит оно от другой модификации участка «ладони» — гликозилирования. Без него становится невозможным взаимодействие с транспортными белками и, следовательно, секреция.

Рисунок 1. Структура Wnt. а — Объемная модель Wnt8. Желтым цветом обозначены гликозилированные участки. б — Вторичная структура Wnt. Оранжевым цветом обозначены и пронумерованы 22 остатка цистеина, которые образуют парные дисульфидные мостики. Розовым цветом обозначена ковалентно присоединенная ацильная группа: жирная кислота.

Секреция Wnt

Предполагается, что присоединение необходимого для секреции Wnt остатка жирной кислоты осуществляет ацилтранферраза эндоплазматического ретикулума Поркупин (PORCN), так как делеция этого гена нарушает секрецию Wnt (рис. 2; [4]). После ацилирования Wnt распознается белками аппарата Гольджи — трансмембранным рецептором GPR177 (широко известным как Wntless (Wls)), «белками-грузчиками» p24, которые переносят Wnt от эндоплазматического ретикулума на поверхность клетки (рис. 3; [5]) и транспортным белком Swim, который поддерживает растворимость и сигнальную активность компллекса Wnt/Wls [6].

Рисунок 2. Биогенез и секреция Wnt. Молекулы Wnt в процессе созревания в эндоплазматическом ретикулуме подвергаются гликозилированию, а затем ацилированию. Затем в сопровождении белка Wntless из аппарата Гольджи они попадают в секреторные везикулы, внутри которых пересекают плазматическую мембрану, после чего секретируются. Wntless извлекается из отработанных секреторных везикул и переносится обратно в аппарат Гольджи с помощью комплекса Retromer.

Рисунок 3. Канонический путь Wnt-сигнализации. «Рабочим телом» канонического пути является β-катенин: в неактивном состоянии его мало, а в активном — много, и он активирует транскрипцию в ядре.

Неактивное состояние: в отсутствии взаимодействия между Wnt и рецептором LRP5/6 количество цитоплазматического β-катенина малó за счет «деградационного комплекса», состоящего из белков APC, казеинкиназы и гликоген-синтезы-киназы GSK3, расположенных на «платформе» белка Аксин. С помощью этого комплекса цитоплазматический β-катенин фосфорилируется, а затем подвергается убиквитилированию белком β-TrCP, что приводит к его деградации с помощью протеасомы.

Активированное состояние: Wnt-сигнал начинается с образования комплекса Wnt с LRP5/6 и рецептором Фрайззлед (Frizzled), что приводит к активации белка Dishevelled. Это ингибирует «деградационный комплекс» и «выключает» убиквитилирование β-катенина. В результате накапливающийся в цитоплазме свободный β-катенин [16] проникает в ядро и активирует транскрипцию с помощью транскрипционных факторов TCF/LEF и ряда других.

Регуляция пути Wnt: с секретируемыми молекулами Wnt непосредственно связываются их антагонисты: Wnt-ингибирующий фактор (WIF) и Фрайззлед-узнающий белок 1 (sFRP). Кроме того, для предотвращения образования комплекса Фрайззлед—Wnt—LRP, c белками LRP5/LRP6 могут связаться DKK и склеростин. Белки Shisa, захватив рецептор Фрайззлед, мешают ему выйти на поверхность клетки. Если Wnt образует комплекс с LRP5/6 и Фрайззлед, сигнализация активируется. Белок R-spondin 2 (RSPO), стабилизируя рецепторы Фрайззлед и LRP5/6, повышает сигнализацию по пути Wnt. В эндоплазматическом ретикулуме для созревания LRP5/6 необходим сопровождающий белок MESD.

Мембранные рецепторы Wnt

Для того чтобы воздействовать на клетку-мишень, Wnt должен связаться с клеточными рецепторами. В качестве таких рецепторов на поверхности клетки выступают трансмембранный белок Фрайзлед Frizzled (Fz) и липопротеиды низкой плотности LRP5/LRP6. Связаться с ними молекуле Wnt активно мешают различные антагонисты, которым противостоят агонисты (рис. 3). Помимо этих рецепторов Wnt может связываться с рецепторными тирозинкиназами Ror и Ryk . Ror, связавшись с Wnt5a, фосфорилирует белок Дишевеллед и таким образом контролирует морфогенез тканей, тогда как Ryk, фосфорилируя мембранный белок Vangl2, контролирует полярность клетки.

Кстати, Frizzled и уже упомянутый рецептор GPR177 относятся к семейству рецепторов GPCR, за исследование которых в 2012 году была вручена Нобелевская премия по химии [7]. Рецепторные тирозинкиназы также представляют важный класс сигнальных рецепторов мембраны клетки (см., например, [8]). — Ред.

Механизмы воздействия Wnt на клетку

По традиции механизмы воздействия Wnt на клетку подразделяют на:

канонический (β-катенин—зависимый) путь, который, в конечном счете, контролирует программы генной экспрессии, связанные с определением судьбы клетки и морфогенезом [9];
неканонические (β-катенин—независимые) пути [10], которые регулируют полярность клетки, стимулируя реорганизацию цитоскелета [11], [12] и метаболизм кальция [13].

В основе канонического пути Wnt-сигнализации лежит стабилизация цитоплазматического белка β-катенина (рис. 3). В отсутствие сигнала β-катенин не активен и быстро деградирует. Когда клетки активируются Wnt, скорость деградации β-катенина снижается. Избежавший деградации β-катенин накапливается в цитоплазме и входит в ядро.

В ядре β-катенин, захватив ядерные белки BCL9 и пигопус (Pygopus), взаимодействует с белками TCF/LEF, превращая их в мощные активаторы транскрипции. TCF/LEF являются многофукциональными белками, которые, обладая способностью избирательно связываться с определенными последовательностями ДНК и с определенными белками-активаторами, «принимают решение», какие из генов будут активированы сигналом Wnt [14]. Обнаружено, что связь между β-катенином и TCF4, необходимая для такой активации, может быть нарушена ресвератролом. Это позволяет предположить, что ресвератрол, являющийся флавоноидом кожицы черного винограда и получаемого из него вина, может быть использован в качестве безвредного лекарства для подавления сигнала Wnt при раковых заболеваниях [15].

Влияние Wnt-сигнализации на клеточный цикл и пролиферацию клеток

Появляется все больше доказательств сложной взаимосвязи канонического пути Wnt-сигнализации и клеточного цикла. Компоненты сигнального каскада Wnt действуют непосредственно на формирование митотического веретена. Так, например, у излюбленного модельного организма молекулярных биологов — червячка C. elegans — сигнализация Wnt вызывает асимметрию митотического веретена, приводящую к асимметричному распределению β-катенина [17]. Более того, сигнализация Wnt сильно активируется в митозе, свидетельствуя о том, что «митотическая Wnt-сигнализация» играет важную роль в организации программы клеточного деления и таким образом способствует клеточной пролиферации [18].

Стволовые клетки в основном характеризуются двумя свойствами: способностью к самообновлению и дифференцировке в различные типы клеток . Эти процессы регулируются различными факторами роста, в том числе белками Wnt [19]. Накопленные данные показывают, что сигнальный путь Wnt/β-катенина играет ключевую роль в поддержании плюрипотентности, а также в процессах перепрограммирования соматических клеток. В то же время сигнализация Wnt/β-катенин играет важную роль и в процессе дифференцировки.

Дифференцировка и де-дифференцировка стволовых клеток — также предмет Нобелевской премии 2012 года (по физиологии и медицине): «Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки» [20]. См. также [21], [22]. — Ред.

Обнаружено, что добавление белка Wnt или же, наоборот, ингибитора Wnt (малой молекулы IWP2) снижает неоднородность популяции клеток. При этом образуются либо клетки со стабильно высоким уровнем синтеза Wnt, либо клетки с низким уровнем синтеза Wnt. При дифференцировке эмбриональные клетки с высоким уровнем синтеза Wnt преимущественно образуют энтодермальные и сердечные клетки, а с низким — в первую очередь нейроэктодермальные клетки [23]. Знание того, что сигнализация Wnt на ранних стадиях дифференцировки повышает, а на поздних стадиях наоборот угнетает развитие сердца, позволило путем правильной стратегии использования малых молекул и механизмов сигнализации Wnt получить in vitro из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток человека кардиомиоциты с недостижимой до сих пор эффективностью — до 98% [24]!

Перспективы

Вот уже 30 лет как ежегодно появляется огромное количество статей, так или иначе затрагивающих тему сигнализации Wnt. Такое пристальное внимание к этой теме вполне заслуженно, потому что «вездесущая» молекула Wnt регулярно преподносит сюрпризы. Так, например, выяснилось, что β-катенин, избежавший деградации благодаря активации Wnt-сигнала, активирует синтез ферментативной субъединицы теломеразы (TERT) в стволовых и раковых клетках. В этом ему помогает один из транскрипционных факторов плюрипотенции — Klf4, направляющий его на промотор гена Tert [25]. Как известно, теломераза — фермент, поддерживающий длину теломеров в противовес их укорочению, приводящему к старению клетки [26]. Поэтому открытие роли Wnt в стабилизации теломер может помочь как борьбе с раковыми заболеваниями, так и борьбе со старением.

Читайте также: