Биосинтез мембранных белков и их встраивание в биомембрану

Пензенский Государственный Педагогический Университет

им. В.Г. Белинского

Курсовая работа на тему:

Выполнила: студентка группы Бх-41

Данилова Елена

Проверил: к.б.н., \

Соловьев В.Б.

Пенза,2009

Содержание

Введение

1. Методы исследования переноса белков через мембраны

2. Встраивание белков в мембрану

2.1 Сигнальная гипотеза

2.2 Мембранная триггерная гипотеза

3. Полипептидные сигналы, отвечающие за сортировку белков и встраивание их в мембраны

3.1 Сигнальная последовательность, определяющая встраивание в эндоплазматический ретикулум

3.2 Стоп-сигналы переноса

3.3 Использование синтетических сигнальных пептидов

3.4 Сигнальные пептидазы

4. Растворимые и мембраносвязанные белки, необходимые для переноса

5. Сборка мультисубъединичных комплексов и обновление мембранных белков

Выводы

Литература

Введение

Процесс образования мембран начинается с синтеза белковых и липидных компонентов, которые затем должны быть доставлены к месту назначения. В состав мембран входят различные белки, для биосинтеза которых необходимы точные механизмы. В принципе имеются две главные проблемы, касающиеся сборки мембранных белков.

1. Все закодированные в ядре белки синтезируются общим пулом рибосом. В связи с этим возникает вопрос: как отдельные мембранные белки доставляются к месту назначения? Чем отличаются белки плазматической мембраны от белков внутренней митохондриальной мембраны или от белков мембран эндоплазматического ретикулума? Эту сложную проблему сортировки можно решить только при наличии определенных сигнальных последовательностей в каждом полипептиде, а также соответствующего аппарата узнавания.

2. Каков истинный механизм встраивания мембранных белков в мембрану и как при этом достигается правильная их ориентация относительно мембранного бислоя? Требуют ли механизмы встраивания и ориентации также наличия определенных сигнальных элементов и систем узнавания и если да, то каковы они? Какие свойства обеспечивают при встраивании мембранных белков формирование правильной третичной, а также четвертичной структуры в случае мультисубъединичных ансамблей?

За последние десятилетия в поиске ответов на эти вопросы достигнуты большие успехи, причем они становятся все более значительными. Это в большой мере обусловлено тем, что для выяснения роли специфических сигнальных полипептидных последовательностей в этих процессах стала использоваться рекомбинантная ДНК. Хотя не на все вопросы удалось найти ответы, полученные результаты все больше убеждают в том, что совершенно разные на первый взгляд системы в действительности обладают фундаментальным сходством. Например, не так давно было показано, что механизм секреции белков имеет много общего с механизмом синтеза белков плазматической мембраны. Совсем недавно достигнут большой прогресс в понимании общих принципов переноса белков через мембраны митохондрий, эндоплазматического ретикулума и грамотрицательных бактерий. Эти экспериментальные системы изучались наиболее интенсивно. И хотя между соответствующими процессами есть значительные различия, они имеют ряд общих особенностей.

1. Существует идентифицируемая часть полипептидной последовательности, которая служит участком узнавания, или «сигналом», направляющим отдельный полипептид к мембране, в которую он встраивается. Эти сигнальные участки часто расположены на N-конце новосинтезированного полипептида и отщепляются специфическими сигнальными пептидазами после встраивания его в нужную мембрану или переноса через нее. Для обозначения N-концевого сигнала различными авторами использовались следующие термины: сигнальный пептид, сигнальная последовательность, транзитный пептид, лидирующий пептид пре-последовательность.

2. Процессы трансляции и встраивания белков в мембрану можно разделить в эксперименте. Для сборки мембранных белков в большинстве случаев необходима энергия, отличающаяся по величине от той, которая требуется для их трансляции на рибосоме.

3. Связавшийся с мембраной-мишенью полипептид должен, кроме того, находиться в конформации, в которой может осуществляться его перенос через мембрану или встраивание в нее. Во многих случаях перенос белков через мембраны происходит от N-конца к С-концу, при этом необходимо, чтобы белок был, по крайней мере, частично развернут или слабо свернут. Полипептид может транслоцироваться в вытянутой форме в ходе энергозависимого процесса.

Особый интерес представляет процесс сборки мембранных белков. На рис.1 схематично показаны три общих механизма проникновения пептидного предшественника в мембрану. Механизмы А и Б являются вариантами схемы линейного вытеснения, согласно которой сигнальная последовательность направляет полипептид к переносящему устройству, которое включает в себя заполненный водой канал. Сигнальная последовательность может проходить прямо сквозь канал (механизм А) или оставаться связанной с мембраной, образуя, как показано на рис.1, петлю (механизм Б). В отсутствии какого-либо сигнала остановки процесса переноса полипептид будет транспортироваться через мембрану целиком. Однако если внутри полипептида имеется второй сигнальный пептид, называемый стоп-сигналом переноса, то процесс останавливается, и стоп-сигнал переноса становится трансмембранным сегментом зрелого мембранного белка. Фиксируя белок в мембране, стоп-сигнал переноса действует как сигнал сортировки.

Схема В на рис.1 иллюстрирует возможную роль самопроизвольного включения в мембрану гидрофобных элементов полипептидного предшественника. Этот механизм может реализовываться только тогда, когда включение в мембрану происходит после трансляции полипептида.

Рис.1. Три общие модели возможной сборки белков в мембране.

Две первые (А и Б) предполагают, что белок транспортируется в линейной форме через белковый канал. При наличии стоп-сигнала процесс останавливается, в противном случае через мембрану проходит весь белок. Модель В предполагает, что гидрофобные элементы полипептида самопроизвольно включаются в липидный бислой. Гидрофобный элемент может представлять собой одиночную спираль или более сложную структуру. Процесс может быть опосредован белками.

Проблема сборки белков очень важна. Этот процесс обычно не протекает самопроизвольно, лишь в результате взаимодействия между образующимися полипептидами и липидным бислоем. Напротив, он является энергозависимым и опосредуется белковыми структурами, которые пока не изучены в достаточной степени. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что перенос белков через мембрану (например, в полость эндоплазматического ретикулума) и сборка интегральных мембранных белков - это тесно связанные стороны одного и того же процесса. Логично ожидать, что проблемы транспортировки белков через мембраны и их укладки должны решаться одинаковым образом.

1. Методы исследования переноса белков через мембраны

Наиболее детально изучены бесклеточные системы, в которых гораздо легче количественно исследовать процессы переноса и протеолитического процессинга белков. Во всех этих системах используются мембранные везикулы или препараты органелл, у которых поверхность, обращенная в цитоплазму, «смотрит» наружу, поскольку перенос белков осуществляется из цитоплазмы. Этому условию удовлетворяют микросомы, полученные из эндоплазматического ретикулума секретирующих клеток, митохондрий и хлоропластов. Вывернутые везикулы можно получить из клеток Е. coli, они представляют собой удобный объект для изучения переноса белков в бесклеточной системе.

Полипептид-предшественник, находящийся во внешней среде, при соответствующих условиях будет переноситься внутрь пузырька или, по крайней мере, через мембрану пузырька или органеллы. За этим процессом обычно следят, добавляя протеазы во внешнюю среду. Степень защиты от протеолиза является мерой количества полипептида, транспортированного внутрь везикулы или органеллы. За ходом протеолитического процесса, осуществляемого сигнальной пептидазой, следят с помощью электрофореза в полиакриламидном геле в присутствии ДСН. Белки, встроившиеся в мембрану, можно идентифицировать с помощью щелочной экстракции, при этом предполагается, что белки, которые связаны с поверхностью мембран, при такой обработке удаляются. Однако так бывает не всегда, поэтому результаты, полученные с помощью щелочной экстракции, необходимо интерпретировать с осторожностью.

В таких бесклеточных системах можно изучать биохимические условия переноса белков и идентифицировать необходимые растворимые компоненты. Кроме того, при этом можно варьировать природу переносимого полипептидного «субстрата».

При изучении бесклеточных систем были получены весьма важные данные об условиях, необходимых для переноса белков.

1. Посттрансляционный и котрансляционный перенос. Принято считать, что во всех исследованных системах перенос в мембраны или через мембраны может осуществляться независимо от трансляции. Убедительные данные на этот счет были получены для процесса переноса белков в хлоропластах и митохондриях, а также для переноса через бактериальную мембрану. Долгое время считалось, что перенос белков в эндоплазматический ретикулум или через мембраны эндоплазматического ретикулума всегда осуществляется параллельно трансляции, однако было четко показано, что такая параллельность не обязательна. Также важным считается то, что энергия, необходимая для переноса, не исходит от рибосомного биосинтетического аппарата.

2. Энергетические требования к переносу. Как правило, перенос белков в мембраны или через них энергозависим. Необходимым условием переноса как для прокариотических, так и для эукариотических систем является гидролиз АТР (или другого нуклеозидтрифосфата). Это было показано для следующих процессов: а) переноса белков в строму хлоропластов; б) транспорта белков в митохондриальный матрикс, внутреннюю и наружную мембраны; в) переноса белков через эндоплазматический ретикулум дрожжей и посттрансляционного встраивания мембранных белков в эндоплазматический ретикулум млекопитающих; г) переноса белков через цитоплазматическую мембрану Е.coli.

Еще одним независимым условием переноса белков в матрикс митохондрий и во внутреннюю мембрану митохондрий является наличие на последней трансмембранного потенциала. Этот потенциал, очевидно, необходим на ранней стадии процесса, при связывании белка с митохондрией.

3. Способность предшественника к переносу. Имеются веские доводы в пользу того, что ключевую роль в успешном переносе белка играет его четвертичная структура. Скорее всего это связано с тем, что сигнальная последовательность(ти), узнаваемая аппаратом переноса, должна быть доступна для него. Следовательно, для осуществления переноса белок должен быть неплотно свернут или частично развернут. Кроме того, если белки переносятся через мембрану в вытянутой конформации, то аппарат переноса должен быть способен к их развертыванию во время самого процесса переноса. Если бы белки- предшественники обладали стабильной четвертичной структурой, то они с трудом развертывались бы и, следовательно, не были бы способны к переносу.

Транспорт белков осуществляется в развернутом виде. АТР необходим для разворачивания полипептида. Разворачивание происходит до переноса или параллельно ему. На то, что именно АТР необходим для этого процесса, говорит тот факт, что транспорт укороченных предшественников в отличие от транспорта полноразмерного белка может осуществляться в отсутствии АТР. Впервые эти данные были сделаны на основе изучения митохондриальной мембраны. Для предотвращения свертывания предшественника в нативную конформацию необходим какой-либо растворимый белковый кофактор. Так, был выделен в водорастворимой форме, сходный порином митохондрий, предшественник белка наружной мембраны Е.coli OmpA, который был не способен к эффективному переносу через плазматическую мембрану, если в цитозоле отсутствовал белок, называемый «триггер-фактором». Известно также, что для переноса белков через мембраны эндоплазматического ретикулума млекопитающих или в эндоплазматичекий ретикулум необходим растворимый кофактор, а именно - сигнал-распознающая частица (СРЧ). Возможно, роль этого фактора состоит в предотвращении сворачивания предшественника полипептида.

2. Встраивание белков в мембрану

2.1 Сигнальная гипотеза

Белки встраиваются в мембрану разными способами, но детали этого процесса во многих случаях еще не установлены. Для объяснения механизма встраивания предложены две модели: сигнальная гипотеза и мембранная триггерная гипотеза. В сигнальной гипотезе предполагается, что белок включается в мембрану параллельно его трансляции на мРНК в полирибосомах; это так называемое котрансляционное включение. Когда лидерная последовательность выходит из рибосомы, она выявляется некой сигнал-распознающей частицей (СРЧ), которая блокирует дальнейшую трансляцию на уровне примерно 70 аминокислот, 40 из которых остаются в большом рибосомном комплексе, а 30 экспонированы в среду. СРЧ содержит шесть белков, с ней ассоциирована 7S-РНК, близкородственная «Alu-семейству» последовательностей ДНК с большим числом повторов. Блокирование трансляции не снимается до тех пор, пока комплекс СРЧ-лидерная последовательность - рибосома не свяжется с так называемым «отстригающим» белком (рецептором для СРЧ) эндоплазматического ретикулума. В этот момент начинается котрансляционное встраивание в эндоплазматический ретикулум. В процессе элонгации оставшейся части белка он перемещается через липидный бислой, поскольку рибосома остается присоединенной к эндоплазматическому ретикулуму. Таким образом образуется шероховатый (усеянный рибосомами) эндоплазматический ретикулум. Рибосомы остаются прикрепленными к эндоплазматическому ретикулуму втечении всего времени синтеза мембранного белка и освобождаются и диссоциируют на соответствующие субъединицы только после его завершения. Когда ранее синтезированная часть белка выходит в просвет эндоплазматического ретикулума, отщепляется лидерная последовательность, и присоединяются углеводы.

Интегральные мембранные белки не пересекают мембрану целиком; по-видимому, этому препятствует гидрофильная якорная последовательность на С-конце. Секретируемые же белки проходят сквозь мембранный бислой полностью и высвобождаются в просвет эндоплазматического ретикулума. К моменту их поступления внутрь везикулы углеводные остатки уже оказываются связанными с ними. Впоследствии секретируемые белки обнаруживаются в просвете аппарата Гольджи, где происходит модификация их углеводных цепочек, а затем они перемещаются к специфическим внутриклеточным органеллам или клеточным мембранам либо секретируются. Некоторые белки пересекают одну мембрану, а затем заякориваются в другой, соседней мембране, например внутренней мембране митохондрий.

2.2 Мембранная триггерная гипотеза

В этой гипотезе особое значение придается роли лидерной последовательности в изменении третичной структуры самого белка. Согласно этой гипотезе, лидерная последовательность индуцирует такую упаковку обычно гидрофобного интегрального белка, что последний может оставаться солюбилизированным в водной среде цитоплазмы, где он синтезирован. Мембранный липидный бислой является как бы триггером по отношению к третичной структуре белка - последний переходит в такую конформацию, которая обеспечивает его предпочтительное включение в бислой. Таким образом, белок претерпевает некий переход и сам встраивается в мембрану таким способом, чтобы установить необходимую поперечную асимметрию. Сразу после встраивания белка или его интеграции лидерная последовательность отщепляется. Триггерная гипотеза не предполагает специфического взаимодействия между рибосомой и мембраной, но это еще не означает, что синтез белка не может происходить на мембранах. Возможно, в одной и той же клетке действуют оба механизма.

3. Полипептидные сигналы, отвечающие за сортировку белков и

встраивание их в мембраны

Об аппарате и механизме переноса почти ничего неизвестно, немного больше известно о сигнальных последовательностях, присутствующих в полипептидах и направляющих каждый белок в нужное место. Успехов в этой области удалось достичь благодаря использованию техники рекомбинантных ДНК. С ее помощью были сконструированы гибридные полипептиды, в которые была включена тестируемая аминокислотная последовательность, принадлежащая другому белку. Таким образом можно было изучать влияние предполагаемой сигнальной последовательности на локализацию «белка-пассажира». Преимущества такого подхода удается использовать только в том случае, если вся информация, определяющая локализацию конечного продукта, заключена в первичной последовательности сигнала и если «белок-пассажир» является нейтральным участником процесса и, что существенно, подчиняется сигналу. Это условие выполняется во многих случаях, но известны и такие примеры, когда эффективность переноса или даже конечная локализация зависят от «белка-пассажира». Если «белок-пассажир» находится в конформации, не способной к переносу, то может происходить блокирование переноса химерного белка. Кроме того, функция некоторых сигнальных последовательностей зависит от их локализации в полипептиде или от взаимодействия с другими участками полипептидной цепи.

3.1 Сигнальная последовательность, определяющая встраивание в

эндоплазматический ретикулум

У большинства белков, встроенных в мембрану эндоплазматического ретикулума или пересекающих ее, на N-конце имеется «короткоживущий» сигнальный пептид. Это сигнальная последовательность непосредственно взаимодействует по крайней мере с двумя рецепторами, один из которых растворим (сигнал-распознающая частица), а другой находится в мембране. Можно было бы ожидать, что аминокислотная последовательность этого сигнального пептида будет очень консервативной и примерно одинаковой у всех переносимых белков, но ожидания эти не оправдались. Эти сигнальные участки не отличаются постоянством ни в отношении длины, ни в отношении аминокислотной последовательности, а многочисленные опыты по мутагенезу показали, что они могут претерпевать значительные структурные изменения. Данные о том, что сигнальные пептиды содержат всю информацию, необходимую для транспорта белков через мембраны эндоплазматического ретикулума или внутрь их, были получены в опытах с химерными полипептидами. Присоединение N-концевой сигнальной последовательности к обычным цитоплазматическим белкам, например к глобину, приводило к тому, что они транспортировались в полость эндоплазматического ретикулума.

С точки зрения «сравнительной анатомии» N-концевых сигнальных последовательностей три разных в структурном отношении участка: 1) положительно заряженный N-концевой участок (n-участок); 2) центральное гидрофобное ядро из 7-15 остатков (h-участок); 3) С-концевой участок (с-участок), который является полярным и содержит сайт, узнаваемый сигнальной пептидазой, которая находится на стороне эндоплазматического рутикулума, обращенной в полость.

Страницы: 1, 2

В соцсетях