Окислительное сворачивание

Окислительная укладка белков - это процесс, который отвечает за образование дисульфидных связей между остатками цистеина в белках . Движущей силой этого процесса является окислительно-восстановительная реакция , в которой электроны проходят между несколькими белками и, наконец, к конечному акцептору электронов .

У прокариот [ править ]

У прокариот механизм окислительного сворачивания лучше всего изучен у грамотрицательных бактерий . Этот процесс катализируется белковыми механизмами, находящимися в периплазматическом пространстве бактерий. Образование дисульфидных связей в белке становится возможным благодаря двум связанным путям: окислительному пути, который отвечает за образование дисульфидов, и пути изомеризации, который перемешивает неправильно образованные дисульфиды.

Окислительный путь [ править ]

Окислительный путь у грамотрицательных бактерий

Окислительный путь, как и путь изомеризации, зависит от белкового реле. Первым членом этого белкового реле является небольшой периплазматический белок (21 кДа), называемый DsbA , который имеет два остатка цистеина, которые должны быть окислены, чтобы он стал активным. В окисленном состоянии белок способен образовывать дисульфидные связи между остатками цистеина во вновь синтезированных, но еще не свернутых белках, путем переноса собственной дисульфидной связи на сворачивающийся белок. После переноса этой дисульфидной связи DsbA находится в восстановленном состоянии. Чтобы он снова начал каталитическое действие, его необходимо повторно окислить. Это стало возможным благодаря белку внутренней мембраны 21 кДа , называемому DsbB., который имеет две пары остатков цистеина. Смешанный дисульфид образуется между цистеиновым остатком DsbB и одним из DsbA. В конце концов, эта перекрестная связь между двумя белками разрушается из-за нуклеофильной атаки второго остатка цистеина в активном сайте DsbA . В свою очередь, DsbB повторно окисляется путем передачи электронов окисленному убихинону , который передает их цитохромоксидазам , которые в конечном итоге восстанавливают кислород ; это в аэробных условиях. Поскольку молекулярный кислород служит конечным акцептором электронов в аэробных условиях, окислительное сворачивание удобно связывается с ним через дыхательную цепь.. Однако в анаэробных условиях DsbB передает свои электроны менахинону с последующим переносом электронов на фумаратредуктазу или нитратредуктазу .

Путь изомеризации [ править ]

Путь изомеризации у грамотрицательных бактерий

Особенно для белков, содержащих более одной дисульфидной связи, важно, чтобы неправильные дисульфидные связи перегруппировались. Это осуществляется в пути изомеризации белком DsbC, который действует как дисульфид- изомераза . DsbC представляет собой димер , состоящий из двух идентичных субъединиц 23 кДа.и имеет четыре остатка цистеина в каждой субъединице. Один из этих цистеинов (Cys-98) атакует неправильный дисульфид в неправильно свернутом белке, и между DsbC и этим белком образуется смешанный дисульфид. Затем атака второго остатка цистеина приводит к образованию более стабильного дисульфида в повторно свернутом белке. Это может быть остаток цистеина из ранее неправильно свернутого белка или из DsbC. В последнем случае DsbC окисляется и должен восстанавливаться, чтобы играть другую каталитическую роль. Существует также вторая изомераза, которая может реорганизовывать неправильные дисульфидные связи. Этот белок называется DsbG, и он также является димером, который служит шапероном.. Для выполнения своей роли изомераз DsbC и DsbG необходимо поддерживать в восстановленном состоянии. Это выполняется DsbD, который должен быть уменьшен, чтобы работать. Тиоредоксин, который сам восстанавливается тиоредоксинредуктазой и НАДФН , обеспечивает восстановление белка DsbD.

Поскольку эти два пути сосуществуют рядом друг с другом в одном периплазматическом компартменте, должен существовать механизм предотвращения окисления DsbC с помощью DsbB. Этот механизм действительно существует, поскольку DsbB может различать DsbA и DsbC, потому что последний обладает способностью к димеризации.

У эукариот [ править ]

Очень похожий путь наблюдается у эукариот , у которых белковый ретранслятор состоит из белков с очень аналогичными свойствами, что и белковый ретранслятор у грамотрицательных бактерий. Однако основное различие между прокариотами и эукариотами заключается в том, что процесс окислительного сворачивания белков происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ER) у эукариот. Второе отличие состоит в том, что у эукариот использование молекулярного кислорода в качестве конечного акцептора электронов не связано с процессом окислительного сворачивания в дыхательной цепи, как в случае бактерий. Фактически, один из белков, участвующих в процессе окислительного сворачивания, использует флавин- зависимую реакцию для передачи электронов непосредственно молекулярному кислороду.

Гомолог из DsbA, называемый белковый дисульфид изомеразы(PDI), отвечает за образование дисульфидных связей в развернутых эукариотических белках. Этот белок имеет два тиоредоксиноподобных активных сайта, каждый из которых содержит два остатка цистеина. Перенося дисульфидную связь между этими двумя остатками цистеина на сворачивающийся белок, он отвечает за его окисление. В отличие от бактерий, у которых пути окисления и изомеризации осуществляются разными белками, PDI также отвечает за восстановление и изомеризацию дисульфидных связей. Чтобы PDI катализировал образование дисульфидных связей в развернутых белках, он должен быть повторно окислен. Это осуществляется ассоциированным с мембраной ER белком Ero1p, который не является гомологом DsbB. Этот белок Ero1p образует смешанный дисульфид с PDI,который разрешается нуклеофильной атакой второго остатка цистеина в одном из активных центров PDI. В результате получается окисленный PDI. Сам Ero1p окисляется путем передачи электронов молекулярному кислороду. Поскольку этоFAD- связывающий белок, этот перенос электронов сильно благоприятствует, когда Ero1p связывается с FAD. Также у эукариот описана транспортная система, которая импортирует FAD в просвет ER. Кроме того, было показано, что способность восстанавливать или перестраивать неправильные дисульфидные связи в неправильно свернутых белках обеспечивается окислением восстановленного глутатиона (GSH) до окисленного глутатиона (GSSG).

АФК и болезни [ править ]

Благодаря свойству Ero1p передавать электроны непосредственно молекулярному кислороду посредством флавин-зависимой реакции, его активность может производить активные формы кислорода (АФК). У бактерий эта проблема решается путем присоединения окислительного сворачивания к дыхательной цепи. Там восстановление молекулярного кислорода до воды осуществляется сложным рядом белков, которые очень эффективно катализируют эту реакцию. У эукариот дыхательная цепь отделена от окислительного сворачивания, поскольку клеточное дыхание происходит в митохондриях.и образование дисульфидных связей происходит в ЭР. Из-за этого существует гораздо больший риск того, что АФК продуцируются в эукариотических клетках во время окислительного сворачивания. Как известно, эти АФК могут вызывать многие заболевания, такие как атеросклероз и некоторые нейродегенеративные заболевания .

Примеры [ править ]

Классическими примерами белков, в которых процесс окислительного сворачивания хорошо изучен, являются бычий ингибитор трипсина поджелудочной железы ( BPTI ) и рибонуклеаза A (RNaseA). Эти два белка имеют несколько дисульфидных связей, поэтому они очень полезны для понимания и понимания процесса окислительного сворачивания. Другой пример - щелочная фосфатаза , которая содержит два основных дисульфида. Его использовали в качестве индикаторного белка для проверки эффекта мутаций в DsbA.

Ссылки [ править ]

• Жан-Франсуа Колле и Джеймс К.А. Бардуэлл. (2002). Окислительное сворачивание белков у бактерий. Молекулярная микробиология 44 , 1-8
• Бенджамин П. Ту и Джонатан С. Вайсман. (2004). Окислительный фолдинг белков у эукариот: механизмы и последствия. Журнал клеточной биологии 164 , 341-346
• Бенджамин П. Ту, Сью К. Хо-Шлейер, Кевин Дж. Трэверс, Джонатан С. Вайсман. (2000). Биохимические основы окислительного сворачивания эндоплазматического ретикулума. Наука 290 , 1571–1574
• Мартин Бадер, Уилсон Мьюз, Дэвид П. Баллоу, Кристиан Гасснер и Джеймс К.А. Бардуэлл. (1999). Окислительное сворачивание белков управляется системой транспорта электронов. Ячейка 98 , 217-227
• Лоуренс К. Лоу, Hang-Cheol Shin и Гарольд А. Шерага. (2002). Окислительное сворачивание рибонуклеазы А поджелудочной железы крупного рогатого скота: понимание общего катализа пути рефолдинга фосфатом. Журнал химии белков 21 , 19-27