Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья посвящена нацеливанию на белок у эукариот, если не указано иное.

Нацеливание на белки или сортировка белков - это биологический механизм, с помощью которого белки транспортируются в соответствующие места назначения внутри или за пределами клетки. [1] Белки могут быть нацелены во внутреннее пространство органеллы , различные внутриклеточные мембраны , плазматическую мембрану или наружу клетки посредством секреции . [1] Информация, содержащаяся в самом белке, направляет этот процесс доставки. [2] Правильная сортировка имеет решающее значение для клетки; ошибки были связаны с множеством болезненных состояний. [3] [4]

История [ править ]

Гюнтер Блобель, удостоенный Нобелевской премии по физиологии 1999 г. за открытие, что белки содержат внутренние сигнальные последовательности.

В 1970 году Гюнтер Блобель провел эксперименты по перемещению белков через мембраны. Блобель, в то время доцент Университета Рокфеллера, опирался на работы своего коллеги Джорджа Палада. [5] Паладе ранее продемонстрировал, что несекретируемые белки транслируются свободными рибосомами в цитозоле, в то время как секретируемые белки (и целевые белки в целом) транслируются рибосомами, связанными с эндоплазматическим ретикулумом . [5]Возможные объяснения в то время постулировали разницу в процессинге между свободными и связанными с ER рибосомами, но Блобель предположил, что нацеливание на белок основывается на характеристиках, присущих белкам, а не на различии в рибосомах. Поддерживая свою гипотезу, Блобель обнаружил, что многие белки имеют короткую аминокислотную последовательность на одном конце, которая функционирует как почтовый индекс, определяющий внутриклеточное или внеклеточное предназначение. [2] Он описал эти короткие последовательности (обычно от 13 до 36 аминокислотных остатков) [1] как сигнальные пептиды или сигнальные последовательности и был удостоен Нобелевской премии по физиологии 1999 года за свои открытия. [6]

Сигнальные пептиды [ править ]

Основная статья: Сигнальный пептид

Сигнальные пептиды служат в качестве сигналов нацеливания, позволяя клеточному транспортному аппарату направлять белки в определенные внутриклеточные или внеклеточные местоположения. Хотя для сигнальных пептидов не было идентифицировано консенсусной последовательности , многие из них, тем не менее, обладают характерной трехчастной структурой: [1]

  1. Положительно заряженная гидрофильная область рядом с N-концом.
  2. Диапазон от 10 до 15 гидрофобных аминокислот около середины сигнального пептида.
  3. Слегка полярная область рядом с С-концом, обычно предпочтительна аминокислоты с меньшими боковыми цепями в положениях, приближающихся к сайту расщепления.

После того, как белок достиг своего назначения, сигнальный пептид обычно расщепляется сигнальной пептидазой . [1] Следовательно, большинство зрелых белков не содержат сигнальных пептидов. Хотя большинство сигнальных пептидов находится на N-конце, в пероксисомах нацеливающая последовательность расположена на C-конце. [7] В отличие от сигнальных пептидов, сигнальные участки состоят из аминокислотных остатков, которые прерываются в первичной последовательности, но становятся функциональными, когда сворачивание объединяет их на поверхности белка. [8] В отличие от большинства сигнальных последовательностей, сигнальные участки не расщепляются после завершения сортировки.[9] В дополнение к внутренним сигнальным последовательностям, модификации белков, такие как гликозилирование, также могут индуцировать нацеливание на определенные внутриклеточные или внеклеточные области.

Транслокация белков [ править ]

Дополнительная информация: translocon

Так как перевод из мРНКа в белка посредством рибосомы происходит в цитозоле , белки , предназначенные для секреции или конкретные органеллы должны быть транслоцируются. [10] Этот процесс может происходить во время трансляции, известной как ко-транслокационная транслокация, или после завершения транслокации, известной как пост-трансляционная транслокация. [11]

Совместная транслокация [ править ]

Большинство секреторных и мембраносвязанных белков транслоцируются совместно. Белки, которые находятся в эндоплазматическом ретикулуме (ER), Гольджи или эндосомах, также используют путь ко-трансляционной транслокации. Этот процесс начинается, когда белок синтезируется на рибосоме, когда частица распознавания сигнала (SRP) распознает N-концевой сигнальный пептид формирующегося белка. [12] Связывание SRP временно приостанавливает синтез, в то время как комплекс рибосома-белок переносится на рецептор SRP на ER у эукариот и плазматической мембране у прокариот . [13]Там зарождающийся белок вставляется в транслокон , мембранно-связанный белок, проводящий канал, состоящий из комплекса транслокации Sec61 у эукариот и гомологичного комплекса SecYEG у прокариот. [14] В секреторных белках и трансмембранных белках типа I сигнальная последовательность немедленно отщепляется от растущего полипептида, как только он был перемещен в мембрану ER (эукариоты) или плазматическую мембрану (прокариоты) сигнальной пептидазой . Сигнальная последовательность мембранных белков типа II и некоторых политопных мембранных белков не отщепляется и поэтому называется сигнальными якорными последовательностями. Внутри ER белок сначала покрываетсябелок-шаперон, чтобы защитить его от высокой концентрации других белков в ЭПР, давая ему время правильно свернуться . После свертывания белок модифицируется по мере необходимости (например, путем гликозилирования ), затем транспортируется к Гольджи для дальнейшего процессинга и направляется к его органеллам-мишеням или сохраняется в ER с помощью различных механизмов удержания ER .

Аминокислотная цепь трансмембранных белков , которые часто являются трансмембранными рецепторами , проходит через мембрану один или несколько раз. Эти белки встраиваются в мембрану посредством транслокации, пока процесс не будет прерван стоп-переносящей последовательностью, также называемой мембранной якорем или сигнально-якорной последовательностью. [15]Эти сложные мембранные белки в настоящее время охарактеризованы с использованием той же модели нацеливания, которая была разработана для секреторных белков. Однако многие сложные мульти-трансмембранные белки содержат структурные аспекты, которые не соответствуют этой модели. Семь трансмембранных рецепторов, сопряженных с G-белком (которые составляют около 5% генов человека), в большинстве случаев не имеют амино-концевой сигнальной последовательности. В отличие от секреторных белков, первый трансмембранный домен действует как первая сигнальная последовательность, которая направляет их на мембрану ER. Это также приводит к перемещению аминоконца белка в просвет мембраны ЭР. Эта транслокация, которая была продемонстрирована с опсином в экспериментах in vitro, [16] [17]нарушает обычный паттерн «ко-трансляционной» транслокации, который всегда имел место для белков млекопитающих, нацеленных на ER. Многое из механизмов трансмембранной топологии и фолдинга еще предстоит выяснить.

Посттрансляционная транслокация [ править ]

Несмотря на то, что большинство секреторных белков транслоцируются совместно, некоторые транслируются в цитозоле, а затем транспортируются в ER / плазматическую мембрану посттрансляционной системой. У прокариот этот процесс требует определенных кофакторов , таких как SecA и SECB и способствует Sec62 и Sec63 , двух мембраносвязанных белков. [18] Комплекс Sec63, который встроен в мембрану ER, вызывает гидролиз АТФ, позволяя белкам-шаперонам связываться с открытой пептидной цепью и перемещать полипептид в просвет ER. Попав в просвет, полипептидная цепь может правильно складываться. Этот процесс происходит только в развернутых белках, расположенных в цитозоле. [19]

Кроме того, белки, нацеленные на другие клеточные направления, такие как митохондрии , хлоропласты или пероксисомы , используют специализированные посттрансляционные пути. Белки, нацеленные на ядро, также транслоцируются посттрансляционно за счет добавления сигнала ядерной локализации (NLS), который способствует прохождению через ядерную оболочку через ядерные поры . [20]

Сортировка белков [ править ]

Митохондрии [ править ]

Основная статья: ТИМ / ТОМ комплекс

Большинство митохондриальных белков синтезируются в виде цитозольных предшественников, содержащих пептидные сигналы захвата . Цитозольные шапероны доставляют препротеины к канально-связанным рецепторам митохондриальной мембраны . Препротеин с препоследовательностью мишенью для митохондрий связан рецепторами и общий импорт пора (GIP), известных под общим названием транслоказа наружной мембраны (ТОМ), в наружной мембране . Затем он перемещается через TOM в виде шпилек. Препротеин транспортируется через межмембранное пространство.небольшими TIM (которые также действуют как молекулярные шапероны ) к TIM23 или TIM22 ( транслоказа внутренней мембраны ) на внутренней мембране . В матрице ориентации последовательность отщепляется от mtHsp70.

Известны три рецептора наружной мембраны митохондрий :

  1. TOM70 : связывается с пептидами внутреннего нацеливания и действует как точка стыковки для цитозольных шаперонов.
  2. TOM20 : связывает предварительные последовательности.
  3. TOM22 : связывает как предпоследовательности, так и пептиды внутреннего нацеливания.

Канал TOM ( TOM40 ) представляет собой катион- специфический канал с высокой проводимостью с молекулярной массой 410 кДа и диаметром пор 21Å.

Транслоказа-23 (TIM23) локализована на внутренней мембране митохондрий и действует как порообразующий белок, который связывает белки-предшественники своим N-концом . TIM23 действует как транслокатор для препротеинов для митохондриального матрикса, внутренней митохондриальной мембраны, а также для межмембранного пространства. TIM50 связывается с TIM23 на внутренней стороне митохондрий и, как было обнаружено, связывает пре-последовательности. TIM44 связывается на стороне матрицы и обнаруживает связывание с mtHsp70.
Транслоказа-препоследовательность 22 (TIM22) связывает препротеины, связанные исключительно с внутренней митохондриальной мембраной.

Направляющие последовательности митохондриального матрикса богаты положительно заряженными аминокислотами и гидроксилированными.

Белки направляются в субмитохондриальные компартменты множеством сигналов и несколькими путями.

Нацеливание на внешнюю мембрану, межмембранное пространство и внутреннюю мембрану часто требует другой сигнальной последовательности в дополнение к последовательности нацеливания на матрицу.

Хлоропласты [ править ]

Препротеин для хлоропластов может содержать последовательность импорта стромы или последовательность направленного действия на строму и тилакоид. Большинство препротеинов перемещается через комплексы Toc и Tic, расположенные внутри оболочки хлоропласта. В строме последовательность импорта стромы отщепляется и сворачивается, а также продолжается внутрихлоропластная сортировка по тилакоидам . Белки, нацеленные на оболочку хлоропластов, обычно не имеют расщепляемой сортировочной последовательности.

И хлоропласты, и митохондрии [ править ]

Многие белки необходимы как митохондриям, так и хлоропластам . [21] В целом пептид двойного нацеливания имеет промежуточный характер по сравнению с двумя специфическими пептидами. Направляющие пептиды этих белков имеют высокое содержание основных и гидрофобных аминокислот , низкое содержание отрицательно заряженных аминокислот . В них меньше аланина и больше лейцина и фенилаланина. Белки с двойной мишенью имеют более гидрофобный целевой пептид, чем митохондриальные и хлоропластные. Однако сложно предсказать, является ли пептид двойной мишенью или нет, основываясь на его физико-химических характеристиках.

Пероксисомы [ править ]

Все пероксисомальные белки кодируются ядерными генами. [22] На сегодняшний день известно два типа сигналов таргетинга на пероксисомы (PTS): [23]

  1. Направляющий сигнал пероксисомы 1 (PTS1) : С-концевой трипептид с консенсусной последовательностью (S / A / C) - (K / R / H) - (L / A). Наиболее распространенным PTS1 является серин - лизин - лейцина (СКЛ). Большинство белков пероксисомального матрикса обладают сигналом типа PTS1.
  2. Направляющий сигнал пероксисомы 2 (PTS2) : нонапептид, расположенный рядом с N-концом с консенсусной последовательностью (R / K) - (L / V / I) -XXXXX- (H / Q) - (L / A / F) ( где X может быть любой аминокислотой).

Есть также белки, которые не обладают ни одним из этих сигналов. Их транспорт может быть основан на так называемом «обратном» механизме: такие белки связываются с белками матрикса, обладающими PTS1, и вместе с ними перемещаются в пероксисомальный матрикс. [24]

Заболевания [ править ]

Транспорт белка нарушен при следующих генетических заболеваниях:

  • Синдром Зеллвегера .
  • Адренолейкодистрофия ( АЛД ).
  • Болезнь Рефсума
  • Болезнь Паркинсона [25]
  • Гиперхолестеринемия , атеросклероз , ожирение и диабет [26]

У бактерий и архей [ править ]

Как обсуждалось выше (см. Транслокация белков ), большинство прокариотических мембраносвязанных и секреторных белков нацелены на плазматическую мембрану либо путем совместной трансляции, который использует бактериальный SRP, либо путем пост-трансляции, который требует SecA и SecB. На плазматической мембране эти два пути доставляют белки к транслокону SecYEG для транслокации. Бактерии могут иметь единственную плазматическую мембрану ( грамположительные бактерии ) или внутреннюю мембрану плюс внешнюю мембрану, разделенную периплазмой ( грамотрицательные бактерии).). Помимо плазматической мембраны, у большинства прокариот отсутствуют связанные с мембраной органеллы, как у эукариот, но они могут собирать белки на различных типах включений, таких как газовые везикулы и накопительные гранулы.

Грамотрицательные бактерии [ править ]

Основная статья: Секреция грамотрицательных бактерий

У грамотрицательных бактерий белки могут быть включены в плазматическую мембрану, внешнюю мембрану, периплазму или секретироваться в окружающую среду. Системы секретирования белков через внешнюю бактериальную мембрану могут быть довольно сложными и играть ключевую роль в патогенезе. Эти системы можно описать как секрецию типа I, секрецию типа II и т. Д.

Грамположительные бактерии [ править ]

Основная статья: Секреция грамположительных бактерий

У большинства грамположительных бактерий определенные белки нацелены на экспорт через плазматическую мембрану и последующее ковалентное прикрепление к стенке бактериальной клетки. Специализированный фермент, сортаза , расщепляет целевой белок в характерном сайте узнавания рядом с С-концом белка, таком как мотив LPXTG (где X может быть любой аминокислотой), а затем переносит белок на клеточную стенку. Обнаружено несколько аналогичных систем, которые также имеют сигнатурный мотив на внецитоплазматической поверхности, С-концевой трансмембранный домен и кластер основных остатков на цитозольной поверхности на крайнем С-конце белка. Система PEP-CTERM / экзосортаза , обнаруженная у многих грамотрицательных бактерий, по-видимому, связана с внеклеточным полимерным веществом.производство. Система PGF-CTERM / archaeosortase A у архей связана с продукцией S-слоя . Система GlyGly-CTERM / ромбосортаза, обнаруженная у Shewanella, Vibrio и некоторых других родов, по-видимому, участвует в высвобождении протеаз, нуклеаз и других ферментов.

Биоинформатические инструменты [ править ]

  • Minimotif Miner - это инструмент биоинформатики, который выполняет поиск по запросам последовательности белка для известных мотивов последовательности, нацеленной на белок.
  • Phobius предсказывает сигнальные пептиды на основе предоставленной первичной последовательности.
  • SignalP предсказывает сайты расщепления сигнального пептида.
  • LOCtree предсказывает субклеточную локализацию белков.

См. Также [ править ]

  • Массовый поток
  • COPI
  • COPII
  • Клатрин
  • LocDB
  • Сигнальный пептид

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Nelson DL (январь 2017 г.). Принципы биохимии Ленингера . Кокс, Майкл М. ,, Ленингер, Альберт Л. (Седьмое изд.). Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN 978-1-4641-2611-6. OCLC  986827885 .
  2. ^ a b Blobel G, Добберштейн B (декабрь 1975 г.). «Перенос белков через мембраны. I. Присутствие протеолитически процессированных и необработанных образующихся легких цепей иммуноглобулинов на мембраносвязанных рибосомах миеломы мыши» . Журнал клеточной биологии . 67 (3): 835–51. DOI : 10,1083 / jcb.67.3.835 . PMC 2111658 . PMID 811671 .  
  3. ^ Schmidt V, Willnow TE (февраль 2016). «Произошла ошибка в сортировке белков - рецепторы домена VPS10P при сердечно-сосудистых и метаболических заболеваниях» . Атеросклероз . 245 : 194–9. DOI : 10.1016 / j.atherosclerosis.2015.11.027 . PMID 26724530 . 
  4. ^ Го Y, Сиркис DW, Schekman R (2014-10-11). «Сортировка белков в сети транс-Гольджи». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 30 (1): 169–206. DOI : 10,1146 / annurev-cellbio-100913-013012 . PMID 25150009 . 
  5. ^ a b Лесли М. (август 2005 г.). «Трудности перевода: сигнальная гипотеза» . Журнал клеточной биологии . 170 (3): 338. DOI : 10,1083 / jcb1703fta1 . PMC 2254867 . PMID 16167405 .  
  6. ^ "Нобелевская премия по физиологии и медицине 1999" . NobelPrize.org . Проверено 19 сентября 2020 .
  7. ^ Вандерс RJ (май 2004). «Метаболические и молекулярные основы пероксисомальных расстройств: обзор». Американский журнал медицинской генетики. Часть A . 126A (4): 355–75. DOI : 10.1002 / ajmg.a.20661 . PMID 15098234 . S2CID 24025032 .  
  8. Перейти ↑ Moreira IS, Fernandes PA, Ramos MJ (сентябрь 2007 г.). «Горячие точки - обзор аминокислотных остатков детерминант межбелкового интерфейса». Белки . 68 (4): 803–12. DOI : 10.1002 / prot.21396 . PMID 17546660 . S2CID 18578313 .  
  9. ^ Пфеффер СР, Ротмэн JE (1987-06-01). «Биосинтетический транспорт белков и сортировка эндоплазматическим ретикулумом и Гольджи». Ежегодный обзор биохимии . 56 (1): 829–52. DOI : 10.1146 / annurev.bi.56.070187.004145 . PMID 3304148 . 
  10. ^ Sommer MS, Schleiff E (август 2014). «Нацеливание на белок и транспорт как необходимое следствие повышенной клеточной сложности» . Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии . 6 (8): a016055. DOI : 10.1101 / cshperspect.a016055 . PMC 4107987 . PMID 25085907 .  
  11. ^ Walter P, Ибрагим I, Блобля G (ноябрь 1981). «Транслокация белков через эндоплазматический ретикулум. I. Белок распознавания сигналов (SRP) связывается с собранными in vitro полисомами, синтезирующими секреторный белок» . Журнал клеточной биологии . 91 (2 Pt 1): 545–50. DOI : 10,1083 / jcb.91.2.545 . PMC 2111968 . PMID 7309795 .  
  12. ^ Воорис RM, Хедж RS (август 2016). «К структурному пониманию транслокационной транслокации белков». Текущее мнение в клеточной биологии . 41 : 91–9. DOI : 10.1016 / j.ceb.2016.04.009 . PMID 27155805 . 
  13. ^ Nyathi Y, Wilkinson Б.М., бассейн MR (ноябрь 2013). «Ко-трансляционное нацеливание и транслокация белков в эндоплазматический ретикулум» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток . 1833 (11): 2392–402. DOI : 10.1016 / j.bbamcr.2013.02.021 . PMID 23481039 . 
  14. ^ Mandon EC, Trueman SF, Гилмор R (август 2009). «Транслокация белков по каналам Sec61 и SecYEG» . Текущее мнение в клеточной биологии . 21 (4): 501–7. DOI : 10.1016 / j.ceb.2009.04.010 . PMC 2916700 . PMID 19450960 .  
  15. ^ Альбертс (ноябрь 2018 г.). Существенная клеточная биология (Пятое изд.). Нью-Йорк. ISBN 978-0-393-67953-3. OCLC  1048014962 .
  16. ^ Каннер Э.М., Фридлендер М, Саймон С.М. (2003). «Ко-трансляционное нацеливание и транслокация аминоконца опсина через эндоплазматическую мембрану требует GTP, но не ATP». J. Biol. Chem. 278 (10): 7920–7926. DOI : 10.1074 / jbc.M207462200 . PMID 12486130 . 
  17. ^ Каннер EM, Klein IK. и другие. (2002). «Аминоконец опсина перемещается« посттрансляционно »так же эффективно, как и котрансляционно». Биохимия 41 (24): 7707–7715. DOI : 10.1021 / bi0256882 . PMID 12056902 . 
  18. ↑ Rapoport TA (ноябрь 2007 г.). «Транслокация белков через эндоплазматический ретикулум эукариот и бактериальные плазматические мембраны». Природа . 450 (7170): 663–9. Bibcode : 2007Natur.450..663R . DOI : 10,1038 / природа06384 . PMID 18046402 . S2CID 2497138 .  
  19. ^ Лодиш Н, Берк А, Кайзер С, Krieger М, Bretscher А, Ploegh Н, Амон А, Мартин К (2008). Молекулярная клеточная биология (8-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. С. 591–592. ISBN 978-1-4641-8339-3.
  20. Перейти ↑ Lange A, Mills RE, Lange CJ, Stewart M, Devine SE, Corbett AH (февраль 2007 г.). «Классические сигналы ядерной локализации: определение, функция и взаимодействие с импортином альфа» . Журнал биологической химии . 282 (8): 5101–5. DOI : 10.1074 / jbc.R600026200 . PMC 4502416 . PMID 17170104 .  
  21. ^ Шарма M, Бенневитц B, Klösgen РБ (декабрь 2018). «Скорее правило, чем исключение? Как оценить актуальность двойного нацеливания белков на митохондрии и хлоропласты». Фотосинтез Исследования . 138 (3): 335–343. DOI : 10.1007 / s11120-018-0543-7 . PMID 29946965 . S2CID 49427254 .  
  22. ^ Энциклопедия биологической химии . Леннарц, Уильям Дж., Лейн, М. Дэниел (Второе изд.). Лондон. ISBN 978-0-12-378631-9. OCLC  828743403 .CS1 maint: другие ( ссылка )
  23. ^ Baerends RJ, Faber К.Н., Киль JA, ван - дер - Klei IJ, Harder W, Veenhuis M (июль 2000). «Сортировка и функция белков пероксисомальной мембраны» (PDF) . FEMS Microbiology Reviews . 24 (3): 291–301. DOI : 10.1111 / j.1574-6976.2000.tb00543.x . PMID 10841974 .  
  24. ^ Saryi Н.А., Хатчинсон JD, Аль-Hejjaj МОИ, Седельникова С, Р Бейкер, Hettema EH (февраль 2017 г.). «Импорт Pnc1 в пероксисомы зависит от гомодимеризации Gpd1» . Научные отчеты . 7 (1): 42579. Bibcode : 2017NatSR ... 742579S . DOI : 10.1038 / srep42579 . PMC 5314374 . PMID 28209961 .  
  25. ^ MacLeod DA, Rhinn H, Kuwahara T, Zolin A, Di Paolo G, McCabe BD и др. (Февраль 2013). «RAB7L1 взаимодействует с LRRK2 для изменения внутринейрональной сортировки белков и риска болезни Паркинсона» . Нейрон . 77 (3): 425–39. DOI : 10.1016 / j.neuron.2012.11.033 . PMC 3646583 . PMID 23395371 .  
  26. ^ Schmidt V, Willnow TE (февраль 2016). «Произошла ошибка в сортировке белков - рецепторы домена VPS10P при сердечно-сосудистых и метаболических заболеваниях» . Атеросклероз . 245 : 194–9. DOI : 10.1016 / j.atherosclerosis.2015.11.027 . PMID 26724530 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Protein + Transport в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)