Белки

 

Посттрансляционная модификация

 

Посттрансляционные модификации инсулина. 1) Препроинсулин (L — лидерный пептид, B — участок 1, C — участок 2, А — участок 3) 2) Спонтанный фолдинг 3) Образование дисульфидного мостика между А и В 4) Лидерный и C-пептид отрезаются 5) Конечная молекула

После завершения трансляции большинство белков подвергается дальнейшим химическим модификациям, которые называются посттрансляционными модификациями. Известно более двухсот вариантов посттрансляционных модификаций белков.

Посттрансляционные модификации могут регулировать продолжительность существования белков в клетке, их ферментативную активность и взаимодействия с другими белками. В ряде случаев посттрансляционные модификации являются обязательным этапом созревания белка, в противном случае он оказывается функционально неактивным. Например, при созревании инсулина и некоторых других гормонов необходим ограниченный протеолиз полипептидной цепи, а при созревании белков плазматической мембраны — гликозилирование.

Посттрансляционные модификации могут быть как широко распространёнными, так и редкими, вплоть до уникальных. Примером универсальной модификации служит убиквитинирование(присоединение к белку цепи из нескольких молекул короткого белка убиквитина), которое служит сигналом к расщеплению этого белка протеасомой. Другой распространённой модификацией является гликозилирование — считается, что около половины белков человека гликозилировано. К редким модификациям относят тирозинирование/детирозинирование и полиглицилирование тубулина.

Один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Так, гистоны (белки, входящие в состав хроматина у эукариот) в разных условиях могут подвергаться более чем 150 различным модификациям.

Посттрансляционные модификации делят на:

• модификации главной цепи;
• отщепление N-концевого остатка метионина;
• ограниченный протеолиз — удаление фрагмента белка, которое может происходить с концов (отщепление сигнальных последовательностей) или, в отдельных случаях, в середине молекулы (созревание инсулина);
• присоединение различных химических групп к свободным амино- и карбоксильной группам (N-ацилирование, миристоилирование и др.);
• модификации боковых цепей аминокислот;
• присоединение или отщепление небольших химических групп (гликозилирование, фосфорилирование и др.);
• присоединение липидов и углеводородов;
• изменение стандартных аминокислотных остатков на нестандартные (образование цитруллина);
• образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина;
• присоединение небольших белков (сумоилирование и убиквитинирование).

Жизненный цикл

Внутриклеточный транспорт и сортировка

Синтезируемые в цитоплазме эукариотической клетки белки должны транспортироваться в разные органоиды клетки: ядро, митохондрии, эндоплазматический ретикулум (ЭПР), аппарат Гольджи, лизосомы и др., а некоторые белки должны попасть во внеклеточную среду. Для попадания в определённый отдел клетки белок должен обладать специфической меткой. В большинстве случаев такой меткой является часть аминокислотной последовательности самого белка (лидерный пептид, или сигнальная последовательность белка), но в некоторых случаях меткой служат посттрансляционно присоединённые к белку олигосахариды.

Транспорт белков в ЭПР осуществляется по мере их синтеза, так как рибосомы, синтезирующие белки с сигнальной последовательностью для ЭПР, «садятся» на специальные белки на его внешней мембране. Из ЭПР в аппарат Гольджи, а оттуда в лизосомы и на внешнюю мембрану или во внеклеточную среду белки попадают путём везикулярного транспорта. В ядро белки, обладающие сигналом ядерной локализации, попадают через ядерные поры. В митохондрии и хлоропласты белки, обладающие соответствующими сигнальными последовательностями, попадают через специфические белковые поры-транслокаторы при участии шаперонов.

Поддержание структуры и деградация

Поддержание правильной пространственной структуры белков принципиально для их нормального функционирования. Неправильное сворачивание белков, приводящее к их агрегации, может быть вызвано мутациями, окислением, стрессовыми условиями или глобальными изменениями в физиологии клетки. Агрегация белков является характерным признаком старения организма. Считается, что неправильный фолдинг белков является причиной или усугубляет такие заболевания, как муковисцидоз, лизосомная болезнь накопления (англ.)русск., а также нейродегенеративные расстройства (болезни Альцгеймера, Хантингтона и Паркинсона).

В процессе эволюции клетками было выработано четыре основных механизма для противодействия агрегации белков. Первые два — повторное сворачивание (рефолдинг) с помощью шаперонов и расщепление протеазами — встречаются как у бактерий, так и у высших организмов. Аутофагия и накопление неправильно свёрнутых белков в особых немембранных органеллах характерны для эукариотов.

 

 

 

 

 

 

 

Шапероны

 

Модель комплекса бактериальных шаперонов GroES/GroEL (вид сверху). Часть агрегированного белка поступает в центральную полость комплекса, где в результате гидролиза АТФ происходит изменение его структуры

Способность белков восстанавливать правильную трёхмерную структуру после денатурации позволила выдвинуть гипотезу о том, что вся информация о конечной структуре белка содержится в его аминокислотной последовательности. В настоящее время общепризнана теория о том, что стабильная конформация белка обладает минимальной свободной энергией по сравнению с другими возможными конформациями этого полипептида.

В клетках существует группа белков, функция которых — обеспечение правильного сворачивания других белков после их синтеза на рибосоме, восстановление структуры белков после их повреждения, а также создание и диссоциация белковых комплексов. Эти белки называются шаперонами. Концентрация многих шаперонов в клетке возрастает при резком повышении температуры окружающей среды, поэтому они относятся к группе Hsp (англ. heat shock proteins — белки теплового шока). Важность нормальной работы шаперонов для функционирования организма может быть проиллюстрирована на примере шаперона α-кристаллина, входящего в состав хрусталика глаза человека. Мутации в этом белке приводят к помутнению хрусталика из-за агрегирования белков и, как результат, к катаракте.

Протеолиз

Если третичная структура белков не может быть восстановлена, они разрушаются клеткой. Ферменты, осуществляющие деградацию белков, называются протеазами. По месту атаки молекулы субстрата протеолитические ферменты делятся на эндопептидазы и экзопептидазы:

• Эндопептидазы, или протеиназы, расщепляют пептидные связи внутри пептидной цепи. Они узнают и связывают короткие пептидные последовательности субстратов и относительно специфично гидролизуют связи между определёнными аминокислотными остатками.
• Экзопептидазы гидролизуют пептиды с концов цепи: аминопептидазы — с N-конца, карбоксипептидазы — с С-конца. Наконец,дипептидазы расщепляют только дипептиды.

По механизму катализа Международный союз по биохимии и молекулярной биологии выделяет несколько классов протеаз, среди нихсериновые протеазы, аспарагиновые протеазы, цистеиновые протеазы и металлопротеазы.

Особый тип протеазы — протеасома, крупная мультисубъединичная протеаза, присутствующая в ядре и в цитоплазме эукариот, архей и некоторых бактерий.

Для того, чтобы белок-мишень расщепился протеасомой, он должен быть помечен путём присоединения к нему маленького белка убиквитина. Реакция присоединения убиквитина катализируется ферментами убиквитинлигазами. Присоединение первой молекулы убиквитина к белку служит для лигаз сигналом для дальнейшего присоединения молекул убиквитина. В результате к белку оказывается, присоединена полиубиквитиновая цепь, которая связывается с протеасомой и обеспечивает расщепление белка-мишени. В целом, эта система получила название убиквитин-зависимой деградации белка. Деградация 80—90 % внутриклеточных белков происходит при участии протеасомы.

Деградация белка в пероксисомах важна для протекания многих клеточных процессов, включая клеточный цикл, регуляцию экспрессии генов и ответ на окислительный стресс.

Аутофагия

 

А: Образование аутофагосомы: изолирующая мембрана окружает клеточные структуры и создаёт аутофагосому (AP), которая сливается с лизосомой с образованием аутолизосомы (AL). В: Электронная микрофотография аутофагосом вжировом теле личинки дрозофилы. С: Помеченные флуоресцентной меткой аутофагосомы в клетках печени голодающей мыши

Аутофагия — это процесс деградации долгоживущих биомолекул, в частности, белков, а также органелл в лизосомах (у млекопитающих) или вакуолях (у дрожжей). Аутофагия сопровождает жизнедеятельность любой нормальной клетки, но стимулами к усилению процессов аутофагии в клетках могут служить нехватка питательных веществ, наличие в цитоплазме повреждённых органелл и, наконец, наличие в цитоплазме частично денатурированных белков и их агрегатов.

Различают три типа аутофагии: микроаутофагию, макроаутофагию и шаперон-зависимую аутофагию.

При микроаутофагии макромолекулы и обломки клеточных мембран захватываются лизосомой. Таким путём клетка может переваривать белки при нехватке энергии или строительного материала (например, при голодании). Но процессы микроаутофагии происходят и при нормальных условиях и в целом неизбирательны. Иногда в ходе микроаутофагии перевариваются и органоиды; так, у дрожжей описана микроаутофагия пероксисом и частичная микроаутофагия ядер, при которой клетка сохраняет жизнеспособность.

При макроаутофагии участок цитоплазмы (часто содержащий какие-либо органоиды) окружается мембранным компартментом, похожим на цистерну эндоплазматического ретикулума. В результате этот участок отделяется от остальной цитоплазмы двумя мембранами. Такие двухмембранные органеллы называются аутофагосомами. Аутофагосомы сливаются с лизосомами, образуя аутофаголизосомы, в которых органеллы и остальное содержимое аутофагосом перевариваются. Видимо, макроаутофагия также неизбирательна, хотя часто подчёркивается, что с помощью неё клетка может избавляться от «отслуживших свой срок» органоидов (митохондрий, рибосом и др.).

Третий тип аутофагии — шаперон-зависимая. При этом способе происходит направленный транспорт частично денатурированных белков из цитоплазмы сквозь мембрану лизосомы в её полость, где они перевариваются. Этот тип аутофагии, описанный только у млекопитающих, индуцируется стрессом.

 

Клетка, содержащая JUNQ и IPOD. Nucleus — ядро клетки, vacuole — вакуоль

JUNQ и IPOD

В условиях стресса, когда эукариотическая клетка не может справиться с накоплением большого числа денатурированных белков, они могут направляться в один из двух типов временных органелл — JUNQ и IPOD .

JUNQ (англ. JUxta Nuclear Quality control compartment — околоядерный компартмент контроля качества белков) ассоциирован с внешней стороной ядерной мембраны и содержит убиквитинированные белки, которые могут быстро переходить в цитоплазму, а также шапероны и протеасомы. Предполагаемая функция JUNQ состоит в рефолдинге и/или деградации белков.

IPOD (англ. Insoluble Protein Deposit — место отложения нерастворимых белков) расположен около центральной вакуоли и содержит неподвижные агрегаты фомирующих амилоиды белков. Накопление этих белков в IPOD может предотвращать их взаимодействие с нормальными клеточными структурами, поэтому предполагают, что это включение имеет защитную функцию.

Функции белков в организме

Так же как и другие биологические макромолекулы (полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты), белки являются необходимыми компонентами всех живых организмов и играют важную роль в жизнедеятельности клетки. Белки осуществляют процессы обмена веществ. Они входят в состав внутриклеточных структур — органелл и цитоскелета, секретируются во внеклеточное пространство, где могут выступать в качестве сигнала, передаваемого между клетками, участвовать в гидролизе пищи и образовании межклеточного вещества.

Классификация белков по их функциям является достаточно условной, так как один и тот же белок может выполнять несколько функций. Хорошо изученным примером такой многофункциональности служит лизил-тРНК-синтетаза — фермент из класса аминоацил-тРНК-синтетаз, которая не только присоединяет остаток лизина к тРНК, но и регулирует транскрипцию нескольких генов. Многие функции белки выполняют благодаря своей ферментативной активности. Так, ферментами являются двигательный белок миозин, регуляторные белки протеинкиназы, транспортный белок натрий-калиевая аденозинтрифосфатаза и др.

 

Молекулярная модель фермента-уреазы бактерии Helicobacter pylori

Каталитическая функция

Наиболее хорошо известная функция белков в организме — катализ различных химических реакций. Ферменты — это белки, обладающие специфическими каталитическими свойствами, то есть каждый фермент катализирует одну или несколько сходных реакций. Ферменты катализируют реакции расщепления сложных молекул (катаболизм) и их синтеза (анаболизм), в том числе репликацию ирепарацию ДНК и матричный синтез РНК. К 2013 году было описано более 5000 тысяч ферментов. Ускорение реакции в результате ферментативного катализа может быть огромным: например, реакция, катализируемая ферментом оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазой, протекает в 1017 раз быстрее некатализируемой (период полуреакции декарбоксилирования оротовой кислоты составляет 78 миллионов лет без фермента и 18 миллисекунд с участием фермента). Молекулы, которые присоединяются к ферменту и изменяются в результате реакции, называются субстратами.