5.1. ПОСТРАНСЛЯЦИОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ БЕЛКОВ
Синтез аминокислотной цепочки знаменует только начало всей истории получения конечного продукта. Существенными моментами экспрессии генов (проявления информации, записанной в гене, в виде ее конечного продукта ― зрелого белка) являются не только посттранскрипционные модификации мРНК, но и пострансляционные (то есть происходящие уже после синтеза цепи аминокислот, постсинтетические) модификации белков. Посттрансляционные модификации белков необходимы для их полноценного функционирования. При этом осуществляются эти модификации с участием множества других белков, а значит, и кодирующих их генов (в обычном понимании слова) а они тоже могут иметь разный уровень экспрессии и могут подвергаться мутациям. Следовательно, модификации изменения РНК и белков не могут быть осуществлены без участия генома в целом.
Одни белки после синтеза остаются в цитоплазме. Белки могут полностью переноситься в просвет эндоплазматической сети и терять связь с мембраной. Эти белки называются растворимыми, то есть не связанными напрямую с липидной мембраной. Далее растворимые белки могут либо оставаться в просвете эндоплазматической сети, либо транспортироваться до соответствующих органелл по ходу секреторного транспортного пути (промежуточные органеллы, пластинчатый комплекс Гольджи, органеллы, расположенные между комплексом Гольджи и плазматической мембраной, эндосомы, лизосомы), либо доставляться к плазматической мембране для последующего выделения (секреции) во внеклеточную среду.
Белки, могут быть предназначены для выведения во внешнюю среду или для доставки в лизосомы, пластинчатый комплекс или они могут оставаться в эндоплазматическая сеть. Эти белки называются секретируемыми. Небольшая часть растворимых белков, оказывающихся в просвете эндоплазматическая сеть, являются лизосомными ферментами, они предназначены для доставки в лизосомы. Наконец, есть белки, которые остаются в просвете эндоплазматической сети. К ним относятся некоторые шапероны, белки, ответственные за правильную трехмерную упаковку белковых молекул, а также участники специализированных для эндоплазматической сети белковых агрегатов, контролирующих выход секретируемых белков и лизосомных ферментов из эндоплазматической сети.
В гранулярной эндоплазматической сети происходит и синтез экспортируемых белков, которые, встраиваясь в мембрану эндоплазматической сети, становятся интегральными (то есть встроенными в липидной бислой) мембранными белками.
Мембранные белки могут быть следующих типов. Одни переносятся на митохондрии, другие остаются в эндоплазматическая сеть или транспортируются в органеллы-пероксисомы. Наконец, третья часть белков транспортируется в сторону АГ и проходит через него, направляясь либо на плазмалемму, либо в эндосомы, либо в лизосомы. Сходный путь проходят липиды, продуцируемые на цитоплазматической стороне мембран эндоплазматической сети.
Превращение линейной немодифицированной пептидной (аминокислотной) цепи в полноценный функциональный белок (созревание) осуществляется в результате многостадийного процесса, который начинается сразу же после начала трансляции и протекает либо в цитоплазме, либо в просветах эндоплазматической сети, пластинчатого комплекса Гольджи, эндосом и лизосом. Поэтому все процессы пострансляционной модификации могут быть разделены на те, что обеспечиваются белками, связанными в секреторным транспортным путем, и белками, расположенными в цитоплазме.
5.2. ПОСТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ БЕЛКОВ ВНУТРИ ОРГАНЕЛЛ СЕКРЕТОРНОГО ТРАНСПОРТНОГО ПУТИ
В просвете органелл секреторного транспортного пути происходят следующие модификации белков: 1) отрезание небольших участков аминокислотной цепи, 2) образование дисульфидных мостиков и последующая пространственная упаковка цепочки аминокислот, 3) присоединение линкера (молекулы, которая склеивается с просветными белками) GPI (ДЖИПиАй) и других подобных соединений, 4) присоединение моносахаров с формированием полисахаридных цепочек.
1. Отрезание кусков аминокислотной цепочки является одним из наиболее общих способов посттрансляционной модификации белков. К таким участкам относятся сам сигнальный пептид, который отрезается от аминокислотной цепи растворимых белков, попавших в просвет эндоплазматической сети. Сюда же относятся пропептиды (небольшие кусочки, отрезаемые в процессе транспорта от лизосомальных ферментов и белков, секретируемых при возникновении соответствующего сигнала) у ферментов лизосом и пропептиды белков, подвергающихся секретированию под воздействием сигналов из внешней среды, а также N и С концы у проколлагенов… Зачем клетке нужно удалять тот или иной пептид на концах аминокислотной цепи? Для того, чтобы увеличить эффективность транспорта белка (см. Приложение V) или для того, чтобы увеличить эффективность его каталитической функции.
2. Свертывание белка в определенную пространственную форму имеет важнейшее значение для его функционирования.
Свертывание происходит в просвете эндоплазматической сети и в цитоплазме. Правильному свертыванию помогает образование дисульфидных связей. Образование дисульфидных мостиков происходит в просвете эндоплазматической сети. Путём окисления боковых цепей цистеина образуются дисульфидные мостики, правильность положения которых контролируется протеиндисульфид-изомеразой. Пептидилпролил-изомераза контролирует в синтезируемом пептиде реакцию так называемой цис-транс-изомеризации между пролином и другими аминокислотами.
Кроме того, для того чтобы растущая полипептидная цепь могла свернуться необходимым образом, с еще линейным участком цепи временно связываются шапероны. Белки-шапероны участвуют в формировании трехмерной структуры цепочки аминокислот данного белка. Эти белки направляют процесс свертывания цепи путем подавления нежелательных побочных взаимодействий.
Когда вновь образованный белок приобретает правильную вторичную и третичную структуру он проверяется на правильность упаковки. Этот процесс реализуется также шаперонами. Например, если после начального этапа гликозилирования на концевых остатках полисахаридных цепей нет глюкозы, то шаперон не присоединяется к данному экспортируемому белку и наш белок выпускается из эндоплазматической сети.
После этого белки начинают концентрироваться в специальных местах на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. эти места называют выходными сайтами или выходными дверями из эндоплазматической сети. Их строение очень специфично. Они представляют собой ветвящиеся в пространстве сплетения, состоявшие из коротких трубочек и мембранных почек. Эти трубчатые сплетения содержат повышенные концентрации белков-СНАРЕ и здесь же происходит концентрация мембранных белков, идущих на экспорт вдоль секреторного пути (см. Приложение V).
3. Пришивание GPI (ДЖИПиАй) к одной из аминокислот нужно для того, чтобы потом белок связывался с определенной липидной молекулой и функционировал почти как мембранный белок. Это происходит в просвете эндоплазматической сети или пластинчатого комплекса Гольджи.
В эндоплазматической сети происходят следующие химические модификации белков: соответствующая пептидаза отщепляет сигнальный пептид. Фермент узнает точку расщепления в составе специфической N-концевой последовательности белка. Путем окисления боковых цепей цистеина образуются дисульфидные мостики, правильность положения которых контролируется протеиндисульфид-изомеразой. Специальный фермент пептидилпролил-изомераза контролирует цис-транс-изомеризацию Х-Рго-связей в синтезируемом пептиде. Трансгликозидазы переносят олигосахариды в блоке с долихолом (длинноцепочечным изопреноидом) на определенные остатки аспарагиновой кислоты в белке, тем самым осуществляя N-гликозилирование белка. Гликозидазы "подстригают" олигосахариды, отщепляя избыточные остатки глюкозы и маннозы. Для того чтобы растущая полипептидная цепь могла свернуться необходимым образом, с еще линейным участком цепи временно связываются шапероны. Эти белки направляют процесс свертывания цепи путем подавления нежелательных побочных взаимодействий. Наиболее важным шапероном, присутствующим в просвете ШЭР, является белок связывания (45).
Когда вновь образованный белок приобретает правильную вторичную и третичную структуру и остатки глюкозы удалены полностью, он перемещается в аппарат Гольджи.
В аппарате Гольджи осуществляются следующие ферментативные стадии модификации белка: фосфорилирование и отщепление с последующим переносом (перегруппировка) остатков сахаров с помощью гликозидаз и гликозилтрансфераз. Эта модификация имеет целью образование специфической олигосахаридной структуры в гликопротеинах. Наконец, в секреторных гранулах отщепляется еще один пептид, прежде чем содержимое секретируется посредством экзоцитоза. Это отщепление, катализируемое специфичными пептидазами, выполняет функцию активации секретируемого белка. Например, отщепление С-пептида (очень короткой цепочки аминокислот) от неактивного проинсулина приводит к образованию активного гормона инсулина.
5.3. ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ И ЛИПИДОВ
В просвете мембранных органелл секреторного транспортного пути мембранные белки, также, липиды, как и растворимые, могут подвергаться различным модификациям. Наиболее характерной из них для эндоплазматической сети является первичное гликозилирование ― ковалентное связывание белковой цепи со сложным олигосахаридом. В результате этого синтезирующийся белок становится гликопротеидом. Процесс присоединение моносахаров с формированием полисахаридных цепочек носит название гликозилирования белков. Гликозилирование белков обычно происходит в просвете органелл секреторного транспортного пути и редко бывает в цитоплазме.
Ферменты транс-гликозидазы переносят олигосахариды в блоке с долихолом (длинноцепочечным изопреноидом) на определенные остатки аспарагиновой кислоты в белке, тем самым осуществляя N-гликозилирование белка. Гликозидазы правильно "подстригают" олигосахариды, отщепляя избыточные остатки глюкозы и маннозы.