Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011
Транспорт веществ в клетке
Три основных механизма внутриклеточного транспорта
Мембранные структуры клетки активно участвуют во внутриклеточном транспорте белков. Существует три основных механизма, с помощью которых клетка решает эту задачу (рисунок 31).
1. Белок после синтеза и фолдинга в неизменном виде доставляется в нужную органеллу через специализированные поры в мембранах. Такой вид доставки называется управляемый транспорт (gated transport).
2. Трансмембранная транслокация (transmembrane translocation) белков в ходе которой полипептид сначала денатурируется, затем полипептидная цепочка протягивается через одну или несколько мембран, а затем снова происходит фолдинг функционального белка.
3. Везикулярное движение (vesicular trafficking) белков, в ходе которого от мембраны отпочковывается везикула, в состав которой входят транспортируемые вещества.
С помощью управляемого транспорта, например, в ядро клетки через ядерные поры доставляются все вещества. Трансмембранная транслокация обеспечивает доставку синтезированных в цитозоле белков в пероксисомы, митохондрии и хлоропласты. Везикулярное движение обеспечивает доставку веществ в лизосомы и секрецию веществ из клетки.
Адресация белков обеспечивается наличием в их структуре специальных сортировочных сигналов (sorting signals). Сразу после окончания синтеза белка рибосомой в цитозоле, когда он является просто полипептидом, сортировочными сигналами являются последовательности аминокислот на концах белковой цепи, которые называют нацеливающими (targeting sequences).
Для белков, которые синтезируются на мембранах шероховатого эндоплазматического ретикулума, дополнительные сортировочные сигналы (такие, как сахара или фосфатные группы) могут быть добавлены с помощью специализированных ферментов в цистернах аппарата Гольджи в ходе посттрансляционной модификации белков.
Такие сигналы обычно представляют собой специфические лиганды, которые распознаются рецепторными белками, а эти рецепторные белки с присоединенными к ним транспортируемыми белками, в свою очередь, присоединяются к мембранным транслокационным комплексам соответствующего компартмента.
Нацеливающие последовательности белка, которые представляют собой цепочку из 3-80 аминокислот, тоже распознаются специализированными рецепторами, которые доставляют данный белок к соответствующим транслокационным комплексам. После доставки в нужный компартмент нацеливающие последовательности обычно отрезаются от белковой цепи специализированными ферментами.
Рисунок 31- Механизмы внутриклеточного транспорта белков
Одними из наиболее изученных нацеливающих последовательностей являются сигнальные пептиды (или сигнальные последовательности) - цепочки из 5-15 преимущественно гидрофобных аминокислот. Наличие такой сигнальной последовательности в синтезируемом белке вынуждает рибосому присоединиться к эндоплазматическому ретикулуму, и синтезируемая белковая цепь направляется не в цитозоль, а в люмен ретикулума.
Другой пример нацеливающей последовательности — сигнал импортирования для белков, которые должны быть перемещены из цитозоля в матрикс митохондрии. Этот сигнал представляет собой цепочку из 20-80 аминокислот, формирующих амфипатическую полярную а-спираль, у которой положительно заряженные аминокислоты выстроены с одной стороны спирали, а гидрофобные аминокислоты - с другой.
Для нацеливания белков в ядро клетки определена последовательность из пяти положительно заряженных аминокислот.
Для переноса белков в пероксисому служит пероксимальная нацеливающая последовательность Ser-Lys-Lys-COOH - С-концевой трипептид.
Существуют также сортировочные сигналы, которые не способствуют перемещению белка, а наоборот, служат сигналом о том, что белок уже доставлен к месту назначения и никуда далее его не следует перемещать. Например, белки с так называемой KDEL-последовательностью Lys-Asp-Glu-Leu-COOH на С-конце остаются в эндоплазматическом ретикулуме и не должны удаляться из него везикулярным транспортом.
Иллюстрацией вышесказанного может быть кальций-связывающий белок гладкого эндоплазматического ретикулума калретикулин (calciumbinding protein of the endoplasmatic reticulum - calreticulin), чья первичная структура изображена на рисунке 32.
Первые 17 аминокислот на N-конце калретикулина являются сигнальной последовательностью, которая инициирует транслокацию белка в люмен эндоплазматического ретикулума, а последние 4 аминокислоты - последовательность KDEL - не позволяет белку уйти из ретикулума. Между этими сортировочными сигналами располагается первичная структура функционального белка.
Рисунок 32- Аминокислотная последовательность калретикулина