2.3.3. Процессинг полипептидных цепей белков

Синтезированная в ходе транскрипции полипептидная цепь должна претерпеть ряд изменений, прежде чем она превратится в функционально полноценную белковую молекулу. Естественно, что для разных белков характер этих превращений или процессинга будет различным.

В большинстве случаев от синтезированной полипептидной цепи отщепляется Nконцевой остаток метионина, причем отщепляться может не только метионин, но и несколько соседних с ним аминокислотных остатков.

Полипептидная цепь приобретает вполне определенную для данного белка третичную структуру и это формирование третичной структуры сопровождается образованием дисульфидных мостиков между HSгруппами цистеиновых остатков, занимающими определенные положения в полипептидной цепи. В случае образования «неправильных» дисульфидных мостиков возможна их перестройка, эту функцию выполняют специальные белки, получившие название «шеперонов», они обнаружены в клетках ряда тканей.

Аминокислотные остатки в составе полипептидных цепей белков могут подвергаться химической модификации: гидроксилированию ( превращение остатков пролина в гидроксипролин ), метилированию ( NH2группы остатков лизина в гистонах ), иодированию ( остатки тирозина в составе тиреоглобулина ) и др.

При образовании сложных белков на рибосомах синтезируются лишь их полипептидные цепи, а присоединение небелковых группировок происходит в ходе процессинга. Так, при синтезе гликопротеидов, полипептидные цепи подвергаются гликозилированию, т. е. присоединению к ним моносахаридных остатков или олигосахаридных блоков при участии ферментов гликозилтрансфераз. При синтезе фосфопротеинов полипептидные цепи подвергаются фосфорилированию, идущему при участии ферментов протеинкиназ. При синтезе гликопротеинов и фосфопротеинов идет ковалентная модификация синтезированных на рибосомах полипептидных цепей. В ходе синтеза трансаминаз или биотинзависимых карбоксилаз к полипептидным цепям ферментов ковалентными связями присоединяются фосфопиридоксаль и биотин соответственно. В ряде случаев небелковая группировка присоединяется к полипептидной цепи с помощью слабых взаимодействий ионного или гидрофобного. Так, при образовании металлоэнзимов ионы металлов связаны с аминокислотными остатками полипептидной цепи с помощью или ионных, или координационных связей.

В ряде случаев белки синтезируются в виде их неактивных предшественников так называемых пробелков. При превращении пробелков в функционально активные молекулы от их полипептидных цепей отщепляется строго определенная часть молекулы. Эта часть молекулы обычно называется ингибиторным пептидом. Механизм превращение пробелков в активные белки с разрывом полипептидной цепи белка в строго определенном месте получил название ограниченный избирательный протеолиз. С помощью этого механизма, например, пробелок трипсиноген превращается в каталитически активный трипсин или проинсулин превращается в инсулин. Интересно, что ингибиторный пептид может находится как на одном из концов полипептидной цепи, так и в средине молекулы. Так, при превращении фибриногена в фибрин происходит отщепление пептидов и с Nконцов, и с Сконцов двух его полипептидных цепей, тогда как при образовании инсулина из проинсулина удаляемый Спептид «вырезается» из средины молекулы.

Белки, синтезированные на рибосамах, далее поступают в тот или иной компартмент клетки: в митохондрии, в ядра, в лизосомы и др. или же остаются в цитозоле. Принято считать, в структуре синтезированного белка имеются сигналы сортировки, направляющие эти белки в ту часть клетки, где они в последующем будут функционировать.

Существует 2 основных варианта сигналов сортировки. Вопервых, таким сигналом может быть определенная достаточно протяженная последовательность аминокислот длиной 15 60 остатков, это так называемый сигнальный пептид. Он может находиться или на Nконце молекулы, или на ее Сконце, а иногда даже в средине молекулы. Концевые сигнальные пептиды после прохождения сортировки и поступления белка в нужный компартамент клетки удаляются. Вовторых, таким сигналом может быть участок поверхности белковой молекулы, появляющийся при формировании её нативной конформации. С помощью сигнальных пептидов белки направляются из цитозоля в цистерны эндоплазматического ретикулума, митохондрии и ядро; они отвечают также за то, что бы данный белок остался в мембранах эндоплазматической сети. Сигнальные участки играют важную роль при распознавании лизосомных белков специальным ферментов в аппарате Гольджи и дальнейшем направлении этих белков в лизосомы.

Так, все белки, поступающие в цистерны эндоплазматического ретикулума имеют Nконцевой сигнальный пептид, в центральной зоне которого имеется область, образованная 510 остатками гидрофобных аминокислот. Большинство этих белков направляется дальше в аппарат Гольджи, но та часть из них, на Сконце которых имеется специфическая последовательность ЛизАспГлуЛейСООН, остаются в цистернах ретикулума в качестве его постоянных компонентов.

Белки, направляемые в митохондрии имеют на Nконце сигнальный пептид, в котором положительно заряженные аминокислотные остатки чередуются с гидрофобными остатками. После прохождения такого белка через внутреннюю мембрану в матрикс митохондрии сигнальный пептид быстро отщепляется. У митохондриальных белков, функционирующих во внутренней мембране митохондрий, также есть Nконцевой пептид, который отщепляется при проникновении белка в матрикс митохондрии. Однако при отрезании этого сигнального пептида на на новом Nконце молекулы экспонируется новый гидрофобный сигнальный пептид, обеспечивающий встраивание белка во внутреннюю мембрану митохондрий.

Белки, функционирующие в ядре, проникают туда через поры в ядерной мембране. Избирательность транспорта белков в ядро обеспечивается наличием у соответствующих белков сигналов ядерного импорта определенных последовательностей аминокислот, обогащенных положительно заряженными аминокислотными остатками Лиз и Арг и обычно содержат Про. Эти сигнальные пептиды могут располагаться в различных участках белковых молекул и остаются в их составе и после проникновения молекул белков в ядро.

Интересно, что периферические белки мембран эндоплазматической сети заякорены в мембранах с помощью остатков пальмитиновой или миристиновой кислот, ковалентно присоединеных к полипептидным цепям этих белков. Ферменты, катализирующие присоединение к белкам ковалентными связями названных высших жирных кислот, узнают эти белки с помощью имеющихся у белков на их Nконцах различных сигнальных пептидов. При этом пальмитиновая кислота присоединяется к белкам через остаток цистеина, а миристиновая через остаток глицина.

Принято считать, что белки, направляемые в лизосомы, например, различные кислые лизосомальные гидролазы, имеют на поверхности своих молекул сигнальные участки, обеспечивающие их перенос из цистерн эндоплазматического ретикулума в цистерны аппарата Гольджи, а также их последующую ковалентную модификацию в аппарате Гольджи. Важным моментом этой перестройки является присоединение к лизосомальным белкам остатка маннозо6фосфата, ибо его наличие в молекуле служит сигналом для переноса данного белка в лизосомы, т.е. к месту его функционирования. Нарушение процесса присоединения остатка маннозо6фосфата изза генетического дефекта соответствующего фермента приводит к развитию тяжелейшей патологии так называемой Iклеточной болезни. При этом заболевании в лизосомах отсутствует ряд кислых гидролаз, однако эти ферменты присутствуют в крови, откуда следует, что синтез этих лизосомальных ферментов не нарушен, но не работает механизм их доставки в лизосомы.

Неправильно синтезированные белки, например, белки, имеющие в своей структуре аминокислотные замены, или денатурированные белковые молекулы в цитозоле клеток подвергаются быстрому расщеп

лению. Одним из механизмов устранения таких «неправильных» белковых молекул является убиквитинзависимый протеолиз. При таком протеолизе к белку, подлежащему расщеплению, с помощью надмолекулярного полиферментного комплекса присоединяется множество копий небольшого белка убиквитина. Вслед за этим АТФзависимая протеаза быстро расщепляет меченые полиубиквитиновым блоком белки. Продукты расщепления аминокислоты используются для нужд клетки.

НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ. МАТРИЧНЫЕ БИОСИНТЕЗЫ.

ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ РЕГУЛЯЦИИ ЭКСПРЕССИИ ГЕНОВ