Биологический каталог




Биомембраны - Молекулярная структура и функции

Автор Р.Геннис

от апикальной, либо от базолатеральной поверхности эпителиальных клеток в культуре. Так, G-белок вируса везикулярного стоматита локализован исключительно в базолатеральной области мембраны, от которой вирус и отпочковывается, а гликопротеин гемагглютинина (НА) транспортируется к апикальной области. Химерный гибрид,

482 Глава 10

Таблица 10.1. Сигналы для сортировки белков в эукариотических клетках

А. Первичные сигналы {зукариотические клетки)

Органелла или мембрана

Сигнал

Ссылки

1. Эндоплазматиче- а. ский ретцкулум

2. Митохондрии а.

3. Хлоропласты

4. Ядро

5. Микротельца (пе-роксисомы, глиок-сисомы, гли косом ы)

Обычно находится иа самом N-коице и удаляется сигнальной пептндазой Какая-то определенная последовательность отсутствует, необходимо лишь, чтобы оиа и ос ила гидрофобный характер Имеет три участка: п-участок — короткий, положительно заряженный, находится иа N-конце: h-участок — 7-15 остатков, гидрофобное ядро; с-участок — содержит сайт расщепления сигнальной пептндазой, находится иа С-конце

Сигнальный пептид может также играть роль N-концевого якоря в зрелом белке с цитоплазматнческим или виеплазматиче-ским N-концом

Обычно находится на самом N-коице и, как правило, удаляется протеолизом, если только местом его нахождения не является наружная мембрана Какая-то определенная последовательность отсутствует; отличительная особенность — положительно заряженная, амфифильная спираль. Может состоять всего из девяти остатков Сходен с сигналом митохондрий Короткая последовательность ProLysLysLysArgLysValGlu, идентифицирована в большом Т-антигене вируса SV40, ответственна за локализацию белков в ядре

Отщепляемая сигнальная последовательность отсутствует. Природа сигнала неизвестна

[1528, 720]

[1289, 237]

[237, 1356] [1225, 523]

[124]

Б. Вторичные сигналы экзоцитозного пути

Место нахождения

Сигнал

Ссылки

1. Лизосомы

Маннозо-6-фосфат в большинстве живот- [1385, Й69, ных клеток, ио не в дрожжах. Детерми- 1168]

Биогенез мембран 483

Продоллсение табл. 10.1

1. Эндоплазматиче-ский ретикулум

3. Аппарат Гольджи

4. Апикальная или базолатеральная область плазматической мембраны

5. Секреторные гранулы

6. Конститутивная секреция

нанты аминокислотной последовательности неизвестны

Короткая последовательность(ти) на С-коице отвечает за удерживание некоторых мембранных компонентов и компонентов просвета эндоплазматического ретикулума Сигнальная последовательность находится в одном из трансмембраниых сегментов гликопротеина Е1 короиавируса В некоторых случаях сигнал, определяющий конечную локализацию, содержит внецитоплазматический домеи, но какую-то роль может также играть цитоплазматический домен Сигнал для трипсиногеиа не требует наличия сигнального пептида (первичный сигнал) или первых 12 аминокислотных остатков на N-коице нативного белка Укороченный путь в отсутствие вторичных сигналов

[1038, II15]

[899]

[937, 958, 1186]

[1249]

[165, 738]

состоящий из внецитоплазматического домена НА, а также мембранного сегмента и цитоплазматического «хвоста» G-белка, локализуется исключительно в апикальной области мембраны. Эти и другие эксперименты свидетельствуют о том, что решающее значение для локализации имеет внецитоплазматический домен [958 , 959]. Однако существуют данные о том, что цитоплазматический домен тоже может содержать важные сортировочные детерминанты [1186, 958]. По-видимому, сортировка белков плазматической мембраны в поляризованных эпителиальных клетках происходит в аппарате Гольджи. Однако в гепатоцитах крысы наблюдается иная картина: все белки плазматической мембраны, очевидно, направляются сначала в баэолатериальную область [72].

Существенно, что вторичные сортирующие детерминанты содержатся в средней части зрелого полипептида и не являются родственными и даже не соседствуют с первичным сигнальным пептидом, ответственным за начальную локализацию в эндоплазматиче-ском ретикулуме. Этим они отличаются от большинства вторичных сортирующих сигналов митохондрий и хлоропластов [237], а также, вероятно, бактерий.

484 Глава 10

Сигналы переноса и сортироаки у бактерий [1192, 1352, 83]

Большинство работ по сборке и переносу мембранных белков были выполнены на Е. coli. Белок, синтезируемый в цитоплазме, может направляться к цитоплазматической мембране, в периплаз-матическое пространство или в наружную мембрану (см. рис. 10.1). Перенос белков через внутреннюю мембрану в периплазматическое пространство или наружную мембрану часто называют экспортом. Кроме того, некоторые белки транспортируются через обе мембраны и секретируются во внешнюю среду или становятся компонентами пилей [1352]. В основном исследовался экспорт из бактериальных клеток [1192], который имеет много общего с импортом в эндоплазматический ретикулум.

Как правило, белки, направляемые в периплазматическое пространство нли в наружную мембрану, имеют временные N-конце-вые сигнальные пептиды, весьма сходные с пептидами секретируемых белков, которые импортируются в эндоплазматический ретикулум эукариотических клеток. И в самом деле, сигнальные пептиды про- и эукариот до определенной степени взаимозаменяемы и узнаются в гетерологических системах [493]. Например, сигнальный пептид липопротеина наружной мембраны Е. coli ускоряет перенос белков через микросомы животных клеток [493]. Сигнальные пептиды эукариот и известные сигнальные пептиды прокариот негомологичны [1352]. За очень редким исключением, белки плазматической мембраны не содержат отщепляемого сигнального пептида [1352]. К таким исключениям относятся белок оболочки фага М13 [798], не происходящий из Е. coli, и пенициллинсвязывающие белки, которые локализуются не только в цитоплазматической мембране [67]. Генетические данные подтверждают, что в основе переноса экспортируемых белков и сборки белков плазматической мембраны лежат одинаковые биохимические механизмы [1600] и осуществляются эти процессы в соответствии со сходными механистическими принципами [1601].

Напротив, механизм секреции белков через цитоплазматическую и наружную мембраны может быть совершенно иным. Например, у гемолизина сигнальная последовательность, определяющая секрецию, находится иа С-концевом участке длиной 27 аминокислот, а не на N-конце [901]. Замечательно, что серекция токсина, продуцируемого грамотрицательной бактерией Vibrio cholerae, через наружную мембрану происходит только после свертывания полипептида с образованием третичной и четвертичной структуры в периплазма-тическом пространстве [635].

По данным генетического анализа, существует не менее четырех генов, продукты которых необходимы для переноса большинства белков оболочки через цитоплазматическую мембрану: secA, secB,

Биогенез мембран 485

secY (или prlA) и secD [83, 495]. Продукты генов secA и secY участвуют в сборке по крайней мере некоторых белков цитоплазматической мембраны, таких, как лидерная пептидаза (но не белок оболочки фага М13) [1600]. Функции продуктов этих генов неизвестны; возможно, они непосредственно участвуют в переносе белков. Биохимические исследования, проводимые в этой области [1034], гораздо более трудоемки, чем генетические. Работы с использованием мутантов, дефектных по серекции белков, не выявили никаких механистических деталей; тем не менее полученные данные подтвердили наличие тесной связи между процессами секреции и трансляции белков in vivo [1398, 864]. О такой связи свидетельствуют и биохимические данные, хотя в некоторых случаях (в частности, в случае белка оболочки фана М13) in vivo белок включается в мембрану по завершении трансляции [1192]. Однако продукт гена secY способен к посттрансляционному функционированию [55]. Возможно, он представляет собой мембраносвязанный рецептор или каналообразую-щий белок [10], взаимодействующий с сигнальным пептидом бактерий.

Дополнительные детерминанты первичного сигнала [417]

В некоторых случаях наличие сигнального пептида у экспортируемых белков достаточно для переноса белков-пассажиров через цитоплазматическую мембрану. Примером может служить сигнальная последовательность у ОтрА [900]. С другой стороны, оказалось, что транспорт белка наружной мембраны LamB возможен лишь при наличии определенной части последовательности зрелого полипептида [85]. Рэндолл и др. показали, что мальтозосвязываю-щий белок, синтезируясь на мембраносвязанных рибосомах, не переносится в периплазматическое пространство до тех пор, пока трансляция не пройдет примерно на 80% [1192]. Это указывает на определенную роль различных частей зрелой последовательности в инициации трансляции, хотя не исключаются и другие объяснения.

Исследования, проведенные на двух белках цитоплазматической мембраны, белке оболочки фага М13 и лидерной пептидазе, показывают, что для белков, кроме N-коицевой сигнальной последовательности, по-видимому, необходимы какие-то структурные детерминанты. Сборка белка оболочки фага М13 (рис. 10.9) уже обсуждалась в разд. 10.3.2. Более характерным белком цитоплазматической Мембраны является лидер-пептидаза; ее предполагаемая топология представлена на рис. 10.12. Этот фермент ответствен за про-теолитическое отщепление сигнального пептида от большинства экспортируемых белков Е. coli; его активный центр локализован на периплазматической стороне цитоплазматической мембраны. Молекула этого белка (323 аминокислотных остатка) имеет два транс-

486 Глава 10

Рис. 10.12. Предполагаемая топология лидер-пептидазы из Е. coli [1013]. Аминокислотные остатки пронумерованы. Прямоугольниками обозначены гидрофобные сегменты. Первый гидрофобный участок не был обнаружен экспериментально, вывод о его существовании был сделан исходя из его гидрофобности. Наличие и ориентация второго гидрофобного участка установлены экспериментально и, по-видимому, он функционирует как внутренняя сигнальная последовательность. Третий гидрофобный сегмент имеет слабо выраженный гидрофобный характер и является частью периплаз-матического домена.

мембранных сегмента и большой С-концевой домен, экспонированный в периплазматическое пространство [275, 1013]. Деления остатков 142—323 блокирует перенос неполного полипептида через ци-топлазматическую мембрану [277], что согласуется с представлением о важной роли в переносе карбоксильной части молекулы (рис. 10.12). Полипептид, лишенный остатков 4—50, которые образуют первый трансмембраиный сегмент, по-прежнему собирается в мембране, а второй трансмембранный сегмент играет роль сигнального пептида [275].

Таким образом, исследование некоторых белков Е. coli свидетельствует о том, что для переноса через цитоплазматическую мембрану необходима информация, закодированная в такой структуре, которая находится за пределами сигнальной последовательности. Возможно, это просто отражает тот факт, что искусственные полн-пептидные конструкции, используемые в данных исследованиях, имеют конформацию, не способствующую переносу (например, они могут закрывать сигнальный пептид). А может быть, это связано с наличием характерных детерминант, необходимых для взаимодействия с компонентами механизма переноса.

Вторичные сигналы

Что направляет белки во внутреннюю мембрану, периплазматическое пространство или наружную мембрану — неизвестно. Генетические исследования [83, 1600], а также данные по конкурентным

Биогенез мембран 487

взаимодействиям [192, 62] показывают, что многие из этих белков используют общий биохимический аппарат переноса. Результаты анализа сигнальных пептидов свидетельствуют о том, что небольшие изменения их гидрофобности и размера могут приводить к существенным изменениям в локализации переносимого белка [1352]. С другой стороны, сигнальная последовательность периплазматиче-ского белка может с успехом замещать сигнальную последовательность белка наружной мембраны [1462]; это означает, что информация о сборке заключена в зрелом белке наружной мембраны. Возможно, перемещение белка именно к плазматической мембране обусловлено просто наличием стоп-сигнала. Вспомним, что основные белки наружной мембраны, в том числе порины, лишены гидрофобных трансмембранных сегментов (рис. 8.7).

Использование синтетических сигнальных пептидов

Синтезированы пептиды, соответствующие сигнальной последовательности дикого типа, а также мутантные сигнальные пептиды белка LamB наружной мембраны и исследовано их взаимодействие с модельными фосфолипидными мембранами и везикулами Е, coli [205, 148, 147]. Показано, что пептид, соответствующий сигнальной последовательности дикого типа, эффективно ингибирует in vitro перенос предшественников как периплазматического белка, так и белка наружной мембраны, а пептид, соответствующий мутантной сигнальной последовательности, дефектной по экспорту, не ингибирует перенос в бесклеточной системе. Это означает, что сигнальные пептиды узнают какой-то общий рецептор в цитозольной или мембранной фракции [205]. Кроме того, эффективность связывания этих пептидов с модельными мембранами (монослоем и бислоем) коррелирует с их способностью служить сигналом переноса. Корреляция между гидрофобностью сигнальной последовательности и способностью инициировать транслокацию обнаруживается и при использовании предшественника мальтозосвязывающего белка [334].

Эти данные согласуются с моделью, согласно которой первичная сигнальная последовательность определяет локализацию полипептидного предшественника в мембране путем неспецнфических взаимодействий с липидным бислоем, после чего осуществляется более специфическое связывание с белковым рецептором. Сходная модель была предложена для амфифильных пептидных гормонов (разд. 3.7.1) . Заметим, однако, что сигнальный пептид в животных клетках до его связывания с мембраной взаимодействует с каким-то растворимым рецептором (разд. 10.3.4). Какое значение для сигнального пептида имеет его способность связываться с липидами — остается неясным.

488 Глава 10

Другие сигнальные последовательности бактерий

Имеются данные о том, что у бактерий существуют сигналы, отличные от сигналов у Е. coli. Особый интерес представляет уникальная сигнальная последовательность, содержащаяся в бактерио-родопсине Н. halobium. Этот белок (рис. 3.8) синтезируется in vivo с N-концевым сигналом длиной 13 остатков, который в принципе может образовать амфифильную а-спираль [1531]. Он сильно отличается от сигнальной последовательности Е. coli, и о его функционировании почти ничего не известно.

Сигнальные проследоаательиости импорта и сортироаки ¦ митохондриях [1289, 237]

Белки митохондрий и хлоропластов, информация о которых закодирована в ядре, синтезируются в виде водорастворимых предшественников на свободных рибосомах и in vivo переносятся к месту назначения после трансляции. В результате сортировки мито-хондриальные белки оказываются в наружной мембране, межмембранном пространстве, внутренней мембране или в матриксе (рис. 10.1). Эксперименты с использованием химерных полипептидов или полипептидов, полученных в результате делеций, показали, что, как правило, достаточная для импорта и сортировки информация содержится на N-конце. Большинство белков митохондрий и хлоропластов синтезируется с N-концевыми преп

страница 69
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97

Скачать книгу "Биомембраны - Молекулярная структура и функции" (4.40Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.06.2017)