Шероховатая эпс выполняет функции

Шероховатая эпс выполняет функции

Рассмотрим особенности синтеза тех белков, которые образуются мембраносвязанными рибосомами. Как уже отмечалось это «экспортные», мембранные и лизосомальные белки. Сюда также входят белки пероксисом.

В формировании всех этих белков ключевую роль играют:

— во-первых, гранулярная, или шероховатая ЭПС (эндоплазматическая сеть),

— во-вторых, комплекс Гольджи.

Благодаря этим структурам, происходят два дополнительных (помимо трансляции и фолдинга) процесса:

— специфическая сортировка (вместе с направленным транспортом) и

— модификация новообразованных белков.

2.1. Процессы в гранулярной ЭПС

2.1.1. Структура гранулярной ЭПС

Как известно, ЭПС (эндоплазматическая сеть), или ЭР (эндоплазматический ретикулум), на электронных микрофотографиях выглядит в виде множествамембранных цистерн (мешочков), трубочек и пузырьков.

На самом же деле практически все эти структуры представляют собой единый непрерывныйкомпартмент (отсек), отграниченный мембраной от гиалоплазмы. Этот компартмент образует всевозможные инвагинации и складки, которые и воспринимаются на срезе как отдельные трубочки, пузырьки и расположенные параллельно друг другу плоские цистерны.

Лишь некоторые пузырьки могут быть действительно отшнурованными от данного компартмента. Это «транспортные средства», направляющиеся с порцией новосинтезированных белков к комплексу Гольджи для дальнейших процессов сортировки и модификации.

ЭПС подразделяется на гладкую и гранулярную(шероховатую). Особенность последней состоит в том, что со стороны гиалоплазмы она покрыта рибосомами,что и придает ей характерный шероховатый вид. Эти рибосомы и называются мембраносвязанными— в отличие от свободных, находящихся в гиалоплазме.

Таким образом, при образовании «экспортных» и других рассматриваемых белков (мембранных, лизосомальных, пероксисомальных) трансляцияпроисходит на гранулярной ЭПС.

По некоторым данным, имеет значение и локализация этой ЭПС: «экспортные» белки синтезируются в одних областях гранулярной ЭПС, мембранные белки — в других, лизосомальные — в третьих.

В то же время используемые при этом рибосомы ничем не отличаются от свободных рибосом. Мембранносвязанными они становятся только в процессе трансляции. Вне данного процесса рибосомы находятся в виде отдельных субъединиц. А объединение последних происходит только при инициации трансляции, т. е. при образовании комплекса с мРНК и инициирующей аа-тРНК.

Поэтому, говоря как о свободных, так и о мембраносвязанных рибосомах, подразумевается, что те и другие находятся в состоянии трансляции, и, следовательно, связаны с мРНК и синтезируемым пептидом. При этом нередко рибосомы входят в состав полисом — также свободных или мембраносвязанных.

Отдельные же субъединицы рибосом с ЭПС никогда не связаны.

Рассмотрим особенности трансляции на гранулярной ЭПС с учетом этих замечаний.

2.1.2. Особенности трансляции

При трансляции «экспортных» и других подобных (по механизму синтеза) белков встают две проблемы:

— связывание начавшей трансляцию свободной рибосомы с мембраной ЭПС (причем, видимо, в определенной области ЭПС);

— проникновение синтезируемого пептида во внутреннее пространство ЭПС.

В решении обеих этих проблем ключевую роль играет т. н. сигнальная последовательность (СП) (рис.2.1), с которой всегда начинается первичная полипептидная цепь любого рассматриваемого здесь белка.

 
 
Рис. 2.1. Структура сигнальной последовательности аминокислот

СП находится с N-конца пептидной цепи и включает 15-35 аминокислотных остатков. В начале и в конце СП расположены остатки с полярными радикалами, в середине же — с неполярными, а значит гидрофобными. Это обеспечивает взаимодействие СП с соответствующими слоями мембраны ЭПС. В частности, гидрофобные радикалы СП оказываются «как дома» в липидном бислое, составляющем основу данной мембраны.

В окончательной же структуре белка СП отсутствует. Она отщепляется специальной пептидазой после проникновения всей полипептидной последовательности белка во внутреннее пространство ЭПС.

Последовательность событий при трансляции показана на рис. 2.2.

а) Вначале в гиалоплазме собирается инициаторный комплекс, включающий мРНК одного из рассматриваемых белков, рибосому и инициирующую аа-тРНК.

Начинается трансляция, и рибосома, оставаясь свободной, синтезирует СП.

б) В гиалоплазме имеются специальные СП-узнающие частицы (SPR — signal recognition particles). Они представляют собой комплексы РНК-белок.

Когда на свободной рибосоме появляется СП, одна из таких частиц связывается с рибосомой и останавливает трансляцию.

В свою очередь, образующийся комплекс мРНК-рибосома-СП-SRР становится способным (благодаря двойной «валентности» SRР) связываться с т. н. докинг-белками, которые находятся на цитоплазматической поверхности мембраны ЭПС.

Так решается первая из указанных выше проблем — связывание рибосомы с ЭПС. При этом СП играют роль «меток», которые определяют, какие именно из транслирующих свободных рибосом должны быть прикреплены к ЭПС.

Возможно, одновременно узнается (с помощью РНК, входящей в SRР), и какой-то локус транслируемой мРНК. Это могло бы объяснить то отмеченное выше обстоятельство, что синтез белков разного назначения происходит в разных областях ЭПС.

В результате на данном этапе происходит первый этап сортировки будущих белков:

— с помощью прикрепления части рибосом к ЭПС и,

— возможно, путем распределения прикрепляющихся рибосом по разным областям ЭПС.

в) Затем СП, видимо, проникает (за счет своих гидрофобных радикалов) в липидную фазу мембраны ЭПС на всю ее глубину. И после этого начинает служить организатором, вокруг которого особым способом группируются мембранные белки. В ходе этого взаимодействия происходит гидролиз ГТФ, а SRР возвращается в гиалоплазму.

В результате в месте нахождения СП мембранные белки образуют канал — т.н. полипептид-транслоцирующую пору (или транслокон).

г) Трансляция возобновляется (из-за диссоциации SRР), и все удлиняющаяся полипептидная цепь начинает протягиваться через пору во внутреннее пространство ЭПС.

При этом СП остается фиксированной в области поры (что, вероятно, сохраняет структуру канала). Так что в этом месте проникающая пептидная цепь образует петлю.

Из сказанного вытекает, что при данном механизме трансляции не рибосомы движутся по мРНК (как нередко бывает в случае свободных полисом), а, наоборот, мРНК перемещается относительно «заякоренных» на ЭПС рибосом. А синтезируемая полипептидная цепь вообще имеет двойную фиксацию: к поре (через СП, с N-конца) и к рибосоме (с С-конца).

д) По окончании трансляции цепь теряет фиксацию с обеих сторон: с С-конца — за счет отделения от рибосомы, а с N-конца — за счет сигнальной пептидазы, отщепляющей СП.

Таким образом, она высвобождается в пространство ЭПС, где происходит ее фолдинг. В этом, как обычно, принимают участие фолдазы и шапероны. Те и другие должны находиться внутри ЭПС. Что касается одной из фолдаз — протеиндисульфидизомеразы, то хорошо известно, что она связана, в основном, с ЭПС.


2.1.3. Модификация белков в ЭПС

Многие из белков, чей синтез здесь рассматривается, в зрелом состоянии являются гликопротеинами, т. е. содержат углеводный компонент. Последний обычно представлен одной или несколькими разветвленными олигосахаридными цепочками.

Примерами таких гликопротеинов среди «экспортных» белков являются некоторые белки плазмы (напр. кислый a1-гликопротеин); среди мембранных белков — гликофорин (содержится в мембране эритроцитов), многие антигенные детерминанты, транслоказы (белки-переносчики), рецепторы к гормонам и т. д.; а также почти все лизосомальные ферменты.

Как оказалось, углеводные компоненты подобных белков имеют сходный план строения. Cходной является и последовательность событий, ведущих к образованию этих компонентов.

Эти события начинаются в гиалоплазме, продолжаются во внутреннем пространстве ЭПС и завершаются в аппарате Гольджи. Рассмотрим начальные cтадии гликозилирования.

а) В гиалоплазме образуется одинаковая для всех белков «заготовка» — раз-ветвленное олигосахаридное ядро из 14 мономеров (рис. 2.3.). В него входят 2 остатка N-ацетилглюкозамина, 9 остатков маннозы и 3 остатка глюкозы.

Рис. 2.3. Гликозилирование белков в ЭПС

Синтез происходит путем последовательного присоединения моносахаридных остатков к специальному липидоподобному веществу — долихолфосфату, которое представляет собой длинную углеводородную цепочку (включающую около 100 С-атомов), поэтому является гидрофобным и легко проходит через мембраны.

б) С помощью долихолфосфата олигосахаридные ядра транспортируются из гиалоплазмы во внутреннее пространство ЭПС.

Здесь специальная трансфераза переносит эти ядра от долихолфосфата на вновь синтезированные белки — после завершения их трансляции и фолдинга.

Связывание олигосахарида с пептидной цепью происходит через амидную (NН2—СО-) группу остатка аспарагина. Поэтому такой процесс обозначается как N-гликозилирование.

Еще известно О-гликозилирование: при этом олигосахарид связывается через гидроксигруппу (ОН-) серина или треонина. Но О-гликозилирование осуществляется лишь в аппарате Гольджи.

В результате же N-гликозилирования соответствующие белки приобретают одно или несколько стандартных олигосахаридных ядер.

в) В ЭПС могут происходить и другие виды модификации белков. Так, очень важная модификация (особенно при образовании коллагена) — гидроксилированиеостатков пролина и лизина. Оно осуществляется специальным ферментным комплексом, для функционирования которого требуется аскорбиновая кислота.

г) Последнее, что происходит с формирующимися белками в ЭПС, — «упаковка» их в транспортные пузырьки(рис. 2.4).

Рис. 2.4. Выведение новосинтезированных белков из ЭПС

Эти пузырьки, видимо, образуются в местах высокой концентрации гликозилированных белков внутри ЭПС. Мембрана ЭПС здесь начинает все больше и больше выгибаться во внешнюю сторону и, наконец, отшнуровывается в виде пузырька. В последнем оказывается высококонцентрированный раствор белков.

С внешней (цитоплазматической) поверхности пузырьки покрыты особым белком -клатрином — и потому иногда называются окаймленными. Клатрин образует как бы дополнительную оболочку, но она имеет не сплошную, а решетчатую структуру. Данный белок всегда оказывается на внешней поверхности тех участков мембраны (в т. ч. плазматической), которые способны к инвагинации и отшнуровыванию. Видимо, клатрин и придает данным участкам мембраны эти свойства.

Транспортные пузырьки, отпочковавшиеся от ЭПС, диффундируют к комплексу Гольджи и сливаются с его мембранами. В итоге первично гликозилированные белки оказываются во внутреннем пространстве этого комплекса.

2.2. Процессы в комплексе Гольджи

2.2.1. Структура и функции комплекса Гольджи

Основная часть комплекса Гольджи (рис. 2.5) — это скопление плоских мембранных цистерн, лежащих параллельно друг другу. Каждое такое скопление называется диктиосомой. В клетке может быть много диктиосом, соединенных друг с другом цистернами и трубочками.

В непосредственной близости от диктиосомы обычно находится множество мембранных пузырьков.

Одни из них перемещаются от ЭПС к комплексу Гольджи.

При этом обращенная сюда (к ЭПС) сторона диктиосомы называется проксимальной, или цис-полюсом.

Рис. 2.5. Комплекс Гольджи и его связь с ЭПС

От противоположной же стороны диктиосомы отшнуровываются другие пузырьки. Одни из них содержат гидролитические ферменты и представляют собой первичные лизосомы. Прочие пузырьки транспортируют «экспортные» и (или) мембранные белки; они перемещаются к плазмолемме и затем сливаются с ней.

Соответствующая сторона диктиосомы (от которой отделяются пузырьки с готовыми белковыми продуктами) называется дистальной, или транс-полюсом.

Таким образом, в диктиосоме созревающие белки постепенно перемещаются от проксимальной части к дистальной.

В комплексе Гольджи с белками продолжаются два уже знакомых процесса: их модификация и сортировка.

Важной составной частью модификации является специфическая для каждого вида белков перестройка углеводного компонента. После того как в ЭПС белки приобретали одинаковое олигосахаридное ядро, в аппарате Гольджи это ядро подвергается различным изменениям.

Так, почти всегда удаляются последний остаток глюкозы и несколько остатков маннозы. Для некоторых белков на этом перестройка и заканчивается.

В других случаях к определенным местам «ядра» присоедняются те или иные дополнительные остатки — галактозы (и ее производных), нейраминовой кислоты (или такой ее производной, как сиаловая кислота) и т. д.

Кроме того, иногда путем О-гликозилирования формируются новые олигосахаридные ветви.

Все это делает еще более индивидуальным и неповторимым «облик» созревающего белка, что имеет важные последствия — в частности, облегчает сортировку белков.

2.2.2. Сортировка белков

Рассмотрим процесс сортировки для различных видов белков:

1. Белки ЭПС. При отшнуровывании пузырька от цистерны ЭПС в нем случайно могут оказаться и такие белки, местом «службы» которых является ЭПС. Это, например, ферменты фолдинга (фолдазы), шапероны, ферменты N-гликозилирования и гидроксилирования.

Очевидно, такие белки должны вернуться из аппарата Гольджи обратно в ЭПС. Оказалось, они имеют сходную последовательность из 4-х аминокислотных остатков:

-Лиз – Асп – Глу – Лей —

По ней белки опознаются и собираются в специальные пузырьки, возвращающиеся в ЭПС.

2. Ферменты лизосом.По какому признаку узнаются в аппарате Гольджи формирующиеся белки лизомом, пока неизвестно. Скорее всего, таким маркером тоже служит какая-нибудь аминокислотная последовательность.

Но после «опознания» этих белков происходит их дополнительное «мечение» — с помощью специфической модификации, олигосахаридного компонента. А именно фосфорилируется один из остатков маннозы.

На внутренней поверхности мембраны аппарата Гольджи внекоторых местах имеются рецепторы к маннозофосфату.Поэтому здесь собираются лизосомальные ферменты, и их взаимодействие с рецепторами, видимо, является стимулом к началу образования и отпочковывания пузырька (рис. 2.6).

В мембране, помимо рецепторов, есть также протонные насосы,создающие внутри будущих лизосом кислую среду. Снижение рН в пузырьках приводит к диссоциации лизосомальных ферментов от рецепторов. После чего рецепторы группируются в кластеры и удаляются из лизосомы в составе мелких пузырьков, чтобы вернуться в аппарат Гольджи для «улавливания» очередных лизосомальных ферментов.

3. Мембранные белки. Будущие инте-гральные белки мембран, видимо, отсортировываются еще в процессе трансляции. Полагают, что они не протягиваются полностью через пору в мембране ЭПС, а так и остаются фиксированными в данной мембране (рис. 2.7).

Это происходит благодаря наличию протяженного гидрофобного участка в средней части полипептидной цепи. По окончании трансляции и отщепления СП (сигнальной последовательности) N-конец такой цепи оказывается в просвете ЭПС, а С-конец — на цитоплазматической поверхности.

В более сложных случаях после отщепления первой СП в белке как с N-, так и с С-конца могут обнаруживаться и другие СП, протягивающие соответствующий конец через мембрану. Тогда пептидная цепь не один, а несколько раз «прошивает» мембрану. И может получиться так, что N-конец находится на ее цитоплазматической поверхности, а С-конец — в просвете ЭПС или что оба конца — на какой-нибудь одной поверхности мембраны.

Затем эти белки (вместе с окружающим участком мембраны) последовательно оказываются:

— в стенке транспортного пузырька, перемещающегося от ЭПС к аппарату Гольджи;

— в мембране цистерн этого аппарата;

— в стенке транспортного пузырька, перемещающегося к плазматической (или иной) мембране и сливающегося с ней.

Так, в конце концов, мембранные белки достигают места своего назначения.

При этом все время сохраняется полярность мембран и ориентация в них интегральных белков. Например, внутренняя поверхность мембран ЭПС, аппарата Гольджи, пузырьков и лизосом соответствует по полярности внешнейповерхности плазматической мембраны. С учетом этого и происходит формирование пузырьков из одних мембран и последующее слияние пузырьков с другими мембранами.

Вместе со встраиванием в мембрану ЭПС новых белков происходит включение в нее и новых липидных молекул. Это приводит к увеличению площади мембраны, что и создает ее избыток, необходимый для отшнуровывания части мембраны в вики.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:



Источник: studopedia.ru


Добавить комментарий