Посттрансляционная регуляция. Участие молекулярных шаперонов в регуляторных процессах.

После завершения трансляции большинство белков подвергается дальнейшим химическим модификациям, которые называются посттрансляционными модификациями. Посттрансляционные модификации могут регулировать продолжительность существования белков в клетке, их ферментативную активность и взаимодействия с другими белками. Иногда посттрансляционные модификации являются обязательным этапом созревания белка, в противном случае он оказывается функционально неактивным. Посттрансляционные модификации могут быть как широко распространёнными, так и уникальными. Универсальная модификация -убиквитинирование (присоединение к белку цепи из нескольких молекул короткого белка убиквитина), которое служит сигналом к расщеплению этого белка протеасомой. Другой распространённой модификацией является гликозилирование. К редким модификациям относят тирозинирование/детирозинирование и полиглицилирование тубулина.

Один и тот же белок может подвергаться многочисленным модификациям. Посттрансляционные модификации делят на: модификации главной цепи;

отщепление N-концевого остатка метионина; ограниченный протеолиз — удаление фрагмента белка, которое может происходить с концов (отщепление сигнальных последовательностей) или, в отдельных случаях, в середине молекулы; присоединение различных химических групп к свободным амино- и карбоксильной группам (N-ацилирование, миристоилирование); модификации боковых цепей аминокислот;

присоединение или отщепление небольших химических групп (гликозилирование, фосфорилирование); присоединение липидов и углеводородов; изменение стандартных аминокислотных остатков на нестандартные (образование цитруллина);

образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина;

присоединение небольших белков (сумоилирование и убиквитинирование).

Шапероны. В клетках существует группа белков, функция которых — обеспечение правильного сворачивания других белков после их синтеза на рибосоме, восстановление структуры белков после их повреждения, а также создание и диссоциация белковых комплексов. Эти белки называются шаперонами. Концентрация многих шаперонов в клетке возрастает при резком повышении температуры окружающей среды, поэтому они относятся к группе Hsp (англ. heat shock proteins — белки теплового шока).

35. Фолдинг и деградация белков как компоненты регуляторных систем.
Деградация белков в клетке. Белки выполняют в клетке закреплённую за ним функцию, а затем, в определённый момент, клетке необходимо от него избавиться. Необходимость избавиться от белка обусловлена рядом причин: во-первых, дальнейшая активность белка может навредить клетке, во-вторых, нужно синтезировать новые белки, а перегрузка цитоплазмы полипептидами является источником апоптоза. Переставшие быть необходимыми, белки подвергаются протеолитической деградации.

Фо́лдингом белка называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура).

Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры. Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые химические свойства: гидрофобность, гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами.

В редких случаях нативными могут быть сразу две конформации белка. Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовали два примерно равных по энергии состояния, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью. Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются посттрансляционной модификации. Часто встречаются дисульфидные мостики между пространственно близкими участками полипептидной цепи. В фолдинге участвуют белки-шапероны. Существует четыре типа молекул, которые играют роль таких шаперонов.

1. Молекулы, обеспечивающие правильный фолдинг белков.

2. Молекулы, созданные для удержания частично свернутой молекулы белка в определенном положении. Это необходимо, чтобы система имела возможность закончить фолдинг.

3. Шапероны, разворачивающие белки с неправильной формой.

4. Шапероны, сопровождающие белки, транспортируемые через клеточную мембрану.

36. Формирование нативной трехмерной структуры белков.

Трехмерная структура белка играет важную роль в обеспечении его специфической функциональной активности. Она формируется в результате взаимодействия структур более низких уровней. Третичная структура — пространственное строение полипептидной цепи. Структурно состоит из элементов вторичной структуры, стабилизированных различными типами взаимодействий, в которых гидрофобные взаимодействия играют важнейшую роль. В стабилизации третичной структуры принимают участие:

ковалентные связи (между двумя остатками цистеина — дисульфидные мостики); ионные связи между противоположно заряженными боковыми группами аминокислотных остатков; водородные связи; гидрофобные взаимодействия. При взаимодействии с окружающими молекулами воды белковая молекула сворачивается так, чтобы неполярные боковые группы аминокислот оказались изолированы от водного раствора; на поверхности молекулы оказываются полярные гидрофильные боковые группы.

Между уровнем вторичной структуры и атомарной пространственной выделяют ещё один уровень — мотив укладки. Мотив укладки определяется взаимным расположением элементов вторичной структуры (α-спиралей и β-тяжей) в пределах белкового домена — компактной глобулы, которая может существовать или сама по себе или входить в состав более крупного белка.

37.. Молекулярные шапероны семейств Hsp60 и Hsp70 у про- и эукариот.
Фолдинг растущего в процессе трансляции полипептида обеспечивается его взаимодействием сначала с фактором TF, а затем, при достаточном удлинении полипептидной цепи – с системой шаперона Hsp70, включающей собственно шаперон, кошаперон Hsp40 и факторы нуклеотидного обмена (NEF). Наиболее изученной является Hsp70 -система Escherichia coli. Образование временных комплексов Hsp70 с ненативными белками-мишенями предотвращает неспецифическую агрегацию и деградацию последних внутриклеточными протеиназами и способствует правильному фолдингу диссоциированной мишени, происходящему либо спонтанно, либо с участием других шаперонов. Шапероны Hsp70 состоят из трех доменов: высококонсервативный N-концевой нуклеотидсвязывающий домен объединен чувствительным к действию протеиназ линкерным участком с вариабельным субстратсвязывающим доменом; короткий С-концевой домен способен к взаимодействию с различными партнерными белками и модулированию шапероновой функции Hsp70; АТФ-форма Hsp70 обладает низким сродством к белкам-мишеням и высокой скоростью обмена субстратов, в то время как его AДФ-форма проявляет высокую аффинность к субстратам и демонстрирует низкую скорость их обмена.

Двудоменные кошапероны Hsp40 служат регуляторами АТФ-азной и шапероновой активностей Hsp70. Связывание полипептидных субстратов-мишеней с Hsp70 опосредовано предварительным образованием комплексов мишень–кошаперон с участием С-концевого домена Hsp40. Считается, что от 10 до 20% вновь синтезирующихся белков как в прокариотах, так и в

эукариотах подвергаются правильному фолдингу с участием системы Hsp70–Hsp40–NEF.

Шаперонины (или шапероны Hsp60) – это двухкамерные бочкообразные

структуры, сформированные двумя состыкованными олигомерными кольцами Hsp60, которые способны на своих противоположных

поверхностях попеременно связывать и инкапсулировать белки, подлежащие рефолдингу. При этом шаперонины узнают гидрофобные кластеры белковых мишеней, находящихся в состоянии «расплавленной глобулы»– промежуточной между нативным и развернутым состояниями белка, характеризующимся ослаблением взаимодействий между боковыми группами в аминокислотной цепи. Наиболее изученным является шаперонин GroEL E. coli, функционирующий в комплексе с кошаперонином GroES. Каждая субъединица гептамерного «кольца» GroEL состоит из трех доменов: апикального, содержащего общий центр связывания ненативных белков и кошаперонина, шарнирного промежуточного и С-концевого экваториального, несущего АТФ-азный центр. Экваториальные

домены обеспечивают бóльшую часть межсубъединичных контактов как внутри гептамерного кольца, так и между кольцами шаперона.

 

 

38.. Участие молекулярных шаперонов в регуляторных процессах.