СЪДБА НА БЕЛТЪЦИТЕ СЛЕД ТРАНСЛАЦИЯТА – РАЗПРЕДЕЛЯНЕ ПО КОМПАРТМЕНТИ И НАГЪВАНЕ
Този и следващите раздели ще разглеждат съдбата на вече синтезираните белтъчни молекули. Обсъждането ще се отнася предимно за еукариотната клетка. Само на места ще споменаваме прокариотите.
1. Разпределяне на белтъците в клетъчните компартменти
1.1. Общи принципи
След като се синтезира един белтък, той трябва да се изпрати където е необходим. Дори и в бактериалната клетка има различни възможности – вътрешността на клетката, мембраната й или външната среда. Сложността на еукариотната клетка води до много по-богат избор пред новосинтезирания белтък (вж. схемата).
Възможни пътища на белтъците в еукариотната клетка. Кръговите стрелки означават задържане в същия компартмент. Пътищата, които се поемат спонтанно, са означени с дебели червени стрелки, а тези, които изискват специален сигнал – с тънки. По Alberts et al. (1994) с малки изменения.
В действителност белтъкът няма избор. Съдбата му е записана в самата му първична структура – дали там има сигнален пептид, който да се разпознае от транспортните белтъци. последователностите на някои сигнални пептиди могат да се видят на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.table.2844. Значимата част от пептида обикновено е дълга 5 – 10 аминокиселини.
Най-просто е положението с цитозола. Белтъците му се синтезират върху свободни полирибозоми. Тъй като нямат сигнални последователности за пренасяне на друго място, след синтезата просто остават където са.
Белтъците от цитозола, както и от другите "водни пространства", не съдържат дълги поредици от хидрофобни аминокиселини. Обратно, мембранните белтъци се отличават с последователност от 15-20 хидрофобни остатъка. Този пептид пресича липидния двуслой, така че целият белтък е прикрепен към мембраната (т. нар. закотвяне). Това правило обаче не е абсолютно. Някои водоразтворими белтъци, синтезирани в цитозола, могат да се закотвят в мембраните откъм цитозолната им страна. Това става чрез ковалентно свързване с остатък от висша мастна киселина чрез амидна или тиоестерна връзка. Ензимът, който го осъществява, разпознава съответен сигнален пептид.
Когато белтъкът трябва да се пренесе в друг компартмент, това може да стане по три начина, наречени съответно портален, трансмембранен и везикулен транспорт. По-долу ще споменем в кои случаи кой механизъм се използва. Обобщена схема може да се види на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.2841.
1.2. Ядро
Белтъците, които трябва да постъпят в ядрото, също се синтезират в цитозола. Всъщност вътрешността на ядрото е топологично равностойна на цитозола. Ядрената обвивка е пронизана от многобройни пори. Те представляват водни канали, образувани чрез сливане на външната и вътрешната ядрена мембрана. За нагледност ядрените пори могат да се оприличат на илици в двоен слой плат. Всяка пора се поддържа от белтъци, които образуват цилиндрична структура, наречена ядрен поров комплекс (за схеми и снимки вж. например http://www.jbc.org/cgi/content/full/276/20/16593?maxtoshow=&HITS=10&hits=10&RESULTFORMAT=1&author1=rout&author2=aitchison&searchid=1055946139013_4746&stored_search=&FIRSTINDEX=0&flag=&sortspec=relevance&fdate=5/1/2000&tdate=6/30/2002).
Правени са опити, при които в цитозола се вкарват белязани молекули и се следи кога те ще се появят в ядрото. Така е установено, че водният канал на пората има ефективен диаметър 9 nm. Нискомолекулните вещества преминават през него свободно, дифузията на по-малките белтъци е забавена, а белтъците с маса около и над 60 000, които не принадлежат към ядрото, изобщо не могат да проникнат.
Тези белтъци, които са предназначени за ядрото, обаче постъпват там независимо от масата си. С други думи, пората за разлика от илика подбира какво ще мине през отвора. Това става чрез рецептори, които разпознават големите ядрени белтъци и карат пората да се "разтегне", за да ги пропусне. Разпознава се къса сигнална последователност, разположена където и да е в полипептидната верига. Понеже краткотрайното разширяване на пората напомня отваряне на врата, този вид пренос на белтъци се нарича портален транспорт.
Долната фигура показва имунофлуоресценция за т. нар. Т-антиген на вируса SV40. Този белтък с маса 90 kD участва в репликацията на вируса и нормално се открива в ядрото . Мутация, която подменя една аминокиселина, нарушава внасянето в ядрото и белтъкът остава в цитоплазмата.
Имунофлуоресценция за Т-антигена на вируса SV40. Рисунките се основават на микроскопските снимки на Kalderon et al. (1984). Над тях е дадена сигналната последователност. А. Нормалният сигнален пептид осигурява ядрена локализация на белтъка. Б. След замяна на един лизин с треонин (означен с жълто) белтъкът се открива в цитоплазмата.
При делене нуклеоплазмата и цитозолът се смесват. В края на митозата новата ядрена обвивка загражда хромозомите плътно, оставяйки повечето ядрени белтъци отвън. После те постепенно се "придърпват" в ядрото.
Има механизми и за активно изнасяне от ядрото в цитоплазмата. С тяхна помощ рибозомните субединици с диаметър около 15 nm успяват да излязат през порите с основен диаметър 9 nm.
1.3. Митохондрии и пероксизоми
Преносът в ядрото, строго погледнато, не е пренос през мембрана, защото минаващите през порите вещества заобикалят ядрените мембрани. Действително прехвърляне на белтъци през мембрани, наречено трансмембранен транспорт, има в митохондриите, пероксизомите и зърнестата ендоплазмена мрежа.
Почти всички белтъци на митохондриите се кодират от ядрото и се синтезират в цитозола. На азотния си край носят сравнително дълъг (20 – 80 аминокиселини) сигнален пептид. Външната митохондриална мембрана носи рецептор, който разпознава пептида. После белтъци, наречени транслокатори, го прекарват разгънат през двете мембрани, които на места са сближени. Там транслокаторите образуват канал, през който се провира белтъкът. Схема на внасянето може да се види на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.2875.
В матрикса специфична протеаза, наречена сигнална пептидаза, отрязва сигналния пептид. Изобщо често след транспорт през мембрана сигналният пептид се отстранява. (При ядрените белтъци това би било неуместно, защото те се помпат в ядрото наново след всяка митоза). Ако белтъкът трябва да попадне във вътрешната митохондриална мембрана или между двете мембрани, той се насочва натам от допълнителни сигнални пептиди.
В цитозола се синтезират и всички белтъци на пероксизомите. Те се насочват и доставят до местоназначението си подобно на митохондриалните белтъци с тази разлика, че се прехвърлят през само една мембрана.
Освен белтъци от цитозола постъпват и другите съставки на пероксизомата, например липиди. Така при нужда тя може буквално да расте и след достигане на определена големина да се раздели на две нови. Схема на процеса е дадена на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?tool=bookshelf&call=bv.View..ShowSection&searchterm=peroxisomes&rid=cell.figgrp.2890.
Някога се е смятало, че органелите могат да се образуват чрез делене само ако разполагат със собствена ДНК и изобщо с известна “автономност”. Пероксизомите обаче растат и се делят, без да притежават никаква ДНК. Всъщност и при митохондриите и хлоропластите, които имат собствен геном, растежът и деленето не се определят от него. Образуването (биогенезата) на всеки тип органели се подчинява на нуждите на цялата клетка и се контролира от ядрото.
1.4. Ендоплазмена мрежа
Преминаваме към разглеждане на ендоплазмената мрежа, апарата на Голджи и неговите продукти – лизозоми, секреторни мехурчета. Това са мембранни органели, които са свързани помежду си, с клетъчната мембрана и с външната среда, макар че връзката е еднопосочна – те образуват "път за износ" от клетката. С цитозола обаче нямат връзка и белтъците им никога не могат да се открият в цитозола.
Последното изречение изглежда странно, доколкото рибозомите са именно в цитозола. В случая обаче белтъците се прехвърлят в каналчетата на ендоплазмената мрежа още докато се синтезират – котранслационен пренос. Всички белтъци, предназначени за ендоплазмената мрежа или някой от следващите компартменти, имат на N-края си съответна сигнална последователност, включваща най-вече хидрофобни аминокиселини. Синтезата на тези белтъци започва по обичайния начин. Но тъй като N-краят се синтезира пръв, доста скоро сигналният пептид се подава от рибозомата.
В цитозола плува рибонуклеопротеин, способен да се свързва специфично с този сигнален пептид. Нарича се сигнал-разпознаваща частица, съкратено SRP (от англ. signal-recognition particle). Сигнал-разпознаващата частица се присъединява към щръкналата сигнална последователност. Това временно спира транслацията.
В мембраната на зърнестата ендоплазмена мрежа "с лице" към цитозола е разположен рецептор за сигнал-разпознаващата частица. Комплексът рибозома-SRP го намира и SRP се свързва с него. Транслацията се възобновява.
Удължаващата се полипептидна верига образува примка, защото азотният край известно време се удържа на място. До рецептора за SRP има мембранни белтъци-транслокатори. Те подхващат сигналния пептид и го вкарват в мембраната, образувайки каналче около него. Сигнал-разпознаващата частица напуска и се връща в цитозола. Рибозомата остава върху мембраната до края на белтъчната синтеза.
Котранслационен пренос на белтъци в зърнестата ендоплазмена мрежа. Сигналната пептидаза е означена с ножица. Опростено и с изменения по Stirling (2001).
Понеже е хидрофобен, сигналният пептид остава в мембраната на ендоплазмената мрежа. Най-често сигнална пептидаза го отрязва и така освобождава останалата част от белтъка, както е показано на горната схема. Някои мембранни белтъци обаче запазват сигналната си последователност (дълга 15-20 аминокиселини) и тя им служи за закотвяне.
Някои белтъци съдържат повече хидрофобни блокове. Веригата им, нагъвайки се, пронизва липидната мембрана няколко пъти. Това може да се познае дори само от първичната структура, като се преброят групите от по 15-20 хидрофобни аминокиселини.
В лумена на ендоплазмената мрежа почти всички белтъци се гликозилират. Това става, като към амидната група на аспарагинов остатък се добави еднотипна олигозахаридна верига от ензим – гликозил-трансфераза. Схема на реакцията е дадена на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.2925. По-късно олигозахаридът леко се "подстригва" – някои монозахаридни остатъци се откъсват от ензими, наречени гликозидази.
1.5. Апарат на Голджи
За белтъците в ендоплазмената мрежа естественият път е да продължат към апарата на Голджи. Тези, които трябва да останат в самата ендоплазмена мрежа и да функционират там, се задържат чрез специални механизми, на които няма да се спираме.
Всички останали белтъци скоро се оказват в гладка част от ендоплазмената мрежа, по чиято мембрана няма рибозоми. Тук непрекъснатостта на мембраната на ендоплазмената мрежа се нарушава. Отделя се мехурче, което носи белтъците. То достига цистерна на апарата на Голджи и се долепя до нея благодарение на взаимно разпознаване на белтъци от двете мембрани. Следва сливане на мехурчето с цистерната. Последователността от пъпкуване, долепяне и сливане се нарича везикулен транспорт. Тъй като апаратът на Голджи (за разлика от ендоплазмената мрежа) е съвкупност от отделни компартменти, белтъците го прекосяват чрез везикулен транспорт.
Основното, което става в апарата на Голджи, е модификация на добавените към белтъка олигозахариди – отстраняване на някои захарни остатъци и добавяне на други. Освен това някои белтъци се подлагат на частично разграждане.
Докато в ендоплазмената мрежа гликозилирането е доста неизбирателно, в апарата на Голджи различните белтъци се обработват по различен начин. Ензимите (гликозидази и гликозилтрансферази), се ръководят от сигнали в първичната, а понякога и в третичната структура на белтъка. Веднъж приготвени, самите олигозахаридни групи стават сигнали за по-нататъшното насочване на белтъка. От апарата на Голджи белтъците могат да поемат по няколко различни пътя (показани на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.3203) и е важно да не се обърка кое закъде е.
Някои белтъци се отделят в малки мехурчета, които бързо и гладко достигат клетъчната мембрана и се сливат с нея. Процесът се нарича конститутивна секреция.
Други белтъци се трупат в секреторни мехурчета, които не се сливат с клетъчната мембрана автоматично, а изискват допълнителен сигнал – регулируема секреция. Тези мехурчета са покрити с белтъка клатрин. Той покрива и други мехурчета, чийто транспорт изисква регулация (например при ендоцитоза).
Трета група белтъци поемат към към лизозомите. Разтворимите лизозомни ензими още в първите цистерни на апарата на Голджи се модифицират така, че да носят манозо-6-фосфат като отличителен белег. Отделят се в мехурчета, които по луминалната си повърхност носят рецептор за манозо-6-фосфат, а отвън са покрити с клатрин. Малко манозофосфатен рецептор има и по клетъчната мембрана, за да прибира евентуално ”избягали” навън лизозомни ензими.
Рецесивен ензимен дефект води до т. нар. I-клетъчна болест. При нея лизозомните ензими са лишени от манозо-6-фосфат и не се разпознават от манозофосфатния рецептор. Не можейки да отидат в лизозомите, те се секретират навън по конститутивния път. Същевременно всичко, което би трябвало да се смели в лизозомите, се трупа и задръства клетката като големи включения (inclusions), дали и името на болестта.
Най-накрая, белтъците от самия апарат на Голджи трябва да устоят на мощния поток, стремящ се да ги отнесе оттам (също като белтъците от ендоплазмената мрежа).
Насочването на белтъците по компартменти изисква енергия и участие на цитоскелета, което за простота беше премълчано.
Щом веднъж са разпределени правилно, белтъците могат да се погрижат за липидния състав на мембраните и да напълнят всеки компартмент точно с нужните разтворими вещества. Така сложният строеж на еукариотната клетка може да се възпроизвежда неограничено чрез ”растеж” и ”делене” на мембранните органели. Така се възпроизвеждат митохондриите, хлоропластите, ендоплазмената мрежа, апаратът на Голджи и пероксизомите. Тези органели обаче не могат да се създадат наново, ако не е запазена поне част от тях. Мембраните на клетката с тяхното взаимно разположение, вградени рецептори и транспортни белтъци носят епигенетична информация, която не може да се изведе от генетичната. Отдавна се знае, че клетките след обработка с детергент или механично хомогенизиране никога не се събират наново.
2. Нагъване на белтъците
2.1. Нативно състояние и денатурация
Обикновено се приема, че ДНК кодира информация за всичките структури на белтъка и той, веднъж синтезиран, сам ще се нагъне както трябва.
Макар и в основата си вярно, това твърдение е твърде опростено и обобщено. Наистина белтъците се нагъват според първичната си структура. Дори вече е възможно да се моделира доста успешно пространствената структура на полипептида, ако е известна аминокиселинната му последователност. Но не винаги белтъкът може да приеме и запази нативната си форма без никаква чужда помощ.
Популярното разбиране донякъде се основава на историческите изследвания върху панкреатичната РНаза А. Този сравнително малък ензим е след първите подробно изучени белтъци. След нагряване е способен да ренатурира. Синтезиран химично, той се е нагънал правилно и е проявил каталитична активност. Всъщност и редица други РНази ренатурират лесно. Затова е неимоверно трудно да се изолира цяла РНК: освен че са вездесъщи, РНазите не се унищожават изцяло дори от гореща пара, тъй като след изваждане от автоклава отчасти ренатурират. Повечето белтъци обаче са много по-крехки. Който изолира белтъци и държи на нативността им, знае, че трябва да работи бързо и на ледена баня.
Нативната структура на белтъка е най-стабилна, най-бедна на свободна енергия, т.е. най-изгодна термодинамично. Не винаги обаче е най-изгодна и кинетично. Казано по-просто, белтъкът оценява нативната структура като най-добрата, след като я налучка, но не винаги му е лесно да я налучка.
Нативното състояние се намира най-лесно по време на синтезата. Естественият отбор просто е нагласил гените така, че продуктите им да се нагъват постепенно, започвайки от N-края, както излизат от рибозомата. И все пак се случва някои по-дълги и по-сложни полипептиди да сбъркат. Веднъж приел някаква пространствена структура, белтъкът е затруднен да намери нативната, защото трябва да преодолее енергетична бариера.
Ако белтъкът се денатурира, след като е изцяло синтезиран, той често не може да ренатурира спонтанно. Това важи и за редица белтъци, които в хода на синтезата си се нагъват без проблеми. Работата е там, че изграждащият се полипептид се нагъва без своята задна част, а в цялостната молекула задният (С-) край е налице и може да попречи на предния да ренатурира.
Особено тежко става положението при нагряване. При висока температура молекулите разполагат с толкова енергия, че стават склонни да приемат форма, по-нестабилна от нативната. В резултат за единица време се денатурират много повече молекули, отколкото при обичайната температура. Нативният белтък носи на повърхността си полярни и заредени аминокиселинни остатъци, а неполярните, ако не изграждат трансмембранен домен, са скрити във вътрешността на молекулата. При денатурацията веригата се поразгъва и хидрофобните аминокиселини излизат на повърхността. Ако се денатурират много молекули едновременно (както се получава при нагряване), оголените им неполярни участъци се свързват чрез хидрофобни взаимодействия. Получават се големи агрегати, с които е трудно да се направи каквото и да било.
Дори и нагряването да се прекрати, вече денатурираните белтъци няма да се оправят. На хладно предимствата на нативното състояние личат, но пък енергетичните бариери са твърде високи.
2.2. Шаперони
Ако получен от нас белтъчен препарат се денатурира, остава ни само да го изхвърлим. Клетката обаче първо опитва нещо друго. Тя е снабдена с белтъци, които при допир с другите полипептиди им помагат да се нагънат правилно. Тези белтъци се наричат шаперони (фр. chaperon – възрастна дама, която придружава девойка за благоприличие). Действат, като свалят енергетичната бариера на прехода от една конформация в друга. По това приличат на катализаторите, но въртенето на атоми около прости връзки не се брои за химична реакция. Впрочем шапероните използват за дейността си енергия на АТФ и следователно са истински ензими (АТФ-ази). Схема на действието на шапероните може да се види на http://www.ncbi.nlm.nih.gov:80/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell.figgrp.896.
Логичен е въпросът как шапероните разбират, че белтъкът е денатуриран. Използва се описаната по-горе структурна разлика между нативните и денатурираните молекули. Шапероните разпознават повърхностните хидрофобни пептиди на денатурираните белтъци
Повечето шаперони, макар и не всички, се означават с Hsp и число (например Hsp 60, Hsp 70). Числото дава масата на шаперона в килодалтони. Hsp е съкращение от англ. heat shock protein – белтък на топлинния шок. При нагряване на живи клетки до 40-43 градуса за няколко часа в тях се появява характерен набор белтъци, получили името белтъци на топлинния шок. Ако лизат от такива клетки се подложи на електрофореза в гел, белтъците на топлинния шок се виждат като набор ивици, липсващи при нетретираните клетки. Такъв гел е показан например на долната снимка.
SDS-електрофореза на белтъци от царевица: 1 – от прорастъци, държани при 28 градуса, 2 – от прорастъци, стояли 1 час при 42.5 градуса, вдясно – маркери за молекулна маса. Ивиците, означени с триъгълни стрелки, са белтъци на топлинния шок. От Dai et al. (1996) с любезното им разрешение.
По-нататъшните изследвания изясняват, че: (1) Белтъците на топлинния шок се появяват и при други крайни условия, понякога дори при охлаждане. Затова днес често се използва по-общият и по-къс термин стресови белтъци. (2) Повечето белтъци на топлинния шок се синтезират и при идеални условия, но в много по-малко количество. (3) Белтъците на топлинния шок са еволюционно консервативни; бозайниковите показват антигенна прилика с растителните и дори с бактериалните. (4) Много белтъци на топлинния шок (но не всичките) са шаперони.
Гените за белтъците на топлинния шок се активират групово от общ белтък-регулатор. При бактериите това е специален сигма-фактор (sigma32). Еукариотите използват т. нар. топлинношоков транскрипционен фактор. Нормално той е неактивен мономер. При нагряване агрегира до тримери с помощта на оголените си хидрофобни части, разгъва се и едва тогава придобива сродство към ДНК. С други думи, този белтък се активира по механизмите на денатурацията. Макар и тример, топлинношоковият транскрипционен фактор използва мотива спирала-завой-спирала.
Шапероните присъстват във всички по-обемисти компартменти на клетката. Транспортът на белтъци в ендоплазмената мрежа и митохондриите включва разгъване, преминаване през мембраната и нагъване от другата страна. За това е необходима помощта на шаперони. В ендоплазмената мрежа зле нагънатите белтъци се задържат от шапероните и не се пускат в апарата на Голджи, докато не се оправят.
В някои случаи мекото действие на шапероните не е достатъчно и са нужни т. нар. нагъващи ензими. Например пептидил-пролил цис-транс-изомеразата променя конфигурацията на ”скованите” пептидни връзки, образувани от пролина, докато дисулфидизомеразата размества дисулфидните връзки. Последният ензим функционира в ендоплазмената мрежа, защото там има място за дисулфидни мостове. В цитозола обстановката е толкова редукционна, че сулфхидрилните групи на цистеина остават във вида -SH и не се окисляват до -S–S-.
Ако въпреки всички усилия белтъкът не ренатурира, той се набелязва за унищожаване, както ще видим в следващия раздел.
2.3. Приони и прионни болести
За съжаление способността на клетката да се справя с погрешно нагънати белтъци не е безгранична. Това се илюстрира от група болести, при които загиват голям брой мозъчни клетки, така че тъканта става гъбеста от получените дупки. Съответно болестите са наречени спонгиформни енцефалопатии (в превод ”гъбоподобни болести на мозъка”). Развиват се бавно и неизменно завършват със смърт поради загуба на познавателните и двигателните способности на мозъка. Понякога са свързани с даден генотип, в други случаи са спорадични, т.е. появяват се неочаквано без видима причина. Възможно е обаче и да се предадат на здрав бозайник чрез поразени тъкани на болен. Тъканите-носители могат да се добавят в храната, но предаването чрез инжектиране е по-ефективно.
Първата забелязана спонгиформна енцефалопатия засяга овцете и се нарича скрейпи (англ. scrapе – чеша се). Името идва от навика на болните овце да се трият в някаква опора, за да се задържат изправени, когато болестта ги обезсили. Скрейпи е склонна да се проявява в определени генетично предразположени породи и стада, но естественият й път на предаване не е много ясен. По-късно подобна болест, наречена куру (от ”треперя”), е открита сред жителите на Нова Гвинея. И тук се развива мускулна слабост, водеща до смърт около 9 месеца след появата на симптомите. Предаването на куру се основава на погребалните обичаи на коренните жители, включващи ядене на мозъка на починалия от близките му в знак на скръб. Освен куру при човека са известни още три спонгиформни енцефалопатии, така че за жалост отказът от канибализъм не решава изцяло въпроса. Най-честа от тях е болестта на Кройцфелд-Якоб. Тя се изразява с деменция, настъпваща след 40-годишна възраст. Обикновено е спорадична, но в около 10% от случаите е наследствена и се унаследява автозомно-доминантно. Самата медицина за жалост осигурява доказателствата, че болестта на Кройцфелд-Якоб може да бъде и заразна. Известни са десетки случаи на хора, разболели се след присаждане на дура матер или лечение с растежен хормон. Днес растежният хормон вече не се получава от трупни хипофизи, а по генноинженерен път.
Интензивното отглеждане на добитъка в последно време е включвало обогатяване на храната му на белтък и калций чрез добавяне на брашно от месо и кости. При крави, хранени по този начин, през 1986 е описана нова приомна болест – говежда спонгиформна енцефалопатия, по-известна като болест "луда крава". В Британия тя достига мащабите на епидемия. Доколкото при крави не е наблюдавана ”спонтанна” болест от този тип, най-вероятно тя се дължи на присъствие на тъкани от овце със скрейпи в белтъчната добавка. В областите с говежда спонгиформна енцефалопатия са регистрирани отделни случаи на атипична болест на Кройцфелд-Якоб. Тя засяга млади хора, често работили във ферми, кланици или фабрики за месни продукти. (Дотогава млади хора са развивали болестта на Кройцфелд-Якоб само след лечение с растежен хормон.)
Вече е забранено в храната на тревопасни домашни животни да се добавят тъкани от бозайници в какъвто и да е вид. (Хищниците, които са приспособени да ядат именно това, са по-устойчиви, макар че има десетки случаи на "луди котки" след хранене с мозък и вътрешности от болни крави.) Забранено е също за храна на хора да се използват тъканите, способни да предадат болестта – нервна и лимфоидна.
Търсенето на причинителя на спонгиформните енцефалопатии дава неочаквани резултати. Той минава през филтър като вирусите, но за разлика от тях издържа на обработка, увреждаща нуклеиновите киселини. Инактивира се само от фактори, действащи върху белтъците. Така се стига до хипотезата, че причинителят е чист белтък, и му се дава името прион (съкр. англ. proteinaceous infectious particle – белтъчна инфекциозна частица).
Инфекциозната фракция от болните тъкани наистина се оказва обогатена на определен белтък. Той е наречен прионен белтък и означен с PrP (съкр. от англ. prion protein). Засега функцията му не е изяснена, но той се открива нормално в мозъка и редица други тъкани. Тази негова нормална форма се означава с PrPС. От мозъка на болните животни обаче може да се изолира друга форма, означавана с PrPSc. Колкото даден белтъчен препарат е по-богат на PrPSc, толкова по-ефективно разболява здрави животни.
Изследването на PrPSc и PrPС установява разлики между тях само в конформацията им. Нормалният PrPС има високо съдържание на алфа-спирали и ниско – на бета-слоеве. В патологичната форма PrPSc алфа-спиралите са намалели, а голяма част от молекулата е включена в бета-слоеве.
Можем да смятаме PrPSc за денатуриран белтък, доколкото той най-вероятно е загубил функцията си (каквато и да е тя). За сметка на това PrPSc е придобил нова способност: да превръща нормалната форма PrPС в нови молекули PrPSc! Дори и в клетката да има само една молекула PrPSc, тя ще се ”размножи” автокаталитично, тъй като никой не се сеща да спре транскрипцията на гена за PrP.
Подобно на обикновените денатурирани белтъци PrPSc почти не се разтваря във вода и образува агрегати. Именно такъв агрегат представлява инфекциозната частица прион. Шапероните за жалост или не могат да разпознаят променената конформация, или не успяват да я превърнат обратно в PrPС. Агрегатът расте все повече за сметка на автокаталитичното превръщане на PrPС в PrPSc. Когато се уголеми твърде много, клетката загива, а той се оказва в допир с други клетки, в които може да продължи дейността си. Клетъчните мембрани, изглежда, не са сериозни препятствия за прионите.
Прионите могат да се самозародят в организма било поради неизяснени случайни фактори, било по генетични причини – има алели на гена за PrP, чиито продукти са твърде склонни да се превръщат в PrPSc. Другата възможност е прионите да проникнат в организма отвън. За целта PrPSc трябва да премине през стената на храносмилателния или дихателния път или през плацентата. За щастие това става рядко – и трите прегради не са нагодени да пропускат цели белтъци. Но ако все пак проникне, PrPSc може да започне разрушителната автокаталитична каскада в новия си гостоприемник, независимо дали той е наследствено предразположен или не. Засега не е известен никакъв фактор, способен да спре или забави процеса, след като той вече е започнал.
Прионите са изключителни като причинители
на заразни болести, тъй като са лишени не само от нуклеинова киселина,
а и от ”индивидуалност”. Не можем да посочим никого, който да има интерес
от цялата работа.
Основни източници
Alberts B., D. Bray, J. Lewis, M. Raff, K. Roberts, J.D. Watson. Molecular Biology of the Cell. 3rd Edition. Garland Publishing Inc., New York, London, 1994. [Online] http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowSection&rid=cell
Rout M.P., Aitchison J.D. (2001). The nuclear pore complex as a transport machine. J. Biol. Chem., Vol. 276: 16593-16596. [Online] http://www.jbc.org/cgi/content/full/276/20/16593?maxtoshow=&HITS=10&hits=10&RESULTFORMAT=1&author1=rout&author2=aitchison&searchid=1055946139013_4746&stored_search=&FIRSTINDEX=0&flag=&sortspec=relevance&fdate=5/1/2000&tdate=6/30/2002
Stirling C.J. (2001). Protein targeting to the endoplasmic reticulum. [Online] http://www.biomed2.man.ac.uk/stirling/protein_targeting_to_the_endopla.htm
Dai H., Y.-S. Lo, Y.-H. Lin, M. Ruddat, K.-S. Chiang (1996). In vitro polysome translation analysis of heat shock proteins in higher plants. Bot. Bull. Acad. Sin. 37: 261-264. [Online] http://ejournal.sinica.edu.tw/bbas/content/1996/4/bot374-05.html
Horwich A.L., J.S. Weissman (1997). Deadly conformation – protein misfolding in prion disease. Cell 89: 499-510.
Prusiner S.B. (1997). Prion diseases and the BSE crisis. Science 278: 245-251.
URL http://www.mayamarkov.com/biology/10Posttran1/10Posttran1.htm
Публикувано 2003
Copyright © Майя Маркова