Раздел 11

СЪДБА НА БЕЛТЪЦИТЕ СЛЕД ТРАНСЛАЦИЯТА – ПОСТТРАНСЛАЦИОННИ МОДИФИКАЦИИ И РАЗГРАЖДАНЕ

1. Посттранслационни ковалентни модификации

Както повечето РНК зреят, така и не всички белтъци се използват във вида, в който слизат от рибозомата. Много белтъци стават функционално годни едва след като претърпят модификации, свързани с разкъсване и образуване на ковалентни връзки. Други модификации са обратими и засягат не само ”новородените” белтъци. Те служат за регулация на белтъчната активност. Тук ще бъдат споменати накратко само някои от най-важните модификации.

1.1. Частична протеолиза

Макар че първата аминокиселина винаги е метионин, не всички белтъци имат на N-края си метионин. Понякога той се откъсва, а понякога се добавя друг остатък.

Такова късане само на една аминокиселина е изключение. Обикновено, ако изобщо от белтъка трябва да се отреже нещо, то е по-голямо. При пренос в друг компартмент често сигналната последователност се изрязва от сигнална пептидаза. Целият продукт на транслацията се нарича пре-белтък.

От редица белтъци се изрязват пептиди, които не са сигнални. Тогава продуктът на транслацията е про-белтък. Някои белтъци са и пре-, и про-, например инсулинът се синтезира като препроинсулин. Пробелтъци има и между цитозолните полипептиди, и между тези, които се отправят в другите компартменти. Секреторните пробелтъци се подлагат на протеолиза в последните цистерни на апарата на Голджи.

Общо за пре- и пробелтъците е, че не са годни за работа и стават активни едва след протеолизата. Ясно е, че пребелтъците трябва да носят сигналния си пептид, за да стигнат където трябва. Веднъж свършил работата си, той може да пречи на функцията на белтъка и тогава трябва да се отстрани. Възниква въпросът защо поне пробелтъците не се синтезират във вида, в който ще се използват.

Някои полипептиди след изрязване на всичките ”висулки” стават съвсем малки. Например невропептидите енкефалини се състоят от 5 аминокиселини. Изглежда, рибозомната синтеза на твърде къси пептиди е неефективна. Затова късите пептиди се синтезират с допълнителни последователности по краищата. Понякога къс и дълъг пептид или няколко къси се кодират от общ ген. (Съответната мРНК е моноцистронна – има един начален кодон.) При транслацията се получава ”полипротеин”, който се нарязва на части от протеази.

Освен това ”излишните” пептиди понякога са нужни за правилното нагъване. От средната част на проинсулина се изрязва т. нар. С-пептид, за да се получат двете вериги на зрелия инсулин. Когато in vitro се синтезират направо двете зрели вериги А и В, само нищожна част от тях успяват да стигнат до нативното състояние. Почти целият получен ”инсулин” е неактивен. Активен инсулин може да се получи in vitro, като се синтезира проинсулин и се обработи с протеаза.

Накрая (но не на последно място) допълнителните пептиди често служат специално за да поддържат белтъка неактивен известно време. Протеолизата настъпва едва когато е необходимо. Например смилателните протеази пепсин и трипсин се секретират като неактивни предшественици (зимогени) – пепсиноген и трипсиноген. Активират се едва в смилателния канал, за да смилат храната, а не самите себе си или нещо скъпо за организма. Също така, ако фибриногенът от самото начало беше фибрин, от него не би имало смисъл. Изобщо каскадните ензимни системи в кръвната плазма, от които най-популярна е веригата на съсирването, се основават на активация чрез ограничена протеолиза при подаден сигнал.

Неотдавна у многоклетъчните животни изненадващо беше открито семейство такива протеази, които действат в цитозола. Наричат се каспази, понеже съдържат цистеин в активния си център и срязват субстрата си до аминокиселината аспартат: caspase – съкр. от англ. cystein-containing aspartate-specific protease. Синтезират се като неактивни предшественици и се активират чрез сразване. При това някои каспази са субстрати на други, образувайки йерархична каскада. Повечето от останалите субстрати на каспазите също се активират при срязването, но някои, обратно, дотогава са били активни, а каспазата ги инактивира. Част от каспазите работят в клетките на имунната система и чрез срязване активират някои белтъци, служещи като сигнали за възпаление. Останалите каспази помагат да се осъществи програмираната клетъчна смърт.

1.2. Гликозилиране

Гликозилирането не е свойствено на цитозолните белтъци. Обратно, секреторните и обърнатите навън мембранни мелтъци в еукариотната клетка с малки изключения са гликозилирани. При еубактериите няма такова гликозилиране. Вероятно примитивната еукариотна клетка, отхвърляйки твърдата стена, я е заменила с мека гликопротеинова защитна обвивка. Тъй като олигозахаридите са обемисти и не особено гъвкави, те пречат на протеазите да се доберат до белтъчната част на гликопротеина и да я повредят. Гликозилирането започва в ендоплазмената мрежа и продължава в апарата на Голджи (вж. предишния раздел).

Защитата от протеази е останала и до днес основна функция на захарните остатъци. Някои от тях имат и други функции: да придават на белтъка хидрофилност; ако включват сиалова киселина – да придават отрицателен заряд; да служат като белег, който да се разпознава от рецептор (например прочутият манозо-6-фосфат на лизозомните ензими). Белтъците, които, без да са антитела или ензими, разпознават специфично моно- или олигозахаридни остатъци, се наричат лектини.

1.3. Присъединяване на остатък от висша мастна киселина

Тази реакция беше спомената в раздела за разпределянето на белтъците по компартменти. Служи за закотвяне в мембраната на цитозолни полипептиди, които не съдържат достатъчно дълга хидрофобна последователност. Понякога белтъкът се откъсва от мастната верига и се връща в разтворимо състояние. Затова тази модификация е по средата между протеолизата и гликозилирането, които са еднократни и окончателни, и типичните обратими модификации.

1.4. Фосфорилиране

Фосфорилирането е най-разпространената и най-важната обратима модификация. Характерно е за цитозола и свързаните с него компартменти. Среща се не само при еукариотите, а и при бактериите. От АТФ се откъсва фосфатен остатък и се присъединява към ОН-група, каквато имат аминокиселините серин, треонин и тирозин. Ензимите, които катализират реакцията, се наричат протеинкинази. Понякога се уточнява дали са серин-, треонин- или тирозинкинази. При нужда друг ензим, (фосфо)протеинфосфатаза, маха фосфатната група.

За все повече белтъци се установява, че съществуват в 2 форми – фосфорилирана и дефосфорилирана, от които само едната е активна. Коя точно, зависи от белтъка. Макар че първичното значение на термина киназа е ”активиращ ензим”, понякога протеинкиназата инактивира, а фосфатазата активира. Такъв е случаят с фактора на инициация eIF2. Ако интерферон сигнализира за вирус в близката околност, разумно е белтъчната синтеза да се спре. Специална протеинкиназа фосфорилира eIF2 и така го прави неактивен.

Засега няма да се дават повече примери (те ще дойдат спонтанно). Според случая промяната във фосфорилираното състояние може да изпрати информация от клетъчната мембрана до ядрото, да направи ензим безразличен към субстрата му или да превърне цитоскелетна структура в обикновен белтъчен разтвор.

1.5. Ацетилиране

Ацетилирането също е обратима модификация. СН3СО- се присъединява към аминогрупа. Ако става дума за свободната аминогрупа на N-края, ацетилирането й прави белтъка устойчив на протеази и съответно дългоживеещ. Такива са някои цитоскелетни белтъци и хистоните.

При хистоните понякога се ацетилират и други аминогрупи, за да се намали положителният им заряд и оттам – сродството им към ДНК. Както знаем, сърцевинните хистони не само опаковат ДНК в ”наниз от мъниста”, а и чрез протегнатите си навън ”опашки” участват в следващите нива на организация на хроматина. Ацетилирането на ”опашките” не променя съществено самите нуклеозоми, но пречи на по-нататъшното им опаковане. Така ацетилираният ДНП-участък остава разгънат във вид на нуклеозомен наниз – точно както е необходимо за презаписването. Не е изненадващо, че в местата на активна транскрипция хистоновите опашки са ацетилирани, а генната репресия се съпровожда с деацетилиране. Както ацетилтрансферазите, така и деацетилазите образуват комплекси с някои транскрипционни регулатори.

2. Разграждане на белтъците

Ще разгледаме накратко протеолизата, но не като страна от храненето, а като естествен завършек на жизнения път на белтъците – дори и на тези, които са живели добре.

Докато за хранителни нужди белтъците се смилат най-вече във фаголизозоми или извън клетката, ненужните и повредените белтъци се разграждат в цитозола. Лизозомите са добри за обработка на цели увредени органели, но не и за изчистване на дефектни молекули една по една. Както можем да си спомним, не е лесно да се изпрати белтък към лизозомата.

Важна роля в протеолизата играе един белтък, наречен убиквитин поради повсеместното си разпространение в еукариотните клетки. Той е много малък – 76 аминокиселини. Има ензими, които прикрепят убиквитинова верига към друг белтък и така го модифицират. Крайната СООН-група на убиквитина се свързва със страничната NН2-група на някой лизин от другия белтък. Получава се много рядък биополимер - разклонен белтък. Реакцията е ензимна и изисква енергия от АТФ. След като се присъедини една убиквитинова молекула, към определен неин лизин се закача втора молекула (убиквитинът се убиквитинира). Това се повтаря още 2-3 пъти и от белтъка увисва цяла разклонена полиубиквитинова "гирлянда". Изграждането на тази полиубиквитинова верига има значението на смъртна присъда: белтъкът се набелязва за разграждане.

Схема на убиквитиниране на белтък (по Jentsch et al., 1990, с изменения).

Така обработените белтъци се разпознават от голям (26S) белтъчен комплекс, наречен протеазома. Негова схема може да се види например на http://www.neuro.wustl.edu/neuromuscular/pathol/ubipath.htm. Тази част от 26S-протеазомата, която носи каталитичната активност, се означава като 20S-протеазома и се открива и при прокариотите, макар че те нямат убиквитин. 20S-комплексът има форма на тунел, широк колкото да пропусне разгънат пептид. Вътре полиубиквитинираният белтък се разгражда до къси пептиди (8-10 аминокиселини), а убиквитинът се освобождава невредим и може да се използва наново. Пептидите бързо се разграждат до аминокиселини от цитозолни екзопептидази. Протеазомата изисква енергия от АТФ явно за постигане на специфичност или за контрол, доколкото самата протеолиза не изисква енергия отвън.

Кои белтъци се подлагат на полиубиквитиниране? Всъщност дори ако белтъците влизаха в протеазомите безразборно, клетката щеше да се обновява и търсеният ефект донякъде би се постигнал. Наистина има известно неспецифично разграждане. При гладуване, инфекция или рак убиквитин-протеазомният път при бозайниците се стимулира хормонално, за да се получат аминокиселини от мускулните белтъци.

Неспецифичното разграждане е привлечено и в служба на имунната защита. От всеки белтък, който се синтезира в цитозола, малка "квота" се нарязва в протеазомите. Не всички пептиди се доразграждат. Специален транспортен белтък пренася част от тях в лумена на ендоплазмената мрежа. Те се настаняват в жлеб върху молекулата на определени мембранни белтъцит. нар. антигени от I клас на главния комплекс за тъканна съвместимост. Полученият агрегат, след като мине през апарата на Голджи, се изкарва на клетъчната повърхност. Цитотоксичните Т-лимфоцити (Т-убийците) наблюдават тази "изложба". На повечето пептиди не обръщат внимание, но ако забележат непознат пептид, остават прилепени към клетката и предизвикват смъртта й. Твърдата мярка е оправдана: клетка, в която се синтезират невиждани дотогава белтъци, трябва да е заразена с вирус. Пространствен модел на белтък от І клас от главния комплекс за тъканна съвместимост без пептид може да се види например на http://www.belmont.edu/Science/Biology/Bio314/chapter+8.htm, а с пептид на http://www.cehs.siu.edu/fix/medmicro/mhc.htm.

Полиубиквитинирането обаче в по-голямата си част е избирателно. На него се подлагат белтъци с къс полуживот, белтъци, отпратени на погрешно място, с дефекти в първичната структура, химично повредени или безнадеждно денатурирани.

Докато повечето белтъци се задържат в цитозола с денонощия, някои категории имат време на полуживот 30 минути или по-малко. Такива са например белтъците, регулиращи клетъчния цикъл, и ензимите, отговорни за ключови (скоростоопределящи) реакции. Късоживеещите белтъци се отличават от дълготрайните по някои особености в структурата, например по своята първа (N-крайна) аминокиселина. 8 от аминокиселините, когато са на първо място, правят белтъка стабилен, а останалите 12 му придават нестабилност. Първоначално, разбира се, всички белтъци започват с метионин, който е стабилизиращ. Често обаче N-краят се модифицира било чрез откъсване на метионина, било чрез прибавяне на друга аминокиселина. Между другото мРНК, които кодират нетрайните белтъци, също са нетрайни. Необходим е къс полуживот и на мРНК, и на самия белтък, за да може бързо да се регулира съдържанието на белтъка в клетката.

Белтъците, които са разпределени в цитозола по погрешка, а би трябвало да са в друг компартмент, също се разграждат бързо. За разпознаването им се използва отново N-крайната аминокиселина. При повечето цитозолни белтъци азотният край, модифициран или не, е стабилен. Някои нетрайни цитозолни белтъци и много белтъци от други компартменти обаче започват с дестабилизираща аминокиселина. Така белтъците, попаднали на неправилно място, бързо се изчистват оттам. "N-крайното правило" действа и при бактериите, макар че там няма убиквитинова система, а и разпределянето на белтъците не е чак толкова сложно.

Останалите белтъци, отпращани за унищожение, се разпознават по подозрителната си пространствена структуранай-вече по изложените на показ хидрофобни участъци. Такива са някои белтъци, продукти на мутантни гени или пострадали от грешки в транскрипцията, зреенето или транслацията. Те се оказват "мъртвородени", защото при сбъркана първична структура рядко се постига приемлива третична.

Дори и белтъкът да е бил наред в началото, той не е вечен. Може случайно да се среже от протеаза или да встъпи в друга нежелана химична реакция. Може и да се денатурира така, че всички усилия на шапероните да бъдат напразни. Тогава следва полиубиквитиниране и отпращане към протеазомите.

Понеже в ендоплазмената мрежа няма протеазоми, нейните негодни полипептиди се връщат в цитозола. Специални канални белтъци ги разпознават и ги прехвърлят през мембраната. Откъм цитозолната й страна има убиквитиниращи ензими, които свързват новодошлите с убиквитин и ги отпращат към протеазомите.

Колко е важна избирателната протеолиза, може да се разбере от провала й с прионния белтък PrPSc. И при други белтъци конформацията влие върху податливостта към протеази, но тук зависимостта е много силна. Докато нормалната форма PrPС се разгражда от протеази като средностатистически белтък, смъртоносната конформация PrPSc е необичайно устойчива. In vitro трябва да се използва ударна доза протеази, за да се постигне някакво разграждане. Не е чудно, че протеазомите не успяват да спасят засегнатата клетка.

При бактериите, където няма убиквитин, увредените полипептиди се разграждат под прекия контрол на стресовите белтъци. Всъщност убиквитинът и полиубиквитиниращите ензими, макар че не винаги се слагат в списъка на белтъците на топлинния шок, по същество са такива: експресията им се усилва с температурата и структурата им е еволюционно консервативна. Тази консервативност показва колко фундаментална е функцията им. Мутациите, които инактивират гените им, са летални. Изобщо протеазомата, макар и не така очевидно важна като рибозомата, е натоварена с обновяването на клетъчния белтъчен състав. Ние сме свикнали да смятаме самообновяването за основно жизнено свойство, но много рядко се запитваме за механизма му.

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
Goldberg A. L. (1995). Functions of the proteasome: the lysis at the end of the tunnel. Science 268: 522-523.
Hershko A. (1991). The ubiquitin pathway for protein degradation. TIBS 16: 265-267.
Jentsch S., W. Seufert, T. Sommer, H.-A. Reins (1990). Ubiquitin-conjugating enzymes: novel regulators of eukaryotic cells. TIBS 15: 195-198.
Salvesen G.S., V.M. Dixit (1997). Caspases: Intracellular signaling by proteolysis. Cell 91: 443-446.
Sommer T., D.H. Wolf (1997). Endoplasmic reticulum degradation: reverse protein flow of no return. FASEB J. 11: 1227-1233.

URL http://www.mayamarkov.com/biology/11Posttran2/11Posttran2.htm

Публикувано 2003
Copyright © Майя Маркова

Предишен раздел
Основна страница
Следващ раздел