Часть 3 (1129751), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Дефосфорилирование открывает сигнал ядерногоимпорта и блокирует сигнал ядерного экспорта. Затем комплекс NF-AT и кальциневрина импортируетсяв ядро, где он активирует транскрипцию многочисленных генов, необходимых для активации Т-клеток.Ответ прекращается, когда снижается уровень Ca2+, что ведет к высвобождению NF-AT от кальциневрина.Повторное фосфорилирование NF-AT инактивирует сигнал ядерного импорта и вновь делает доступнымсигнал ядерного экспорта, и NF-AT возвращается в цитозоль. Некоторые из наиболее эффективных лекарств для подавления иммунитета, включая циклоспорин А и FK506, ингибируют способность кальциневрина дефосфорилировать NF-AT и, следовательно, блокируют накопление NF-AT в ядре и активациюТ-клеток.золя, и ядерные белки, не связанные с мембранами или хромосомами, полностьюсмешиваются с белками цитозоля (рис. 12.20).Позднее в митозе ядерная оболочка собирается заново на поверхности хромосом.
В дополнение к ее важной роли в ядерном транспорте, Ran-GTPаза такжевыполняет функции маркера локализации хроматина, когда ядерные и цитоплазматические компоненты перемешиваются. Поскольку Ran-GEF остается связаннойс хроматином при разрушении ядерной оболочки, молекулы Ran вблизи хроматинав основном находятся в GTP-связывающей конформации. И наоборот, молекулыRan вдали от хроматина с большой вероятностью встретят Ran-GAP, распределенную по цитозолю; таким образом, эти молекулы Ran в основном находятсяв GDP-связывающей конформации.Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1213Рис. 12.19. Ядерная пластинка. Электронная микрофотография участка ядерной пластинки ооцита Xenopus,подготовленной методами лиофилизации и напыленияметалла.
Пластинка образована регулярной сетью специализированных промежуточных филаментов. (С любезного разрешения Ueli Aebi.)Хроматин в митотических клетках окружен облаком Ran-GTP. Это облако локально удаляет рецепторы ядерного транспортас белков NPC, с чего начинается процесссборки NPC, прикрепленных к поверхностихромосом. Одновременно белки внутренней ядерной мембраны и дефосфорилированные ламины вновь связываются с хроматином.
Мембраны ЭР оборачиваютсявокруг групп хромосом и продолжают сливаться до тех пор, пока не сформируютзамкнутую ядерную оболочку. Во время этого процесса NPC начинают активноимпортировать белки, несущие сигналы ядерной локализации. Поскольку ядернаяоболочка сначала располагается вблизи поверхности хромосом, заново сформированное ядро не несет других белков, кроме тех, которые были связаны с митотическими хромосомами или были селективно транспортированы через NPC. Такимобразом, все крупные белки остаются за пределами нового ядра.Сигналы ядерной локализации не отщепляются после транспорта в ядро.По-видимому, это объясняется тем, что ядерные белки должны импортироватьсяпо многу раз после каждого клеточного деления. С другой стороны, как толькобелковая молекула была импортирована в любую другую мембранную органеллу,она передается из поколения в поколение в пределах этого компартмента, и в ееповторном перемещении нет необходимости; сигнальная последовательность этихмолекул зачастую удаляется после их переноса в пункт назначения.Как мы обсудим в главе 17, облако Ran-GTP, окружающее хроматин, такжеиграет важную роль в формировании веретена деления митотической клетки.Как показано, ядерная оболочка сначала восстанавливается вокруг отдельныхдеконденсирующихся хроматид.
По мере протекания деконденсации эти структурысливаются и образуют единое ядро.ЗаключениеЯдерная оболочка состоит из внутренней и внешней ядерных мембран.Внешняя мембрана переходит в мембрану ЭР, и пространство между нейи нутренней мембраной сообщается с люменом ЭР. Молекулы РНК, синтезируемые в ядре, и рибосомальные субъединицы, собирающиеся там же, экспортируются в цитозоль; с другой стороны, все белки, функционирующие в ядре,синтезируются в цитозоле и затем импортируются в ядро. Интенсивныйпоток веществ между ядром и цитозолем происходит через ядерные поровыекомплексы (NPC), создающие прямой проход через ядерную оболочку. Малыемолекулы пассивно диффундируют через NPC, но крупные молекулы должныбыть транспортированы активно.Белки, несущие сигналы ядерной локализации, активно транспортируютсявнутрь через NPC, тогда как молекулы РНК и рибосомальные субъединицы1214Часть IV.
Внутренняя организация клеткиРис. 12.20. Разрушение и восстановление ядерной оболочки во время митоза. Считается, что фосфорилирование ламинов запускает разрушение ядерной пластинки, что способствует распаду ядернойоболочки. Дефосфорилирование ламинов, по-видимому, направляет этот процесс в обратную сторону.Аналогичный цикл фосфорилирования-дефосфорилирования происходит с некоторыми поринамии белками внутренней ядерной мембраны, и некоторые из этих процессов дефосфорилирования такжеучаствуют в показанном на рисунке процессе восстановления.содержат сигналы ядерного экспорта, направляющие активный транспортчерез NPC наружу.
Некоторые белки, включая рецепторы ядерного импортаи экспорта, непрерывно мигрируют между цитозолем и ядром. Ran-GTPаза —движущая сила ядерного транспорта — и определяет его направление. Клеткирегулируют транспорт ядерных белков и молекул РНК через NPC, контролируядоступ этих молекул к транспортному аппарату. Поскольку сигналы ядернойлокализации не удаляются, ядерные белки могут быть повторно импортированы, что необходимо для восстановления ядра после митоза.12.3. Транспорт белков в митохондрии и хлоропластыМитохондрии и хлоропласты представляют собой органеллы, окруженные двойной мембраной (см. главу 14).
Они специализируются на синтезе ATP, используяэнергию электронного транспорта и окислительного фосфорилирования в митохондриях и фотосинтеза в хлоропластах. Несмотря на то что эти органеллы несутсобственные ДНК, рибосомы и другие компоненты, необходимые для белковогоГлава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1215синтеза, большинство их белков кодируются ядром и импортируются из цитозоля.Каждый импортированный белок должен достичь определенного субкомпартментаорганеллы, где он выполняет свои функции.Митохондрии несут два субкомпартмента: внутреннее пространство матриксаи межмембранное пространство. Эти компартменты образованы двумя концентрическими митохондриальными мембранами: внутренней мембраной, окружающей матрикс и образующей множественные выпячивания – кристы, и внешнеймембраной, контактирующей с цитозолем (рис. 12.21, а).
Хлоропласты обладают такими же двумя субкомпартментами, но у них также есть дополнительныйсубкомпартмент — тилакоидное пространство — окруженный тилакоидноймембраной (рис. 12.21, б). Каждый субкомпартмент митохондрий и хлоропластовнесет уникальный набор белков.Новые митохондрии и хлоропласты образуются за счет роста и последующегоделения уже существующих органелл (см. главу 14). Рост, в основном, зависитот импорта белков из цитозоля.
Импортированные белки должны быть транспортированы через несколько последовательных мембран и оказаться в нужном месте.Процесс движения белков через мембраны часто называют транслокацией белков.В этом разделе объяснено, как она происходит.12.3.1. Транслокация в митохондрии зависит от сигнальных последовательностей и транслокаторов белковБелки, импортируемые в митохондрии, обычно захватываются из цитозолячерез секунды или минуты после их высвобождения рибосомами. Таким образом,в отличие от транслокации белков в ЭР, которую мы опишем позже, митохондриальные белки сначала полностью синтезируются в форме митохондриальныхбелков-предшественников в цитозоле, а затем транспортируются в митохондриипо посттрансляционному механизму.
Одна или несколько сигнальных последовательностей направляют все митохондриальные белки-предшественники в соответствующий субкомпартмент митохондрий. Многие белки, входящие в матриксноеРис. 12.21. Субкомпартменты митохондрий и хлоропластов. В отличие от крист митохондрий (а), тилакоиды хлоропластов не соединены с внутренней мембраной и, следовательно, образуют компартментс отдельным внутренним пространством (см.
рис. 12.3).1216Часть IV. Внутренняя организация клеткипространство, содержат на N-конце сигнальную последовательность, которая послеимпорта быстро удаляется сигнальной пептидазой. Другие, включая все белкивнешней мембраны, многие белки внутренней мембраны и межмембранного пространства, несут внутреннюю сигнальную последовательность, которая не удаляется.Сигнальные последовательности являются необходимым и достаточным условиемимпорта и правильной локализации белков: когда методами генетической инженерии эти сигналы прикрепляют к цитоплазматическим белкам, они направляютсяв соответствующий митохондриальный субкомпартмент.Наиболее изучены сигнальные последовательности, направляющие белкипредшественники в митохондриальный матрикс. Они все образуют амфифильнуюα-спираль, в которой с одной стороны располагается кластер положительно заряженных аминокислот, а с противоположной — кластер гидрофобных аминокислот.Специфические рецепторные белки, инициирующие транслокацию белков, узнаюттакую конфигурацию, а не точную аминокислотную последовательность сигнальнойпоследовательности (рис. 12.22).Рис. 12.22.
Сигнальная последовательность импорта митохондриальных белков. Цитохромоксидаза —это крупный мультибелковый комплекс, расположенный во внутренней митохондриальной мембране, гдеон служит конечным ферментом электрон-транспортной цепи (рассматриваемой в главе 14). а) Первые18 аминокислот предшественника субъединицы IV этого фермента — сигнальная последовательностьего импорта в митохондрию. б) Когда сигнальная последовательность свернута в α-спираль, положительно заряженные аминокислоты (красные) расположены преимущественно на одной ее стороне,а неполярные (желтые) — на другой. Аминокислоты с незаряженными полярными боковыми цепямипоказаны синим.
Сигнальные последовательности, направляющие белки в матрикс, всегда обладаютпотенциалом к формированию таких амфифильных α-спиралей, которые узнают по специфичным рецепторным белкам на поверхности митохондрий. (в) Расшифрованная методом ЯМР структура сигнальнойпоследовательности еще одного фермента матрикса митохондрий алкогольдегидрогеназы, связаннойс рецептором импорта. Амфифильная α-спираль связана своей гидрофобной поверхностью с гидрофобным желобом на рецепторе. (в, адаптировано из Y. Abe et al., Cell 100: 551–560, 2000. С любезногоразрешения издательства Elsevier.)Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1217Мультисубъединичные белковые комплексы, выполняющие функцию транслокаторов белков, опосредуют перенос белков через митохондриальные мембраны. Комплекс TOM (Translocase of the Outer Membrane — транслоказа внешнеймембраны) транспортирует белки через внешнюю мембрану, а два комплекса TIM(Translocase of the Inner Membrane – транслоказа внутренней мембраны) TIM23и TIM22 переносят белки через внутреннюю мембрану (рис. 12.23).
Часть компонентов этих комплексов функционирует в качестве рецепторов митохондриальныхбелков-предшественников, остальные формируют транслокационные каналы.Рис. 12.23. Транслокаторы белков митохондриальных мембран. Комплексы TOM, TIM, SAM и OXAпредставляют собой мультисубъединичные мембранные белки, катализирующие транспорт белковчерез митохондриальные мембраны. Белковые компоненты комплексов TIM22 и TIM23, выстилающиеканал импорта, структурно родственны, что указывает на единое эволюционное происхождение обоихкомплексов TIM. Как показано, один из компонентов комплекса TIM23 несет гидрофобный α-спиральныйучасток, встроенный во внешнюю митохондриальную мембрану.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
