Часть 3 (1129751), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Таким образом, этот комплекс отличается от других тем, что одновременно пронизывает две мембраны.Комплекс TOM необходим для импорта всех кодируемых ядром митохондриальных белков. Сначала он транспортирует их сигнальные последовательностив межмембранное пространство и помогает вставить трансмембранные белки вовнешнюю мембрану. β-бочонковые белки, которых особенно много во внешней мембране, затем переходят на дополнительный транслокатор, комплекс SAM (Sortingand Assembly Machinery — аппарат сортировки и сборки), который способствуетих правильному сворачиванию в мембране.
Комплекс TIM23 транспортирует некоторые растворимые белки в матрикс и способствует встраиванию трансмембранных белков во внутреннюю мембрану. Комплекс TIM22 опосредует встраивание1218Часть IV. Внутренняя организация клеткиподкласса белков внутренней мембраны, включая транспортер, переносящий ADP,ATP и фосфат. Еще один транслокатор внутренней митохондриальной мембраны,комплекс OXA (Oxidase Assembly — сборка оксидазы), опосредует встраиваниебелков внутренней мембраны, синтезирующихся в самой митохондрии.
Он такжеспособствует встраиванию некоторых импортированных белков внутренней мембраны, которые сначала транспортировали в матрикс другие комплексы.Со стороны матрикса комплекс TIM23 связан с белковым комплексом, содержащим митохондриальный Hsp70, служащий АТPазой импорта и использующийгидролиз АТP для протаскивания белков через пору.12.3.2. Митохондриальные белки-предшественники импортируютсяв форме развернутых полипептидных цепейПочти все, что нам известно о молекулярном механизме импорта белковв митохондрии, мы узнали благодаря анализу бесклеточных систем транспорта,в которых очищенные митохондрии в пробирке импортировали радиоактивно меченые белки-предшественники.
Изменяя условия в пробирке, можно установитьбиохимические условия процесса импорта.Митохондриальные белки-предшественники не сворачиваются в нативнуюструктуру после синтеза; благодаря взаимодействиям с другими белками они остаются в цитозоле в несвернутой конформации. Некоторые из этих взаимодействующихбелков представляют собой белки-шапероны семейства Hsp70 (см. главу 6), другиеже специфичны к митохондриальным белкам-предшественникам и напрямую связываются с их сигнальными последовательностями. Все взаимодействующие белкипредотвращают спонтанные агрегацию или фолдинг белков-предшественников после их связывания с комплексом TOM внешней мембраны митохондрий.
Первыйэтап процесса импорта cостоит в связывании рецепторами импорта комплекса TOMсигнальной последовательности митохондриального белка-предшественника. Затемвзаимодействующие белки отделяются, и развернутая полипептидная цепь проходит сигнальной последовательностью вперед в транслокационный канал.В принципе, белок может попасть в матрикс митохондрии либо одновременнопройдя через обе мембраны, либо пересекая их по очереди.
Определить, как именноэто происходит, можно путем охлаждения бесклеточной системы митохондриального импорта, останавливая белки на промежуточном этапе процесса транслокации.В результате остановленные белки не будут содержать N-концевую сигнальнуюпоследовательность, и, следовательно, N-конец должен находиться в матриксе, гдерасположена сигнальная пептидаза, но основная часть белка все еще может бытьатакована за пределами митохондрии искусственно введенными в систему протеолитическими ферментами (рис. 12.24).
Очевидно, белки-предшественники способныодновременно проходить через обе мембраны митохондрии и входить в матрикс(рис. 12.25). Предполагают, что комплекс TOM сначала транспортирует сигнальнуюпоследовательность через внешнюю мембрану в межмембранное пространство, гдеона связывается с комплексом TIM, открывая его канал. Полипептидная цепь затемлибо входит в матрикс, либо встраивается во внутреннюю мембрану.Несмотря на то что комплексы TOM и TIM обычно работают совместнопри одновременном переносе белков-предшественников через обе мембраны, онимогут работать и независимо друг от друга. Например, в изолированных внешнихмембранах комплекс TOM способен транслоцировать сигнальную последователь-Глава 12.
Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1219Рис. 12.24. В процессе транслокации в матрикс белки одновременно пронизывают внутреннююи внешнюю мембрану митохондрии. Когда изолированные митохондрии инкубируют с белкомпредшественником при 5° C, белок лишь частично транслоцируется через митохондриальные мембраны.N-концевая сигнальная последовательность (красная) отрезается в матриксе; но большая часть полипептидной цепи остается за пределами митохондрии, где она доступна искусственно добавленным в системупротеолитическим ферментам.
При повышении температуры до 25° C транслокация завершается. Внутримитохондрии полипептидная цепь защищена от протеолитических ферментов. В качестве контроля добавляют детергенты, разрушающие митохондриальные мембраны. При этом импортированные белкибыстро перевариваются при обработке протеолитическими ферментами.Рис. 12.25. Импорт белков в митохондрии. N-концевую сигнальную последовательность митохондриального белка-предшественника узнают рецепторы комплекса TOM. Затем белок транслоцируется черезкомплекс TIM23 таким образом, чтобы в какой-то момент он одновременно пересекал обе мембраны.Сигнальная последовательность в матриксе отщепляется сигнальной пептидазой, и образуется зрелыйбелок. Затем свободная сигнальная последовательность быстро деградирует (не показано).ность белков-предшественников через мембрану. Точно так же, если внешнююмембрану изолированных митохондрий искусственно нарушить, комплекс TIM23способен эффективно импортировать белки в матрикс.1220Часть IV. Внутренняя организация клетки12.3.3. Гидролиз ATP и мембранный потенциал — движущая силаимпорта белков в матриксНаправленный транспорт требует затраты энергии, которая в большинствебиологических систем получается путем гидролиза АТP.
Гидролиз АТP — движущая сила импорта митохондриальных белков в двух разных сайтах. Один из нихрасположен снаружи от митохондрии, другой — в матриксе (рис. 12.26). Помимоэтого, импорт белков требует другого источника энергии — мембранного потенциалачерез внутреннюю мембрану митохондрии.Первый раз энергия необходима на начальном этапе процесса транслокации,когда несвернутый белок-предшественник, связанный с шаперонами, взаимодействует с рецепторами импорта комплекса TOM. Как обсуждается в главе 6,для связывания и высвобождения новосинтезированных полипептидов от шаперонов семейства Hsp70 требуется гидролиз ATP. Необходимость присутствия Hsp70и ATP в цитозоле можно обойти, если к очищенным митохондриям добавить искусственно развернутый белок.После того как сигнальная последовательность прошла через комплекс TOMи связалась с комплексом TIM, дальнейшая транслокация через канал TIM требуетмембранного потенциала, который представляет собой электрический компонентэлектрохимического градиента H+ через внутреннюю мембрану (см.
рис. 11.4).Откачивание H+ из матрикса в межмембранное пространство, опосредуемое транспортными процессами во внутренней мембране (обсуждаемыми в главе 14), поддерживает электрохимический градиент. Энергия электрохимического градиентаH+ через внутреннюю мембрану не только способствует синтезу почти всего ATPклетки, но и является движущей силой транслокации через комплексы TIM положительно заряженных сигнальных последовательностей путем электрофореза.Митохондриальный Hsp70 также играет ключевую роль в процессе импорта.Митохондрии, несущие мутантные формы белка, не способны импортировать белкипредшественники. Hsp70 является частью мультисубъединичного белкового комплекса,связанного с матричной частью комплекса TIM23 и служащего мотором, протягивающим белок-предшественник в матрикс.
Как и его цитоплазматический родственник,Рис. 12.26. Роль энергии в импорте в матрикс митохондрий. (1) Связанный цитоплазматический Hsp70отделяется от белка в процессе, зависящем от гидролиза АТP. После вхождения сигнальной последовательности и соседних участков полипептидной цепи в комплекс TOM сигнальная последовательностьвзаимодействует с комплексом TIM. (2) Затем сигнальная последовательность транслоцируется в матриксв процессе, требующем наличия мембранного потенциала на внутренней мембране. (3) Митохондриальный Hsp70, являющийся частью важного АТPазного комплекса, связывается с полипептидной цепьюпо мере ее прохождения в матрикс и протаскивает ее через транслокационный канал.Глава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1221митохондриальный Hsp70 обладает высоким сродством к несвернутым полипептиднымцепям и крепко связывается с импортированным белком, как только тот выходитиз транслокатора TIM в матрикс.
Затем Hsp70 высвобождает белок в АТP-зависимомпроцессе. Предполагают, что этот энергозатратный цикл связывания и последующеговысвобождения служит конечной движущей силой, необходимой для завершенияимпорта белка после его вхождения в комплекс TIM23 (см. рис. 12.26).После взаимодействия с митохондриальным Hsp70 многие импортированныебелки матрикса переходят на другой белок-шаперон, митохондриальный Hsp60.Как показано в главе 6, Hsp60 способствует фолдингу несвернутой полипептиднойцепи через серию последовательных циклов связывания и высвобождения, сопровождаемых гидролизом АТP.12.3.4. Бактерии и митохондрии используют сходные механизмывстраивания поринов в свои внешние мембраныВнешняя мембрана митохондрий, как и внешняя мембрана грамотрицательных бактерий (см.
рис. 11.18), содержит большое число порообразующих белков,носящих название поринов. Это позволяет им быть проницаемыми для неорганических ионов и метаболитов (но не для большинства белков). Порины — это белки со структурой β-бочонка (см. рис. 10.26), и сначала они импортируются черезкомплекс TOM (рис. 12.27). Комплекс TOM не способен интегрировать пориныв липидный бислой, в отличие от других белков внешней мембраны, заякоренныхв ней α-спиральными участками. Вместо этого, порины сначала транспортируютсяв межмембранное пространство, где они временно связываются со специализированными шаперонами, не позволяющими им агрегировать. Затем они связываются с комплексом SAM во внешней мембране, который встраивает их в мембрануи способствует их правильному сворачиванию.Одна из центральных субъединиц комплекса SAM гомологична белку внешней мембраны бактерий, который способствует встраиванию β-бочоночных белковиз периплазматического пространства (топологически эквивалентного межмембранному пространству митохондрий) во внешнюю мембрану.
Этот консервативныйпуть встраивания β-бочоночных белков вновь подтверждает эндосимбиотическоепроисхождение митохондрий.Рис. 12.27. Интеграция поринов во внешнюю мембрану митохондрий. После транслокации черезкомплекс TOM β-бочоночные белки связываются в межмембранном пространстве с шаперонами. Затемкомплекс SAM встраивает несвернутую полипептидную цепь во внешнюю мембрану.1222Часть IV. Внутренняя организация клетки12.3.5. Транспорт во внутреннюю мембрану и межмембранноепространство митохондрий протекает по нескольким путямМеханизм, посредством которого белки транспортируются в матрикс черезтранслокаторы TOM и TIM23 (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
