Часть 3 (1129751), страница 79
Текст из файла (страница 79)
рис. 12.25), также отвечает за первичнуютранслокацию многих белков, определяемых во внутреннюю митохондриальнуюмембрану или межмембранное пространство. В наиболее распространенном путитранслокации только N-концевая сигнальная последовательность транспортируемого белка входит в матрикс (рис. 12.28, а). Кластер гидрофобных аминокислот, стратегически расположенных в N-концевой сигнальной последовательности,служит последовательностью остановки переноса, запрещающей дальнейшуютранслокацию через внутреннюю мембрану.
Комплекс TOM протягивает остальной белок через внешнюю мембрану в межмембранное пространство, сигнальнаяпоследовательность отщепляется в матриксе, и гидрофобная последовательность,высвобожденная из TIM23, остается заякоренной в мембране.В другом пути транспорта во внутреннюю мембрану или межмембранноепространство комплекс TIM23 сначала транслоцирует весь белок в матрикс(рис. 12.28, б). Сигнальная пептидаза матрикса удаляет N-концевую сигнальнуюпоследовательность, обнажая гидрофобный кластер на новом N-конце. Эта сигнальная последовательность направляет белок в комплекс OXA, который встраиваетбелок во внутреннюю мембрану (см. рис. 12.23). Как упомянуто ранее, комплексOXA в основном встраивает во внутреннюю мембрану белки, кодируемые и транслируемые в митохондриях, и только несколько импортируемых белков идут по этомупути.
Транслокаторы, близко родственные комплексу OXA, обнаружены в плазматической мембране бактерий и тилакоидной мембране хлоропластов, где они,по-видимому, встраивают мембранные белки по подобному механизму.Многие белки, использующие эти пути встраивания во внутреннюю мембрану,остаются заякоренными в ней через гидрофобную сигнальную последовательность(см.
рис. 12.28, а и б). Другие же, однако, высвобождаются в межмембранноепространство протеазой, удаляющей мембранный якорь (см. рис. 12.28, в). Многие из таких расщепленных белков остаются связанными с внешней поверхностьювнутренней мембраны в качестве периферических субъединиц белковых комплексов,содержащих трансмембранные белки.Митохондрии — это принципиальные сайты синтеза АТP в клетке, но онитакже содержат множество метаболических ферментов, участвующих, например,в цикле лимонной кислоты. Таким образом, в дополнение к белкам митохондриидолжны транспортировать через свои мембраны малые метаболиты. Тогда каквовнешней мембране присутствуют порины, делающие ее проницаемой для такихнебольших молекул, во внутренней мембране их нет. Вместо этого, семействометаболит-специфичных транспортеров переносит большое число малых молекулчерез внутреннюю мембрану.
В клетках дрожжей эти транспортеры составляют семейство из 35 различных белков, из которых больше всего переносчиков АТP, АDPи фосфата. Эти многопроходные трансмембранные белки не несут отщепляемыхсигнальных последовательностей на N-конце, но содержат внутренние сигнальныепоследовательности. Они проходят через комплекс TOM во внешней мембране,и межмембранные шапероны направляют их в комплекс TIM22, который встраивает их во внутреннюю мембрану в процессе, требующем мембранного потенциала,но не митохондриального Hsp70 или АТP (рис. 12.28, г). Энергетически выгодноеГлава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1223Рис. 12.28. Импорт белков из цитозоля во внутреннюю мембрану и межмембранное пространствомитохондрий.
(а) N-концевая сигнальная последовательность (красная) инициирует импорт в матрикс(см. рис. 12.25). Гидрофобная последовательность (оранжевая), следующая за сигналом транспортав митохондрию, связывается с комплексом TIM23 во внутренней мембране и останавливает транслокацию. Оставшаяся часть белка протаскивается в межмембранное пространство через транслокатор TOMво внешней мембране, а гидрофобная последовательность высвобождается во внутренней. (б) Во второмпути встраивания белков во внутреннюю мембрану белок сначала полностью доставляется в матриксноепространство. Отщепление сигнальной последовательности (красная), используемое для начальнойтранслокации, открывает соседнюю гидрофобную сигнальную последовательность (оранжевая) на новомN-конце.
Затем этот сигнал направляет белок во внутреннюю мембрану по тому же OXA-зависимомупути, который встраивает белки, кодируемые митохондриальным геномом и транслируемые в матриксе.(в) Некоторые растворимые белки межмембранного пространства также используют пути, показанныена (а) и (б), до тех пор, пока они не высвобождаются второй сигнальной пептидазой, активный сайткоторой располагается в межмембранном пространстве и которая удаляет гидрофобную сигнальнуюпоследовательность. (г) Транспортеры метаболитов содержат внутренние сигнальные последовательности и проходят через комплекс TOM в форме петли. Затем в межмембранном пространстве онисвязываются с шаперонами, направляющими их в комплекс TIM22.
Комплекс TIM22 специализируетсяна встраивании многопроходных белков внутренней мембраны.встраивание гидрофобных трансмембранных участков во внутреннюю мембранутакже, вероятно, является движущей силой этого процесса.12.3.6. Две сигнальные последовательности направляют белкив тилакоидную мембрану хлоропластовТранспорт белков в хлоропластах похож на транспорт в митохондриях. Обапроцесса происходят посттрансляционно, через разные транслокационные комплексы в каждой мембране, требуют затрат энергии и используют амфифильныеN-концевые последовательности, удаляемые в конце. Однако, за исключением не-1224Часть IV.
Внутренняя организация клеткискольких молекул шаперонов, белковые компоненты, образующие транслокационныекомплексы, отличаются. Более того, когда митохондрии используют в качестведвижущей силы транспорта электрохимический градиент H+ через внутреннююмембрану, хлоропласты, которые обладают электрохимическим градиентом H+через тилакоидную мембрану, используют гидролиз АТP и GTP для обеспеченияэнергией транспорта через их двойную мембрану.
Таким образом, функциональноесходство должно быть следствием конвергентной эволюции, отражающей общиетребования для транслокации через двойную мембрану.Несмотря на то что сигнальные последовательности импорта в хлоропластынемного напоминают последовательности импорта в митохондрии, одни и те жерастительные клетки несут одновременно обе органеллы, поэтому белки должныраспределяться между ними правильным образом. Например, в растениях бактериальный фермент может быть направлен в митохондрию, если к нему присоединить N-концевую сигнальную последовательность митохондриального белка; тотже самый белок, объединенный с N-концевой сигнальной последовательностьюбелка хлоропластов, окажется в хлоропласте. Таким образом, рецепторы импортана каждой органелле распознают различные сигнальные последовательности.Хлоропласты обладают дополнительным замкнутым мембранным компартментом — тилакоидом. Многие хлоропластные белки, включая белковые субъединицы фотосинтетической системы и АТP-синтазы (см.
главу 14), расположеныв мембране тилакоидов. Как и предшественники некоторых митохондриальныхбелков, транспорт этих белков-предшественников из цитозоля в их конечный пунктназначения происходит в два этапа. Сначала они проходят через двойную мембранув матрикс (который в хлоропластах называется стромой) в специальных сайтахконтакта и затем транслоцируются либо в тилакоидную мембрану, либо в тилакоидное пространство (рис. 12.29, а). Предшественники этих белков несут послеN-концевой последовательности импорта в хлоропласт гидрофобную сигнальнуюпоследовательность импорта в тилакоид. После того как N-концевая последовательность была использована для импорта белка в строму, стромальная сигнальнаяпептидаза удаляет ее и делает доступной сигнальную последовательность тилакоида, инициирующую транспорт через мембрану тилакоида.
Существует по крайнеймере четыре пути прохождения через тилакоидную мембрану и встраивания в нее,отличающихся друг от друга по участвующим в процессе шаперонам и источникамэнергии (рис. 12.29, б).ЗаключениеНесмотря на то что митохондрии и хлоропласты обладают собственнымигенетическими системами, они синтезируют лишь малую часть своих белков.Эти органеллы импортируют большую часть своих белков из цитозоля, используя сходные механизмы. В обоих случаях белки в несвернутом состоянииодновременно транспортируются через внешнюю и внутреннюю мембраныв матрикс или строму. Движущей силой транслокации в митохондриях служатгидролиз ATP и мембранный потенциал, в хлоропластах — гидролиз либо ATP,либо GTP. Белки-шапероны семейства цитоплазматических Hsp70 поддерживают несвернутое состояние белков-предшественников, а второй набор белковHsp70 в матриксе или строме затаскивают полипептидную цепь в органеллу.Транслоцируются только белки, несущие специфическую сигнальную последовательность.
Сигнальная последовательность может располагаться на N-концеГлава 12. Внутриклеточные компартменты и сортировка белка 1225Рис. 12.29. Транслокация хлоропластных белков-предшественников в тилакоидное пространство. (а) Белокпредшественник несет N-концевую сигнальную последовательность импорта в хлоропласт (красная), за которой следует сигнальная последовательность тилакоида (оранжевая).
Хлоропластная сигнальная последовательность инициирует транслокацию в строму через сайт контакта на мембране посредством механизма,сходного с механизмом транслокации белков-предшественников в матрикс митохондрий. Затем сигнальнаяпоследовательность отщепляется, и открывается тилакоидная сигнальная последовательность, запускающаятранспорт через тилакоидную мембрану. (б) Транслокация в тилакоидное пространство или тилакоиднуюмембрану может происходить по крайней мере четырьмя способами: (1) Sec-зависимый путь, в которомиспользуются компоненты, гомологичные белкам Sec, опосредующим транслокацию белков через плазматическую мембрану бактерий (обсуждается позднее); (2) SPR-подобный путь, носящий такое название потому,что в нем используется хлоропластный гомолог сигнал-узнающей частицы — SRP (обсуждается позднее);(3) путь TAT (транслокация двойными аргининами), носящий такое название потому, что в сигнальных последовательностях, направляющих белки в этом пути, ключевую роль играют два аргинина; этот путь зависитот градиента H+ через тилакоидную мембрану; и (4) путь самопроизвольного встраивания, для которого,по-видимому, не требуется никаких транслокаторов.1226Часть IV.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
