Сортування білків

Сигнали сортування — фрагменти інформації, що надають можливість клітинному транспортному механізму правильно направити білок до необхідного компартменту. Цей сигнал може міститися як в пептидній послідовності білка, так і в просторовій структурі згорнутого білка. Ділянка пептидної послідовності, яка містить цю інформацію, називається сигнальним пептидом. Є два типи сигнальних пептидів, попередні сигнальні послідовності і внутрішні сигнальні послідовності. Попередні сигнальні послідовності часто знаходяться на N-термінальному кінці і складаютюся з 6-136 основних і гідрофобних амінокислот. Деякі попередні послідовності, зокрема у випадку більшості білків, призначених до пероксисоми, знаходяться на їхньому C-термінальному кінці. Інші сигнали компонуються з окремих шматків пептидної послідовності. Для функціонування ці компоненти повинні зкомпонуватися разом на поверхні білка в результаті згортання, вони називаються сигнальними фрагментами. Крім того, деякі сигнали створюються в результаті посттрансляційної модифікації, наприклад, глікозилювання.

Перші експерименти з транслокації білків через мембрани були проведені в 1970 році Гюнтером Блобелем, за що він був нагороджений Нобелівську премією з фізіології та медицини 1999 року. Він виявив, що багато білків мають сигнальну послідовність, тобто коротку амінокислотну послідовність на одному кінці, яка функціонує як «поштовий код», та направляє білки до певної органели. Трансляція білка на рибосомі відбувається на цитозолі. Якщо синтезовані білки «належать» іншій органелі, вони можуть бути перенесені до неї за допомогою двох головних шляхів, залежно від білка.

Більшість мітохондріальних білків синтезуються у вигляді своїх попередників у цитозолі, що містять певні пептидні сигнали. Цитозольні шаперони допомогоють цим попередникам зв'язатися із рецепторами на мітохондріальній мембрані. Сигнальна послідовність цих білків розпізнається певними рецепторами і загальними порами імпорту (англ. General Import Pore, GIP), що разом називаються транслоказами зовнішньої мембрани (англ. Translocase of Outer Membrane, TOM). Попередник білка перемішається через ТОМ у вигляді петлі шпильки. Попередник переноситься через міжмембранних простір мітохондрій за допомогою малих білків TIM (які також служить молекулярним шаперонами) до пецептору TIMM23B або TIMM22 (транслоказа внутрішньої мембрани) на поверхні внутрішньої мембрани. У межах матрксу сигнальна послідовність відщеплюється за допомогою білка mtHsp70.

Відомі три рецептори мітохондріальної зовнішньої мембрани: TOMM20, TOMM22 і TOMM70. TOM70 зв'язується з внутрішніми сигнальними послідовностями служить центром приєднання цитозольних шаперонів. TOM20 зв'язується з препослідовностіми, а TOM22 зв'язується як з препослідовностями, так і з внутрішніми сигнальними послідовностями. Ці рецепртори являють собою трансмембранні канали з молекулярною вагою 410 кДа і діаметром пори 21 Å.

Транслоказа препослідовностей 23 (TIM23) локалізується на внутрішній мембрані мітохондрій і зв'язує N-кінець попередника білка. Цей білок також переносить попередники білків через міжмембранний простір. TIMM50 зв'язується з TIM23 на внутрішній мембрані. TIMM44 зв'язується на стороні матриксу і в свою чергу зв'язується з mtHsp70. Транслоказа препослідовностей 23 (TIM23) зв'язується з попередниками білків, призначених для внутрішньої мітохондріальної мембрани.

Сигнали призначення до мітохондріального матриксу багаті на позитивно заряджені і гідроксильні амінокислоти. Для направляння до різних частин мітохондрій білки містять кілька сигналів, що розпізнаються вказаними білками. Білки, призначені до зовнішньої мембрани, міжмембранного простору і внутрішньої мембрани часто мають різні сигнальні послідовність на додаток до матричної сигнальної послідовності.

Попередніки білків, призначених до хлоропластів, містять стромову або тілакоїдну сигнальну послідовності. Більшість попередників білків переміщуються через комплекси Toc і Tic в межах оболонки хлоропласту. Після транслокації до хлоропласту, перша сигнальна послідовнять відщеплюється, і сортування продовжується за допомогою інших сигнальних послідовностей.

Багато білків потрібні одночасно як мітохондріям, так і хлоропластам. Такі комбіновані сигнальні послідовності мають властивості обох типів. Ці послідовності мають високий вміст основних і гідрофобних амінокислот та низький вміст негативно заряджених. Вони мають нижчий вміст аланіну і вищий вміст лейцину і фенілаланіну. Білки подвійного призначення також мають більш гідрофобні сигнальні послідовності, ніж як мітохондріальні, так і хроропластні.

Відомі два види пероксисомних сигнальних послідовностей (англ. Peroxisomal Targeting Signals, PTS), C-термінальний трипептид з послідовністю S/A/C потім K/R/H потім L/A. Найзагальнішим PTS1 є SKL (серин-лізин-лейцин). Більшість білків матриксу пероксисом містять цю сигнальну послідовність. Деякі білки містять PTS2, N-термінальну послідовність R/K потім L/V/I — X5 — H/Q — L/A/F. Існують також білки, що не містять жодного з цих сигналів. Їхній транспорт заснований на так званому механізмі piggy-back: ці білки зв'язуються з білками, що містять PTS1 і переміщаються разом з ними.

Дефекти в транспорті пероксисомних білків приводить до таких генетичних хвороб як синдром Зельвегера, адренолейкодистрофія (ALD) і синдром Рефсума.

Декілька молекул, зв'язуються із спеціальними рецепторами, так званими coated pits, на клітинній мембрані і примушують клітину перемістити їх до клітини за допомогою ендоцитозу, тобто відщеплюючи шматок мембрани разом з ним і переміщаючи їх до ендосоми. Цей механізм використовується для трьох головних цілей: Отримання істотних метаболітів, наприклад ЛНЩ. Отримання деяких гормонів і факторів росту, наприклад, епідермального фактору росту і фактору росту нервових клітин. Отримання білків, які мають бути знищеними, наприклад, антигенів фагоцитами, наприклад, макрофагами. Ендоцитоз за допомогою рецепторів може також бути «зловжитим»: деякі віруси, такі, зокрема, як збудник хвороби лісу Семліки, і деякі токсини, зокрема у збудників холери, дифтерії, сибірки, правця, ботулізму та інших бактерій потрапляють до клітини через цей механізм.

З деякими виключеннями, бактерії не мають мембранних органел в межах клітини, але вони також можуть синтезувати білки, призначені для певних включень, таких як газові везикули і гранули зберігання. Бактерії можуть мати як одну мембрану (Firmicutes, Actinobacteria, зазвичай грам-позитивні), так і дві, простір між ними називається периплазмою (більшість грам-негативних бактерій). Білки можуть, таким чином, призначатися для цитоплазматичної або периплазматичної мембран, цитоплазми або перипоазми, або секретуватися в оточення. Основний механізм сортування білків цитоплазматичної мембрани подібний до еукаріотичного, крім того, бактерії мають системи секреції білків, призначених для зовнішньої мембрани та секреції, часто дуже важливі для патогенезу. Основні системи секреції є системи сектерії I типу, II типу тощо

У грам-позитивних бактерій фермент-сортаза, розщіплює попередник білка біля кінцевої C-кінця, як наприклад, відщеплюючи мотив LPXTG (де X може бути будь-якою амінокислотою), після чого переносить білок до клітинної стінки. Система, аналогічна сортазі/LPXTG, так звана ексортаза/PEP-CTERM, запропонована і в багатьох грам-негативних бактеріях.