Белки: время жизни и сигналы деградации
Белки имеют сигналы, определяющие время их жизни. Большинство постоянных белков цитозоля существует относительно долго - несколько дней. Другие, однако, деградируют гораздо быстрее - иногда через несколько минут после их синтеза. К таким белкам относятся ферменты, катализирующие "быстрые" стадии метаболизма; скорости синтеза этих ферментов обычно регулируются в соответствии с внешними условиями, чтобы метаболизм был эффективен. Другие короткоживущие белки - это продукты таких клеточных онкогенов, как fos или myc , которые, как полагают, играют важную роль в регуляции роста и деления клетки . Поскольку белки указанных типов непрерывно и быстро разрушаются, их концентрации могут быстро меняться при изменении скорости их синтеза.
Большинство неправильно свернутых, денатурированных и других аномальных белков тоже быстро деградируют в цитозоле. Обычно они распадаются за несколько минут, тогда как нормальные копии этих же белков сохраняются. Аномальные белки возникают в результате ошибок при синтезе, когда в цепь встраивается неправильная аминокислота, или в результате химических повреждений, таких, как окисление боковых цепей аминокислот. Разнообразные мутантные формы обычных белков также распознаются в качестве аномальных. Сейчас становится все более очевидным, что и аномальные белки, и белки, генетически запрограмированные на быструю замену, в конечном счете разрушаются в цитозоле при помощи одного и того же протеолитического механизма.
Белки цитозоля, которые должны быстро разрушаться, несут сигналы деградации , включающие ответственный за их деградацию протеолитический механизм. Один из таких сигналов чрезвычайно прост и представляет собой всего лишь первую аминокислоту в полипептидной цепи. Аминокислоты Met, Ser, Thr, Ala, Val, Cys, Gly, и Pro, когда они находятся на N-конце, являются стабилизирующими, а остальные 12 аминокислот вызывают протеолитическую атаку. Эти дестабилизирующие аминокислоты практически никогда не встречаются на N-конце стабильных белков цитозоля. Однако они часто присутствуют на N-конце белков, переносимых в другие компартменты, например в ЭР. Поскольку цитозольный протеолитический механизм отсутствует в полости ЭР или аппарата Гольджи , такие белки в "своих" компартментах обычно являются долгоживущими. Дестабилизирующая N-концевая аминокислота таких нецитозольных белков может служить в клетке для удаления тех копий, которые направляются ошибочно: молекулы, которые нельзя быстро перенести из цитозоля, быстро разрушаются.
Протеолитический механизм, ответственный за избирательную деградацию белков, сложен и, будучи запущенным, гарантирует полное разрушение белка.
Поскольку у цитозольных белков N-концевая аминокислота определяет, будет ли данный белок разрушаться ATP-зависимой протеазой , важно знать, каким образом этот ключевой аминокислотный остаток присоединяется к белку. Вероятно, у белков, генетически запрограмированных на короткое время жизни, дестабилизирующая аминокислота присоединяется к N-концу сразу после окончания синтеза белка. Все белки исходно синтезируются с метионином на N-конце. Этот метионин, являющийся стабилизирующим остатком, часто удаляется при помощи специфической аминопептидазы вскоре после включения его в белок. Кроме того, аминоацил-тРНК-трансферазы могут добавлять один дестабилизирующий аминокислотный остаток на N-конце белка. Условия протекания этих реакций изучены слабо.
Мишенями для присоединения убикитина и последующей деградации служат в первую очередь денатурированные, неправильно свернутые белки, а также белки, содержащие окисленные или другие аномальные аминокислоты, причем даже в тех случаях, когда на N-конце у них присутствует стабилизирующая аминокислота. Разрушение неправильно свернутых или денатурированных белков может начинаться с распознавания групп гидрофобных аминокислот, которые в нормальнлй молекуле белка расположены внутри глобулы, а в аномальной могут находиться снаружи . За этим, вероятно, следуют реакции расщепления или модификации белка, в результате которых образуется новый дестабилизирующий N-концевой остаток. И наконец, благодаря действию убикитин-зависимого протеолитического механизма, аномальный белок может быть разрушен.
При построении любой гипотетической схемы распознавания денатурированных или неправильно свернутых белков главный вопрос состоит в том, как клетка отличает целые аномальные молекулы от множества растущих на рибосомах полипептидных цепей, которые могут выглядеть как "неправильно" свернутые.
Показано, например, что если к клеткам добавить ингибитор белкового синтеза пуромицин , то незавершенные полипиптиды быстро распадаются в ходе убикин-зависимого протеолиза. Возможно, метаболическая стабильность и долго-, и короткоживущих белков во время их синтеза на рибосомах объясняется тем, что они временно защищены аппаратом трансляции.
Установлено, что N-концевой остаток часто бывает устойчив к гидролизу в процессе повторяющихся реакций, используемых в аминокислотных секвенаторах. Секвенируемые белки обычно ацетилируют по N-концу, который, видимо, становитсмя после этого "заблокированным". Возможно, некоторые белки, модифицированные таким образом, особенно устойчивы к внутриклеточному протеолизу и поэтому являются необычно долгоживущими; к ним относятся многие белки цитоскелета и гистоны , участвующие в укладке ДНК в клеточном ядре. Однако механизм отбора белков, которые должны быть ацетилированы , неизвестен.
