Фолдинг и системы защиты вновь синтезированных полипептидных цепей от деградации
В процессе трансляции растущие полипептидные цепи приобретают высокоспецифическую пространственную структуру, которая формируется полностью после завершения биосинтеза. Процесс сворачивания полипептидной цепи в пространственную структуру получил название фолдинга. В результате фолдинга в водных растворах у водорастворимого полипептида уменьшается свободная энергия, гидрофобные остатки аминокислот упаковываются преимущественно внутрь молекулы, а гидрофильные остатки располагаются на поверхности белковой глобулы.
Правильное сворачивание ( фолдинг ) полипептидных цепей некоторых белков в клетках эукариот обеспечивается специфическими белками, называемыми шаперонами, которые необходимы для эффективного формирования третичной структуры полипептидных цепей других белков, но не входят в состав конечной белковой структуры. Новосинтезированные белки после выхода с рибосом для правильного функционирования должны укладываться в стабильные трехмерные структуры и оставаться такими на протяжении всей функциональной жизни клетки. Поддержание контроля качества структуры белка, как уже говорилось, осуществляется шаперонами, специальными белками, катализирующими укладку полипептидов.
Гидрофобные области образуются и на внешней поверхности молекул белков, формируя полости активных центров и места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и биологическими мембранами. Увеличение гидрофобности поверхности белков снижает их внутриклеточную стабильность, так как множество протеолитических ферментов гидролизуют с большой скоростью пептидные связи, образуемые гидрофобными аминокислотами или находящиеся вблизи от них.
Опасность протеолитической деградации для растущей полипептидной цепи возникает после ее появления на поверхности транслирующей рибосомы. Установлено, что около трети синтезированных полипептидных цепей претерпевает протеолитический распад сразу после завершения их синтеза рибосомами. Большинство вновь синтезированных белков не распадается благодаря образованию комплекса NAC (nascent polypeptide associated complex) , ассоциированного с растущими полипептидными цепями. Имеется группа белков с молекулярными массами 21-33 кДа, которые взаимодействуют как с такой цепью, так и с самой рибосомой, предохраняя растущий полипептид от деградации путем формирования NAC. Когда же гидрофобная сигнальная последовательность синтезируемого белка достигает длины примерно в 70 аминокислотных остатков и покидает NAC, с ней взаимодействует комплекс белков SRP (signal recognition particle) , который не только предохраняет гидрофобную часть растущего полипептида от ранней деградации протеиназами, но и направляет ее к месту назначения - к мембранам эндоплазматического ретикулума.
Растущие полипептидные цепи, у которых отсутствует сигнальная последовательность, покидая NAC, взаимодействуют с обеспечивающей фолдинг системой, в состав которой входят шапероны Hsp70 и Hsp40 . Белки теплового шока (Hsp - heat shock protein) , образуя комплекс с растущей полипептидной цепью, предотвращают их неспецифическую агрегацию и деградацию под действием внутриклеточных протеиназ, способствуя их правильному фолдингу, происходящему с участием других шаперонов. Hsp70 принимает участие в ATP-зависимом разворачивании полипептидных цепей, делая неполярные участки полипептидных цепей доступными действию протеолитических ферментов.
Сигнальные последовательности аминокислотных остатков обеспечивают направленную доставку вновь синтезированных белков к внутриклеточным органеллам и микрокомпартментам. Они оказывают влияние на характер фолдинга, посттрансляционные модификации и метаболическую стабильность. Существуют пять биохимических процессов с участием вновь синтезируемых белков, контролируемых сигнальными последовательностями аминокислотных остатков: транслокация белка через плоскость мембраны; внутриклеточный перенос белка без пересечения плоскости мембраны; химические модификации белка без гидролиза пептидных связей; расщепление некоторых пептидных связей в белке; конформационные и иные пространственные изменения белков, включая фолдинг и олигомеризацию полипептидных цепей.
Время существования внутриклеточных белков может различаться на несколько порядков. Структурные и конститутивно экспрессирующиеся белки обычно обладают большой продолжительностью жизни, регуляторные белки, как правило, быстро распадаются. Протеолитический гидролиз регуляторных белков, который может точно регулироваться, позволяет эукариотической клетке быстро переключаться с одной функциональной программы на другую.
Большинство внутриклеточных белков заканчивают существование в результате протеолитического гидролиза, превращаясь в небольшие пептиды и свободные аминокислоты, которые утилизируются в синтезе новых белков.
Многие протеолитические ферменты используют в качестве субстратов индивидуальные белки. Имеется множество протеиназ широкой субстратной специфичности, чья неразборчивость в субстратах компенсируется их строгой компартментализацией. Они локализованы в лизосомах и вакуолях, где гидролизуют любые белки после их попадания в эти органеллы. Такая компартментализация протеолитических ферментов является жизненно важным условием существования клетки. Система протеолитической деградации внутриклеточных белков с участием протеасом и убиквитина отличается от вышеописанных систем тем, что, обладая широкой субстратной специфичностью, она безопасна для окружающих белков и реагирует на регуляторные воздействия.
