Sekwencje sygnałowe białek budowa i funkcje

Import białek do organelli jest zapewniony przez różne mechanizmy

Synteza wszystkich białek w komórce rozpoczyna się na rybosomach w cytozolu, w tym również rybosomach związanych z ER. Wyjątek stanowią nieliczne białka mitochondrialne i chloroplastowe, które są syntetyzowane na rybosomach wewnątrz tych organelli; jed­nak większość białek mitochondriów i chloroplastów jest tworzona w cytozolu i następnie importowana. Los cząsteczki białka syntetyzowanej w cytozolu zależy od jego sekwencji aminokwasowej, mogącej zawierać sygnał sortujący, kierujący białko do określonej organelli, w której jest ono po­trzebne. Białka, które takiego sygnału nie mają, pozostają stale w cytozo­lu. Różne sygnały sortujące kierują białka do jądra, mitochondriów, chloroplastów, peroksysomów i do ER.

Głównym problemem dla organelli błonowej importującej białko z cy­tozolu lub innej organelli jest przeprowadzenie białka przez błony, które są normalnie nieprzepuszczalne dla hydrofilowych makrocząste­czek. Uzyskuje się to drogami różnymi dla różnych organelli, przy czym wszystkie one wymagają nakładu energii.

1.        Białka przechodzące z cytozolu do jądra są transportowane przez pory jądrowe, przenikające wewnętrzną i zewnętrzną błonę jądro­wą. Pory działają jak selektywne bramki, które aktywnie transportu­ją specyficzne makrocząsteczki, ale zarazem umożliwiają swobodną dyfuzję mniejszych cząsteczek.

2.        Białka przechodzące z cytozolu do wnętrza ER, mitochondriów, chloroplastów lub peroksysomów są transportowane poprzez błonę organelli przez translokazy bialek mieszczące się w błonie. Odmiennie niż przy przej­ściu przez pory jądrowe, cząsteczka transportowanego białka musi się najpierw rozfałdować, aby „prześliznąć się" przez błonę. Bakterie mają w swej błonie komórkowej podobne translokazy białek.

3.    Białka przemieszczające się od ER dalej oraz z jednego przedziału systemu błon wewnętrznych do przedziału drugiego są transporto­wane przez pęcherzyki transportujące, zawierające białek pochodzących z wewnętrznej przestrzeni, przedziału wyjściowego (np. ER), gdy odpączkowują od jego błony. Następnie pęcherzyki wprowadzają ten ładunek do drugiego przedziału, gdy ich błona ulega fuzji z błoną tego przedziału. W procesie tym  przekazy­wane są również błonowe lipidy i białka.

 

Sekwencje sygnałowe kierują białka do właściwego przedziału

Typowy sygnał sortujący w białku jest ciągłym odcinkiem sekwencji amino­kwasów, zazwyczaj o długości 15-60 aminokwasów. Ta sekwencja sygna­łowa jest często (ale nie zawsze) usuwana z dojrzałego białka, gdy tylko spełniła swą funkcję sortującą. Sekwencje sygnałowe są zarazem niezbędne i wystarczające do skierowania białka do poszczególnej organelli. Sekwencje sygnałowe kierujące do tego samego przedziału mogą się między sobą bardzo różnić, chociaż mają tę samą funkcję.

Sekwencja sygnałowa peptydu - to swego rodzaju "adres" dla danego peptydu, który informuje o tym, gdzie ma znaleźć się dane białko w komórce.

Wyróżnia się sekwencje sygnałowe dwóch rodzajów:

• aminokwasowa - o charakterystycznym układzie dla danego celu, od kilku do kilkudziesięciu aminokwasów; niektórzy postulują, iż od konkretnego układu aminokwasów istotniejszy jest charakter ciągu aminokwasowego (na przykład: blok aminokwasów o resztach apolarnych)

• struktura białka - drugo-, trzecio- i czwartorzędowa; kształt danego białka po sfałdowaniu;

sekwencja sygnałowa jest warunkiem niezbędnym i wystarczającym do skierowania białka do konkretnego przedziału.

Także system niszczenia białek krótko żyjących oparty o znakowanie ubikwityną opiera się o sekwencję sygnałową (8-10 aminokwasów) nazywaną destruction box.

Ponieważ synteza większości białek zachodzi na wolnych rybosomach w cytozolu, a błony wewnątrzkomórkowe stanowią selektywnie przepuszczalne bariery; komórka wykształciła mechanizmy dzięki którym białkowe molekuły mogą dotrzeć do światła organelli aby tam spełniać swoje funkcje.

Wyróżnić można 3 główne ścieżki  importu białek do organelli:

1. Transport z udziałem opłaszczonych pęcherzyków z siateczki śródplazmatycznej do aparatu Golgiego, endosomów, lizosomów oraz z jednego przedziału systemu błon wewnętrznych do przedziału drugiego

2. Transport do mitochondriów i  ER poprzez zamieszczony w błonie zespół białek kanałowych tworzących translokon

3. Transport jądrowo – cytoplazmatyczny przez pory jądrowe oraz ulokowane w nich jądrowe kompleksy porowe 

 

Wewnątrzkomórkowy transport może zachodzić dopiero po zakończeniu syntezy całego białka. Dzieje się tak podczas translokacji cząsteczek do jądra komórkowego lub mitochondrium, a translokację taką nazywamy potranslacyjną, w przeciwieństwie do transportu kotranslacyjnego, rozpoczynającego się jeszcze w trakcie wydłużania się łańcucha polipeptydowego. Tego typu przemieszczanie charakterystyczne jest dla białek kierowanych do siateczki śródplazmatycznej.

Istotną rolę w wewnątrzkomórkowym transporcie białek pełnia zamieszczone w strukturze białka sekwencje sygnałowe. Są to molekularne adresy będące ciągiem aminokwasów, najczęściej kilkunastu lub kilkudziesięciu, na tyle swoiste, iż zapewniają dostarczenie białka tam gdzie jest jego miejsce. Poszczególne peptydy sygnałowe różnią się wieloma cechami np. rodzajem aminokwasów oraz lokalizacją wewnątrz łańcucha polipetydowego.

Przykładowe sekwencje sygnałowe przedstawia poniższa tabela

 

FUNKCJA SYGNAŁU	SEKWENCJA SYGNAŁOWA
Import do jądra komórkowego	...-Pro-Pro-Lys-Lys-Lys-Arg-Lys-Val-...
Import do mitochondrium	^+H3N-Met-Leu-Ser-Leu-Arg-Gln-Ser-Ile-Arg-Phe-Phe-Lys-Pro-Ala-Thr-Arg-Thr-Leu-Cys-Ser-Ser-Arg-Tyr-Leu-Leu...
Import do ER	^+H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu-Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln-..
Import do peroksysomów	...-Ser-Lys-Leu-...

 
 

Ruch białek wewnątrz komórki odgrywa istotną rolę w jej funkcjonowaniu, ponieważ wpływa na  aktywność, wzrost  i różnicowanie, a więc także na stan tkanek i całego organizmu.

Sygnały start i stop wyznaczają ustawienie białka transbłonowego w dwuwarstwie lipidowej

Nie wszystkie białka wnikające do ER są uwalniane do jego światła (wnętrza); nie­które z nich pozostają zakotwiczone w błonie ER jako białka transbłonowe. Proces translokacji tych białek jest bardziej skomplikowany niż w przypadku białek rozpuszczalnych, ponieważ pewne części łańcucha polipeptydowego muszą być przeprowadzone na drugą stronę dwuwarstwy lipidowej, a inne nie.

W najprostszym przypadku, jakim jest białko transbłonowe o pojedyn­czym segmencie transbłonowym, sekwencja sygnałowa przy końcu N za­początkowuje translokację tak jak przy białkach rozpuszczalnych. Jed­nakże proces przenoszenia zostaje zatrzymany przez dodatkową sekwen­cję hydrofobowych aminokwasów — sekwencję stop-transfer znajdującą się na dalszym odcinku łańcucha polipeptydowego. Ta druga sekwencja zostaje przez przemieszczenie boczne (w płaszczyźnie błony) uwolniona z kanału translokacyjnego do dwuwarstwy lipidowej, gdzie tworzy  α-helisę zakotwiczającą białko w błonie. Równocześnie sekwencja sygnałowa przy końcu N zostaje również przesunięta z kanału do dwuwarstwy lipido­wej i odcięta. W wyniku tego przemieszczane białko staje się białkiem transbłonowym o określonej orientacji — koniec N jest po stronie wnętrza ER, a koniec C po cytozolowej stronie dwuwarstwy lipidowej. Białko transbłonowe raz wprowadzone do błony nie może zmienić swojej orientacji, która zostaje zachowana podczas wszelkich dalszych procesów powstawania i fuzji pęcherzyków.

W pewnych białkach transbłonowych do rozpoczęcia translokacji przez błonę używana jest sekwencja umieszczona na wewnętrznych, a nie końco­wych odcinkach łańcucha polipeptydowego; sekwencja taka nie jest później usuwana. Taki system występuje w tych białkach transbłonowych, których łańcuch polipeptydowy przechodzi przez dwuwarstwę lipidową wielokrot­nie np. białka kanałów wapniowych, receptorów np. acetylocholiny czy rodopsyny.

Wniknięcie do ER jest zazwyczaj pierwszym etapem wędrówki białka do innego miejsca przeznaczenia, którym, przynajmniej początkowo, jest apa­rat Golgiego. Transport z ER do aparatu Golgiego i z aparatu Golgiego do innych przedziałów systemu błon wewnętrznych przebiega przez ciągłe pączkowanie i fuzję pęcherzyków transportujących. Drogi transportu prowadzonego przez pęcherzyki transportujące sięgają, albo od ER do błony komórkowej, albo od błony komórkowej do lizosomów. W czasie gdy białka i lipidy są trans­portowane wzdłuż tych dróg na zewnątrz, wiele z nich ulega różnego typu modyfikacjom chemicznym, takim jak dodanie bocznych łańcuchów cukrowcowych (zarówno do białek, jak i lipidów) i powstawanie wiązań dwusiarczkowych stabilizujących strukturę białek.