Транспорт белков в митохондрии: введение
Митохондрии - органеллы, присутствующие почти во всех эукариотических клетках. Важнейшая функция митохондрий - синтез АТР, сопряженный с окислительным фосфорилированием. Митохондрия состоит из четырех субкомпартментов: внешней мембраны, проницаемой для небольших (меньше 10 кДа) молекул и ионов; внутренней мембраны, которая непроницаема для большинства ионов и образует регулярные складчатые структуры ( кристы ); межмембранного пространства, расположенного между этими двумя мембранами, и матрикса. В матриксе находятся митохондриальная кольцевая ДНК и компоненты, необходимые для транскрипции и трансляции белков, кодируемых митохондриальным геномом.
Хотя митохондрии имеют свою собственную ДНК и аппарат белкового синтеза, большинство их белков кодируется клеточной ДНК и поступает из цитозоля. Митохондриальный геном кодирует несколько собственных рРНК и тРНК, а также некоторые белки дыхательной цепи и АТР-азы . В зависимости от вида организма белков, кодируемых в митохондриях, может быть от 8 до 16. Как правило, все эти белки высокогидрофобны и локализованы на внутренней мембране митохондрий со стороны матрикса. В целом же рост и функционирование митохондрии невозможны без импорта белков, кодируемых ядерным геномом и синтезированных на цитоплазматических рибосомах (так называемых белков-предшественников, в англоязычной литературе "preproteins" или "precursors"). Каждый поступивший белок должен достичь определенного субкомпартмента, в котором он функционирует. И каждый из этих субкомпартментов содержит отличный от других набор белков. Рост митохондрий возможен за счет импорта цитоплазматических белков, включающего последовательный избирательный перенос белков через одну или две мембраны.
В большинстве случаев энергия направленного движения используется в виде АТФ, однако для переноса белков в митохондрии требуется еще наличие электрохимического градиента на внутренней митохондриальной мембране. Этот градинент образуется в процессе транспорта электронов по мере того, как протоны откачиваются из матрикса в межмембранное пространство.
Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс, обычно поступают из цитозоля в течение одной - двух минут после их отделения от полирибосом. Белки переносятся в матрикс митохондрии через зоны слипания , связывающие внешнюю и внутреннюю мембраны. Для этого переноса требуется гидролиз ATP, а также электрохимический градиент на внутренней мембране.
Транспортируемый белок разворачивается, когда пересекает митохондриальные мембраны. Поскольку в развернутом состоянии и водорастворимые и гидрофобные белки имеют сходную структуру, они могут быть перенесены с помощью общего механизма. Предполагается, что гидролиз ATP обеспечивает энергией разворачивание молекулы белка и что для этой реакции разворачивания необходимы некоторые гены семейства hsp70 .
Белки, импортируемые в митохондриальный матрикс , почти всегда несут на N-конце сигнальный пептид длиной от 20 до 80 аминокислотных остатков. После поступления белка в митохондрию сигнальный пептид быстро удаляется при помощи специфической протеазы ( сигнальной пептидазы ) матрикса и затем, вероятно, деградирует в матриксе до аминокислот. Сигнальный пептид может быть исключительно простым. На втором этапе транспорта белок может переноситься во внутреннюю мембрану. Для этого он должен иметь еще гидрофобный сигнальный пептид; этот пептид открывается после удаления первого сигнала.
Во внешней мембране митохондрий имеется одна необычная стуктура (она напоминает внешнюю мембрану грамоотрицательных бактерий), липидный слой которой содержит большие количества образующего поры белка - порина . По этой причине внешняя мембрана свободно проницаема для неорганическимх ионов и метаболитов и для молекул белков размером меньше 10 кДа. Но для больших по размеру белков внешняя мембрана является барьером и поэтому помогает удержать белки межмембранного пространства от утечки обратно в цитозоль.
Импорт кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии - сложный мультистадийный процесс [ Schatz G., Dobberstein В., 1996 , Neupert W., 1997 , Pfanner N. et al., 1997 , Whelan J., Glazer E., 1997 ]. Наряду с основным направлением импорта белков - в матрикс митохондрий - существуют пути импорта белков в другие митохондриальные субкомпартменты.
В настоящее время существуют две основные теории транслокации предшественников кодируемых ядерным геномом белков в митохондрии: котрансляционная и посттрансляционная .
Смотрите также:
