29.30. Сигнальные последовательности позволяют секреторным белкам проходить через мембрану эндоплазматического ретикулума
Исследования белоксинтезирующей активности рибосом в бесклеточных системах дали ответ на первый вопрос. Выделяли свободные рибосомы из цитозоля и добавляли их к препарату мембран шероховатого ЭР, с которых были удалены рибосомы. Эта реконструированная система в присутствии соответствующих мРНК и других растворимых факторов активно синтезировала секреторные белки. Точно так же рибосомы, полученные из препарата шероховатого ЭР, проявляли нормальную активность при синтезе белков, которые остаются в цитозоле. Кроме того, никаких структурных различий между свободными рибосомами и
Рис. 29.42. Гипотеза сигнальной последовательности, образующейся при биосинтезе секреторных и мембранных белков. Согласно этой гипотезе, N-концевая последовательность новообразованной полипептидной цепи (показана красным) привязывает рибосому к мембране ЭР. Затем сигнальная последовательность удаляется пептида-зой, расположенной на внутренней стороне ЭР. (Blobel G. In: International Cell Biology, Brinkley B. R., Porter K. R., eds., Rockefeller Univ. Press, N. Y., 1977, p. 318.)
рибосомами, полученными из шероховатого ЭР, не обнаруживалось. Следовательно, связанные с мембранами рибосомы и свободные рибосомы, по сути, одинаковы. Остается ли данная рибосома свободной или прикрепляется к шероховатому ЭР, определяется только природой белка, который она синтезирует.
Какая же особенность синтезирующегося белка определяет, плавает ли ассоциированная с ним рибосома свободно в цитозоле или связывается с мембраной ЭР? В 1970 г. Дэвид Сабатини и Гюнтер Блобел (David Sabatini, Gunter Blobel) постулировали, что сигналом прикрепления служит последовательность аминокислотных остатков, прилегающая к N-концу новообразующейся полипептидной цепи. Вскоре эта гипотеза сигнальной последовательности (рис. 29.42) нашла подтверждение в работах Сезара Милстайна и Джорджа Браунли (Cesar Milstein, George Brownlee), показавших, что иммуно-глобулиновая цепь, синтезированная in vitro свободными рибосомами, содержит N-концевую последовательность из 20 остатков, которой нет в зрелом белке, синтезированном in vivo. Затем Блобел обнаружил, что все основные секреторные белки поджелудочной железы, синтезированные in vitro на свободных рибосомах, содержат на N-конце дополнительные фрагменты длиной около двадцати аминокислот. В настоящее время сигнальные последовательности многих секреторных белков расшифрованы. Они имеют длину от 15 до 30 остатков и содержат много неполярных аминокислот (рис. 29.43).
Гидрофобные сигнальные последовательности, видимо, принимают конформации, которые узнаются белками мембраны ЭР, образующими каналы. По всей
Рис. 29.43. Сигнальные последовательности двух секреторных белков. Гидрофобные остатки отмечены желтым. Место расщепления указано красной чертой.
Сокращения, принятые для обозначения сахаров:
Fuc - фукоза
Gal - галактоза
Glc - глюкоза
GlcNAc - N-ацетилглюкозамин Маn - манноза
NAN - N-ацетилнейраминидат (сиаловая кислота)
вероятности, новообразующиеся полипептидные цепи активно протягиваются через канал в ЭР по мере синтеза. Затем особая пептидаза отшепляет сигнальные последовательности на внутренней стороне ЭР (см. рис. 29.42). Новообразующиеся цепи, которые должны стать составной частью мембраны, по-видимому, содержат специальные последовательности, блокирующие перенос полипептида через мембрану ЭР до тех пор, пока синтез не доходит до С-конца. В случае же секреторных белков, наоборот, через мембрану ЭР транспортируется вся полипептидная цепь.
Главная особенность механизма сигнальных последовательностей состоит в том, что перенос полипептида через мембрану ЭР сопряжен с трансляцией. Однако некоторые белки могут пересекать мембрану уже после того, как их синтез завершен. Например, белки митохондрий и хлоропластов в большинстве своем кодируются ядерными генами и синтезируются на свободных рибосомах. Эти белки выходят в цитозоль и затем проходят через мембрану органеллы. Очевидно, транспорт этих белков происходит посттрансляционно, а не во время трансляции. Интересно отметить, что эти митохондриальные и хлоропластные белки, подобно секреторным белкам, содержат N-концевые последовательности, которые удаляются вскоре после их проникновения через мембрану.
