Biologie Celulară@Yale

Contenit al lecției

Organele legate de membrană

Celele eucariote conțin colecții de proteine care funcționează ca o unitate numită organite. Unele dintre aceste organite sunt înconjurate de o membrană similară ca structură cu membrana celulară, dar cu o compoziție diferită de proteine și fosfolipide.

Organitele legate de membrană oferă mai multe avantaje celulelor eucariote. În primul rând, celulele pot concentra și izola enzimele și reactanții într-un volum mai mic, crescând astfel rata și eficiența reacțiilor chimice. În al doilea rând, celulele pot confina proteinele și moleculele potențial dăunătoare în organitele legate de membrană, protejând restul celulelor de efectele lor nocive. De exemplu, lizozomul, care este un organit legat de membrană, conține multe enzime care digeră proteinele, acizii nucleici și lipidele. Dacă aceste enzime ar fi eliberate în citosol, ar putea mesteca proteinele, acizii nucleici și lipidele celulei, ceea ce ar duce la moartea celulei. Membrana care înconjoară lizozomul ține aceste enzime digestive departe de restul celulei.

Organizarea microtubulară a citoplasmei

Organismele și proteinele nu sunt, de obicei, distribuite la întâmplare în întreaga celulă, ci sunt organizate prin localizarea lor în regiunile în care sunt necesare. Celula utilizează microtubuli și proteine motorii pentru a ajuta la localizarea organitelor. Microtubulele sunt filamente lungi care se întind în întreaga citoplasmă. Două tipuri de proteine motorii, kinezinele și dyneinele, se deplasează de-a lungul microtubulilor și generează forță pentru a trage organitele prin citoplasmă.

Microtubulii sunt polimeri ai unui heterodimer de alfa și beta tubulină. Tubulina se polimerizează în protofilamente liniare, iar un microtubul conține 13 protofilamente dispuse într-un cilindru cu un miez gol. Microtubulele sunt polarizate într-un capăt minus și un capăt plus. Microtubulele cresc de la capătul lor pozitiv prin adăugarea de noi subunități de tubulină. Extremitățile minus ale microtubulilor sunt instabile și sunt stabilizate de proteinele din centrul de organizare a microtubulilor (MTOC). Dacă MTOC se află în centrul unei celule, microtubulii radiază spre exterior cu capetele lor pozitive spre membrana plasmatică

Cinezinele și dininezinele se deplasează de-a lungul microtubulilor utilizând energia din hidroliza ATP. Ambele seturi de proteine conțin domenii motorii care se leagă de microtubuli și hidrolizează ATP. Domeniile motorii generează mișcarea de-a lungul microtubulilor. Majoritatea cinesinelor se deplasează spre capătul pozitiv al microtubulilor, în timp ce dynein se deplasează spre capătul negativ. Astfel, celulele dispun de două instrumente pentru a controla distribuția organitelor de-a lungul microtubulilor. Cinezinele și dinineinele conțin, de asemenea, un domeniu de legare a încărcăturii care le leagă de diferite organite. Kinezinele sunt o familie mare de proteine, iar domeniul de legare a încărcăturii este cel mai divergent, permițând diferiților membri ai familiei de kinezine să se lege de diferite organite. Dyneina este un complex mare format din mai multe proteine și modul în care se leagă de încărcătură este mai puțin clar.

Filamentele de actină susțin, de asemenea, transportul de material celular, dar pe distanțe mult mai scurte decât microtubulii. Filamentele de actină sunt un polimer de actină care este o proteină globulară mică. Filamentul de actină este o matrice elicoidală de actină și, la fel ca microtubulii, are un capăt pozitiv și unul negativ, filamentele crescând mai ușor de la capetele lor pozitive. Filamentele de actină nu au contactele laterale extinse ale microtubulilor și, de obicei, sunt mult mai scurte decât microtubulii. Filamentele de actină au tendința de a se localiza în apropierea membranei celulare, unde asigură suportul structural.

Miozinele sunt o clasă de proteine motorii care pot genera forță de-a lungul filamentelor de actină. Unele miozine sunt implicate în contracția celulară (de exemplu, contracția mușchilor), în timp ce altele susțin mișcarea și poziționarea organitelor. Miozinele din clasa V sunt implicate în transportul de organite în mai multe tipuri diferite de celule. Similar structurii kinesinei, miozinele din clasa V conțin un domeniu motor care se leagă de filamentele de actină și utilizează energia hidrolizei ATP pentru a se deplasa de-a lungul filamentelor. Extremitatea C-terminală a miozinei V se leagă de organite.

Pentru a transporta și poziționa organitele, celulele folosesc adesea atât microtubuli, cât și filamente de actină. Microtubulele, kinezinele și dineinele sunt utilizate pentru a deplasa organitele pe distanțe lungi (câțiva microni sau mai mult), în timp ce filamentele de actină transportă organitele pe distanțe scurte (de exemplu, în apropierea membranei plasmatice). Adesea, un organit conține mai mult de un tip de proteină motorie (de exemplu, kinesina și miozina V) pentru a permite celulelor să utilizeze ambele seturi de filamente pentru a poziționa organitul.

Secvențe de semnalizare

Pentru a menține identitatea și funcția diferitelor organite și a membranei plasmatice, celulele trebuie să direcționeze proteine specifice către organite și alte compartimente intracelulare. Cele mai multe dintre aceste proteine conțin o secvență scurtă, numită secvență semnal, care determină localizarea lor intracelulară. Secvențele de semnal pot fi localizate oriunde în cadrul unei proteine, dar se găsesc adesea la extremitatea N-terminală. Secvențele semnal care direcționează proteinele către același organit adesea nu au în comun aceeași secvență primară. De obicei, proprietățile biochimice generale ale secvenței sunt cele care determină dacă aceasta direcționează o proteină către un organit. Secvențele semnal sunt utilizate pentru a importa atât proteine solubile, cât și proteine integrale de membrană.

Importul proteinelor în organitele legate de membrană

Pentru că membranele care înconjoară organitele restricționează trecerea proteinelor, organitele au evoluat diferite mecanisme de import al proteinelor din citoplasmă. Majoritatea organitelor conțin un set de proteine de membrană care formează un por. Acest por permite trecerea proteinelor cu secvența de semnal corectă. Unii pori (RE, mitocondriile) pot găzdui doar proteinele desfășurate, în timp ce alți pori (nucleul, peroxizomul) permit trecerea proteinelor pliate.

Direcționarea proteinelor către reticulul endoplasmatic

Proteinele destinate secreției, membranei plasmatice sau oricărui organit al căii secretorii sunt mai întâi inserate în RE. Majoritatea proteinelor traversează ER în mod co-translațional, fiind sintetizate de ribozomi pe ER. Atât proteinele solubile (proteine care rezidă în lumenul organitelor sau sunt secretate), cât și proteinele integrale de membrană sunt direcționate către RE și translocate prin același mecanism.

Secvența semnal pentru proteinele din RE rezidă, de obicei, la extremitatea N-terminală. Particula de recunoaștere a semnalului (SRP), un complex format din 6 proteine și un ARN, se leagă de secvența semnal imediat după ce aceasta este tradusă. De asemenea, SRP interacționează cu ribozomul și oprește traducerea. Suprafața membranelor ER conține un receptor pentru SRP. Receptorul SRP recrutează SRP, proteina ER nazală și ribozomul în ER. Receptorul SRP eliberează SRP din secvența de semnal și permite continuarea traducerii pe membrana ER.

Ribosomii de pe membrana ER se leagă de translocatorul de proteine. Translocatorul este o proteină transmembranară care formează un por apos. Porul este canalul prin care proteinele ER nou sintetizate vor fi translocate peste membrana ER. Traducerea proteinei ER generează „forța” pentru a împinge proteina ER prin canal.

Proteinele solubile sunt complet translocate prin canal; secvența semnal rămâne în canal și este scindată de restul proteinei de către o protează din lumenul ER.

Proteinele de membrană integrală conțin o secvență de oprire a transferului în aval de secvența semnal. Secvența de oprire a transferului încetează translocarea prin canal și porțiunea de proteină de după secvența de oprire a transferului rezidă în afara ER. Proteinele membranare integrale pot fi translocate astfel încât fie extremitatea N-terminală, fie extremitatea C-terminală a acestora să se afle în lumenul ER. Proteinele a căror extremitate C-terminală se află în lumen tind să aibă o secvență semnal internă. Translocatorul pare să se deschidă pe o parte pentru a permite proteinelor de membrană integrală să se difuzeze în bistratul lipidic înconjurător.

Câteva proteine traversează membrana de mai multe ori și aceste proteine conțin după secvența de transfer de oprire o secvență de transfer de pornire care reinițializează translocarea proteinei prin canal. O proteină cu o secvență de semnal, o secvență de transfer de oprire și o secvență de transfer de pornire ar traversa membrana de două ori, cu o buclă care rezidă în citosol sau în lumen. Pentru a genera proteine care traversează membrana de mai multe ori, proteina ar avea nevoie de mai multe secvențe alternante de transfer de oprire și de pornire.

După ce proteinele intră în ER, acestea se pliază în structurile lor tridimensionale. Există mai multe mecanisme care ajută la plierea proteinelor, inclusiv chaperonii și glicozilarea. RE conține, de asemenea, mecanisme pentru a gestiona proteinele care nu reușesc să se plieze.

Targerea proteinelor în mitocondrii

Deși mitocondriile conțin propriul genom, majoritatea proteinelor mitocondriale sunt codificate de gene nucleare, necesitând un mecanism pentru a direcționa și importa aceste proteine în mitocondrii. Similar proteinelor importate în ER, proteinele mitocondriale conțin o secvență de semnal care le direcționează către mitocondrii. Spre deosebire de proteinele din ER, proteinele mitocondriale sunt importate post-translațional. Deoarece proteinele trebuie să fie desfășurate pentru a se transloca prin canalele din membrana mitocondrială, proteinele mitocondriale sunt menținute desfășurate în citosol de către chaperoni.

Importul de proteine în mitocondrii este similar cu importul în ER, dar este complicat de prezența a două membrane în jurul mitocondriilor. Proteinele mitocondriale pot locui în membrana externă, membrana internă, spațiul intermembranar sau matricea (spațiul din interiorul membranei interne). astfel, mitocondriile au translocători care permit trecerea proteinelor prin membrana externă și prin membrana internă. Complexul TOM mediază trecerea prin membrana externă, în timp ce complexul TIM mediază trecerea prin membrana internă.

Translocarea proteinelor în mitocondrii

Secvența semnal care direcționează proteinele către matrice rezidă, de obicei, la extremitatea N-terminală. Secvența semnal este recunoscută de proteinele din complexul TOM. Complexul TOM trece proteinele în spațiul membranar intern, unde complexul TIM din membrana internă trece proteina în matrice. Complexul TOM și complexul TIM lucrează adesea împreună pentru a transloca o proteină prin ambele membrane. Translocarea prin membranele mitocondriale este dependentă de energie. Chaperonii din matrice ajută la „tragerea” proteinei peste membrana internă și necesită hidroliza ATP pentru a funcționa. Proteinele se pliază în interiorul matricei.

Proteinele direcționate către membrana internă utilizează un mecanism similar cu cel al proteinelor din matrice, dar conțin o secvență de transfer de oprire recunoscută de complexul TIM. Proteinele care au ca țintă membrana externă sunt translocate prin membrana externă în spațiul intermembranar și apoi importate în membrana externă de către translocatorul SAM. Proteinele destinate spațiului intermembranar sunt inserate parțial în membrana internă și apoi sunt scindate de o protează și eliberate în spațiul membranar intern.

Importul și exportul proteinelor nucleare

În contrast cu ER și mitocondriile, nucleul importă în principal proteine solubile. În plus, proteinele fac adesea naveta între nucleu și citoplasmă, iar celula utilizează importul/exportul nuclear pentru a regla mai multe căi biochimice critice. Nucleul este înconjurat de două membrane, iar în aceste membrane sunt încorporați mii de pori nucleari prin care proteinele și alte macromolecule (ARN, ribozomi) intră și ies din nucleu. Porii nucleari sunt stabilizați în membrane de către lamine, o rețea citoscheletală care stă la baza membranei nucleare interne și care asigură suportul structural al membranei. Porul nuclear restricționează trecerea materialului în funcție de dimensiune: lucrurile mai mici de ~ 30 kD difuzează liber prin por, dar moleculele mari au nevoie de o cale de intrare și ieșire. Proteinele care fac trafic în nucleu conțin un semnal de import nuclear, iar cele care trebuie, de asemenea, să iasă din nucleu conțin o secvență de export nuclear.

Distingerea citoplasmei de nucleoplasmă

Pentru a genera transportul dirijat al proteinelor în și din nucleu, proteinele trebuie să știe dacă se află în citoplasmă sau în interiorul nucleului. Pentru a face diferența între nucleu și citoplasmă, celulele folosesc o mică proteină de legare a GTP numită Ran. Ca toate proteinele care se leagă de GTP, Ran există fie în stare legată de GTP, fie în stare legată de GDP. Două proteine catalizează trecerea de la o stare la alta. Ran-GAP (proteina de activare a GTPazei) catalizează hidroliza GTP care generează Ran-GDP. Ran-GEF (factorul de schimb al nucleotidelor de guanină) catalizează eliberarea GDP și legarea din nou a GTP, generând Ran-GTP. Ran-GAP se localizează pe partea citoplasmatică a porilor nucleari, în timp ce Ran-GEF se asociază cu cromatina și, prin urmare, se localizează în nucleu. Ca urmare, cea mai mare parte a Ran din nucleu este legată de GTP și cea mai mare parte a Ran din citoplasmă este legată de GDP.

Importul nuclear

Receptorii (importine) se leagă de secvențele de import nuclear din proteine. Importinele interacționează, de asemenea, cu filamentele care se extind din partea citoplasmatică a porilor nucleari. Printr-un mecanism necunoscut, importinele legate de încărcătura lor fac trafic prin porul nuclear. În interiorul porului, complexul importină-încărcătură întâlnește Ran-GTP. Ran-GTP disociază importinele de încărcătură, eliberând proteinele de încărcătură pentru a-și face treaba în nucleu.

Exportul nuclear

Multe proteine care intră în nucleu trebuie să fie exportate în citoplasmă (de exemplu, importinele). Aceste proteine conțin o secvență de export nuclear care interacționează cu un receptor numit exportină. Ran-GTP se leagă de acest complex exportină-cargo și stabilizează interacțiunea. Complexul exportin-cargo-RanGTP traversează porul (mecanism neclar), unde întâlnește Ran-GAP pe partea citoplasmatică. Ran-GAP transformă Ran-GTP în Ran-GDP, determinând disocierea exportinei de încărcătura sa.

Importul de proteine în peroxizomi și sindromul Zelleweger

Peroxizomii sunt organite mici (~ 1 µm în diametru) care îndeplinesc o varietate de funcții pentru celule. Peroxizomii metabolizează substanțele chimice dăunătoare (fenoli, formaldehidă, etanol), metabolizează acizii grași și catalizează o etapă în sinteza plasmalogenului, care este o lipidă care se găsește în mielină.

Proteinele destinate peroxizomilor conțin o secvență de semnal care este recunoscută de o familie de proteine numite proteine Pex. Unele dintre aceste proteine Pex se leagă de secvențele de semnal, în timp ce altele pentru un por din membrana peroxizomilor care permite intrarea proteinelor peroxizomale.

Celulele care conțin mutații în proteinele Pex nu pot importa proteine în peroxizomi și, în consecință, aceste celule nu au peroxizomi. Mutațiile în proteinele Pex sunt asociate cu un set de boli numite sindromul Zelleweger. În Sindromul Zelleweger, sugarilor le lipsește tonusul muscular și, adesea, capacitatea de a suge. Bebelușii prezintă, de asemenea, anomalii cranio-faciale și un ficat mărit. Prognosticul pentru sugarii care suferă de Sindromul Zelleweger este slab, cei mai mulți dintre ei nereușind să supraviețuiască mai mult de un an.

Pentru că peroxizomii contribuie la sinteza unei lipide care se găsește în mielină, pacienții cu boala Zelleweger prezintă adesea o mielinizare slabă a neuronilor. Mielinizarea este critică pentru funcția neuronilor de a conduce semnale către celulele țintă.

.