Postranslacijske modifikacije proteina

Prof. dr. Lejla Begić

Univerzitet u Tuzli

Nakon sinteze polipeptidni lanac, se svija i obrađuje u biološki aktivnu trodimenzionalnu formu.

Tokom sinteze ili neposredno nakon sinteze protein poprima svoju nativnu konformaciju pomoću hidrogenskih veza, van der Waalsovih sila, ionskih i hidrofobnih interakcija.

Neki proteini su funkcionalni odmah nakon sinteze na ribosomima, dok se drugi dodatno obrađuju pomoću tzv. posttranslacijske modifikacije.


Univerzitet u Tuzli

Pomoću posttranslacijske obrade proteinima se mijenja aktivnost i stabilnost te se:

1.dovode u funkcionalni oblik2.usmjeravaju u određenu subcelularnu strukturu3.određuju za sekreciju iz ćelije


Univerzitet u Tuzli

Informacija o posttranslacijskoj sudbini proteina leži u njegovoj strukturi.

Aminokiselinska sekvenca i konformacija polipeptida određuju da li će protein biti supstrat za modifikacijske enzime i/ili će biti određen za intracelularnu ili ekstracelularnu lokalizaciju.


Univerzitet u Tuzli

Peptidi u eukariota započinju metioninom, a u prokariota N-formilmetioninom.

N-terminusi, a ponekad i C-terminusi, i njima susjedne aminokiseline odvajaju se enzimskim cijepanjem peptidnih veza.


Univerzitet u Tuzli

Na N-terminalnom dijelu pojedinih proteina 15-30 aminokiselinskih ostataka ima ulogu usmjeravanja proteina na određeno mjesto u ćeliji ili izvan nje.

Ovi aminokiselinski slijedovi zovu se signalne sekvence i one se uklanjaju pomoću specifičnih enzima-signalnih peptidaza.


Univerzitet u Tuzli

U nekim proteinima kao što su kazein i neki enzimi, hidroksilne grupe ostataka serina, tirozina i treonina se fosforiliraju pomoću ATP.


Univerzitet u Tuzli

Karboksilacija glutamatnih ostataka veoma je važna u pravilnom funkcioniranju faktora koagulacije. Proces γ-karboksilacije glutamata odvija se u nekoliko proteina-faktora koagulacije: protrombinu, faktorima VII, IX i X.

Ostaci γ-karboksiglutamata helatiraju ione kalcija koji su neophodni u procesu koagulacije krvi.


Univerzitet u Tuzli

Metilirani lizinski ostaci (metillizin, dimetillizin) javljaju se u nekim mišićnim proteinima i citohromu c, a trimetillizin u proteinu koji veže kalcijum, kalmodulinu.


Univerzitet u Tuzli

Na bočne lance aminokiselina tokom sinteze ili nakon sinteze proteina mogu se dodati karbohidratni ostaci.

Pomoću enzima karbohidratni ostaci se vežu na Asn N-glikozidnim vezom, a na ostatke serina ili treonina O-glikozidnim vezom.


Univerzitet u Tuzli


Univerzitet u Tuzli

Mnogi ekstracelularni proteini, kao i proteoglikani koji obavijaju mukozne membrane sadrže oligosaharidne bočne lance.


Univerzitet u Tuzli

Brojnim eukariotskim proteinima (Ras proteini, G-proteini, lamini iz nuklearnog matriksa) dodaju se izoprenilne grupe koje formiraju eterski vez sa ostacima cisteina.


Univerzitet u Tuzli

U nekim slučajevima izoprenilne grupe potpomažu vezanje proteina za membranu.

Transformirajuća (karcinogena) aktivnost ras onkogena se gubi kada se blokira izoprenilacija Ras proteina, tako da je inhibicija ove posttranslacijske modifikacije mogući vid terapije karcinoma.


Univerzitet u Tuzli

Za aktivnost mnogih prokariotskih i eukarotskih proteina neophodne su kovalentno vezane prostetske grupe (biotin u acetil-CoA karboksilazi ili hem u citohromu c).

Mnogi proteini se sintetiziraju kao veći, neaktivni prekursori koji se aktiviraju proteolitičkim cijepanjem.


Univerzitet u Tuzli

Nakon svijanja u nativnu konformaciju neki proteini formiraju unutarlančane i međulančane disulfidne mostove između ostataka cisteina.

Disulfidne veze su uobičajene u eksportnim proteinima eukariota.

Poprečne veze štite nativnu konformaciju proteina od denaturacije u ekstracelularnom okruženju.


Univerzitet u Tuzli

20 aminokiselina je genetički kodirano i ugrađeno u proteine tokom translacije.

Postranslacijskom modifikacijom nastaje preko stotinu izvedenih aminokiselina koje, iako u malim količinama, mogu imati ključnu ulogu u funkcioniranju proteina.


Univerzitet u Tuzli

Na primjeru kolagena, najrasprostranjenijeg proteina u ljudskom tijelu, možemo uvidjeti kako se opsežno moraju procesirati proteini da bi nastali njihovi biološki aktivni oblici. Hidroksilacija prolinskih i lizinskih ostataka kolagena vrši se kotranslacijski, prije stvaranja trostrukog heliksa.


Univerzitet u Tuzli

Hidroksilacija prolina stabilizira kolagen, a hidroksilacija lizina osigurava mjesta za međulančana poprečna vezivanja i za glikozilaciju koja se odvija u endoplazmatskom retikulumu.

Sklapanje trostrukog heliksa vrši se nakon kompletiranja polipeptidnih lanaca.


Univerzitet u Tuzli

Kompletiran trostruki heliks sa globularnim propeptidnim domenima sa obje strane, prelazi u Golgijev kompleks gdje se oligosaharidni lanci procesiraju, a nakon toga se kompletirani prokolagen oslobađa iz ćelije putem sekretornih vezikula.

Konverzija prokolagena u kolagen odvija se ekstracelularno. Aminoterminalni i karboksiterminalni propeptidi se otcjepljuju pomoću proteaza, a trostruki heliksi se povezuju u fibrile.


Univerzitet u Tuzli

Neki antibiotici i toksini inhibiraju sintezu proteina u prokariota i eukariota.

Za kliničku praksu su veoma korisni antibiotici koji inhibiraju sintezu proteina u prokariota.

Antibiotici mogu djelovati na interakcije između tRNA i ribosomske podjedinice.


Univerzitet u Tuzli

Streptomicin se veže na malu podjedinicu ribosoma, utiče na započinjanje translacije i uzrokuje pogrešno čitanje genetskog

koda.


Univerzitet u Tuzli

Aminoglikozidni antibiotici, kao što su gentamicin i neomicin, takođe se vežu na malu podjedinicu ribosoma, ali na različito mjesto od streptomicina.

Oni inhibiraju inicijaciju translacije.


Univerzitet u Tuzli

Tetraciklini se vežu direktno na ribosome, blokiraju A mjesto i sprječavaju vezivanje aminoacil-tRNA.


Univerzitet u Tuzli

Hloramfenikol inhibira sintezu proteina u bakterija, u mitohondrijama i hloroplastima, ali ne u eukariotskom citosolu. Ovaj antibiotik blokira transfer peptida.


Univerzitet u Tuzli

Cikloheksimid blokira peptidil transferazu 80S eukariotskih ribosoma.


Univerzitet u Tuzli

Puromicin je po strukturi veoma sličan 3’ kraju aminoacil-tRNA i zbog toga se može vezati za A mjesto na ribosomu.


Univerzitet u Tuzli

Pošto ne reaguje sa mRNA ne može se translocirati, već disocira sa ribosoma ubrzo nakon vezivanja za C-terminus peptida.

Zato dolazi do prijevremenog završetka translacije i oslobađanja peptidil-puromicina.


Univerzitet u Tuzli

Eritromicin, makrolidni antibiotik djeluje na translokaciju u prokariotskim ribosomima.

Translokaciju u eukariota inhibira toksin difterije tako što inaktivira EF-2.

Ricin, ekstremno toksični protein inaktivira 60S podjedinicu eukariotskih ribosoma tako što dovodi do depurinacije specifičnih adenozina u 28S rRNA.


Univerzitet u Tuzli

Nakon sinteze mnogi proteini usmjeravaju se na posebne lokacije unutar ćelije.

Početni koraci postranslacijske obrade proteina koji služe za eksport iz ćelije, proteina koji se ugrađuju u ćelijsku membranu i lizosome slični su i odvijaju se u endoplazmatskom retikulumu.


Univerzitet u Tuzli

Usmjeravanje proteina u mitohondrije, hloroplaste i nukleus odvija se na tri različita načina.

Proteini određeni za citosol jednostavno ostaju tamo gdje su nastali.

Ovi mehanizmi usmjeravanja proteina uključuju signalne sekvence, kratke slijedove aminokiselina, koje se uklanjaju tokom transporta ili nakon što protein dostigne konačnu destinaciju.


Univerzitet u Tuzli

Za proteine koji su određeni za transport u mitohondrije, hloroplaste ili endoplazmatski retikulum, signalna sekvenca se nalazi na amino terminusu novosintetiziranog polipeptida.

Selektivna razgradnja proteina koji više nisu neophodni ćeliji ovisi o molekularnim signalima koji su ugrađeni u svaku proteinsku strukturu.


Univerzitet u Tuzli

Signalne sekvence sadrže od 13 do 36 aminokiselinskih ostataka od kojih je 10 do 15 hidrofobnih.

Prije ove hidrofobne regije, u blizini N-terminusa, nalazi se jedan ili više pozitivno naelektrisanih aminokiselinskih ostataka.

Kratka sekvenca koja prethodi mjestu cijepanja sadrži polarne aminokiseline sa kratkim bočnim lancima.


Univerzitet u Tuzli

Signalna sekvenca za translokaciju nekih eukariotskih proteina u ER. Hidrofobna srž je označena žuto, bazni ostaci plavo.


Univerzitet u Tuzli

Usmjeravanje proteina započinje inicijacijom sinteze proteina na slobodnim ribosomima. Signalna sekvenca se stvara rano u biosintetskom procesu. Dok izranja iz ribosoma, signalna sekvenca zajedno sa ribosomom se veže za veliku česticu koja prepoznaje signal SRP (signal recognition particle).


Univerzitet u Tuzli

SRP veže GTP i zaustavlja elongaciju polipeptida kada je dug oko 70 aminokiselin-skih ostataka i kada signalna sekvenca potpuno izranja iz ribosoma.


Univerzitet u Tuzli

SRP vezan za GTP usmjerava ribosome, koji su još uvijek vezani za mRNA, i nekompletni polipeptid, na receptore na citosolnoj strani endoplazmatskog retikuluma.

Nascentni polipeptid se oslobađa u endoplazmatski retikulum pomoću kompleksa za translokaciju peptida.


Univerzitet u Tuzli

Elongacija polipeptida se nastavlja uz ATP translokacijski kompleks dok se ne sintetizira kompletni protein.

U endoplazmatskom retikulumu se cijepa signalna sekvenca pomoću enzima signalnih peptidaza.

Nakon toga ribosomi se disociraju i recikliraju.


Univerzitet u Tuzli

Nascentni polipeptidni lanac u lumenu endoplazmatskog retikuluma se ne svija odmah nego se veže za proteine tzv. šaperone koji ih drže nesvijene kratko vrijeme.

Pošto u endoplazmatskom retikulumu postoji visoka koncentracija proteina koji mogu stupati u različite interakcije, šaperoni asistiraju u svijanju blokiranjem nedozvoljenih interakcija između nascentnih lanaca i okolnih proteina.


Univerzitet u Tuzli

Glikozilacija ima ključnu ulogu u usmjeravanju proteina.

Nakon uklanjanja signalne sekvence polipeptidni lanci se svijaju, formiraju se disulfidne veze i glikoziliraju.


Univerzitet u Tuzli

Glikoproteini dobijaju šećernu komponentu u endoplazmatskom retikulumu pomoću dolihol fosfata koji prenosi tzv. srž oligosaharida od 14 monosaharidnih ostataka na aminokiselinu Asn (asparagin) u molekuli proteina. Pri tome se obrazuje N-glikozidna veza.


Univerzitet u Tuzli


Univerzitet u Tuzli

N-vezani sržni oligosaharid dalje se obrađuje što zavisi od vrste glikoproteina, ali nakon obrade svi glikoproteini zadržavaju pentasaharidnu srž koja je nastala od originalnog oligosaharida sa 14 ostataka.


Univerzitet u Tuzli

Sržni oligosaharid se stvara postupnim dodavanjem po jedne monosaharidne jedinice na dolihol fosfat na citosolnoj strani i u lumenu endoplazmatskog retikuluma.


Univerzitet u Tuzli

Nekoliko antibiotika djeluje na glikozilaciju proteina u endoplazmatskom retikulumu.

Jedan od njih je tunikamicin, strukturni analog UDP-N-acetil glukozamina, koji blokira prvi korak sinteze sržnog oligosaharida.


Univerzitet u Tuzli

Pogodno obrađeni proteini usmjeravaju se u različite destinacije.

Iz endoplazmatskog retikuluma proteini se transportuju pomoću transportnih vezikula u Golgijev kompleks gdje se dodaju O-vezani oligosaharidi, a N-vezani oligosaharidi se dalje obrađuju.


Univerzitet u Tuzli

U Golgijevom kompleksu dolazi do segregacije proteina na osnovu strukturnih karakteristika, a ne na osnovu signalne sekvence koja je otcijepljena ranije, u endoplazmatskom retikulumu.

Ovdje se, od ostalih proteina, razdvajaju proteini koji su predviđeni za sekreciju, ugradnju u plazmatsku membranu i lizosome.


Univerzitet u Tuzli

Put proteina za lizosome, plazmatsku membranu ili sekreciju.

Proces sortiranja nije još u potpunosti shvaćen, ali se za proteine koji odlaze u lizosome zna da im je neophodno prisustvo jednog ili više ostataka manoza-6- fosfata na N-vezanom oligosaharidu.


Univerzitet u Tuzli

Fosforilacija manoznih ostatka na enzimima koji se usmjeravaju u lizosome.


Univerzitet u Tuzli

Usmjeravanje proteina u mitohondrije i hloroplaste može uslijediti odmah nakon sinteze prekursorskog proteina. Prekursorski proteini koji se usmjeravaju u ove organele sadrže N-terminalnu signalnu sekvencu koja je duga 20 do 35 aminokiselinskih ostataka i bogata ostacima Ser, Thr i baznih aminokiselina.


Univerzitet u Tuzli

Prekursori mitohondrijskih proteina vežu se ili za Hsp 70 (heat-shock protein 70) ili MSF (mitochondrial import stimulating factor) koji stabiliziraju nesvijeno stanje prekursorskih proteina.

Vezani prekursori prenose se na proteinski kompleks koji se zove Tom ( transport across outer membrane), koji omogućava transport proteina kroz vanjsku membranu.


Univerzitet u Tuzli

Drugi kompleks Tim ( transport across inner membrane) translocira prekursor u matriks mitohondrija. U matriksu mitohondrija otcjepljuje se signalna sekvenca i protein se svija u svoju funkcionalnu konformaciju.


Univerzitet u Tuzli

Da bi molekule iz citosola ušle u nukleus i izašle iz nukleusa neophodno je da prođu kroz pore nukleusa.

Signalna sekvenca koja usmjerava proteine u nukleus (NLS od eng. nuclear localization sequence) može se smjestiti na bilo kojem dijelu duž primarne sekvence proteina i ne uklanja se prilikom transporta u nukleus.


Univerzitet u Tuzli

Nukleusni import omogućavaju brojni proteini koji cirkuliraju između citosola i nukleusa, na primjer importin α i β i mala GTP-aza koja se zove Ran. Heterodimer α i β importin djeluje kao solubilni receptor za proteine koji se usmjeravaju u nukleus. Pri tome α podjedinica se veže za protein koji sadrži NLS sekvencu.


Univerzitet u Tuzli

Signalne sekvence za usmjeravanje proteina u bakterija


Univerzitet u Tuzli

Model za eksport proteina iz bakterija


Univerzitet u Tuzli

Proteini ulaze u ćelije pomoću endocitoze u kojoj učestvuju receptori.

Razgradnja ekstracelularnih proteina, kao što su LDL, transferin, peptidni hormoni, cirkulirajući proteini, odvija se u ćeliji.

Da bi iz okolnog medija dospjeli u ćeliju, ovi proteini se vežu za receptore koji su smješteni u udubinama (invaginacijama) membrane.

Udubljenja na membrani u kojima su nakupljeni receptori određeni za endocitozu zovu se obložene jamice (coated pits).


Univerzitet u Tuzli

Jamice su obložene na citosolnoj strani sa rešetkom sastavljenom od proteina klatrina koji formira zatvorene poliedarske strukture. Kako se proteini vežu za receptore tako raste čestica klatrina sve dok se kompletna endocitska čestica ne odvoji od plazmatske membrane i uđe u citoplazmu.

Klatrinska jedinica sastavljena iz tri teška i tri laka lanca.


Univerzitet u Tuzli

U citoplazmi čestica-vezikula gubi klatrinski omotač djelovanjem ATP-aze koja spada u familiju Hsp proteina (heat shock proteins).

Poliedar sastavljen od klatrinskih jedinica.


Univerzitet u Tuzli

Vezikule fuziraju sa endosomom. Aciditet endosoma (pH 5-6) dovodi do disocijacije kompleksa protein-receptor. Unešeni proteini i receptori zatim ulaze u odvojene metaboličke puteve. Neki se razgrađuju, a neki recikliraju.

Elektronski mikrograf obložene jamice na citosolnoj strani plazmatske membrane fibroblasta.


Univerzitet u Tuzli

Intracelularna razgradnja proteina može spriječiti izgradnju neželjenih i abnormalnih proteina, a time omogućiti recikliranje ugrađenih aminokiselina.

Stabilnost proteina je različita tako da je poluživot nekih proteina samo 30 sekundi dok drugi traju sve dok traje ćelija u kojoj se nalaze.

U proteine koji se brzo metaboliziraju spadaju defektni proteini i enzimi koji djeluju kao ključne regulatorne tačke u metaboličkim putevima.


Univerzitet u Tuzli

Ovi proteini se razgrađuju pomoću selektivnog citosolnog sistema koji je ovisan o ATP i koji je prisutan i u eukariota i u prokariota.

Drugi proteolitički sistem koji se nalazi u kičmenjaka je intralizosomski i on razgrađuje proteine membrana, ekstracelularne proteine i proteine sa dugim poluživotom.


Univerzitet u Tuzli

Ubikvitin, protein prisutan u svim eukariotskim ćelijama služi za markiranje-označava proteine koji će se razgraditi pomoću citosolnog proteolitičkog sistema.

Ubikvitin se kovalentno veže za protein tako što se karboksi terminus ubikvitina kovalentno veže za ε amino skupine lizinskih ostataka proteina. Stvara se amidna veza uz utrošak ATP.

Eukariotski citosolni proteolitički sistem ovisan o ATP je veliki kompleks (Mr 1x106) koji se zove proteasom.


Univerzitet u Tuzli

Brzina ubikvitinizacije citosolnih proteina u velikoj mjeri je određena aminokiselinama na N-terminusu.

Kada neki protein obavi svoju funkciju u toku životnog ciklusa razgrađuje se pomoću sistema koji uključuje ubikvitin i proteasome.

Takvi primjeri su procesiranje i izlaganje antigena pomoću MHC proteina klase I ili razgradnja ciklina koji je neophodan za regulaciju ćelijskog ciklusa.

Documents

Postranslacijske modifikacije proteina