Proteine ​​gelangen durch den bereits eingesetzten "run-up" in das Proteasom • Vera Bashmakova • Wissenschaftsnachrichten zu den "Elementen" • Molekularbiologie

Proteine ​​gelangen durch den bereits eingesetzten „run-up“ in das Proteasom

Die Struktur des Proteasoms. Bild vom Max-Planck-Institut für Biochemie

Das Proteasom ist ein Proteinkomplex, der selektiv Proteine ​​in einer Zelle abbaut. Obwohl das Proteasom seit den späten 1970er Jahren im Detail untersucht wurde (und dafür sogar der Nobelpreis für Chemie 2004 vergeben wurde), ist seine Arbeit immer noch voller Geheimnisse und weißer Flecken. Zum Beispiel wird die Frage, wie und wo das Protein, das in das Proteasom eintritt, "abgewickelt" wird und wie es es schafft, das geförderte Protein zu erhalten, nicht vollständig verstanden. Kürzlich veröffentlichter Artikel in der Zeitschrift Natur, gibt Antworten auf diese Fragen.

Im Zytoplasma schwimmen Zellen eine Vielzahl von Proteinen, und ihre Zusammensetzung wird ständig aktualisiert – neugeborene Proteine ​​stammen von den Ribosomen ab, und die "gealterten", beschädigten und falsch gefalteten Zellen spalten sich (für Informationen über die Entwicklung von Proteinen siehe: Elemente, 01.09.2010, für den Schaden, den falsch gefaltete Proteine ​​einer Zelle zufügen können, siehe: Neurofibrillary Tangles bei Alzheimer-Krankheit sind keine Killer, sondern Zellverteidiger ?, Elemente ", 15.05.2010).

Die Zerstörung von "unerwünschten" Proteinen erfolgt auf zwei Arten. Erstens kann das Protein von einem Lysosom verschluckt werden (es zerstört Proteine ​​nicht sehr selektiv;Lysosomen sind nichtsdestoweniger Organellen, sie sind zu groß, um in jedem Zellennook und in jeder Zelle vorkommen zu können und stellen den allgegenwärtigen Bedarf einer Zelle für den Abbau von Proteinen bereit. Zweitens kann das Protein vom Proteasom aufgefangen werden (siehe auch Proteasom), das wir nun diskutieren werden.

Proteasom ist ein riesiger (mit einem Molekulargewicht von etwa 2000 Kilodalton) Proteinkomplex. Das klassische Proteasom besteht aus einem zentralen Teilchen (sein Sedimentationskoeffizient – siehe Sedimentationsanalyse – ist 20S, und so wird es üblicherweise 20S genannt), in dem die Proteinspaltung stattfindet, und zwei regulatorischen (19S), die sich auf beiden Seiten befinden . 19S Partikel erkennen das Substrat und senden es in den Mund des 20S.

Das Proteasom ist nicht räuberisch und zerstört nicht die ersten ankommenden Proteine. Seine Opfer sollten mit einer "schwarzen Markierung" markiert werden – einer Kette von mindestens vier kleinen Ubiquitinproteinen (nebenbei bemerkt gibt es Hinweise, dass die Rolle von Ubiquitin nicht immer so "Killer" ist, siehe den Artikel "Allgegenwärtiges Ubiquitin"). Das "Nähen" von Ubiquitin an das zum Scheitern verurteilte Eichhörnchen erfolgt in mehreren Stufen mit Hilfe von drei Arten von Enzymen. Es ist die ubiquitinöse Kette, die 19S-Partikel erkennt, nach denen sie den "Selbstmordattentäter" auf das Gerüst schicken.

Die Struktur der 20S-Partikel des Proteasoms aus den Archaea Thermoplasma acidophilum. Katalytische Kammer – katalytische Kavität, Vorkammer – "Vestibül". V129, S95 und R115 – Reste von Valin, Serin und Arginin, die durch Cystein ersetzt wurden, wonach Proteine ​​an sie gebunden werden konnten (siehe unten). Bild aus dem Artikel in der Diskussion Natur

20S-Partikel bestehen aus vier übereinander liegenden Ringen, von denen jeder wiederum aus sieben Untereinheiten besteht. Jeder äußere Ring besteht aus sieben Alpha-Untereinheiten (α7); sie dienen als Bindungsstelle für 19S-Partikel und als "Tür", in die das verlorene Protein eintritt. Jeder innere Ring besteht aus sieben Beta-Untereinheiten (β7), und in ihnen tritt die Spaltung von Proteinen auf. Im 20S-Teilchen gibt es drei Hohlräume – einen zentralen, katalytischen, in dem Proteine ​​gespalten werden, und zwei "Vorräume", in denen Proteine ​​schmachten, bevor sie "das Gerüst hinaufklettern".

Einfache Logik legt nahe, dass, bevor eine verwickelte Proteinkette in Stücke geschnitten wird, sie zumindest teilweise entwirrt werden muss. Offensichtlich beginnen Proteine ​​sich im 19S-Partikel des Proteasoms zu entfalten, weil die 20S-Partikel eine sehr enge Öffnung von nur 13 Å haben und das gefaltete Protein einfach nicht hineinkriecht.Aber was mit Protein im "Anlauf" passiert und in welchem ​​Zustand es ist, ist noch nicht zuverlässig bekannt. "

Eine Gruppe von Forschern der Universität Toronto (Kanada) und des Max-Planck-Instituts für Biochemie (Deutschland) vermutete, dass die Entfaltung der Proteinkette in den "Pre-Door" -Kavitäten der 20S-Partikel stattfindet. Um dies zu beweisen (und gleichzeitig zu untersuchen, was dort mit dem Protein passiert), führten sie eine Reihe von Experimenten mit NMR-Spektroskopie durch (siehe NMR-Spektroskopie, sowie magnetische Kernresonanz).

Um die Arbeit der Pre-Door-Kavität detaillierter und konvexer zu untersuchen, nahmen die Forscher drei Proteine ​​für die Experimente auf einmal, so unterschiedlich wie möglich zwischen einander, wie Faltung, Ladung usw. Diese Proteine ​​(um genau zu sein, waren nicht ganze Proteine, sondern nur Proteinfragmente, mit denen es einfacher zu arbeiten war) wurden EnHD, FynSH3 und Pin1WW genannt. Alle von ihnen, die in der Lösung mit der 20S-Untereinheit allein gelassen wurden, wurden leicht zersetzt.

Der Hauptteil der Forschung wurde nicht auf dem ganzen Komplex durchgeführt (seine Größe auferlegt der spektroskopischen Methode bereits Beschränkungen – zum Beispiel wird es unmöglich, in einem großen Temperaturbereich zu arbeiten), aber auf zwei α7 Ringe, die sich spontan in Lösung verbinden, wenn kein β vorhanden ist7 Ringe. In α7α7 es gibt ungefähr den gleichen Hohlraum wie das Vorzimmer, und es ist viel einfacher, damit zu arbeiten. Darüber hinaus bestätigten die Forscher die wichtigsten Ergebnisse insgesamt α7β7β7α7-Komplex.

Auf dieser α-Oberfläche7Die Wissenschaftler wählten drei Punkte, an denen der N-Terminus des Proteins "genäht" wurde (diese Punkte sind in der Figur als V129, S95 und R115 gezeigt). Die native Aminosäure in jedem dieser Bereiche wurde durch Cystein ersetzt, an das nun eine Proteinkette mit einem speziellen Reagens angehängt werden konnte. Das Protein blieb an den Hohlraum gebunden, bis das Mittel, das es freisetzte, zu der Lösung zugegeben wurde.

Die Spektren von Proteinen innerhalb der Kavität waren völlig verschieden von den Spektren dieser Proteine, wenn sie korrekt gefaltet waren, schwammen sie frei in Lösung. Vielmehr ähnelten sie den Spektren von Proteinen in einem denaturierten (d. H. Vollständig ausgewickelten) Zustand. Dies bedeutet, dass unsere Höhle der Ort ist, an dem sich Proteine ​​in die Aminosäurekette "auflösen".

Es sollte angemerkt werden, dass wir an jedem der drei möglichen Orte innerhalb der Höhle unsere Proteine ​​anheften, deren Spektren sich sehr wenig verändert haben, was bedeutet, dassdass der spezifische Ort des Proteins in der Höhle nicht viel bedeutet – wo auch immer es erscheint, wird es immer noch eingesetzt werden.

Jetzt war es notwendig herauszufinden, ob sich die Kavität selbst ändert (und wenn ja, wie viel), wenn das Substrat in sie eintritt. Es stellte sich heraus, dass diese Veränderungen unbedeutend sind: Der Komplex entfaltet Proteine, die sich praktisch "nicht bewegen", ohne die Hilfe von energetischen Konformationsänderungen.

Ein weiterer interessanter Punkt ist, dass der Komplex bei verschiedenen Temperaturen unterschiedlich funktioniert. Eines unserer drei Proteine, EnHD, entfaltete sich sogar bei 25 ° C im Hohlraum, während der Rest bei dieser Temperatur in einem Zustand nahe dem gefalteten Zustand war und sich nur bei einer höheren Temperatur drehen konnte. Offensichtlich ist dies darauf zurückzuführen, wie schwierig es ist, die eine oder andere Struktur zu entschlüsseln – EnHD zum Beispiel ist in eine Alpha-Helix zusammengefaltet, und FynSH3 und Pin1WW haben eine Beta-Konformation.

Welche Schlussfolgerungen können wir aus den Daten ziehen? Anscheinend ist dies der Fall. Protein (bestehend aus vielen Aminosäuren, von denen jede einige Eigenschaften hat – Hydrophilie, Hydrophobie, elektrische Ladung) dringt in die Höhle des Vestibüls des Proteasoms ein.Dieser Hohlraum ist auch mit verschiedenen Aminosäuren und Gruppen von Aminosäuren ausgekleidet, die die entsprechenden Aminosäuren des Proteins anziehen (zum Beispiel, positiv geladene locken negativ geladene an und umgekehrt). Dadurch dehnt sich das Protein aus, verliert seine ursprüngliche Konformation und entfaltet sich zu einer Kette. Und diese erweiterte Kette wird in die zentrale katalytische Kavität des Proteasoms geschickt, wo sie in Stücke geschnitten wird.

Quelle: Amy M. Ruschak, Tomasz L. Religa, Sarah Breuer, Susanne Witt, Lewis E. Kay. Die Proteasom-Vorkammer hält Substrate in einem ungefalteten Zustand Natur. 2010. V. 467. P. 868-871.

Vera Basmakowa


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