J. Vondráček
Proteiny – životní cyklus
Téma přednášky
ŽIVOTNÍ CYKLUS PROTEINŮ
základní principy životního cyklu proteinů a
mechanismů regulujících dynamiku těchto procesů;
syntéza proteinu, jeho transport a degradace;
vybrané post-translační úpravy proteinů;
Kontrola kvality mRNA
syntéza mRNA zahrnuje řadu kroků – tedy nejen vlastní transkripci, ale i
její post-transkripční úpravy a vazbu proteinů umožňujících tyto úpravy i
její transport;
jak v jádře, tak v cytosolu může dojít k poškození mRNA – vznik
aberantních proteinů - v buňkách existuje proto účinný systém kontroly její
kvality;
rozpoznání čepičky a polyadenylovaného konce při iniciaci;
nonsense-mediated mRNA decay – odstraňuje poškozenou mRNA v
průběhu transportu z jádra;
Nonsense-mediated mRNA decay
zahájen v okamžiku výstupu 5‘ konce z jádra – naváže se ribozóm a dojde postupně
k uvolnění spec. proteinů vázaných na spoje exonů – exon junction complexes;
pokud dojde k uvolnění všech EJC, je mRNA uvolněna do cytoplazmy k další
translaci, pokud ale ribozóm dojde ke stop kodonu a zastaví se ještě před
uvolněním všech EJC – je iniciován proces degradace mRNA;
kontrola produkce kompletních proteinů – význam např. při přestavbách proteinů v
buňkách imunitního systému; u řady dědičných chorob umožňuje eliminaci
potenciálně toxického proteinu produkovaného poškozenou alelou;
Ribozómy a translace
mRNA exportována z jádra v podobě ribonukleoproteinu;
translace mRNA probíhá na ribozomech – zajišťují jak katalýzu tvorby
peptidové vazby, tak kontrolu přesnosti (1 chyba na cca 104 AA);
Ribozómy a translace
podjednotky ribozómů jsou sestavovány v jadérku, exportovány jaderným
pórem a následně sestavovány ve funkční ribozómy v cytoplazmě;
typická buňka obsahuje milióny ribozómů; pokud neprobíhá translace, jsou obě
hlavní podjednotky ribozómu oddělené – spojují se na molekule mRNA (blízko
5‘ konce;
2 odlišné typy lokalizace – cytoplazma a membrány (ER, jádro);
Struktura ribozómu
eukaryotický ribozóm (80S) – 4 rRNA (ribozymy) a cca 80 proteinů;
mitochondriální ribozóm savců (55S) – velmi odlišný – nízké množství rRNA
(12S – malá podjednotka; 16S – velká podjednotka, menší chem. modif.) a
velmi mnoho proteinů;
Struktura ribozómu
eukaryotický ribozóm – 4 vazebná místa pro RNA – 1 pro mRNA a 3 pro
tRNA; správný čtecí rámec je zajištěn těsnou vazbou dvou sousedících
molekul tRNA (A a P místo) na sousedící kodony na mRNA;
Translace – 4 základní kroky
krok 1 – vazba tRNA;
krok 2 – tvorba peptidové vazby –
uvolnění karboxylového konce peptidu
z tRNA a jeho spojení s N-koncem
nové AA – reakce katalyzovaná peptidyl
transferázou velké podjednotky;
krok 3 – translokace velké podjednotky
– posun E a P místa;
krok 4 – translokace malé podjednotky
spojená s uvolněním tRNA;
rychlost – cca 2 AA/s;
účinnost a přesnost je závislá na
elongačních faktorech – EF1 a EF2;
Translace probíhá na polyribozómech
syntéza proteinu – desítky sekund až několik minut; pro zrychlení procesu
– mnohonásobná iniciace – polyribozómy (polyzómy) oddělené cca 80
nukleotidy;
eukaryotická mRNA – interakce 5‘ a 3‘ konce – po disociaci ribozómu
může ihned dojít k re-iniciaci translace;
Antibiotika umožňují studium významu
dynamiky syntézy proteinů
stabilita mRNA i proteinu zásadním způsobem
ovlivňuje hladinu proteinu v buňce;
možnost využití specifických inhibitorů;
Životní cyklus proteinu
po syntéze proteinu musí dojít k jeho dalším
úpravám zahrnujícím jeho složení do správné
trojrozměrné struktury, tvorbě posttranslačních
modifikací (včetně např. štěpení
proteinu vedoucího ke vzniku aktivního
proteinu), vazbu malých molekul (ko-faktorů),
transport a začlenění do správné organely
(buň. struktury), vazbě na partnerské proteiny
vytvářející multiproteinové komplexy nebo
regulující funkci proteinu;
naopak proteiny, které jsou již nefunkční,
poškozené, mají nesprávnou strukturu jsou
degradovány 2 základními mechanismy –
štěpením v proteazómu nebo lysozómu; oba
typy degradace jsou zároveň součástí
zpětněvazebných regulací;
konečným osudem proteinu nemusí být jeho
degradace – buňky recyklují řadu proteinů;
Životní cyklus proteinu - příklad - konexin
konexiny – součást
komplexu vytvářejícícho
mezerové spoje (gap
junctions), umožňujících
přenos malých molekul
mezi buňkami;
Biochem J. 2006, 394(Pt 3):527-43.
Skládání proteinu (protein folding)
po syntéze proteinu musí dojít k jeho složení do správné trojrozměrné
struktury; informace pro správné složení je obsažena v primární struktuře
(sekvenci AA);
dochází k vytvoření kompaktní struktury – protein prostřednictvím
nekovalentních interakcí zaujímá konformaci minimalizující volnou energii;
ve vodném prostředí jsou hydrofóbní AA soustředěny uvnitř proteinu,
zatímco polární AA v blízkosti povrchu, kde vytvářejí vodíkové můstky s
vodou, dalšími molekulami, nebo uvnitř – vzájemné vazby AA;
Molecular Biology of the Cell. 4th edition.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al.
New York: Garland Science; 2002.
Skládání proteinu (protein folding)
ke skládání proteinu může dojít různým způsobem – nejjednodušší je
varianta, kdy dochází ke skládání proteinu již v průběhu translace;
to nemusí být finální struktura – vzniká forma označovaná jako „molten
globule“ ve které probíhají další drobné přestavby a přizpůsobování struktury
– relativně pomalý proces;
Molekulární chaperony
většina proteinů využívá ke správnému složení specializované proteiny –
molekulární chaperony; umožňují správné sbalení proteinu – bez nich by
mohly vznikat potenciálně nebezpečné struktury a agregáty;
chaperony rozpoznávají a vážou se na hydrofobní povrchy proteinů –
umožňují správné složení, mohou rozpoznávat nesprávně složené proteiny,
nebo mohou proteiny stabilizovat v určité konformaci (např. inaktivní
receptory apod.);
největší skupina – heat-shock proteins (hsp) – proteiny teplotního šoku
(jejich hladina v buňce prudce narůstá při zvýšené teplotě);
hsp60 a hsp70 – hlavní rodiny – různé typy v jednotlivých organelách –
specializované hsp60 a hsp70 např. v mitochondriích, BiP (speciální hsp70 v
ER);
obě skupiny se liší mechanismem svého působení – obě skupiny mají
společné vlastnosti vysokou afinitu k hydrofobním úsekům (hydrophobic
patches) proteinů, využívají hydrolýzu ATP k vazbě a uvolnění proteinu;
vedle těchto proteinů je v buňkách i velké množství dalších specializovaných
chaperonů;
hsp70
působí velmi brzy – často je protein ještě navázaný na ribozóm;
monomery hsp 70 se vážou na krátké (4-5 AA) úseky a využívají energii ATP
k nasměrování správného složení proteinu;
hsp60 (chaperoniny)
působí později – po uvolnění z ribozómu; protein je zachycen
prostřednictvím hydrofobních interakcí (během první vazby často dochází k
rozbalení proteinu) – přenesen dovnitř (hydrofilní povrch) a uzavřen víčkem
(uzavření využívá ATP) – po dobu cca 10 s je mu umožněno znovu se složit;
poté dojde znovu s využitím ATP k uvolnění víčka a proteinu;
hsp60 je v buňce přítomen v různých formách – jako hsp60 v mitochondriích,
TCP1 v cytosolu;
Post-translační modifikace
vedle správného složení proteinu mají zásadní
význam pro jeho další osud a funkci také posttranslační
modifikace;
zásadním způsobem ovlivní vlastnosti AA a
tedy i strukturu proteinu;
buněčná signalizace;
Post-translační modifikace
hlavní typy – fosforylace (Ser, Thr, Tyr),
methylace (Lys), acetylace (Lys), palmitoylace
(Cys), N-acetylglukosamin (Ser, Thr), ubikvitin
(Lys);
mnoho dalších;
řada proteinů může být modifikována na mnoha
místech – velmi přesná regulace;
Přesun proteinů do cílového místa (organely)
buněčné organely představují oddělené kompartmenty do kterých jsou proteiny
transportovány 3 základními mechanismy:
- „gated transport“ – jaderný pór;
- prostřednictvím translokace proteinů – specifické proteinové translokátory – např. do
mitochondrií, ER;
- vezikulární transport;
- každý protein obsahuje „sorting signal“ rozpoznávaný specifickými receptory;
Transport proteinů do mitochondrií
mitochondriální proteiny kódované jadernou mRNA jsou tvořeny na cytosolových
ribozomech– transport do specifického mit. subkompartmentu; kompartmentalizace
mitochondrií hraje významnou roli v jejich funkci - vnější membrána vybavená
poriny je volně propustná pro malé molekuly (malé metabolity – např. součást
citrátového cyklu), zatímco matrix je oddělena vnitřní membránou, která umožňuje
přenos malých molekul a iontů pouze pomocí specializovaných membránových
transportérů – tvorba elektrochemického gradientu a potenciálu);
signální sekvence – na N-konci (po přechodu do mitochondriií je odstraněna signální
peptidázou) nebo uvnitř sekvence;
Transport proteinů do mitochondrií
mitochondriální proteiny kódované jadernou mRNA nejsou skládány do finální
konformace, ale zůstávají nesložené (navázané na hsp70 či specializované proteiny
vázané na sign. sekvenci);
vážou se na receptory pro import (součást komplexu TOM)– protein poté přechází do
translokačního kanálu; TOM a TIM komplexy mohu přenášet protein současně až do
mit. matrix, ale ten může také interagovat s dalšími proteiny a začlenit se do vnější nebo
vnitřní mit. membrány;
Transport proteinů do mitochondrií
transport vyžaduje energii – štěpení ATP – pro uvolnění chaperonů; gradient
umožňuje přenos pozitivně nabité signální sekvence do matrix;
na vnitřní straně vnitřní membrány – mitochondriální hsp70 – s využitím energie váže
a uvolní nesložený protein – ten následně interaguje s mitochondriálním hsp60 – je
složen do finální podoby;
Začlenění proteinů do vnější a vnitřní mit. membrány
do vnější mit. membrány jsou proteiny začleněny prostřednictvím struktur α-helixů
nebo (poriny – proteiny umožňující přechod malých molekul) působením
specializovaných chaperonů v mezimembránovém prostoru a pomocí komplexu SAM;
pro proteiny určené pro mezimembránový prostor nebo vnitřní membránu existuje řada
mechanismů:
Transport proteinů do peroxizómů
peroxizomální proteiny jsou většinou syntetizovány na cytosolových polyzómech;
specifická sekvence – Ser-Leu-Lys – PTS1 - na C-konci peroxizomálních proteinů
(rozpoznávána Pex5) sekvence PTS2 na N-konci (rozpoznávána Pex7);
rozpoznávány specifickými cytosolovými receptory – následný import je umožněn
peroxiny – vytvářejí velký komplex umožňující transport složených proteinů;
cytosolový Pex5 funguje jako cytosolový receptor – po transporu peroxizomálního
proteinu je uvolněn zpět do cytoplazmy (pomocí hydrolýzy);
menší část peroxizomálních proteinů je importována i z ER;
Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 2002, 3:
382-389
Transport proteinů do endoplazmatického retikula (ER)
první signální sekvence určující lokalizaci proteinů byly popsány u ER;
ER přijímá proteiny již v průběhu jejich syntézy– jejich další osud záleží na typu
proteinu – membránový vs. solubilní;
membránové proteiny jsou ihned začleněny do membrány ER, zatímco solubilní proteiny
jsou translokovány do lumen ER;
ER signaling sequence je rozpoznána komplexem „signal-recognition particle“ (SRP)
– rozeznává ribozóm syntetizující protein – naváže se na ribozóm, zastaví translaci
po navázání na signální sekvenci dojde k odhalení vazebného místa pro SRP receptor na
membráně ER, připojení proteinového translokátoru a postupnému přenosu rostoucího
polypeptidového řetězce do ER;
Transport proteinů do ER
existence dvou
různých populací
ribozómů:
cytosolových a
membránových;
translokace
proteinů do
mitochondrií a
peroxizómů
probíhá post-
translačně;
translokace do ER
ko-translačně;
některé proteiny
mohou být do ER
transportovány až
po skončení
translace;
Transport proteinů do ER
některé proteiny mohou být do ER transportovány až po skončení translace– na
vnitřní straně membrány ER působí specifický hsp70 protein – BiP (binding
protein) – ten s využitím štěpení ATP střídavě váže a uvolňuje protein – podobně
jako mitochondriální hsp70;
Transport membránových proteinů do ER
interakce signálního peptidu s komplexem Sec61 udržuje pór otevřený; u solubilních
proteinů dojede po jeho odštěpení k uzavření póru a uvolnění proteinu do lumen;
u membránových proteinů – hydrofobní stop-transfer
signál - inkorporuje protein do membrány;
Transport membránových proteinů do ER
Transport tail-anchored proteinů do ER
některé proteiny jsou připojeny do membrány ER jen koncovou kotvou – tail anchor
(např. řada proteinů řídících vezikulární transport);
tato sekvence je příliš krátká na to aby ji mohla rozeznat SRP (zůstává uvnitř
ribozómu v okamžiku ukončení translace) – tzv. „pre-targeting complex“ zachytí
hydrofobní C-konec a s využitím specifické ATP-ázy jej začlení do membrány ER;
transport podobných proteinů do mitochondrií a peroxizómů není jasný;
Syntéza glykosyfosfatidylinositolové (GPI) kotvy
řada proteinů plazmatické membrány je k ní připojena prostřednictvím GPI kotvy;
její syntéza probíhá v ER;
tyto proteiny jsou uvolňovány z membrány specifickými fosfolipázami;
GPI není jediná forma post-translační modifikace
umožňující připojení k membráně
další proteiny plazmatické membrány k ní mohou být
připojeny na vnitřní straně prostřednictvím specifických
lipidních modifikací;
tyto reakce jsou katalyzovány cytosolovými enzymy - např.
cca 0.5–0.8% všech proteinů mají připojen N-myristoyl –
katalyzováno enzymem N-myristoyltransferázou;
typicky tato úprava probíhá už na ribozomech, co-
translačně;
Skládání a glykosylace proteinů v ER
proteiny translokované do ER jsou dvojího
typu – rezidentní (vlastní proteiny ER) a
proteiny transportované do dalších
organel;
rezidentní – „ER retention signal“ – 4 AA na C-
konci;
patří mezi ně BiP – rezidentní chaperon
hsp70, PDI (protein disulfide isomerase) –
katalyzuje tvorbu –S-S- můstků mezi dvěma
Cys;
proteiny jsou v ER také glykosylovány –
vazba oligosacharidů – oligosacharyl
transferáza (enzym asociovaný s
translokátorem proteinů) – asi 50% proteinů
(směřují do GA, lysozómů, plazm. membrány
nebo jsou exkretovány) – glykoproteiny; Nlinked
(asparagine-linked);
kompletní oligosacharid je na vnitřní straně
ER membrány ukotvený lipidní molekulou –
dolichol – poměrně složitý proces;
jednotlivé sacharidy jsou poté postupně
štěpeny v ER a GA;
O-glykosylace; vazba jednotlivých N-
acetylglukosaminů;
Skládání a glykosylace proteinů v ER
vedle dalších funkcí souvisí glykosylace i se skládáním proteinů v ER; jsou zde přítomné
specifické chaperony rozpoznávající oligosacharidy – např. kalnexin, kalretikulin; vážou
ještě nesložené proteiny a brání jejich agregaci – podporují jejich vazbu na specifické
chaperony rozpoznávající volné –SH skupiny;
kalnexin se váže na N-linked oligosacharidy s 1 koncovou glukózou – po jejím odštěpení
protein uvolní a ten může opustit ER; neúplně složené proteiny jsou označeny glukózou –
reakce katalyzovaná glukosyl transferázou;
řada proteinů (někdy až 80% molekul příslušného proteinu) není složená správně nebo
nevytváří příslušný oligomer – tyto proteiny jsou retrotranslokovány do cytoplazmy a
degradovány proteazómem; složitý proces – nutné rozeznat meziformy od nesprávně
složených proteinů;
Unfolded protein response
buňky mají možnost citlivě reagovat na nadbytek nesprávně složených proteinů;
nadměrné množství nesprávně složených proteinů vyvolá „unfolded protein response“
(UPR) – stimulace transkripce genů kódujících chaperony ER, proteiny umožňující
retrotranslokaci proteinů a jejich degradaci a obecně proteinů, které umožní zvýšit kapacitu
procesů skládání proteinů v ER;
aktivace UPR také zpomalí translaci (inhibice iniciačních faktorů);
Transport proteinů v rámci vezikulárního transportu
transport proteinů mezi ER a dalšími organelami je součástí sekrečních a
endocytických drah v buňce, které slouží k transportu proteinů, cukrů a lipidů na
plazmatickou membránu a exkreci či zachycení membránových komponent a
zachycení významných složek výživy – cholesterol, železo, vitamíny a další;
Transport proteinů v rámci vezikulárního transportu
transport vezikulů závisí na jejich tvorbě a složení:
- vezikuly – „clathrin-coated“ vezikuly – přenášejí materiál z plazmatické membrány a
mezi endozómy a GA;
- „COP (coat protein complex) I-coated“ vezikuly – vznikají z GA a „COPII-coated“ z
ER;
Transport proteinů v rámci vezikulárního transportu
vznik vezikulu je vícestupňový proces:
COPII-coated vezikuly
zásadní pro transport proteinů z ER do GA a dále; vznikají ve specializovaných
oblastech ER – „ER exit sites“;
do těchto vezikulů jsou proteiny zařazovány prostřednictvím interakcí se specifickými
receptory – membránové proteiny se vážou přímo (prostřednictvím exit signálu) na
adaptérové proteiny, které jsou součástí COPII, solubilní proteiny se vážou na
transmembránové kargo receptory;
struktura těchto receptorů není příliš dobře známa;
transport z ER je umožněn pouze
správně složeným a asociovaným
proteinům – úloha chaperonů (BiP,
kalnexin);
velice striktní kontrola;
Transport z ER – vesicular tubular clusters
po uvolnění z ER jednotlivé vezikuly ztrácejí coating – fůzují (prostřednictvím
SNARE proteinů) a vytvářejí klastry vezikulů a válců; připojeny na mikrotubuly –
transport do GA;
zároveň vytvářejí COPI-coated vezikuly – zpětný transport rezidentních ER
proteinů, kargo receptorů, SNARE proteinů apod. – zpětný transport pokračuje i z GA,
po „doručení zásilky“;
Transport z ER – vesicular tubular clusters
v GA probíhá série úprav proteinů – odbourávání a připojování specifických
oligosacharidů;
sorting – třídění- proteinů do dalších organel;
Golgiho aparát – modifikace oligosacharidy a další
transport
v GA probíhá série úprav proteinů – odbourávání a připojování specifických
oligosacharidů – 2 hlavní typy modifikací;
původní N-linked oligosacharid byl zkrácen v ER – v GA přidány nové sacharidy
(komplexní oligosacharidy) nebo ne (oligosacharid s vysokým obsahem manózy);
Golgiho aparát – modifikace oligosacharidy a další
transport
Golgiho aparát – modifikace oligosacharidy a další
transport
vedle těchto modifikací i další – k OH skupinám Ser a Thr (nebo hydroxylovaným Pro
a Lys reziduím) – O-linked glykosylace;
tvorba proteoglykanů;
Transport GA – 2 teorie
zrání cisteren vs. vezikulární transport; oba mechanismy se pravděpodobně
doplňují;
Třídění proteinů v GA
3 základní dráhy – do lysozómů, konstitutivní sekreční dráha a
regulovaná sekreční dráha;
Transport do lysozómů
proteiny opouštějí trans-Golgi síť a putují dále do endozómů -
lysozómů;
označeny M6P;
některé lysozomální hydrolázy mohou uniknout do
extracelulárního prostoru – mohou být zachyceny M6P receptory
na povrchu buňky;
Konstitutivní sekreční dráha (default pathway)
všechny proteiny z GA (s výjimkou proteinů vrácených do ER, transportovaných do
lysozómů, rezidentních proteinů GA, nebo proteinů určených pro regulovanou sekreci)
jsou transportovány touto dráhou na plazmatickou membránu;
Tvorba sekrečních vezikulů
dochází k selektivní agregaci a zakoncentrování vylučovaných proteinů, recyklaci
membrány a acidifikaci obsahu;
Regulovaná sekreční dráha
sekreční vezikuly jsou často
uskladněny v blízkosti
membrány – k fúzi s
membránou a uvolnění
obsahu dochází rozpoznáním
specifického signálu – př.
peptidové neurotransmitery
transportované do zakončení
axonu; neurosekreční buňky,
apod.;
Front. Endocrinol. 2013, 4:96. doi: 10.3389/fendo.2013.00096
Polarizované buňky – proteiny směřují do specifických
membránových domén
membránové proteiny jsou transportovány do apikální nebo bazolaterální membrány
různými mechanismy;
Studium transportu – specifické inhibitory
pro studium funkce transportu můžeme využít specifické inhibitory – např. brefeldin A –
blokuje transport z ER do GA prostřednictvím nepřímé inhibice; vede ke zhroucení GA
do ER a zablokování dalšího transportu; inhibuje Arf1-guanine nucleotide exchange
factor (GEF);
inhibitory acyl-CoA:cholesterolacyltransferázy – blokují tvorbu COPII vezikulů, stimulují
retrotransport z GA do ER;
monensin – narušuje strukturu GA a inhibuje vezikulární transport;
využití nejen ve výzkumu ale i např. v protinádorové terapii;
Degradace proteinů – 2 základní dráhy –
proteazómy vs. lysozómy
štěpení proteinů – součást kontroly kvality, odbourávání nadbytečných proteinů,
regulační mechanismus – aktivace vs. inaktivace; životnost většiny proteinů – 1 – 2
dny, ale některé jsou degradovány velmi rychle (hodiny), zatímco jiné mohou přežívat
> půl roku - rok (histony, proteiny jaderných pórů);
specializované proteázy vs. kompletní degradace peptidů/proteinů a recyklace AA;
úplná degradace proteinů se odehrává v proteazómech a lysozómech;
proteazóm – velmi abundantní buněčná proteáza – může tvořit až 1% celkového
proteinu v buňce;
Milo et al., Cell Biology by the Numbers,
New York, Garland Science, 2016
Proteazóm
v jádře i cytoplazmě; je také součástí systému, který umožňuje degradaci nesprávně
složených proteinů po jejich exportu z ER;
rozpoznává polyubikvitinované proteiny;
ubikvitinace umožňuje velmi přesnou regulaci
degradace proteinů;
skládá se z centrálního válce (aktivní proteázy) a
na jeho konci jsou umístěny komplexy proteinů
(unfoldase ring – AAA proteiny) umožňující
rozbalení proteinu (spotřeba ATP) dojde k jeho
nasměrování jako řetězce do dutiny válce, kde je
štěpen na velmi krátké peptidy;
Ubikvitinace – regulace degradace proteinů
polyubikvitinace je součástí typu
modifikací připojujících jednoduchý
peptid – ubikvitin – ke struktuře proteinů
(i další - SUMO, NEDD);
charakter ubikvitinace určuje osud
proteinu;
Polyubikvitinace – regulace degradace proteinů
ubikvitinace zahrnuje několik kroků - vazba ubikvitinu na Cys v E1 proteinu (enzym
aktivující ubikvitin)– jeho následný přenos na E2 (enzym konjugující ubikvitin), který
vytvoří komplex s ubikvitin ligázou (E3) – v savčích buňkách existuje několik set
různých typů těchto komplexů – navázání ubikvitinu na strukturu proteinu;
Proteazóm slouží nejen k degradaci nesprávně
složených či poškozených proteinů
specifická regulace řady
proteinů s velmi krátkým
poločasem života –
regulační úloha;
příklad – cykliny – APC
komplex;
ubikvitinace je
kontrolována buď
kontrolou aktivity
komplexů ubikvitin ligáz
nebo změnou struktury
proteinu určeného k
degradaci;
cca 80% proteinů nese
potenciální degradační
signál – acetylace Nkonce
– předpokládá se,
že u stárnoucích či
poškozených proteinů
dojde k odhalení tohoto
signálu – následuje jeho
degradace;
Recyklace proteinů vs. jejich degradace v lysozómech
endocytóza a lysozómy regulují hladinu povrchových membránových proteinů;
proces regulovaný ubikvitinací – monoubikvitinace nebo multiubikvitinace – v
endozómu poté proteiny, které jsou součástí ESCRT – endosome sorting complex
required for transport – rozpoznají ubikvitinované proteiny a zablokují jejich recyklaci
na membránu – degradace;
endozómy tedy hrají důležitou roli v signální
transdukci a kontrole buněčného metabolismu –
umožňují např. kontrolovat buňkám příjem glukózy
prostřednictvím sekvestrace glukózových transportérů v
recyklujících endozómech nebo kontrolovat hladinu
povrchových receptorů, např. některých receptorových
tyrozin kináz;
Autofagie
proces degradace buněčného materiálu v lysozómech je také označován
jako autofagie;
termín zavedl objevitel lysozómů a peroxizómů, a nositel Nobelovy ceny za
fyziologii a lékařství za rok 1974, Christian de Duve, již v 60. letech – dlouhou
dobu však tento buněčný proces nevzbuzoval velkou pozornost; teprve
Yoshinuri Ohsumi (Nobelova cena 2016) identifikoval první tzv. „autophagyrelated
genes (ATGs) – prudký rozvoj výzkumu v posledních letech;
buňky degradují nejen endogenní membránové proteiny pohlcené
endocytózou ale i další vnitřní buněčné struktury v průběhu autofagie;
buňky využívají mechanismus autofagie k odstraňování proteinů i organel – v
průběhu růstu, diferenciace i v reakci na stres;
autofagie může být nespecifická (neselektivní) – např. při hladovění, ale
může sloužit i ke specifické selektivní degradaci určitých organel nebo
pravděpodobně i proteinových komplexů;
autofagie hraje důležitou obrannou roli v udržování homeostázy
buněčného prostředí - narušení kontroly autofagie je spojeno s rozvojem
onemocnění (nádory, onemocnění imunitního systému, neurodegenerativní
poruchy, či obecně proces stárnutí);
Proces autofagie
Nature Rev Mol
Cell Biol, 2018, 19:
349-364
proces autofagie zahrnuje:
tvorbu fagoforu ve specifické oblasti ER, tzv. omegazómu (vysoký obsah PI3P); dojde k
navázání organel/proteinů, které budou degradovány prostřednictvím autofagie;
buněčné membrány poté přispívají k elongaci autofagozómu, který je posléze uzavřen; po
odstranění ATG proteinů (zrání autofagozómu) dojde k jeho fúzi s lysozómem a degradaci
pohlceného materiálu kyselými hydrolázami.
Otázky k zamyšlení:
Jaká je struktura eukaryotického ribozómu, jak
probíhají základní kroky translace?
Jak probíhá proces skládání proteinů, jaká je při něm
úloha tzv. chaperonů?
Jaké jsou typické post-translační modifikace proteinů
a jakou mohou hrát roli v jejich funkci?
Jak je kontrolován přesun proteinů do cílových
organel?
Jakým způsobem jsou transportovány proteiny do
mitochondrií?
Jak probíhá transport proteinů do endoplazmatického
retikula a jak mohou být začleněny do membrány?
K zamyšlení:
Jak probíhá skládáni a glykosylace proteinů v
endoplazmatickém retikulu?
Jaká je úloha Golgiho aparátu v glykosylaci a
transportu proteinů?
Jaké jsou rozdíly mezi konstitutivní a regulovanou
sekreční dráhou?
Jak probíhá degradace proteinů v proteazómech a
lysozómech; jakou roli hraje ubikvitinace?
Úloha endozómů v signalizaci?
Co to je autofagie?
Příští přednáška:
BUNĚČNÝ METABOLISMUS
základní dráhy energetického metabolismu buňky a
dynamická podstata jejich regulací – glykolýza,
citrátový cyklus a oxidativní fosforylace, pentózový
cyklus, glukoneogeneze,
mitochondriální metabolismus a jeho regulace na
úrovni buňky a mitochondrií; struktura a dynamika
mitochondrií;
zásoby energie - syntéza a degradace glykogenu,
syntéza a degradace mastných kyselin v kontextu
živočišné buňky;
metabolické dráhy ve specializovaných buněčných
typech a v patologii;