Окислительное сворачивание

Окислительное сворачивание белков — процесс, ответственный за образование дисульфидных связей между цистеина остатками в белках . Движущей силой этого процесса является окислительно-восстановительная реакция , в которой электроны проходят между несколькими белками и, наконец, к терминальному акцептору электронов .

У прокариот

У прокариот механизм окислительного сворачивания лучше всего изучен у грамотрицательных бактерий . Этот процесс катализируется белковым механизмом, находящимся в периплазматическом пространстве бактерий. Образование дисульфидных связей в белке становится возможным благодаря двум взаимосвязанным путям: окислительному пути, который отвечает за образование дисульфидов, и пути изомеризации, который перетасовывает неправильно образовавшиеся дисульфиды.

Окислительный путь

Окислительный путь, как и путь изомеризации, основан на белковой эстафете. Первым членом этого белкового реле является небольшой периплазматический белок (21 кДа), называемый DsbA , который имеет два остатка цистеина, которые должны быть окислены, чтобы он стал активным. В окисленном состоянии белок способен образовывать дисульфидные связи между остатками цистеина во вновь синтезированных, но еще не свернутых белках путем переноса своей собственной дисульфидной связи на сворачивающийся белок. После переноса этой дисульфидной связи DsbA находится в восстановленном состоянии. Чтобы он снова начал действовать каталитически, его необходимо повторно окислить. Это становится возможным благодаря белку внутренней мембраны массой 21 кДа , называемому DsbB , который имеет две пары остатков цистеина. Смешанный дисульфид образуется между цистеиновым остатком DsbB и одним из остатков DsbA. В конце концов, эта поперечная связь между двумя белками разрушается в результате нуклеофильной атаки второго остатка цистеина в активном сайте DsbA . В свою очередь, DsbB повторно окисляется путем переноса электронов на окисленные убихинон , который передает их цитохромоксидазам , которые в конечном итоге восстанавливают кислород ; это в аэробных условиях. Поскольку молекулярный кислород служит терминальным акцептором электронов в аэробных условиях, окислительное сворачивание удобно связывать с ним через дыхательную цепь . Однако в анаэробных условиях DsbB передает свои электроны менахинону с последующей передачей электронов фумаратредуктазе или нитратредуктазе .

Путь изомеризации

Особенно важно для белков, содержащих более одной дисульфидной связи, важно, чтобы неправильные дисульфидные связи перестраивались. Это осуществляется путем изомеризации с помощью белка DsbC, который действует как дисульфид- изомераза . DsbC представляет собой димер , состоящий из двух идентичных субъединиц массой 23 кДа и имеющий четыре остатка цистеина в каждой субъединице. Один из этих цистеинов (Cys-98) атакует неправильный дисульфид в неправильно свернутом белке, и между DsbC и этим белком образуется смешанный дисульфид. Затем атака второго остатка цистеина приводит к образованию более стабильного дисульфида в рефолдированном белке. Это может быть остаток цистеина либо из ранее неправильно свернутого белка, либо из DsbC. В последнем случае DsbC окисляется и должен быть восстановлен, чтобы играть еще одну каталитическую роль. Существует также вторая изомераза, которая может реорганизовать неправильные дисульфидные связи. Этот белок называется DsbG и также представляет собой димер, служащий шапероном . Чтобы выполнять свою роль изомеразы, DsbC и DsbG должны находиться в восстановленном состоянии. Это осуществляется с помощью DsbD, который необходимо уменьшить, чтобы он стал функциональным. Тиоредоксин, который сам восстанавливается тиоредоксинредуктаза и НАДФН обеспечивают восстановление белка DsbD.

Поскольку эти два пути сосуществуют рядом друг с другом в одном и том же периплазматическом компартменте, должен существовать механизм предотвращения окисления DsbC с помощью DsbB. Этот механизм действительно существует, поскольку DsbB может различать DsbA и DsbC, поскольку последний обладает способностью димеризоваться.

У эукариотов

Очень похожий путь прослеживается у эукариот , у которых белковая передача состоит из белков со свойствами, очень аналогичными свойствам белковой передачи у грамотрицательных бактерий. Однако основное различие между прокариотами и эукариотами заключается в том, что процесс окислительного сворачивания белков происходит в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР) у эукариот. Второе отличие состоит в том, что у эукариот использование молекулярного кислорода в качестве терминального акцептора электронов не связано с процессом окислительного сворачивания через дыхательную цепь, как это происходит у бактерий. Фактически, один из белков, участвующих в процессе окислительного сворачивания, использует флавин -зависимую реакцию для передачи электронов непосредственно молекулярному кислороду.

Гомолог . DsbA, называемый протеиндисульфидизомеразой (PDI), отвечает за образование дисульфидных связей в развернутых эукариотических белках Этот белок имеет два тиоредоксин-подобных активных центра, оба из которых содержат по два остатка цистеина. Перенос дисульфидной связи между этими двумя остатками цистеина на сворачивающийся белок отвечает за его окисление. В отличие от бактерий, у которых пути окислительного и изомеризации осуществляются разными белками, ПДИ отвечает также за восстановление и изомеризацию дисульфидных связей. Чтобы PDI катализировал образование дисульфидных связей в развернутых белках, он должен быть повторно окислен. Это осуществляется с помощью белка, ассоциированного с мембраной ЭР, Ero1p, который не является гомологом DsbB. Этот белок Ero1p образует смешанный дисульфид с PDI, который расщепляется за счет нуклеофильной атаки второго остатка цистеина в одном из активных центров PDI. В результате получается окисленный PDI. Сам Ero1p окисляется путем передачи электронов молекулярному кислороду. Поскольку это FAD -связывающий белок, этот перенос электронов сильно предпочтителен, когда Ero1p связан с FAD. Также у эукариот описана транспортная система, которая импортирует FAD в просвет ЭР. Кроме того, было показано, что способность восстанавливать или перестраивать неправильные дисульфидные связи в неправильно свернутых белках обеспечивается окислением восстановленного глутатиона (GSH) в окисленный глутатион (GSSG).

АФК и заболевания

Из-за свойства Ero1p переносить электроны непосредственно к молекулярному кислороду посредством флавин-зависимой реакции, его активность может привести к образованию активных форм кислорода (АФК). У бактерий эта проблема решается путем связывания окислительного сворачивания с дыхательной цепью. Там восстановление молекулярного кислорода до воды осуществляется сложным рядом белков, которые очень эффективно катализируют эту реакцию. У эукариот дыхательная цепь отделена от окислительной складки, поскольку клеточное дыхание происходит в митохондриях , а образование дисульфидных связей происходит в ЭПР. Из-за этого существует гораздо больший риск образования АФК в эукариотических клетках во время окислительного сворачивания. Как известно, эти АФК могут вызывать многие заболевания, такие как атеросклероз и некоторые нейродегенеративные заболевания .

Примеры

Классическими примерами белков, в которых хорошо изучен процесс окислительного сворачивания, являются ингибитор бычьего панкреатического трипсина ( BPTI ) и рибонуклеаза А (РНКазаА). Эти два белка имеют множество дисульфидных связей, поэтому их очень полезно отслеживать и понимать процесс окислительного сворачивания. Другим примером является щелочная фосфатаза , которая содержит два незаменимых дисульфида. Его использовали в качестве индикаторного белка для скрининга эффекта мутаций в DsbA.

Ссылки

Жан-Франсуа Колле и Джеймс К.А. Бардуэлл (2002). Окислительное сворачивание белков у бактерий. Молекулярная микробиология 44 , 1-8
Бенджамин П. Ту и Джонатан С. Вайсман. (2004). Окислительное сворачивание белков у эукариот: механизмы и последствия. Журнал клеточной биологии 164 , 341-346.
Бенджамин П. Ту, Сью К. Хо-Шлейер, Кевин Дж. Трэверс, Джонатан С. Вайсман. (2000). Биохимические основы окислительного сворачивания в эндоплазматической сети. Наука 290 , 1571-1574 гг.
Мартин Бэдер, Уилсон Мьюз, Дэвид П. Баллоу, Кристиан Гасснер и Джеймс К.А. Бардуэлл (1999). Окислительное сворачивание белка управляется системой транспорта электронов. Ячейка 98 , 217-227
Лоуренс К. Лоу, Ханг-Чхоль Шин и Гарольд А. Шерага. (2002). Окислительное сворачивание бычьей панкреатической рибонуклеазы А: понимание общего катализа пути рефолдинга фосфатом. Журнал химии белка 21 , 19-27.