PROTEIINIEN MUOKKAUS JA KULJETUS 1.1 Endoplasmakalvosto Endoplasmakalvosto on organelli joka sijaitsee tumakalvossa kiinni. Se on topologisesti siis yhtä tumakotelon kanssa. Se koostuu kahdesta osasta: karkeasta (rough) ja sileästä (smooth) endoplasmakalvostosta. Kaikkien eritettävien proteiinien synteesi tapahtuu karkeassa endoplasmakalvostossa ja sileässä endoplasmakalvostossa syntetisoituu lipidejä ja tapahtuu eräitä aineenvaihdunnan osia. Karkea endoplasmakalvosto on siis joukko onteloita ja pusseja joiden pinnalla on suuri määrä ribosomeja jotka hoitavat solun proteiinisynteesin. Sileä endoplasmakalvosto taasen ei sisällä ribosomeja ja on kauempana tumasta. 1.2 Golgin laite Golgin laite on sarja kalvojen ympäröimiä, pinoiksi asettuneita, litteitä, muodoltaan säkkimäisiä rakkuloita. Cis-puoli on vastakkain endoplasmakalvoston kanssa ja lähempänä tumaa ja vastakkainen trans-puoli taasen on lähempänä solukalvoa. Endoplasmakalvostosta kuroutuu rakkuloita jotka yhtyvät Golgin laitteen cis-puolen kalvostoon ja proteiinit kulkevat sitten Golgin laitteen läpi. Golgin laitteen eri osissa proteiineja muokataan ja ne saavat hiilihydraatti-osia jotka toimivat proteiinin "osoitelappuna" proteiinin lähtiessä Golgin laitteen trans-puolelta kuljetusrakkulassa.
2. Laskostuminen Laskostuminen eli proteiinin muodon nopea muuttuminen suorasta polypeptidiketjusta kolmiulotteiseksi minimienergia-muodoksi riippuu pohjimmiltaan vain polypeptidiketjun aminohappo-järjestyksestä (primäärirakenne). Tämä tarkoittaa sitä että polypeptidi-ketjun hydrofobiset osat saadaan vedeltä "suojaan" ja hydrofiiliset osat taasen veden kanssa kontaktiin. Lisäksi aminohappojen välille muodostuu vety-, van der Waals sekä rikki-sidoksia jotka stabiloivat rakennetta. Näin muodostuvat sekundääri-rakenteet kuten a- ja ß-laskokset. Tertiäärirakenne tarkoittaa proteiinin koko kolmiulotteista muotoa, jonka siis primäärirakenne määrää vielä toistaiseksi tuntemattomalla tavalla. Kuitenkin myös ympäristön olosuhteet vaikuttavat laskostumiseen, proteiini voi myös laskostua toimintansa kannalta väärin
(eli muotoon jossa se ei toimi oikealla tavalla). Laskostuminen voi tapahtua osa kerrallaan, jolloin osittain oikein laskostuneet osat mahdollistavat jonkun toisen osan laskostumisen oikein. Lisäksi apuna ovat kaksi isomeraasireaktioita katalysoivaa entsyymiä PDI ja PPI (proteiini disulfidi isomeraasi ja peptidi propyyli cis-trans isomeraasi). Lisäksi on vielä olemassa ryhmä avustajaproteiineja, kaperoneja (eng. chaperon eli esiliina, chaperoni lienee useimmiten käytetty anglismi) jotka siis avustavat laskostumista. Kaperonit auttavat proteiineja laskostumaan mm. tarjoamalla sisällään suojaisan ympäristön laskostua, estämällä väärin laskostuneita proteiineja aggregoitumasta sekä estämällä proteiineja laskostumasta ennen kuin ne ovat tietyssä organellissa. Lisäksi HSP-luokan (Heat Shock Proteins) kaperonit estävät proteiineja denaturoitumasta solun lämpötilan noustessa ja niiden proteiinisynteesi kiihtyykin lämpötilan noustessa. 3. Proteiinien kuljetus ja muokkaus Proteiinien kuljetus eri puolille solua organelleihin tai ulos solusta on monivaiheinen prosessi. Lähes kaikki proteiinit syntetisoidaan soluliman ribosomeissa ja kuljetetaan sieltä lopullisiin kohteisiinsa. Kuljetusprosessin mekanismi riippuu siitä, mihin proteiini on matkalla. Niillä proteiineilla, joiden kohde on plasmamembraani tai lysosomi tai niiden on tarkoitus erittyä ulos solusta, on kuljetusprosessin ensimmäiset vaiheet samanlaisia. Ne proteiinit, joiden kohde on joko mitokondriot tai viherhiukkaset, noudattavat samanlaista mekanismia. Lisäksi tumaproteiineilla on vielä oma kuljetusmekanisminsa sekä tietysti proteiinit, joita tarvitaan solulimassa, jäävät siis sinne, missä ne on syntetisoitu. 3.1 Signaalisekvenssi Signaalisekvenssi on lyhyt aminohapposekvenssi, joka ohjaa proteiinin oikeaan paikkaan. Kun proteiinisynteesi alkaa, signaalisekvenssi syntetisoidaan heti aluksi, koska se sijaitsee yleensä aina polypeptidiketjun aminopäässä. Ainoastaan tumaproteiineilla signaalisekvenssi voi olla myös polypeptidiketjun keskellä ja niin se yleensä onkin. Signaalisekvenssi poistetaan yleensä jo kuljetusprosessin aikana tai sen jälkeen, kun proteiini on saapunut määränpäähänsä. Tässä poikkeuksena on taas tumaproteiinit, joiden signaalisekvenssiä ei poisteta ollenkaan. Signaalisekvenssi on siis erittäin tärkeä osa proteiinien kuljetusmekanismia. 3.2 Proteiinit ulos solusta, plasmamembraaniin tai lysosomeihin Proteiinien, jotka erittyvät ulos solusta tai päätyvät plasmamembraaniin tai lysosomiin, muokkaus alkaa endoplasmisesta kalvostosta (eng. endoplasmic reticulum, ER). Nämä proteiinit syntetisoidaan endoplasmisen kalvoston pinnalla olevissa ribosomeissa. Signaalisekvenssi on 13-36 aminohappoa pitkä, mutta kaikilla signaalisekvensseillä on kolme yhteistä ominaisuutta: 1) signaalisekvenssissä on 10-15 hydrofobista aminohappoa 2) aminopäässä, ennen hydrofobista sekvenssiä on yksi tai useampia positiivisesti varattuja aminohappoja 3) karboksyylipäässä, lähellä halkeamiskohtaa on aminohappoja, joilla on lyhyt sivuketju. Kuljetusmekanismi alkaa jo ennen kuin polypeptidiketju on syntetisoitu loppuun (Kuva 1). Ensin muodostuu aloituskompleksi (ribosomi, mrna) ja
proteiinisynteesi alkaa. Kun signaalisekvenssi, joka on polypeptidiketjun aminopäässä, erottuu selkeästi ribosomista, signaalintunnistuspartikkeli (eng. signal recognition particle, SRP) sitoo sekä ribosomin että signaalisekvenssin. Signaalintunnistuspartikkeli sitoo myös GTP:tä ja pysäyttää polypeptidiketjun pidentymisen, kun se on noin 70 aminohappoa pitkä. Sen jälkeen muodostunut kompleksi sitoutuu endoplasmisen kalvoston ulkopinnassa olevaan ribosomireseptoriin ja SRP-reseptoriin. Signaalintunnistuspartikkeli irtoaa kompleksista ja tapahtuu GTP:n hydrolyysi. Proteiinisynteesi jatkuu ja polypeptidi siirtyy endoplasmisen kalvoston lumeniin peptidinsiirtokompleksin (eng. peptide translocation complex) läpi. Endoplasmisen kalvoston lumenissa signaalisekvenssi irtoaa polypeptidiketjusta signaalipeptidaasin (eng. signal peptidase) vaikutuksesta ja valmis polypeptidiketju laskostuu proteiinisynteesin loputtua. Sitten ribosomi irtoaa mrna:sta ja hajoaa. Endoplasmisesta kalvostosta proteiinit siirtyvät vesikkeleissä golginlaitteeseen. Proteiinit tulevat ensin golginlaitteen cis-puolelle, josta ne kulkeutuvat trans-puolelle, jossa ne ensisijaisesti järjestetään ja lähetetään lopullisiin kohteisiinsa, kuten lysosomeihin, plasmamembraaniin tai ulos solusta. Mekanismeja, jotka erottelevat proteiinit kohteidensa perusteella, ei vielä tunneta hyvin, mutta prosessit luultavasti erottelevat proteiineja niiden rakenteellisten ominaisuuksien perusteella. Kuva 1. Polypeptidiketjun kuljetus endoplasmiseen kalvostoon. 3.3 Proteiinit mitokondrioihin ja viherhiukkasiin Proteiineille, joiden kohde on mitokondriot tai viherhiukkaset, kuljetusmekanismi on lähes samankaltainen. Vaikka näissä organelleissa on omaa DNA:ta, suurimman osan niiden proteiineista koodaa kuitenkin tuman DNA ja siksi pitää olla spesifinen kuljetusmekanismi, joka vie proteiinit oikeaan paikkaan. Kun kuljetus alkaa, proteiinit on jo täydellisesti syntetisoitu ja irronnut ribosomista.
3.3.1 Proteiinit mitokondrioihin Kun proteiinin kohde on mitokondrio, niin sen kuljetusmekanismi alkaa (Kuva 2), kun chaperoni sitoo proteiiniprekursorin. Chaperoni on joko Hsp70 (heat shock protein 70) tai MSF (mitochondrial import stimulation factor), joka on spesifinen mitokondrioille. Prekursori viedään Tom-reseptorikompleksiin (Tom = transport across the outer membrane), joka on mitokondrioreseptori. Sen jälkeen prekursori viedään membraanikanavaan, joka koostuu Tom- ja Tim-komplekseista (Tim = transport across the inner membrane). Tom muodostaa kanavan kalvon läpi ja Tim prekursorin mitokondrioon. Siirymiseen tulee energiaa vuorovaikutuksesta mhsp70 proteiinin (mhsp70 = mitochondrial Hsp70) kanssa, johon liittyy ATP:n hydrolyysi ja sisempää kalvoa pitkin on elektrokemiallinen gradientti. Mitokondrion sisällä proteaasi katkaiseen signaalisekvenssin pois polypeptidiketjusta, joka laskostuu. Jos laskostuminen ei tapahdu spontaanisti, chaperonit tulevat avuksi. Joissakin mitokondrioihin tulevien proteiinien signaalisekvensseissä on kuljetuksen pysäyttäviä signaaleja. Kun tämä signaali tunnistetaan prekursorin ollessa membraanikanavassa, kuljetus pysähtyy. Silloin proteiini ei menekään mitokondrion sisään vaan siitä tulee integraalinen membraaniproteiini tai joissakin tapauksissa kalvojen välisen tilan vesiliukoinen proteiini. 3.3.2 Proteiinit viherhiukkasiin Kuva 2. Proteiini mitokondrioon. Proteiinien, joiden kohde on viherhiukkaset, kuljetusmekanismi noudattaa siis samanlaista mekanismia kuin mitokondrioiden tapauksessa. Prekursori kuljetetaan viherhiukkasen ulkopinnassa oleviin reseptoreihin, jotka tunnistavat sen. Sen jälkeen prekursori kuljetetaan membraanikanavan läpi viherhiukkasen sisään, jossa signaalisekvenssi poistetaan ja polypeptidiketju laskostuu.
Kuva 3. Viherhiukkanen Viherhiukkaseen tulevassa polypeptidiketjussa voi olla myös kaksiosainen signaalisekvenssi. Siinä tapauksessa ensimmäinen osa poistetaan stromassa. Sen jälkeen polypeptidiketju kuljetetaan vielä thylakoidiin, jossa toinen osa poistetaan ja polypeptidiketju laskostuu. 3.4 Proteiinit tumaan Proteiinit, joiden kohde on tuma (esim. DNA/RNA polymeraasi, histonit), syntetisoidaan solulimassa ja kuljetetaan tumaan. Tähän kuljetukseen liittyy molekulaarisia signaalisysteemejä sekä kuljetusproteiinisysteemejä, joita edelleen tutkitaan. Tumaproteiinien signaalisekvenssiä (eng. nuclear location sequence, NLS) ei poisteta missään vaiheessa, koska kun solunjakautumisessa tuma hajoaa, niin sen jälkeen proteiinien täytyy löytää takaisin tumaan. Signaalisekvenssi on yleensä keskellä polypeptidiketjua eikä aminopäässä. Kun kuljetus alkaa (Kuva 4), importin alphan ja importin betan muodostama heterodimeeri sitoo tumaproteiinin. Kompleksi siirtyy tumahuokosen kautta sisälle tumaan. Siirtymisen aikana importin beta irtoaa importin alphasta ja tuman sisällä importin alpha eroaa tumaproteiinista. Importin alpha ja importin beta kulkeutuvat sen jälkeen ulos tumasta ja uusi proteiini tumassa on valmis.
Kuva 4. Proteiini tumaan.
Lähteet Berg J.M., Tymoczko J.L., Stryer L. Biochemistry 5th edition (2001) Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry 3rd edition (2000) Heino J., Vuento M. Solubiologia (2002)