Введение
Окислительное свертывание белка - это процесс, который отвечает за образование дисульфидных связей между остатками цистеина в белках. Движущей силой этого процесса является окислительно-восстановительная реакция, в которой электроны проходят между несколькими белками и, наконец, к терминальному приемнику электронов.
У прокариотов
В прокариотах механизм окислительного сгиба лучше всего изучается в грам-отрицательных бактериях. Этот процесс каталитизируется белковым механизмом, находящимся в периплазматическом пространстве бактерий. Формирование дисульфидных связей в белке возможно благодаря двум связанным путям: окислительному пути, который отвечает за образование дисульфидов, и пути изомеризации, который перемешивает неправильно сформированные дисульфиды.
Окислительный путь
Окислительный путь опирается, как и путь изомеризации, на протеиновую ретрансляцию. Первым членом этого протеинового реле является небольшой периплазматический белок (21 кДа), называемый DsbA, который имеет два остатка цистеина, которые должны быть окислены, чтобы быть активным. В окисленном состоянии белок способен образовывать дисульфидные связи между остатками цистеина в недавно синтезированных, но развернутых белках путем передачи собственной дисульфидной связи на складывающийся белок. После переноса дисульфидной связи DsbA находится в уменьшенном состоянии. Чтобы снова действовать каталитически, его нужно реоксидировать. Это возможно благодаря белку внутренней мембраны 21 кДа, называемому DsbB, который имеет две пары остатков цистеина. Смешанный дисульфид образуется между цистеиновым остатком DsbB и одним из DsbA. В конечном итоге эта перекрестная связь между двумя белками нарушается нуклеофильной атакой второго остатка цистеина в активном месте DsbA. В свою очередь, DsbB реоксидируется путем передачи электронов в окисленный убихинон, который передает их цитохромным оксидазам, которые в конечном итоге уменьшают кислород; это в аэробных условиях. Поскольку молекулярный кислород служит в качестве терминального акцептора электронов в аэробных условиях, окислительные сгибы удобно связаны с ним через дыхательную цепь. Однако в анаэробных условиях DsbB передает свои электроны в менахинон, после чего происходит передача электронов в фумаратредуктазу или нитратредуктазу.
Путь изомеризации
Особенно для белков, которые содержат более одной дисульфидной связи, важно, чтобы неправильные дисульфидные связи были перестроены. Это осуществляется в пути изомеризации белком DsbC, который действует как дисульфидная изомераза. DsbC представляет собой димер, состоящий из двух идентичных 23 kDa подединиц и имеет четыре цистеиновых остатка в каждой подединице. Один из этих цистеинов (Cys 98) атакует неправильный дисульфид в неправильно сложенном белке, и между DsbC и этим белком образуется смешанный дисульфид. Затем, при атаке второго цистеинового остатка в переплетенном белке образуется более стабильный дисульфид. Это может быть остаток цистеина либо от более раннего неправильно сложенного белка, либо от DsbC. В последнем случае DsbC окисляется и должен быть восстановлен, чтобы играть другую каталитическую роль. Существует также вторая изомераза, которая может реорганизовать неправильные дисульфидные связи. Этот белок называется DsbG, и он также является димером, который служит в качестве сопровождающего. Для выполнения своей роли изомераз DsbC и DsbG должны находиться в уменьшенном состоянии. Это выполняется DsbD, который должен быть уменьшен, чтобы быть функциональным. Тиоредоксин, который сам по себе редуцируется тиоредоксинредуктазой и NADPH, обеспечивает снижение белка DsbD. Поскольку эти два пути сосуществуют рядом друг с другом в одном периплазматическом отсеке, должен быть механизм, предотвращающий окисление DsbC DsbB. Этот механизм действительно существует, поскольку DsbB может различать DsbA и DsbC, поскольку последний обладает способностью к димеризации.
У эукариот
Очень похожий путь прослеживается у эукариотов, в которых протеиновые реле состоят из белков с очень аналогичными свойствами, как у белковых реле в грам-отрицательных бактериях. Однако основная разница между прокариотами и эукариотами заключается в том, что процесс окислительного сгибания белка происходит в эндоплазматическом сетчатке (ЭР) у эукариотов. Второе различие заключается в том, что у эукариот использование молекулярного кислорода в качестве терминального акцептора электронов не связано с процессом окислительного сгиба через дыхательную цепь, как это происходит у бактерий. Фактически, один из белков, участвующих в процессе окислительного сгибания, использует флавин-зависимую реакцию для передачи электронов непосредственно молекулярному кислороду. Гомолог DsbA, называемый белковой дисульфидной изомеразой (PDI), отвечает за образование дисульфидных связей в раскрытых эукариотических белках. Этот белок имеет два тиоредоксиноподобных активных участка, которые содержат два цистеиновых остатка. Передав дисульфидную связь между этими двумя остатками цистеина на складный белок, он отвечает за его окисление. В отличие от бактерий, где окислительные и изомеризационные пути осуществляются различными белками, PDI также отвечает за сокращение и изомеризацию дисульфидных связей. Для того, чтобы PDI каталитизировал образование дисульфидных связей в раскладываемых белках, он должен быть реоксидирован. Это осуществляется белком, связанным с мембраной ER, Ero1p, который не является гомологом DsbB. Этот белок Ero1p образует смешанный дисульфид с PDI, который растворяется при нуклеофильной атаке второго цистеинового остатка в одном из активных мест PDI. В результате получается окисленный PDI. Ero1p окисляется путем передачи электронов молекулярному кислороду. Поскольку это белк, связывающий FAD, этот перенос электронов сильно способствует привязке Ero1p к FAD. Также у эукариот была описана транспортная система, которая импортирует FAD в просвет ER. Кроме того, было показано, что способность уменьшать или перестраивать неправильные дисульфидные связи в неправильно сложенных белках обеспечивается окислением редуцированного глутатиона (GSH) в окисленный глутатион (GSSG).
РОС и болезни
Из-за свойства Ero1p передавать электроны непосредственно в молекулярный кислород через флавин-зависимую реакцию, его активность может производить реактивные виды кислорода (РОС). У бактерий эта проблема решается путем соединения окислительных складков с дыхательной цепью. Там, уменьшение молекулярного кислорода в воду осуществляется сложным рядом белков, которые очень эффективно каталитизируют эту реакцию. У эукариот дыхательная цепь отделена от окислительной сгибаемости, поскольку клеточное дыхание происходит в митохондриях, а образование дисульфидных связей происходит в РЭ. Из-за этого существует гораздо больший риск того, что ROS вырабатываются в эукариотических клетках во время окислительного сгиба. Как известно, эти РОС могут вызывать многие заболевания, такие как атеросклероз и некоторые нейродегенеративные заболевания.
Примеры
Классическими примерами белков, в которых хорошо изучен процесс окислительного сгиба, являются ингибитор трипсина панкреаса говядины (BPTI) и рибонуклеаза А (RNaseA). Эти два белка имеют множественные дисульфидные связи, и поэтому они очень полезны для отслеживания и понимания процесса окислительного сгиба. Другой пример - щелочная фосфатаза, которая содержит два существенных дисульфида. Он использовался в качестве индикаторного белка для скрининга эффекта мутаций в DsbA.