Митохондриальная трансляция Импорт биомакромолекул в митохондрии Митохондриальные болезни и их лечение

Митохондриальная трансляция
Импорт биомакромолекул в митохондрии
Митохондриальные болезни и их лечение
Каменский Петр Андреевич
pkame@list.ru
Митохондриальный геном человека
13 генов белков, которые транскрибируются и транслируются в органеллах
Общая схема трансляции
ДНК
ТРАНСКРИПЦИЯ
РНК
ПРОЦЕССИНГ И
ТРАНСПОРТ РНК
5'
3'
мРНК
РИБОСОМА
ТРАНСЛЯЦИЯ
РИБОСОМА
3'
РИБОСОМА
5'
РАСТУЩИЙ
ПЕПТИД
тРНК
тРНК
тРНК
СВОРАЧИВАНИЕ
ПРОЦЕССИНГ И
ТРАНСПОРТ
ПОЛИПЕПТИДА
БЕЛОК
Сравнение свойств бактериальных и митохондриальных рибосом
Бактерии
Митохондрии
млекопитающих
(Bos taurus)
Митохондрии протист
(Leishmania tarentolae)
2.3
2.7
2.2
≈ 260
≈ 320
≈ 245
≈ 2:1
≈ 1:2
≈ 1:3
рРНК малой субъединицы и
ее длина
16S (1542 п.о.)
12S (950 п.о.)
9S (610 п.о.)
Количество белков в составе
малой субъединицы
21
≈ 29
≈ 56
23S рРНК (2904 п.о.)
5SрРНК (120 п.о.)
16SрРНК (1560 п.о.)
5SрРНК (?)
12S рРНК (1173 п.о.)
34
≈ 50
≈ 77
Молекулярная масса, МДа
Диаметр, Å
Молярное соотношение
РНК:белок
рРНК большой
субъединицы и их длины
Количество белков в составе
большой субъединицы
Структурные различия митохондриальных и бактериальных рибосом
рРНК малой субъединицы
рРНК большой субъединицы
Черным выделены участки бактериальной рРНК, отсутствующие у митохондриальных рРНК.
Все отсутствующие участки рРНК в митохондриальных рибосомах заменены белками.
Структурные различия митохондриальных и бактериальных рибосом
Уникальная воротообразная структура в составе большой субъединицы для входа мРНК.
Структура митохондриальной рибосомы человека
Синим выделены белки, консервативные в бактериях
Желтым – гомологичные бактериальным
Красным – специфические для митохондрий
Структура центрального протуберанца митохондриальной рибосомы человека
Стадии процесса трансляции
1. Инициация (рибосома связывается с сигнальными участками мРНК и «узнает»
стартовый кодон)
2. Элонгация (рибосома последовательно считывает кодоны мРНК, присоединяя
соответствующие новые аминокислоты к растущей полипептидной цепи)
3. Терминация (рибосома, дойдя до стоп-кодона, «узнает» его, в результате чего
синтезированный белок высвобождается из рибосомы)
Инициация трансляции у бактерий
Основные отличия митохондриальной инициации от бактериальной
1. В митохондриях отсутствует IF1; его роль, по-видимому, выполняет
дополнительный домен белка IF2.
2. Митохондриальные мРНК лишены длинных 5’-некодирующих областей; более
того, добавление дополнительных нуклеотидов в 5’-НКО резко снижает
эффективность образования инициаторных комплексов.
NB: мито-мРНК дрожжей, напротив, содержат длинные 5’-НКО.
3. В митохондриях млекопитающих имеется всего одна метиониновая тРНК,
способная играть роль как инициаторной, так и элонгаторной тРНК
4. Фактор IF3 в митохондриях имеется, однако чрезвычайно сильно отличается от
бактериальных гомологов. Возможно, этот белок функционирует несколько не
так, как в бактериальной системе. Он также может обладать рядом
дополнительных функций.
Схема инициации трансляции в митохондриях млекопитающих
Элонгация трансляции у бактерий
Основные отличия митохондриальной элонгации от бактериальной
1. По всей видимости, в миторибосомах отсутствует Е-сайт
2. EF-Tu и EF-Ts присутствуют в митохондриях в эквимолярных концентрациях (в
бактериях – 8:1)
3. Митохондриальный EF-Ts структурно организован принципиально иначе, чем
бактериальный ортолог
NB: в митохондриях S.cerevisiae такого белка вообще нет
4. У бактерий один и тот же EF-G работает и в элонгации, и в терминации. В
митохондриях для этого имеются два разных белка.
Схема элонгации трансляции в митохондриях млекопитающих
Терминация трансляции у бактерий
Освобождение тРНК, eRF1,
RRF и EF-G с ГДФ.
Диссоциация рибосомы.
Связывание RF1, RF3, ГТФ.
Взаимодействие RF3
с 50S субъединицей.
Связывание RRF и EF-G с ГТФ.
Транслокация RF1.
Вытеснение тРНК из Р-участка.
Гидролиз ГТФ.
Освобождение eRF3.
Гидролиз сложноэфирной связи
и освобождение полипептида
Основные отличия митохондриальной терминации от бактериальной
1. У бактерий один и тот же EF-G работает и в элонгации, и в терминации. В
митохондриях для этого имеются два разных белка.
2. Нестандартный набор стоп-кодонов?
Ранее считалось, что в митохондриях человека используются нестандартные стопкодоны. Однако недавно было показано, что на самом деле там имеет место
сдвиг рамки считывания на один нуклеотид, в результате чего стоп-кодон
становится стандартным).
Схема терминации трансляции в митохондриях млекопитающих
Импорт биологических макромолекул в митохондрии
1. Импорт белков в митохондрии
2. Импорт РНК в митохондрии
Импорт белков в митохондрии
Митохондрии – сложноорганизованные органеллы, осуществляющие
множество самых разнообразных функций
В митохондриальном геноме закодировано всего около 10 белков.
Всего в митохондриях более 1000 различных белков.
Более 95% митохондриальных белков импортируются в органеллы из цитозоля.
Общая схема импорта белков в митохондрии
Предшественники митохондриальных белков синтезируются на цитозольных
рибосомах
Импорт может осуществляться как посттрансляционно (А), так и котрансляционно (В)
Сигнальные последовательности предшественников
Сигнальные последовательности определяют, в какой митохондриальный
субкомпартмент должен попасть импортируемый белок.
Рецепторы внешней мембраны: Tom20/Tom22 и Tom70
Tom20 и Tom22 распознают N-концевые сигнальные пептиды, связываясь с их
гидрофобной поверхностью.
Tom70 распознает внутренние сигнальные последовательности.
Tom22 – основная мишень регуляции белкового импорта, происходящей за
счет его фосфорилирования / де фосфорилирования.
Tom40 – канальный компонент TOM-комплекса
Малые TOM-белки: Tom5, Tom6, Tom7
Tom5 участвует в переносе предшественников с Tom20/Tom22 на Tom40.
Tom6 и Tom7 участвуют в сборке TOM-комплекса и регуляции его активности:
Tom6 стабилизирует структуру комплекса, а Tom7 дестабилизирует.
Структура TOM-комплекса
С – одиночный Tom40; D – комплекс без Tom20 и Tom70; E – TOM-комплекс
Шкала 50Å
Пути встраивания белков во внешнюю митохондриальную мембрану:
TOM-комплекс нужен не всегда
Импорт белков в межмембранное пространство: MIA-путь
Сигнальная последовательность: Сх(n)C (цистеин-богатая)
Mia40, наряду с импортом белков в межмембранное пространство, обеспечивает
формирование в них дисульфидных мостиков и, как следствие, их активное состояние.