Białko może być wsuwane do retikulum jeszcze zanim rybosom skończy je syntetyzować
Wiele białek wydzielniczych i błonowych wchodzi do retikulum endoplazmatycznego kotranslacyjnie — dosłownie w trakcie powstawania łańcucha. Sekwencja sygnałowa wychodząca z rybosomu jest rozpoznawana przez SRP, które kieruje kompleks rybosom–mRNA–polipeptyd do receptora w błonie ER. Rybosom dokuje do kanału Sec61 i dalsza translacja przepycha rosnący łańcuch przez translokon lub wprowadza jego segmenty do błony. W ten sposób synteza i transport nie są dwoma odległymi etapami: jedna maszyna przekazuje nowo tworzone białko bezpośrednio do drugiej.
Sygnał pojawia się jako pierwszy fragment nowego białka
Typowy peptyd sygnałowy zawiera hydrofobowy odcinek pojawiający się z tunelu rybosomu wcześnie w trakcie translacji. Cząsteczka SRP rozpoznaje zarówno ten sygnał, jak i sam rybosom. Wiązanie chwilowo zmienia przebieg syntezy i zapobiega temu, by hydrofobowa sekwencja zaczęła przypadkowo oddziaływać z cytoplazmą. Informacja o miejscu docelowym jest więc odczytywana zanim całe białko w ogóle istnieje.
SRP prowadzi rybosom do błony ER
Kompleks SRP–rybosom trafia do receptora SRP znajdującego się przy błonie retikulum. Interakcje zależne od GTP pomagają przekazać rybosom do translokonu Sec61. Po prawidłowym dokowaniu SRP i jego receptor mogą się rozdzielić i zostać wykorzystane ponownie. Cały proces przypomina przekazanie ładunku między kolejnymi maszynami logistycznymi, z tym że przewożony obiekt wciąż jest produkowany.
Sec61 tworzy kanał otwierany przez rybosom i polipeptyd
Translokon Sec61 jest białkowym kanałem w błonie ER. W stanie spoczynku jego otwór musi być uszczelniony, żeby błona nie stała się przeciekiem dla jonów i małych cząsteczek. Po związaniu rybosomu i sygnału kanał przyjmuje konfigurację umożliwiającą przechodzenie rosnącego łańcucha. Boczne wrota translokonu pozwalają hydrofobowym segmentom przemieszczać się do dwuwarstwy lipidowej zamiast do wodnego światła ER.
Topologia białka błonowego może powstawać w czasie translacji
Sekwencje start-transfer i stop-transfer decydują, które fragmenty łańcucha przechodzą przez translokon, a które pozostają w błonie jako helisy transmembranowe. Orientacja może zależeć od rozkładu ładunków i właściwości hydrofobowych. W przypadku białek wieloprzebiegowych kolejne segmenty są naprzemiennie wprowadzane do błony, dzięki czemu już podczas syntezy ustala się, które domeny znajdą się po stronie cytoplazmy, a które w świetle ER.
Fałdowanie może rozpocząć się zanim synteza się zakończy
Fragment białka, który znalazł się po stronie światła ER, natychmiast spotyka chaperony, enzymy tworzące mostki dwusiarczkowe i maszynerię glikozylacyjną. Obróbka nie musi czekać na odłączenie rybosomu. Komórka nakłada więc na siebie w czasie translację, transport i pierwsze etapy dojrzewania. Taka integracja zwiększa kontrolę nad hydrofobowymi i wydzielniczymi białkami, które źle znosiłyby długie przebywanie w cytoplazmie.
Nie wszystkie białka ER korzystają dokładnie z tej samej drogi
Istnieją również szlaki posttranslacyjne i wyspecjalizowane mechanizmy dla białek z końcową kotwicą błonową. Nie każdy sygnał jest klasycznym N-terminalnym peptydem odcinanym później od białka. Dlatego kotranslacyjny szlak SRP–Sec61 warto traktować jako fundamentalny model, a nie jedyny możliwy sposób dostarczania białek do ER. Różnorodność dróg odpowiada różnorodności topologii i momentu ujawniania się sygnałów.
Rybosom może stać się częścią tymczasowej linii montażowej
Na schemacie syntezy białka rybosom często unosi się samotnie w cytoplazmie. W rzeczywistości w szlaku wydzielniczym tworzy z translokonem funkcjonalny zespół. Kanał odbiera dokładnie ten sam polipeptyd, który wychodzi z rybosomu, przez co minimalizowany jest etap swobodnego transportu. To jeden z najlepszych przykładów organizacji procesów komórkowych przez bezpośrednie sprzężenie maszyn, a nie przez przypadkową dyfuzję gotowych produktów.
Sama obecność hydrofobowego odcinka nie zawsze przesądza o losie białka. SRP rozpoznaje kombinację cech sekwencji sygnałowej i kontekstu rybosomu, a część sygnałów zostaje po translokacji odcięta przez peptydazę sygnałową. Inne hydrofobowe segmenty pozostają jako helisy transmembranowe. W przypadku białek wieloprzebiegowych Sec61 współpracuje z dodatkowymi komponentami, a kolejne segmenty mogą służyć jako sygnały start-transfer lub stop-transfer. Zasada „dodatnie reszty pozostają po stronie cytoplazmatycznej” pomaga przewidywać orientację wielu helis, lecz nie jest absolutnym prawem dla każdego białka. Do ER trafiają też białka wprowadzane po translacji, a białka z końcową kotwicą typu tail-anchor wykorzystują m.in. szlak GET/TRC. Ta różnorodność jest dobrym przypomnieniem, że komórka ma kilka systemów rozwiązujących podobny problem zależnie od momentu ujawnienia się hydrofobowej sekwencji. Największą zaletą transportu kotranslacyjnego jest to, że potencjalnie problematyczny fragment błonowy niemal natychmiast trafia w bezpieczne otoczenie translokonu i lipidów, zamiast agregować w wodnej cytoplazmie.