Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами

     СОДЕРЖАНИЕ 

    ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...3

1. Биосинтез белка…………………………………………………………....4
2. Генетический код и его свойства………………………………………....5
3. Основные компоненты белоксинтезирующей системы…………………7
4. Этапы синтеза полипептидной цепи……………………………………...12
5. Полирибосомы……………………………………………………………..15
6. Регуляция синтеза белка…………………………………………………..18
7. Ингибиторы синтеза белка………………………………………………..22
8. Регуляция активности белковых посредников путем их ковалентной модификации……………………………………………………………………………24
9. Регуляция активности белковых посредников путем нековаленткого взаимодействия с эффекторами………………………………………………………...25
10. Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами………………………………………….26

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….27

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………….28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Одной из задач современной биологии и  ее новейших разделов – молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической биологии – является расшифровка  механизмов синтеза молекулы белка, содержащей сотни, а иногда и тысячи остатков аминокислот. Механизм синтеза должен обладать точной кодирующей системой, которая автоматически программирует включение каждого аминокислотного остатка в определенное место полипептидной цепи. Кодирующая система определяет первичную структуру, а вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются физико-химическими свойствами и химическим строением аминокислот.

     Первоначальные  представления, согласно которым синтез белка могут катализировать те же протеолитические ферменты, что и вызывающие его гидролиз, но путем обратимости химической реакции, не подтвердились. Оказалось, что синтетические и катаболические реакции протекают не только различными путями, но и в разных субклеточных фракциях. Не подтвердилась так же гипотеза  о предварительном синтезе коротких пептидов с их последующим объединением в единую полипептидную цепь. Более правильным оказалось предположение, что для синтеза белка требуются источники энергии, наличие активированных свободных аминокислот и несколько видов нуклеиновых кислот.

     В современные представления о  механизме синтеза белка большой  вклад внесли советские биохимики. Так, в лаборатории А. Е. Браунштейна  было впервые указано  на участие  АТФ в синтезе квазипептидных связей. В. Н. Ореховичем еще 50-е годы было показано, что перенос аминоцильных или пептидильных группировок на NH2 группу аминокислот может осуществляться не только с амидной или пептидной, но и со сложноэфирной связи. Как будет показано ниже, именно этот механизм лежит в основе реакции транспептидирования в 50S рибосоме в стадии элонгации синтеза белка.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Биосинтез белка

     Что в синтезе белка, протекающем в основном в цитоплазме, решающую роль играют нуклеиновые кислоты, в частности ДНК. После того как было установлено, что ДНК является носителем и хранителем наследственной информации, был поставлен вопрос о том, каким образом эта генетическая информация, записанная (зашифрованная) в химической структуре ДНК, трансформируется в фенотипические признаки и функциональные свойства живых организмов, передающиеся по наследству. В настоящее время можно дать однозначный ответ на этот вопрос: генетическая информация программирует синтез специфических белков, определяющих в свою очередь специфичность структуры и функции клеток, органов и целостного организма. В природе, как известно, существуют два типа биополимерных макромолекул, так называемые неинформативные биополимеры и информативные биополимеры, несущие первичную генетическую информацию и вторичную генетическую, точнее фенотипическую информацию. Эти общие представления могут быть выражены следующей последовательностью событий (поток информации):

     ДНК-РНК-Белок-Клетка-Организм

     Биосинтез белка, хотя непосредственно и регулируется рибонуклеиновыми кислотами, опосредованно связан с контролирующим влиянием ДНК ядра и что РНК сначала синтезируется в ядре, затем поступает в цитоплазму, где выполняет роль матрицы в синтезе белка. Полученные значительно позже экспериментальные данные подтвердили гипотезу о том, что основной функцией нуклеиновых кислот является не только хранение генетической информации, но и реализация этой информации путем программированного синтеза специфических белков.

     Однако  в этой последовательности ДНК-РНК-Белок недоставало сведений о том, каким образом происходят расшифровка наследственной информации и синтеза специфических белков, определяющие многообразие признаков живых существ. В настоящее время выяснены основные процессы, посредством которых осуществляется передача наследственной информации: они включают репликацию, т. е. синтез ДНК на матрице ДНК, транскрипцию, т. е. перевод языка и типа строения ДНК на молекулу РНК, и трансляцию – процесс, в котором генетическая информация, содержащаяся в молекуле мРНК, направляет синтез соответствующей аминокислотной последовательности в белке. Многие тонкие механизмы транскрипции окончательно не выяснены.

     Получены  экспериментальные доказательства наличия ДНК также в митохондриях. Она не гомологичная и не комплементарна ядерной ДНК. Предполагается, что митохондриальная ДНК кодирует синтез части структурных белков самих митохондрий.

     Значительный  вклад в современные представления  о месте, факторах и механизме  синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, А. А. Баева, А. С. Спирина и др.

2. Генетический код и его свойства

     Необходимость кодирования структуры белков линейной последовательности

       нуклеотидов мРНК и ДНК продиктованы тем, что в ходе трансляции:

• Нет соответствия между числом номеров в матрице мРНК и продукте – синтезируемом белке;
• Отсутствует структурное сходство между мономерами РНК и белка.

     Это исключает комплиментарное взаимодействие между матрицей и продуктом –  принцип, по которому осуществляется построение новых молекул ДНК и РНК, в  ходе репликации и транскрипции.

     Отсюда  становится ясно, что должен существовать «словарь», позволяющий выяснить, какая  последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок  аминокислот в заданной последовательности. Этот «словарь» получил название генетического, биологического, нуклеотидного или аминокислотного кода. Он позволяет шифровать аминокислоты, входящие в состав белков, с помощью определенной последовательности нуклеотидов в ДНК и мРНК. Для него характерны определенные свойства.  

     Триплетность. Одним из основных вопросов при выяснении свойств кода был вопрос о числе нуклеотидов, которое должно определять включение  в белок одной аминокислоты. Сразу было понятно, что это число не может быть равным 1 или 2, так как в этом случае количество кодирующих элементов будет недостаточно для шифрования 20 аминокислот в белках. Число кодирующих последовательностей из четырех нуклеотидов по три равно 43=64, что более чем в 3 раза превышает минимальное количество, которое необходимо для кодирования 20 аминокислот. В дальнейшем было установлено, что кодирующими элементами в шифровании аминокислотной последовательности действительно являются тройки нуклеотидов или триплеты, которые получили название «кодоны».  

     Смысл кодонов 

     Смысл кодонов стал понятен в 60-х г. XX столетия, когда, используя безклеточную систему синтеза белков и синтетические полирибонуклеотиды и заданной последовательностью нуклеотидов в качестве матрицы, М. Ниренберг и Г. Маттей синтезировали полипептиды определенного строения. Так, на матрице поли-У, состоящей только из остатков УМФ, был получен полифенилаланин, а на матрице поли-Ц –полипролин. Из этого следовало, что триплет – UUU кодирует Фен, а триплет  - ССС – Про.

     В последующих экспериментах использовали смешанные синтетические полирибонуклеотиды с известным составом. В результате этой работы удалось установить, что из 64 кодонов включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь шифрует 61 триплет, а 3 остальных UAA, UAG, UGA не кодируют включение в белок аминокислот и первоначально были названы бессмысленными, или нонсенкодоном. Однако в дальнейшем было показано, что эти триплеты сигнализируют о завершении трансляции, и поэтому их стали называть терминируюшими, или стоп-кодонами.

     Кодоны  мРНК и триплеты нуклеотидов в  кодирующей нити ДНК с направлением от 5¢ к 3¢ - концу имеют одинаковую последовательность азотистых оснований, за исключением того, что в ДНК вместо урацила (U), характерного для мРНК, стоит тимин (Т).  

     Специфичность

     Каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота. В этом смысле генетический код строго однозначен.  

     Выраженность 

     В мРНК и ДНК имеет смысл 61 триплет, каждый из которых кодирует включение  в белок одну из 20 аминокислот. Из этого следует, что в информационных молекулах включения в белок  одной и той же аминокислот определяет несколько кодонов. Это свойство биологического кода получило название вырожденности.

     У человека одним кодоном зашифрованы  только 2 аминокислоты – Мет и  Три, тогда как Лей, Сер и Арг  – шестью кодонами, а Ала, Вал, Гли, Про, Тре – четырьмя кодонами.

     Избыточность  кодирующих последовательностей –  ценнейшее свойство когда, так как  она повышает устойчивость информационного  потока к неблагоприятным воздействиям внешней и внутренней среды. При  определении природы аминокислоты, которая должна быть заключена в белок, третий нуклеотид в кодоне не имеет столь важного значения, как первые два. Для многих аминокислот замена нуклеотида третьей позиции кодона не сказывается на его смысле.  

     Линейность  записи информации

     В ходе трансляции кодоны мРНК «читаются» с фиксированной стартовой точки последовательно и не перекрываются. В записи информации отсутствуют сигналы, указывающие на конец одного кодона и начала следующего.

     Кодон AUG является инициирующим и прочитывается  только в начале, так и в других участках мРНК как Мет. Следующие за ним триплеты читаются последовательно без каких либо пропусков вплоть до стоп-кодона, на котором синтез полипептидной цепи завершается.  

     Универсальность

     До  недавнего времени считалось, что  код абсолютно универсален, т. е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов: вирусов, бактерий, растений, земноводных, млекопитающих, включая человека. Однако позднее стало известно одно исключение, казалось, что митохондриальная МРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения. Так, в мРНК митохондрий триплет UGA кодирует Три, AUA –Мет, а AGA и AGG причитываются как дополнительные стоп-кодоны.  

     Колинеарность гена и продукта

     У прокариотов обнаружено линейное соответствие последовательности кодонов гена и последовательности аминокислот в белковом продукте, или, как говорят, существует колинеарность гена и продукта.

     У эукариотов последовательности оснований  в гене, колинеарные аминокислотной последовательности в белке, прерываются интронами. Поэтому в эукариотических клетках аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой МРНК после постранскрипционного удаления интронов.  
 

3. Основные  компоненты белоксинтезирующей системы

     Для синтеза полипептидной цепи необходимо большое количество компонентов, совместное и согласованное взаимодействие приводит к образованию белка.  

     Аминокислоты 

     Все 20 аминокислот, входящих в структуру  белков организма человека, должны присутствовать в достаточном количестве. Это требование прежде всего относится к незаменимым (т. е. не синтезирующимся в организме) аминокислотам, так как недостаточное снабжение клетки хотя бы одной незаменимой аминокислотой приводит к снижению, а иногда и полной остановке синтеза белка на кодоне, требующем включения этой аминокислоты в белок.  

     Транспортная РНК

     В лаборатории Хогланда было выяснено, что при инкубации 14С –аминокислоты  с растворимой фракцией цитоплазмы в присутствии АТФ и последующим  добавлением трихлоруксусной кислоты в образовавшемся белковом осадке метка не открывается. Было сделано заключение, что меченая аминокислота не включается в белковую молекулу. Метка оказалась связанной ковалентно с РНК, содержащейся в белковом фильтрате. Показано, что РНК, к которой присоединяется меченая аминокислота, имеет небольшую молекулярную массу и сосредоточена в растворимой фракции, поэтому ее сначала назвали растворимой, а позже адаптерной или транспортной РНК. На долю тРНК приходится около 10-15% общего количества клеточной РНК. К настоящему времени открыто более 60 различных тРНК. Для каждой аминокислоты в клетке имеется по крайней мере одна специфическая РНК( для ряда аминокислот открыто более одной, в частности для серина – 5 разных тРНК, для лизина и глицина – по 4 разных тРНК, хотя и в этом случае каждая тРНК связана со специфической аминоацил–тРНК-синтетазой). Молекулярная масса большинства тРНК колеблется от 24000 до 29000 Да. Они содержат от 75 до 85 нуклеотидов. Аминокислоты присоединяются к свободной 3¢-ОН-группе концевого мононуклеотида, представленного во всех тРНК АМФ, путем образования эфирной связи. Интересно, что почти все тРНК обладают не только индивидуально сходными функциями, но и очень похожей трехмерной структурой. Установлена первичная структура почти всех 60 открытых тРНК; знание последовательности нуклеотидов и, следовательно, состава тРНК дало в руки исследователей много ценных сведений о биологической роли отдельных компонентов тРНК. Общей для тРНК оказалась также нативная конформация, установленная методом рентгеноструктурного анализа и названная первоначально названная конформацией клеверного листа; на самом деле эта конформация имеет неправильную, Г-образную, форму.

     Определение структуры тРНК позволило выявить  ряд отличительных участков; так, 3¢-гидроксильном конце располагается одинаковая для всех тРНК последовательность триплета ЦЦА –ОН, к которой присоединяется посредством эфирной связи специфическая аминокислота. Связывание в основном происходит через 3¢-ОН-группу концевого аденилового нуклеотида, хотя получены доказательства возможности присоединения аминокислоты и через 2¢-ОН-группу. Тимидин-псевдоуридин-цитидиловая петля, по-видимому, обеспечивает связывание аминоацил-тРНК с поверхностью рибосомы. Имеется кроме того, добавочная петля, состав которой варьирует у разных типов молекул тРНК; ее назначение неизвестно. Дигидроуридиловая петля, с другой стороны, оказалась необходимой как сайт (место) для узнавания специфическим ферментом –аминоацил-тРНК-синтетазой. Имеется также антикодоновая петля, несущая триплет, названный антикодоном, и расположенная на противоположной стороне от того конца, куда присоединяется аминокислота. Антикодон является антипараллельными в своей комплементарности.

     Тщательный  анализ нуклеотидной последовательности разных тРНК показал, что все они содержат одинаковый 5¢-концевой нуклеотид – ГМФ со свободной 5¢-фосфатной группой. Адапторная функция молекул тРНК заключается в связывании каждой молекулы тРНК со своей специфической функциональной аминокислотой. Но поскольку между нуклеиновой кислотой и специфической функциональной группой аминокислоты не существует соответствия и сродства, эту функцию узнавания должна выполнять белковая молекула, которая узнает как молекулу специфической тРНК, так и специфической аминокислоты.  
 
 
 

     Матричная РНК 

     Выше  было указано на необходимость участия  предобразованной молекулы РНК для  правильной расстановки аминокислот  в полипептидной цепи. Было высказано  мнение, что предобразованная РНК, необходимая  для изменения типа синтезируемого белка, должна обладать высокой скоростью обновления своего состава, т. е. молекула такой РНК должна синтезироваться и распадаться с такой скоростью, чтобы обеспечить быструю обновляемость нуклеотидного состава. Фактически же рРНК сказалась метаболически весьма стабильно, поэтому становилась очевидным, что она не может служить в качестве матрицы.

     В ряде лабораторий были получены данные о существовании в клетках  в соединении с рибосомами короткоживущей РНК, названной информационной РНК; сейчас она обозначается как матричная РНК, потому что ее роль заключается в переносе информации от ДНК в ядре до цитоплазмы, где она соединяется с рибосомами и служит матрицей, на которой происходит синтез белка.

     Эти опыты открыли прямую дорогу для  экспериментальной расшифровки  кода, при помощи которого информация от РНК передается на синтезируемый белок. Последовательность нуклеотидов РНК реализуется в специфической последовательности аминокислот синтезируемой полипептидной цепи. Опыты Ниренберга свидетельствуют также о том, что не рибосома и не рРНК являются матрицей, на которой синтезируются специфические белки, а эту роль выполняют поступающие извне матричные РНК. Итак, ДНК предает информацию на РНК, которая синтезируется в ядре и затем поступает в цитоплазму. Здесь РНК выполняет матричную функцию для синтеза специфической белковой молекулы. Матричная гипотеза синтеза белка, как и других полимерных молекул ДНК и РНК, получила в настоящее время полное подтверждение. Ее правильность была доказана в экспериментах, которые обеспечивали точное воспроизведение первичной структуры полимерных молекул; причем этот синтез в отличии от беспорядочного химического синтеза отличался не только высокой скоростью и специфичностью, но и направленностью самого процесса, в строгом соответствии с программой, записанной в линейной последовательности молекулы матрицы.  

     Аминоацил –тРНК синтетазы 

     В цитозоле клеток 20 различных аминокислот  присоединяются a-карбоксильной группой  к 3¢-гидрофильному акцепторному концу  соответствующих тРНК с образованием сложноэфирной связи. Эти реакции катализирует семейство ферментов, носящее название аминоацил –тРНК синтетаз. Каждый член этого семейства узнает только одну определенную аминокислоту и те тРНК, которые способны связываться с этой аминокислотой. Из этого следует, что в группу тРНК синтетаз входит 20 различных ферментов. Они осуществляют активацию аминокислот в 2 стадии: на первой стадии аминокислота присоединяется к ферменту и реагирует с АТФ с образованием богатого энергией промежуточного соединения – аминоацил АМФ. На второй стадии аминоацильный остаток аминоациладенилата, оставаясь связанным с ферментом, взаимодействует с молекулой соответствующей тРНК с образованием аминоацил тРНК.

     Для каждой аминокислоты существует свой фермент — своя аминоацил тРНК синтетаза: для глутамата — глутамил-тРНК синтетаза, гистидина — гистидил-тРНК синтетаза и т.д.

     Аминокислоты  присоединяются к 3'- или 2'-ОН группам  рибозы на З'-конце тРНК, где все  тРНК имеют общую нуклеотидную последовательность -ССА.

     Энергия, заключённая в макроэргической сложноэфирной связи аминоацил-тPHK, впоследствии используется на образование пептидной связи в ходе синтеза белка.

     Пирофосфат, выделяющийся в ходе этой реакции, гидролитически расщепляется с образованием двух молекул  ортофосфата и выделением энергии, что делает реакцию активации аминокислот необратимой.

     Чрезвычайно высокая специфичность аа-тРНК синтетаз в связывании аминокислоты с соответствующими тРНК лежит в основе точности трансляции генетической информации. В активном центре этих ферментов есть 4 специфических участка для узнавания: аминокислоты, тРНК, АТФ и четвёртый — для присоединения молекулы Н20, которая участвует в гидролизе неправильных аминоациладенилатов. За счёт существования в активном центре этих ферментов корректирующего механизма, обеспечивающего немедленное удаление ошибочно присоединённого аминокислотного остатка, достигается поразительно высокая точность работы: на 1300 связанных с тРНК аминокислот встречается только одна ошибка.

     Аминокислота, присоединяясь к тРНК, в дальнейшем не определяет специфических свойств аа-тРНК, так как её структуру не узнаёт ни рибосома, ни мРНК. Участие в синтезе белка зависит только от структуры тРНК, а точнее, от комплиментарного взаимодействия антикодона аминоацил-тРНК с кодоном мРНК.

     Антикодон расположен в центральной (антикодоновой) петле тРНК. Узнавание тРНК аа-тРНК синтетазами не всегда происходит по антикодоновой петле. Активный центр некоторых ферментов обнаруживает комплиментарное соответствие другим участкам пространственной структуры тРНК.  

     Рибосомы 

     Рибосомы  представляют собой рибонуклеопротеиновые  образования — своеобразные «фабрики», на которых идёт сборка аминокислот  в белки. Эукариотические рибосомы имеют константу седиментации 80S и состоят из 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц. Каждая субъединица включает рРНК и белки. В 40S субъединицу входит рРНК с константой седиментации 18S и около 30—40 белков. В 60S субъединице обнаружено 3 вида рРНК: 5S, 5,8S и 28S и около 50 различных белков.

     Белки входят в состав субъединиц рибосомы в количестве одной копии и выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие между мРНК и тРНК, связанными с аминокислотой или пептидом.

     В присутствии мРНК 40S и 60S субъединиц объединяются с образованием полной рибосомы, масса которой примерно в 650 раз больше массы молекулы гемоглобина.

     В рибосоме есть 2 центра для присоединений  молекул тРНК: аминоацильный (А) и  пептидильный (Р) центры, в образовании  которым участвуют обе субъединицы. Вместе центры А и Р включают участок  мРНК, равный 2 кодонам. В ходе трансляции центр А связываем аа-тРНК, строение которой определяет кодон, находящийся в области этого центра. В струкЯ туре этого кодона зашифрована природа аминокислоты, которая будет включена в растущую полипептидную цепь. Центр Р занимает пептидил-тРНК, т.е. тРНК, связанная с пептидной цепочкой, которая уже синтезирована.

     У эукариотов различают рибосомы 2 типом  «свободные», обнаруживаемые в цитоплазма клеток, и связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР). Рибосомы, ассоциированнье  с ЭР, ответственны за синтез белков «на экспорт», которые выходят в плазму крови и участвуют в обновлении белков ЭР; мембраны aаппарата Гольджи, митохондрий или лизосом.

     Митохондрии содержат свой набор рибосом. Митохондриальные рибосомы мельче, чем рибосомы эукариотов, прокариотов и имеют константу седиментации 55S. Они также состояв из двух субъединиц, но отличаются от эукаририотических рибосом количеством и составом РНК и белков.  

     Белковые  факторы 

     В каждой стадии белкового синтеза  на рибосоме: инициации, элонгации и терминации участвует разный набор внерибосомных белковый факторов. Эти белки связываются с рибосомой или её субъединицами на определённых стадиях процесса и стабилизируют или облегчают функционирование белоксинтезирующей машины.

     АТФ и ГТФ как источники энергии

     На  включение одной аминокислоты в  растущую полипептидную цепь клетка затрачивает 4 макроэргические связи: 2 из АТФ в ходе реакции, катализируемой аа-тРНК синтетазой (в процессе активации  аминокислот АТФ расщепляется на АМФ и пирофосфат), и 2 молекулы ГТФ: одна используется на связывание аа-тРНК в А-центре рибосомы, а вторая затрачивается на стадию транслокации. К этому |следует добавить использование ещё двух макроэргических связей молекул: АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию синтеза полипептидной цепи.  
 
 
 

4. Этапы синтеза полипептидной  цепи

     Синтез  белка представляет собой циклический  многоступенчатый энергозависимый  процесс, в котором свободные  аминокислоты полимеризуется в генетически  детерминированную последовательность с образованием полипептидов. Система белкового синтеза, точнее система трансляции, которая использует генетическую информацию, транскрибированную в мРНК, для синтеза полипептидной цепи с определенной первичной структурой, включает около 200 типов макромолекул – белков и нуклеиновых кислот. Среди них около 100 макромолекул, участвующих в активировании аминокислот  и их переносе на рибосомы, более 60 макромолекул, входящих в состав 70S или 80S рибосом, и около 10S макромолекул, принимающих непосредственное участие в системе трансляции. Не разбирая природу других важных для синтеза факторов, рассмотрим подробно механизм индивидуальных путей синтеза белковой молекулы в искусственной синтезирующей системе. Прежде всего при помощи изотопного метода было выяснено, что синтез белка начинается с N-конца и завершается C-концом, т.е. процесс протекает в направлении : NH2®COOH.

     Белковый  синтез, или процесс трансляции, может быть условно разделен на 2 этапа: активирование аминокислот  и собственно процесс трансляции.

     Второй  этап матричного синтеза белка, собственно трансляцию, протекающей в рибосоме, условно делят на три стадии: инициации, элонгации и терминации.