Биосинтез белка, этапы. Посттрансляционный процессинг белка, значение в биосинтезе белков. Регуляция биосинтеза белков. Ингибиторы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот

1. Биосинтез белков План:

1. Генетический код

2. Этапы биосинтеза белка

3. Регуляция синтеза белка

Транскрипция трансляция

ДНК → РНК → Белки → Регуляция метаболизма

Транскрипция – это синтез молекулы РНК или это процесс переписывания нуклеотидов гена с ДНК в РНК, всегда происходит на стадии двунитевой молекулы ДНК, при этом матрицей служит одна нить, которая называется антикодирующей.

Основные характеристики процесса транскрипции

1. РНК – копия содержит в себе весь объем информации определенного участка ДНК.

2. РНК сохраняет способность к образованию водородных связей между комплементарными основаниями (так как урацил, присутствующий в РНК вместо тимина спаривается с аденином)

3. Транскрипция отличается от репликации, при этом РНК-копия, после завершения ее синтеза освобождается от ДНК-матрицы, после чего происходит восстановление исходной двойной спирали ДНК.

4. Синтезирующие молекулы РНК имеют одноцепочечную структуру, она короче ДНК и соответствует длине участка ДНК, который достаточен для кодирования одного или нескольких белков.

Особенности данного процесса

1. В клетках эукариот – прежде чем превратится в и-РНК и попасть в цитоплазму, РНК претерпевает химические изменения.

2. В цитоплазме на каждой и-РНК синтезируются тысячи копий. Скорость этого процесса очень высока.

Генетический код

Генетический код – это аминокислотная последовательность белков. Он был расшифрован в 1961 году учеными Миренберпом и Маттеи. Они установили:

Кодирование аминокислот осуществляется триплетами нуклеотидов (кодонами) Из 4-х азотистых оснований можно составить 64 различные комбинации, которых достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, в результате которой кодируется определенная аминокислота.

Необходимо помнить, что:

Точность синтеза полипептидной цепи достигается за счет комплементарного узнавания азотистых оснований двух компонентов:

кодона информационной РНК антикодона транспортной РНК

Последовательность аминокислот в любом белке зависит от последовательности азотистых оснований в ДНК, содержащихся в той клетке, где синтезируется данный белок. Заложенная в ДНК информация считывается в процесс транскрипции матричной РНК (м-РНК) и переносится в белоксинтезирующую систему на рибосомы. Ученый Крик доказал триплетную теорию кодона, которая и объясняет способ перевода четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на 20-буквенный язык белковых молекул.

Кодон-антикодоновое взаимодействие – это способ узнавания триплетом (которым является м-РНК) комплементарного триплета (им является антикодон), входящего в состав соответствующей т-РНК.

Кодон и антикодон спариваются антипараллельным образом (теорий качаний Крика):

1. Два первых основания кодонов образуют прочные пары с соответствующими азотистыми основаниями антикодона.

2. Находящиеся в третьем положении азотистые основания кодонов образуют слабые водородные связи с антикодоном.

3. Вывод Крика: находящиеся в третьем положении основания большинства кодонов имеют некоторую степень свободы при образовании пары с соответствующими азотистым основанием антикодона – это и есть качающиеся основания.

4. Именно такое взаимодействие кодона с антикодоном обеспечивает включение аминокислоты в соответствующие участки полипептидной цепи синтезирующегося белка.

Этапы биосинтеза белка

1 этап – этап активации аминокислот

Компоненты:

1. 20 аминокислот

2. 20 ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз

3. 20 и более т-РНК, а также АТФ и ионы Мg²+

На этом этапее осуществляется АТФ-зависимые превращения аминокислот в аминоацил-т-РНК.

1 стадия – из аминокислоты и АТФ образуется аминоацил-аденилат – это активированное соединение (ангидрид), в котором карбоксильная группа аминокислоты соединена с фосфатной группой адениновой кислоты.

2 стадия – аминоацидная группа аминоацил-аденилата переносится на молекулу соответствующей т-РНК. В результате образуется аминоацил-т-РНК – это активированное соединение, участвующее в биосинтезе белка. Этот процесс активизируется аминоцаил-т-РНК-синтетазами.

Во всех случаях на 2-ой стадии активированная аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты, или адениловому нуклеотиду в триплете ЦЦА (ССА) на третьем конце молекулы т-РНК (3’-Т-РНК).

Молекулы т-РНК переводят информацию, заключенную в и-РНК на язык белка.

Таким образом, генетический код расшифровывается с помощью двух адаптаров: это т-РНК и аминоцаил-т-РНК-синтетаза, в результате чего каждая аминокислота может занять место, определенное ей триплетной нуклеотидной последовательностью в и-РНК, т. е. своим кодоном.

Для дальнейшего синтеза необходимы рибосомы. Синтез белков, входящих в состав рибосомной структуры, происходит цитоплазме, самосборка – в ядрышке за счет взаимодействия молекул белков и рибосомной РНК при участии ионов Мg²+.

р-РНК выполняет роль каркасов для упорядоченного расположения рибосомных полипептидов.

Суб-частицы в рибосоме расположены несимметрично, имеют неправильную форму, и соединены друг с другом так, что между ними остается бороздка, через которую проходит молекула и-РНК в процесс синтеза полипептидной цепи, а также 2-ая бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь.

2 этап – Инициация полипептидной цепи

Компоненты:

1. и-РНК, гуанозинтрифосфат (ГТФ), ионы Мg²+

2. N-формилметионил-т-РНК

3. Инициирующий кодон в и-РНК

4. Рибосомные субчастицы (30S, 50S)

5. Факторы инициации (IF 1;2;3)

У E. coli и других прокариот N-концевой аминокислотой при сборке полипептидной цепи всегда является остаток N-формилметианила.

Стадии образования инициирующего комплекса

1 стадия

A) В результате взаимодействия 30S субъединицы (субчастицы) и фактора инициации образуется структура, в которой белок препятствует ее ассоциации с 50S субчастицей.

B) Присоединение к 30S субчастице и-РНК достигается с помощью инициирующего сигнала, представляющего собой богатую пуриновыми основаниями последовательность, центр которой находится на расстоянии 10 нуклеотидов от 5’-конца инициирующего кодона и-РНК.

C) Первый транслируемый кодон расположен на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца.

D) Инициирующий сигнал, представленный коротким участком и-РНК, в результате взаимодействия с комплементарной последовательностью нуклеотидов, расположенных с 3-го конца 30S субчастицы, способствует фиксированию и-РНК в нужном для инициации положении.

E) Это взаимодействие обеспечивает правильное положение инициирующего кодона на 30S субчастице.

2 стадия

A) К комплексу, состоящему из 30S субчастицы, фактора инициации и и-РНК, присоединяются ранее связавшиеся с N-формилметионилом т-РНК, второй фактор инициации и гуанозин-трифосфат (ГТФ).

B) Возникновение функционально активной 70S рибосомы а результате присоединения 50S-рибосомной субчастицы к ранее образовавшейся комплексной структуре.

3 стадия – приготовление инициирующего комплекса к продолжению процесса трансляции.

3 этап – Элонгация

На этой стадии происходит синтез полипептидной цепи.

Компоненты:

1. Инициирующий комплекс – 70S рибосома.

2. Набор аминоацил-т-РНК

3. Фактор элонгации, цианозинтрифосфат (ГТФ)

4. Пептидилтрансфераза, ионы Мg²+

Элонгация – это циклический процесс.

Стадии элонгации

1 стадия – образование аминоацил-т-РНК, которая является комплементарным кодон-антикодоновым взаимодействием, а также специфической связью между участками молекул т-РНК и р-РНК.

2 стадия - подготовка для вступления остатков аминокислот в реакцию образования пептидной связи.

3 стадия (транслокация) – это перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один кодон. На образование однопептидной связи затрачивается энергия гидролиза 2-х молекул ГТФ.

A) Свободная т-РНК отделяется и уходит в цитоплазму.

B) В дальнейшем аминоацильный участок вновь подготовлен для связывания очередной аминоацил-т-РНК, антикодон который комплементарен следующему кодону и-РНК – начинается новый цикл элонгации.

4 этап – Терминация.

Компоненты:

АТФ Терминирующий кодон и-РНК Факторы освобождения полипептида

1) Рост полипептидной цепи продолжается, пока один из 3-х терминирующих кодонов (УАА, УГА, УАГ) не поступит в рибосому. В этом случае кодон-антикодо-нового взаимодействия не происходит.

2) К терминирующему кодону присоединяется ответственный за терминацию фактор, в результате прекращается дальнейший рост белковой цепи.

3) Синтезируемый белок, и-РНК и т-РНК определяются от рибосомы.

4) И0РНК распадается до свободных рибонуклеидов, а т-РНК и рибосомы, распавшись на две субъединицы, участвуют в новых циклах трансляции.

5 этап – Процессинг

Компоненты:

1. Специфические ферменты

2. Кофакторы

Образующиеся полипептидные цепи формируют более сложные белки или управляют процессами метаболизма в качестве ферментов.

На одной молекуле и-РНК работает несколько и более (до 100) рибосом. Они образуют полисому, и на каждой рибосоме строится своя полипептидная цепь (в биосинтезе гемоглобина участвуют полсомы из 5-6 рибосом).

Отличие биосинтеза белка

1. У прокариот – транскрипция и трансляция связаны между собой и синтез белка начинается сразу же на продолжающей синтезироваться молекуле и-РНК.

2. У эукариот – сначала на ДНК синтезируется и-РНК, затем она созревает и только зрелая участвует в трансляции.

Регуляция синтеза белка

В процессе эволюции был создан механизм регуляции действия генов. Геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из:

Структурных генов, которые кодируют синтез белковых молекул (т-РНК и и-РНК); и Генов-регуляторов, которые обеспечивают упорядоченность в действии структурных генов.

Регуляция экспрессии (выражения) генов осуществляется на нескольких уровнях:

Генный – обусловлен изменением количества и локализации генов, контролирующих тот или иной признак. Транскрипционный – отвечает за то, какие и когда включать гены для наработки и-РНК. Трансляционный – обеспечивает отбор и-РНК, транслирующихся на рибосомах. Функциональный – связан с регуляцией активности ферментов.

2. В результате трансляции не всегда сразу образуется функционально активный белок. Во многих случаях необходимы дополнительные посттрансляционные изменения.

Посттрансляционная модификация (процессинг) белков менее распространена, чем процессинг РНК. Тем не менее известны случаи, когда при развитии некоторых вирусов трансляция поли-цистронной матрицы приводила к образованию общей полипептидной цепи, разрезаемой в дальнейшем на индивидуальные белки специфическими протеиназами. Кроме того, широко известен процессинг ряда ферментов (пищеварительных, инсулина и др.), превращающий их неактивные формы в активные.

У прокариот наиболее распространенным видом процессинга белков является удаление «сигнального» пептида из молекул секретируемых белков. Такие белки и ферменты (экзогидролазы, белки наружной мембраны и др.) содержат на NH2-Komi,e гидрофобный пептид из 15—30 аминокислот, который необходим для транслокации белка через цитоплазм атическую мембрану в процессе его синтеза. После завершения транслокации «сигнальный» пептид удаляется специальной «сигнальной» пептидазой (подробнее об экзо-ферментах — в главе, посвященной процессам экскреции).

К группе процессов посттрансляционной модификации можно отнести ферментативное присоединение коферментов (биотина, флавинов, гема и др.) к готовой молекуле апофермента, а также, с некоторой долей условности, и формирование мульти-мерных белков из нескольких полипептидных цепей с участием белков-шаперонов (стресс-белков, белков «теплового шока»).

3. Сущность этой теории сводится к "выключению" или "включению" генов как функционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их способности передавать закодированную в структурных генах ДНК генетическую информацию для синтеза специфических белков. Эта теория, доказанная в опытах на бактериях, получила широкое признание, хотя у эукариотов механизм регуляции синтеза белков, вероятнее всего, более сложный. У бактерий доказана индукция ферментов при добавлении в питательную среду субстратов этих ферментов. Добавление конечных продуктов реакции, образование которых катализируется этими же ферментами, напротив, вызывает уменьшение количества ферментов. Это последнее явление получило название репрессии. Оба этих явления, индукция и репрессия, взаимосвязанны.

Согласно теории Жакоба и Моно в биосинтезе белка у бактерий участвуют по крайней мере три типа генов: структурные гены, ген-регулятор и ген-оператор. Структурные гены определяют первичную структуру синтезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК служат основной матрицей для биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому и, как было указано выше, служит матрицей для биосинтеза белка.

Как видно из схемы, синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК непосредственно контролируется определенным участком, называемым оператором. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования структурных генов. Оператор локализован на крайнем отрезке структурного гена или структурных генов, регулируемых им. "Считывание" генетического кода, т. е. формирование мРНК, начинается с промотора - участка ДНК, являющегося точкой инициации для синтеза мРНК, и далее распространяется последовательно вдоль оператора и структурных генов. Координированный одним оператором одиночный ген или группа структурных генов образует оперон.

В свою очередь деятельность оперона находится под контролирующим влиянием другого участка цепи ДНК, получившего название гена-регулятора. Поскольку структурные гены и ген-регулятор находятся в разных участках цепи ДНК, связь между ними, как предполагают Жакоб и Моно, осуществляется при помощи вещества-посредника, оказавшегося белком и названного репрессором. Образование репрессора происходит в рибосомах ядра на матрице специфической мРНК, синтезированной на гене-регуляторе. Репрессор имеет сродство к оператору и обратимо соединяется с ним в комплексе. Образование такого комплекса приводит к блокированию синтеза мРНК, а следовательно, синтеза белка, т. е. функция гена-регулятора состоит в том, чтобы через белок-репрессор "запрещать" деятельность оперона (структурных генов), синтезирующих мРНК. Репрессор, кроме того, обладает способностью строго специфически связываться с определенными низкомолекулярными веществами, называемыми индукторами, или эффекторами. Когда такой индуктор соединяется с репрессором, последний теряет способность связываться с геном-оператором, который, таким образом, выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК.

Это типичный пример отрицательной формы контроля, когда индуктор, соединяясь с белком-репрессором, вызывает изменения его третичной структуры настолько, что он теряет способность связываться с геном-регулятором. Здесь мы видим также аналогию взаимоотношения аллостерического центра фермента с эффектором. При образовании такого комплекса изменяется третичная структура фермента и он теряет способность связываться со своим субстратом.

Механизм описанной регуляции синтеза белка и взаимоотношения репрессора со структурными генами были доказаны в опытах с Е. coli, на примере синтеза галактозидазы, фермента, гидролизующего молочный сахар на глюкозу и галактозу. Дикий штамм Е. coli, обычно растущий на глюкозе, не может расти, если вместо глюкозы в питательную среду добавить лактозу (новый источник энергии и углерода) до тех пор, пока не будут синтезироваться подходящие ферменты (адаптивный синтез). При поступлении в клетку лактозы (индуктора) молекулы ее связываются с белком-репрессором и блокируют связь между репрессором и оператором. При этом оператор и структурные гены "освобождаются от запрещения" и начинают синтезировать необходимую мРНК, которая "дает команду" рибосомам синтезировать галактозидазу. Одновременно ген-регулятор продолжает вырабатывать репрессор, но он блокируется новыми молекулами лактозы, поэтому синтез фермента продолжается. Как только молекулы лактозы будут полностью расщеплены, репрессор освобождается и, поступив в ДНК, связывает оператор и блокирует синтез мРНК, а следовательно, синтез галактозидазы в рибосомах.

Таким образом, биосинтез мРНК, контролирующий синтез белка в рибосомах, зависит от состояния репрессора. Если репрессор, который представляет собой белок, состоящий из четырех субъединиц с общей молекулярной массой около 150 000, находится в активном состоянии, не связан с индуктором, он блокирует ген-оператор и не происходит синтез мРНК. При поступлении метаболита в клетку его молекулы связывают репрессор, превращая его в неактивную форму (или, возможно, снижая его сродство к гену-оператору). Структурные гены выходят из-под контроля и начинают синтезировать нужную мРНК.

Выше было указано, что концентрация ряда ферментов в клетках резко снижается при увеличении концентрации конечных продуктов реакций, образующихся данными ферментами. Такой эффект, получивший название репрессии ферментов, имеет место чаще всего в синтетических реакциях. В этих случаях оказалось, что молекулы репрессора, также образующиеся в рибосомах ядра по "команде" гена-регулятора, являются неактивными и сами по себе не обладают способностью подавлять деятельность гена-оператора и, следовательно, всего оперона, но приобретают такую способнсть после образования комплекса с конечными или одним из конечных продуктов синтетической реакции (рис. 119).

Конечный продукт выступает, таким образом, в качестве корепрессора. Имеются данные, показывающие, что в качестве корепрессоров в синтезе ферментов обмена аминокислот, например, выступает не свободная аминокислота как конечный продукт биосинтетической реакции, а комплекс ее с тРНК - аминоацил-тРНК.

Таким образом, концепция Жакоба и Моно о механизме проявления активности генов признана одним из блестящих достижений молекулярной биологии. Она явилась логическим развитием многочисленных исследований, проведенных генетиками и биохимиками в предшествующие десятилетия.

В заключение следует вкратце рассмотреть вопрос о регуляции процессов дифференцировки клеток высших организмов. ДНК, присутствующая во всех соматических клетках, вероятнее всего, имеет одинаковую первичную структуру у данного организма и соответственно располагает информацией для синтеза любых или всех белков тела. Тем не менее клетки печени, например, синтезируют сывороточные белки, а клетки молочной железы - белки молока. Нет сомнения в том, что в дифференцированных клетках, очевидно, существует тонкий механизм контроля деятельности ДНК в разных тканях, обеспечивающий синтез многообразия белков.

Механизмы, лежащие в основе этой регуляции, пока неизвестны. Для объяснения их имеется ряд гипотез. В частности, предполагается, что контроль осуществляется на уровне транскрипции по аналогии с индукцией ферментов у бактерий, и что в этом случае в клетках животных должны функционировать аналогичные репрессоры. Поскольку с молекулой ДНК у эукариотов связаны гистоны, считается, что именно они выполняют роль репрессоров. Однако прямых доказательств их роли в качестве репрессоров почти нет, как нет и точных данных о существовании каких-либо репресоров в клетках эукариотов. Высказано также мнение, что в ядре синтезируется гигантская молекула мРНК, содержащая информацию для синтеза широкого разнообразия белков, но в цитоплазму попадает только небольшая часть, а главная часть распадается. Неясно, однако, каков механизм избирательного распада мРНК.

Имеется еще одно предположение, что на ДНК клетки синтезируются все возможные мРНК, которые поступают в цитоплазму, и процесс трансляции регулируется путем специфического и избирательного взаимодействия репрессоров с определенными молекулами мРНК. Будущее покажет, какой из этих механизмов регуляции наиболее точно отражает истину.

4. Одним из путей выяснения механизмов синтеза нуклеиновых кислот и белков в клетках является путь синтеза таких лекарственных препаратов, которые могли бы избирательно тормозить эти процессы у бактерии, не оказывая влияния на организм человека. Ряд препаратов действительно обладает аналогичным действием, однако многие из них оказываются токсичными для человека. В настоящее время в медицинской практике применяются многие антибиотики, часть из которых будет рассмотрена ниже с целью выяснения механизма их действия на ключевые химические реакции синтеза белка и нуклеиновых кислот.

Одним из мощных ингибиторов белкового синтеза является пуромицин. Из-за структурного сходства его с концевым остатком адениловой кислоты в аминоацил-тРНК он легко взаимодействует с пептидил-тРНК с образованием пептидил-пуромицина. Поскольку пептидил-пуромицин не несет на себе триплета антикодона, он тем самым тормозит элонгацию пептидной цепи, вызывая обрыв реакции. Затем свободные пептидил-пуромицины освобождаются из рибосомы. При помощи пуромицина было доказано, например, что гормональный эффект в ряде случаев зависит от синтеза белка de novo.

Белковый синтез тормозится актиномицином D, обладающим противоопухолевым эффектом, но вследствие высокой токсичности применяется редко. Он оказывает тормозящее влияние на синтез всех типов клеточной РНК, в особенности мРНК. Это свойство вызвано тормозящим влиянием актиномицина D на ДНК-зависимую РНК-полимеразу, поскольку он связывается с остатками дезоксигуанозина цепи ДНК, выключая матричную функцию последней. Можно считать, что актиномицин ингибирует транскрипцию ДНК.

Другим антибиотиком, также тормозящим синтез клеточной РНК, является используёмый при лечении туберкулеза рифамицин. Этот препарат тормозит ДНК-зависимую РНК-полимеразу путем связывания с ферментом. Наиболее чувствительна к нему бактериальная РНК-полимераза. На организм животных этот антибиотик оказывает незначительное влияние. По механизму действия он резко отличается от актиномицина. Следует указать на недавно открытое противовирусное действие рифамицина, в частности он успешно используется при лечении трахомы, которая вызывается ДНК-содержащим вирусом. По-видимому, этот антибиотик найдет применение в лечении опухолей, вызываемых вирусами.

Выяснены механизмы действия ряда других антибиотиков, применяемых при лечении тифозных инфекций. Так, хлорамфеникол оказывает ингибирующее влияние на пептидилтрансферазную реакцию (в стадии элонгации) синтеза белка в 70S рибосоме бактерий. На этот процесс в 80S рибосоме он не действует. Противоположным тормозящим действием на синтез белка в 80S (без поражения процесса в 70S рибосоме) обладает циклогексимид, оказавшийся ингибитором транслоказы.

Противотуберкулезные и антибактериальные антибиотики, в частности стрептомицин и неомицин, действуют на белоксинтезирующий аппарат чувствительных к ним штаммов бактерий. Оказалось, что чувствительность бактерий к стрептомицину связана с присутствием единственного белка в 30S субчастице рибосомы. Высказано предположение, что стрептомицин и неомицин вызывают ошибки в трансляции мРНК, приводящие к нарушению соответствия между Кодонами и включаемыми аминокислотами; например, кодон УУУ вместо фенилаланина начинает кодировать лейцин, - в результате образуется аномальный белок, что приводит к гибели бактерий.

Широко применяемые в клинике тетрациклины также оказались ингибиторами синтеза белка в 70S рибосоме (меньше тормозится синтез в 80S рибосоме). Они легко проникают через клеточную мембрану. Считается, что тетрациклины тормозят связывание аминоацил-тРНК с аминоацильным центром в 50S субчастице рибосомы. Возможно, что тетрациклины химически связываются с этим центром, выключая тем самым одну из чедущих стадий процесса трансляции.

Известные к настоящему времени данные о пенициллинах свидетельствуют о том, что они не являются истинными ингибиторами синтеза белка, однако их антибактериальный эффект связан с торможением синтеза гексапептидов, входящих в состав клеточной стенки. Механизм их синтеза отличается от рибосомального механизма синтеза белка. Эритромицин и олеандомицин тормозят активность транслоказы в процессе трансляции, подобно циклогексимиду, исключительно в 80S рибосомах, т. е. тормозят синтез белка в клетках животных.

Следует еще раз подчеркнуть, что нарушение или выпадение любого звена, участвующего в синтезе белка, почти всегда приводит к развитию патологии, причем клинические проявления болезни будут определяться природой и функцией белка, синтез которого оказывается нарушенным (структурный или функциональный белок). Иногда синтезируются так называемые аномальные белки как результат изменения генетического кода (см. выше, гемоглобин при серповидно-клеточной анемии), структурно и функционально неполноценные. Последствия этого нарушения могут выражаться в развитии самых разнообразных синдромов или заканчиваться летально.