Синтез белка. Регуляция синтеза белка.

СИНТЕЗ БЕЛКА. РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА БЕЛКА

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ

Караганда 2003

Авторы: зав. кафедрой проф. Л.Е. Муравлева, преподаватели Д.А. Клюев, В.В. Койков, Л.Б. Айтишева

Рецензент: доцент С.А. Искакова

Утверждена на заседании кафедры пр.№ _____ от _______________2003 г.

Утверждена зав. кафедрой ________________________________________

Утверждена на МК медико-биологического и фармацевтического факультетов

пр.№ _____ от _______________2003 г.

Председатель ______

Синтез белка. Регуляция синтеза белка.

Синтез белка отличается от других матричных биосинтезов тем, что между матрицей и продуктом нет комплементарного соответствия. Поскольку матрица построена из 4 нуклеотидов, а продукт, полипептидная цепь, — из 20 аминокислот, существует определенный закон шифрования аминокислот в нуклеотидной последовательности матрицы, т.е. биологический код.

Биологический код — это способ записи информации об аминокислотной последовательности белков с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК. Он характеризуется следующими свойствами: триплетностью, специфичностью, универсальностью, наличием терминирующих кодо-нов, вырожденностью.

Основными компонентами белоксинтезирующей системы являются мРНК, аминокислоты, тРНК, аминоацил-тРНК-синтетазы, рибосомы, факторы инициации, элонгации и терминации, источники энергии и кофакторы (табл. 1).

Синтез аминоацил-тРНК (аа-тРНК) катализируют аминоацил-тРНК-синтетазы, обладающие абсолютной специфичностью к аминокислоте и относительной — к тРНК. В связи с вырожденностью кода тРНК больше, чем аминокислот, и существуют изоакцепторные тРНК, отличающиеся по строению антикодона, но связывающиеся с одной и той же аминокислотой. Название каждой из 20 аминоацил-тРНК-синтетаз отражает название аминокислоты, которая активируется в ходе этой реакции. Так, реакцию активации глутамата катализирует глутамил-тРНК-синтетаза, которая при соединяет a-СООН- группу аминокислоты к 3'-ОН-концу тРНК за счет энергии АТР.

Таблица 1. Основные компоненты белоксинтезирующей системы и их функции в процессе трансляции

Необходимые компоненты	Функции
Аминокислоты	Субстраты для синтеза белков
тРНК	тРНК выполняют функцию адаптеров. Они акцепторным концом взаимодействуют с аминокислотами, а антикодоном — с кодоном мРНК
Аминоацил-тРНК- синтетазы	Каждая аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует реакцию специфического связывания одной из 20 аминокислот с соответствующей тРНК
мРНК	Матрица содержит линейную последовательность кодонов, определяющих первичную структуру белков
Рибосомы	Рибонуклеопротеиновые субклеточные структуры, являющиеся местом синтеза белков
АТР, GTP	Источники энергии
Белковые факторы инициации, элонгации, терминации	Специфические внерибосомные белки, необходимые для процесса трансляции: факторы инициации, элонгации, терминации
Ионы магния	Кофактор, стабилизирующий структуру рибосом

События на рибосоме включают этапы инициации, элонгации и терминации. Инициация начинается с присоединения к малой субъединице рибосомы факторов инициации, комплекса Мет-тРНК^Мет с GTP и мРНК в области кэпа и инициирующего кодона AUG. После связывания антикодона Мет-тРНК^Мет с кодоном AUG происходит присоединение 608-субъединицы рибосомы, сопровождающееся гидролизом GTP и отделением факторов инициации. Формируется 808-рибосома, у которой Мет-тРНК^Мет находится в Р (пептидильном)-центре, а А (аминоацильный)-центр свободен (рис.2).

Рис.2. Инициация белкового синтеза.

Этап элонгации включает три последовательные стадии (рис.3).

Связывание аа-тРНК в А-центре. В рибосому, у которой в Р-центре находится Meт-тPHK^Мет, в А-центр присоединяется первая аа-тРНК. Выбор аа-тРНК определяется строением кодона мРНК, поскольку между кодоном мРНК и антикодоном тРНК возникает комплементарное взаимодействие. Связывание аа-тРНК с мРНК происходит с использованием энергии GTP и при участии фактора элонгации EF1.

Рис.3. Элонгация полипептидной цепи

1 — включение аа-тРНК в А-центр,

2 — образование пептидной связи. Стадию катализирует обладающая пептидилтрансферазной активностью рРНК,

3 — стадия транслокации Стадии элонгации 1—3 повторяются.

Образование пептидной связи. Первая пептидная связь возникает за счет реакции транспептидации, в ходе которой метионин от инициаторной тРНК переносится на a-аминогруппу аа-тРНК в А-центре с образованием дипептидил-тРНК. Катализирует пептидилтрансферазную реакцию рРНК большой субъединицы рибосомы.

Транслокация. В ходе этой стадии за счет энергии GTP и при участии фактора элонгации EF2 рибосома перемещается на один кодон в направлении от 5'- к З'-концу мРНК. В результате дипептидил-тРНК из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон. тРНК^Мет покидает рибосому. Далее процесс продолжается по описанной схеме, повторяя стадии 1-»2-»3.

Терминация трансляции происходит после включения в А-центр одного из кодонов терминации: UAG, UGA, UAA. При участии специальных белков —3 факторов терминации (RF1, RF2 и RF3) -происходит гидролитическое отщепление синтезированного полипептида от тРНК. тРНК высвобождается из рибосомы за счет гидролиза GTP, и «пустая» рибосома легко диссоциирует на субъединицы.

В процессе трансляции малая и большая субъединицы рибосомы выполняют разные функции малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма транслокации, большая субъединица ответственна за образование пептидных связей. Основной вклад в организацию и проявление пептидилтрансферазной активности вносит рРНК.

Много рибосом могут одновременно участвовать в трансляции одной мРНК. Каждая рибосома занимает участок, равный примерно 80 нуклеотидам мРНК. Таким образом, рибосомы располагаются на мРНК с интервалами около 100 нуклеотидов, образуя комплекс, называемый полисомой.

Функционально активные белки образуются в результате посттрансляционных модификаций полипептидных цепей, синтезированных на рибосомах. Эти модификации включают:

А. Частичный протеолиз.

Б. Модификации аминокислот: карбоксилирование, фосфорилирование, йодирование, гидроксилирование, ацилирование и гликозилирование.

В. Формирование пространственной структуры, или фолдинг, в котором принимают участие белки-шапероны, обеспечивающие правильную укладку полипептидной цепи.

Г. Образование дисульфидных связей между остатками цистеина, участвующими в формировании трехмерной структуры белка.

Д. Присоединение простетических групп.

Е. Образование олигомерных структур, которое также осуществляется при участии шаперонов

Подавление матричных биосинтезов может быть достигнуто либо путем структурной модификации матрицы и рибосомх, либо путем инактивации ферментов. Прекращение синтеза ДНК, РНК или белка вызывает гибель всех клеток, поэтому многие ингибиторы матричных биосинтезов являются ядами для организма человека.

a-Аманитин — токсин, который содержится в теле белой поганки Amanita phalloides и ингибирует эукариотические РНК-полимеразы, в особенности РНК-полимеразу II. Энтеротоксин возбудителя дифтерии является специфическим ингибитором трансляции у эукариотов, блокрируя один из факторов элонгации.

Антибиотики, подавляющие процесс транскрипции и трансляции и специфичные в отношении белоксинтезирующей системы прокариотов, могут использоваться как антибактериальные препараты, а антибиотики, нарушающие матричную функцию ДНК, нашли применение при лечении злокачественных новообразований и являются противоопухолевыми препаратами (например, доксорубицин, дауномицин).

В последние годы проводятся исследования по созданию препаратов, обеспечивающих доставку ингибитора только в опухолевые клетки. Это достигается связыванием цитотоксических антибиотиков с белками, рецепторы к которым имеются главным образом на опухолевых клетках.

Некоторые антибиотики — рифампицин, эритромицин, тетрациклин и др. — селективно ингибируют синтез РНК или белка в бактериальных клетках, практически не влияя на белковый синтез в клетках млекопитающих. Высокая избирательность этой группы соединений объясняется различиями в структуре РНК-полимераз и рибосом эукариотических и прокариотических клеток. Например, эритромицин ингибирует транслокацию, тетрациклин - связывание аа-тРНК в А- центре.

Многие вирусы, например вирусы оспы, гриппа и полиомиелита, попадая в организм человека, выключают синтез ДНК, РНК и белков в клетках организма хозяина и переключают РНК и белок-синтезирующий аппарат на репродукцию вирусных нуклеиновых кислот и белков.

Защиту организма от вирусных инфекций обеспечивают интерфероны. Семейство этих белков синтезируется в клетках эукариотов в ответ на заражение вирусом. Они через торможение фактора инициации eIF2 прекращает работу белоксинтезирующего аппарата. Интерфероны повышают активность рибонуклеазы, расщепляющей матричные и рибосомные РНК клетки, что также снижает синтез белка в инфицированных клетках.

Адаптация организмов к различным воздействиям окружающей среды осуществляется, в частности, путем изменения экспрессии (активности) генов. Этот процесс, в деталях изученный на бактериях и вирусах, включает взаимодействие специфических белков с участками ДНК в непосредственной близости от стартового участка транскрипции. Эукариотические клетки используют этот же принцип, хотя в регуляции экспрессии генов реализуются и некоторые другие механизмы.

У прокариотов определенные белки связываются с регуляторными участками оперона и предотвращают или усиливают связывание РНК-полимеразы с промотором.

Если оперон регулируется по механизму индукции (например, лактозный оперон), то в отсутствие индуктора (лактозы) белок-репрессор связан с оператором. Поскольку участки оператора и промотора перекрываются, то присоединение репрессора к оператору препятствует связыванию РНК-полимеразы с промотором и транскрипция структурных генов оперона не идет. Когда индуктор появляется в среде, он присоединяется к белку- репрессору, изменяет его конформацию и снижает сродство к оператору. РНК-полимераза связывается с промотором и транскрибирует структурные гены.

При регуляции оперона по механизму репрессии (например, гистидиновый или триптофановый опероны) белок-репрессор не имеет сродства к оператору. Когда к белку-репрессору присоединится небольшая молекула — корепрессор (гистидин или триптофан), то в результате происходящих в белковой молекуле конформационных изменений комплекс белок-репрессор—корепрессор приобретает сродство к оператору и прекращает транскрипцию.

В клетках млекопитающих существуют два вида регуляции биосинтеза белков:

• кратковременная, обеспечивающая адаптацию организма к возможным изменениям окружающей среды;

• длительная, стабильная, определяющая дифференцировку клеток и разный белковый состав органов и тканей.

В хроматине разных органов и тканей наряду с огромными транскрипционно неактивными или стабильно репрессированными участками имеются активные или потенциально активные участки. За малым исключением (лимфоциты), каждая клетка организма содержит один и тот же набор генов. Существование специализированных органов и тканей зависит от дифференциальной экспрессии генов, это означает, что в дифференцировании клетках разных тканей транскрибируются разные участки хроматина.

Рис.4 Адаптивная регуляция транскрипции.

Адаптивная регуляция у высших организмов отличается от регуляции транскрипции у прокариотов многообразием сигналов, которые контролируют 1. начало процесса на молекуле ДНК, 2. частоту, с которой он происходит.

ТАТА-участок промотора присоединяет ТАТА-связывающий белок (ТАТА-фактор), факторы транскрипции А и В, которые обеспечивают взаимодействие с РНК-полимеразой и определяют стартовую точку транскрипции (рис 4).

Минимальный синтез мРНК становится возможным после связывания РНК-полимеразы с транскрипционными факторами F, Е, Н.

Если, кроме указанных компонентов, с ТАТА-связывающим белком образуют комплекс белки, присоединенные к регуляторным участкам ДНК, то скорость транскрипции меняется. Она возрастет, если это будут белки-активаторы, обеспечивающие взаимодействие с энхансерами (усилителями), и снижается, если к ТАТА-связывающему белку присоединится белок, взаимодействующий с участком сайленсера (тушителя транскрипции).

Регуляторные зоны ДНК — энхансеры и сайленсеры — различны по числу и расположению на молекуле ДНК для разных генов в разных тканях, т.е. являются тканеспецифическими характеристиками. Они могут располагаться за тысячи нуклеотидных пар от стартовой точки транскрипции перед, после или внутри гена, связывать комплексы белков с метаболитами или гормонами и влиять на конформацию гена.

Естественный отбор и биологическая эволюция невозможны без генетической изменчивости, которая возникает за счет мутаций и рекомбинаций в процессе мейоза. В последнем случае происходит обмен участками ДНК между гомологичными хромосомами родителей. Мутации — это нерепарированные изменения первичной структуры ДНК, появляющиеся в молекуле в ответ на дефекты в paботе ДНК-полимераз или ДНК-репарирующей системы, воздействия внешней и внутренней среды. 2. Точечные мутации в основном бывают трех видов:

• замены (это наиболее распространенный тип повреждений молекулы ДНК; (Различают 2 типа замены оснований: транзиции и трансверсии. Под транзициями понимают замену пуриновых оснований на пуриновые и пиримидиновых на пиримидиновые (Т—С и A—G). Трансверсиями называют замену пуриновых оснований на пиримидиновые и наоборот. Другой причиной замены оснований является ошибочное включение в цепь ДНК химически измененное основание (или модифицированное основание). Следует отметить, что генные мутации по типу замены оснований происходят либо до репликации, либо в процессе репликации. Если эти изменения не исправляются в процессе репарации, то они становятся достоянием сначала одной, а затем и двух цепей ДНК. Следовательно, источником возникновения этой категории мутаций являются ошибки в процессах репликации или репарации).

• вставки;

• делеции (или выпадения) нуклеотидов

Каждый тип мутации вызывает разные последствия. Так, замена нуклеотида:

• может быть «молчащей» и не проявиться в белке, если кодирующий триплет, в котором находится мутантный нуклеотид, из-за вырожденности кода обеспечивает включение в белок той же аминокислоты, что исходный кодон;

• может сопровождаться включением в белок одной измененной аминокислоты (миссенс-мутация). Такого типа мутации возникают при действии алкилирующих агентов.(Алкильная группа присоединяется к N₇ пуринового кольца гуанина, изменяя его ионизацию и характер связывания с другим нуклеотидом в комплементарной паре. В результате против алкилированного гуанина встает тимин, а следовательно, в последующем поколении пара G-C заменяется А-Т).

• может привести к образованию «терминирующего» кодона (нонсенс-мутация), на котором работа белоксинтезирующего аппарата будет остановлена и образуется укороченный вариант белка.

Делеции и вставки также приводят к неоднозначным результатам:

• если включается или выпадает один нуклеотид или участок ДНК, в котором число нуклеотидов не кратно 3, то происходит сдвиг рамки считывания информации и при трансляции вся информация, расположенная за местом мутации, читается неверно. Возникает белок, у которого за местом мутации расположена случайная последовательность аминокислот. Такого типа мутации вызывают вещества, ин-теркалирующие между азотистыми основаниями молекулы ДНК;

• если выпадает или включается в ДНК участок с длиной цепи, кратной 3, то сдвига рамки считывания информации не происходит (деления или вставка без сдвига рамки считывания информации). Белок, который зашифрован такой матрицей, будет либо укорочен (при делении), либо удлинен (при вставке) на одну или несколько аминокислот.

3. В большинстве случаев мутации влияют на экспрессию или структуру генов, что проявляется в снижении количества или изменении структуры белкового продукта, а следовательно, и его функциональной активности. Иногда снижение или полное отсутствие белка является результатом мутаций в регуляторных участках генов.

Следовательно, при генных мутациях схема такова: в результате генной мутации (молекулярный дефект) возникает патологический первичный эффект, это приводит к каскаду биохимических нарушений в клетках, органе и организме. Такая последовательность событий лежит в основе генных болезней. Отмечено 4 варианта патологических первичных эффектов.

Первый вариант связан с выработкой избыточного количества продукта вследствие усиления генной активности.

Второй вариант связан с выработкой аномальных белков. Это приводит к нарушению в той системе, работу которой обеспечивает данных белок.

Например, (вследствие замены одной аминокислоты) при серповидно-клеточной анемии синтезируется аномальный гемоглобин, который обладает пониженной растворимостью, способностью к полимеризации. В результате при недостатке кислорода такой гемоглобин быстро кристаллизуется, эритроциты приобретают форму серпа, быстро склеиваются, что приводит к закупорке капилляров.

Третий вариант связан с отсутствием первичных продуктов. Это наиболее распространенный вариант. В результате отсутствия того или иного белка (чаще всего фермента) биохимические реакции с его участием не проходят. Это приводит к накоплению продуктов-предшественников, чаще всего токсичных. Например, при фенилкетонурии не происходит превращение фенилаланина в тирозин из-за отсутствия соответствующего фермента. В результате нарушается синтез миелиновой оболочки в аксонах ЦНС, на уровне организма развивается тяжелая форма умственной недостаточности. Другим примером отсутствия белков является дефицит ферментов системы репарации или репликации. Это приводит к развитию злокачественных новообразований.

Четвертый вариант - это выработка уменьшенного количества продукта, например, белков. Это приводит к их недостатку в организме и к отклонениям в обмене веществ.

Классификация генных болезней. В основу классификации генных болезней положены 3 принципа: генетический, клинический и патогенетический.

Патогенетическая классификация зависит от поражения основного патогенетического звена.

В связи с функциональной значимостью первичных продуктов генные болезни делятся на: 1.наследственные нарушения ферментных систем или энзимопатии; 2.дефекты белков крови или гемоглобинопатии; 3.дефекты структурных белков или коллагеновые болезни; 4.генные болезни с невыясненным первичным биохимическим дефектом. В последнее время стали рассматривать 5 категорию, к которой относятся болезни накопления (недостаток лизосомальных ферментов), а также митохондриальные и пероксисомные болезни, определяющие патологию функции и обмена клеточных органелл.

Основные способы диагностики генных болезней - биохимический и молекулярно- генетический. Лечение наследственных заболеваний: диетотерапия (например, при галактоземии назначают диету, не содержащую галактозу. Индивид выживает, но причина болезни не устраняется), введение недостающего фактора (ферменты - при недостатке, глобулин Rh, который предупреждает образование антител Rh при гемолитической болезни новорожденных).. Все эти виды лечения относятся к симптоматическим или патогенетическим, не устраняют причину болезни, индивиды, вступая в детородный возраст, передают неблагоприятные гены своим потомкам.

Литература:

Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами /под редакцией Е. С. Северина и А.Я. Николаева – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2001.- 448 с. 2. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия: Пер. с англ. – М.:ГЭОТАР-МЕД, 2000.- 119 с.- («Экзамен на отлично»)