Распад клеточных белков. Время полужизни разных белков. Механизмы, лежащие в основе старения и устранения отживших белков.

Кругооборот белков

Белки, как и другие компоненты клетки, находятся в динамическом состоянии, т. е. непрерывно обновляются. Это можно обнаружить в простом эксперименте. Если животному давать корм, содержащий меченые аминокислоты (14С-аминокислоты), то они включаются во вновь синтезируемые белки, и с течением времени все белки становятся мечеными. Если теперь животное перевести на обычный корм, то коли­чество меченых белков в тканях начинает убывать. Таким способом можно опреде­лить время полужизни белка: оно равно времени, в течение которого количество метки в белке снизилось наполовину. Среднее время полужизни белков — это вре­мя, за которое белки всего организма обновляются наполовину. Можно измерить время полужизни и отдельных белков. Например, время полужизни растворимых белков печени колеблется в пределах от 12 мин до 25 дней.

По времени полужизни белки животных разделяют на четыре группы:

1) очень быстро обновляющиеся белки (время полужизни - менее 1 ч): белок-супрессор опухолей p53, продукты протоонкогенов c-fos и c-myc, орнитиндекарбоксилаза, циклины;

2) быстро обновляющиеся белки (время полужизни - 1-24 ч): тирозинаминотрансфераза, триптофан-2,3-диоксигеназа, гамма- глутамилтрансфераза, Hsp70, РНК-полимераза I, рецептор инсулина, убиквитин;

3) медленно обновляющиеся белки (время полужизни - 1-5 дней): каталаза, калпаины, катепсины, протеасомы, тубулины, актины, альдолаза, лактатдегидрогеназа, аргиназа;

4) очень медленно обновляющиеся белки (время полужизни - больше 5 дней): митохондриальная фумараза, цитохромы b и c, миозин, гемоглобин, гистоны в интерфазном ядре, эластин, коллаген.

Молекулярные механизмы генетической изменчивости. Молекулярные мутации: замены, делеции, вставки нуклеотидов Частота мутаций, зависимость от условий среды (радиация, химические мутагены).

С изменчивостью связаны такие важные для медицины явления, как гетеро­генность популяций человека, существование наследственных болезней и пред­расположенность к болезням.

Молекулярную основу изменчивости организмов составляют наследуемые из­менения первичной структуры ДНК — мутации. Мутации возникают в результате ошибок синтеза ДНК в процессе репликации или при репарации повреждений ДНК, вызванных разного рода внешними факторами. Другой механизм изменчи­вости составляют рекомбинации — обмен участками ДНК между гомологичными хромосомами при половом размножении.

Генные (молекулярные мутации)

Замена нуклеотида может привести к изменению смысла кодона (миссенс-мутация) и, следовательно, к синтезу измененного белка. Так возникла, например, мутация, проявляющаяся как серповидноклеточная анемия: кодон, ответственный за включение глутаминовой кислоты в шестом положении бета-цепи гемоглобина, превратился в кодон валина.

Если в результате замены образуется один из терминирующих кодонов — UAA, UAG или UGA (нонсенс-мутация), то синтез пептидной цепи обрывается на этом кодоне, получается незавершенный белок. Поскольку код вырожден­ный, то замена нуклеотида не всегда изменяет смысл кодона, может получиться другой кодон той же аминокислоты; такое изменение ДНК фенотипически не проявляется.

Мутация может быть связана с утратой мономеров (делеция) или, наоборот, со вставкой дополнительных мономеров. В случае делеции одного мономера из­меняется считывание всех последующих кодонов — это мутация со «сдвигом рам­ки». В результате такой мутации синтезируется белок с «бессмысленной» последовательностью аминокислот, не приспособленный для выполнения какой-либо функции. При делеции двух мономеров также происходит сдвиг рамки. Если же утрачены три мономера (или количество, кратное трем), то сдвига рамки нет, но синтезируется белок, укороченный на одну аминокислоту или несколько ами­нокислот. Вставки дополнительных нуклеотидов (в количестве, не кратном трем) также приводят к сдвигу рамки.

Частота мутаций

Мутации в отличие от репарируемых повреждений ДНК — сравнительно редкие события. При расчете на единичный ген одна из каждых 100 000-1 000 000 гамет содержит вновь возникшую мутацию. Однако для генотипа в целом мутация — яв­ление совсем не редкое: если принять число генов у человека равным 50 000, то получается, что значительная часть гамет имеет новую мутацию. Большая часть мутаций резко нарушает жизнеспособность клетки: в результате мутаций гибнет до 80 % гамет на самых ранних стадиях развития.

Частоту мутаций, сохранившихся в процессе эволюции, можно оценить по различиям первичной структуры какого-либо белка у разных животных. Напри­мер, известна первичная структура цитохрома с примерно 100 разных видов орга­низмов. Сравнивая число аминокислотных замен в цитохроме с некоторых видов по сравнению с цитохромом с человека, легко видеть, что различия тем больше, чем меньше филогенетическое родство. Зная время, потребовавшееся для эволюции, например от земноводных до млекопитающих, можно рассчитать частоту замен. Для цитохрома с она оказалась равной трем заменам за 100 млн лет; для других белков получены величины от 0,2 до 60 замен за 100 млн лет. Конеч­но, эти величины отражают лишь незначительную часть всех мутаций, посколь­ку большинство из них являются вредными и элиминируются в ходе естественно­го отбора. Отметим также, что при таком методе определяется частота мутаций одного гена, а не всего генома.