Строение белков. Трансляция. Фолдинг белков, факторы. Модификация и распад белков

Малая рибосомная субъединица (30S) прокариот, если она не вовлечена в данный момент в трансляцию, существует в комплексе с инициаторными факторами IF1, IF3, и, в некоторых случаях, IF2. Рассмотрим основные функции этих белков:

• IF3, связанный с 30S-субъединицей, предотвращает ассоциацию с большой (50S) субъединицей рибосомы, тем самым сохраняя её свободное состояние до связывания с матричной РНК. Этот белок также принимает участие в связывании мРНК и тРНК, а также IF2.
• IF2 взаимодействует с тРНК, а также обладает способностью расщеплять ГТФ.
• IF1 является, по-видимому, не обязательным фактором (у некоторых видов он отсутствует) повышающим сродство малой субчастицы к IF2 и IF3.

Комплекс 30S субчастицы с инициаторными факторами способен узнавать специальные последовательности мРНК, так называемые участки связывания рибосомы (англ. RBS, ribosome-binding site). Эти участки содержат, во-первых, инициаторный AUG, и, во-вторых, специальнуюпоследовательность Шайна — Дальгарно с которой комплементарно связывается рибосомная 16S РНК. Последовательность Шайна — Дальгарно служит для того, чтобы отличать инициаторный AUG от внутренних кодонов, кодирующих метионин. После того, как 30S-субъединица связалась с мРНК к ней привлекается инициаторная аминоацил-тРНК и IF2, если они ещё не были включены в комплекс. Затем присоединяется 50S-субчастица, происходит гидролиз ГТФ и диссоциация инициаторных факторов. Собранная рибосома начинает синтезировать полипептидную цепь.

У эукариот

У эукариот существуют два основных механизма нахождения рибосомой стартового AUG: кэп-зависимый (сканирующий) и кэп-независимый (внутренняя инициация).

• При сканирующем механизме рибосома (точнее, её малая субъединица) садится на 5'-конец мРНК в области кэпа и двигается вдоль молекулы мРНК, «сканируя» один кодон за другим, пока не наткнётся на инициаторный AUG. Для привлечения рибосомы к 5'-концу мРНК требуется специальная структура, кэп — 7-метилгуанин, прикреплённый к 5'-концевому нуклеотиду мРНК.
• При механизме внутренней инициации, называемом у эукариот также IRES-зависимым механизмом, рибосома садится на внутренний участок мРНК, называемыйIRES (англ. Internal Ribosomal Entry Site, участок внутренней посадки рибосомы) — участок мРНК, обладающий выраженной вторичной структурой, позволяющей ему направлять рибосомы на стартовый AUG. По IRES-зависимому механизму инициируется синтез лишь на небольшой части клеточных мРНК, а также на РНК некоторых вирусов.[2]

В дополнение к основным механизмам инициации, при наличии перед стартовым кодоном поли(А)-лидера (например, в мРНК вирусов семейства оспы) реализуется нестандартный механизм инициации. В этом случае инициаторный комплекс не содержит факторовe IF3 и eIF4F, и после сборки на 5'-нетранслируемой области осуществляет не последовательное сканирование мРНК, а т.н. АТФ-независимое "бесфазное блуждание". При этом инициация протекает значительно быстрее, чем в случае работы по классическому сканирующему механизму.

Также у эукариот возможна реинициация трансляции, когда после окончания трансляции рибосома с белковыми факторами не диссоциирует от мРНК, а перескакивает с 3' на 5' конец мРНК и начинает инициацию ещё раз. Это возможно благодаря т.н. циклизации мРНК в цитоплазме, то есть физическому сближению старт- и стоп-кодонов с помощью специальных белков.

Кэп-зависимый механизм

В отличие от прокариот, инициация трансляции у которых обеспечивается лишь тремя белковыми факторами, трансляция подавляющего большинства мРНК эукариот, содержащих 5'-кэп [m7G(5')ppp(5')N] и 3' поли(А)-хвост, требует участия, по крайней мере, 13 общих эукариотических факторов инициации (eIF), представленных 31 полипептидом. Инициация трансляции включает события между диссоциацией рибосомы во время терминации в предыдущем цикле трансляции и сборкой рибосомы, готовой к элонгации, на старт-кодоне мРНК. Во время инициации аппарат трансляции решает следующие задачи:

1. диссоциация и антиассоциация рибосомных субъединиц;
2. выбор инициаторной метионил-тРНК (Met-tRNAiMet);
3. связывание 5'-кэпа, связывание поли(А), сканирование;
4. выбор правильного старт-кодона;
5. объединение рибосомных субъединиц на старт-кодоне

Диссоциация и антиассоциация субъединиц рибосом

Диссоциация рибосомных субъединиц в конце терминации — активный процесс, в котором участвуют eIF, а также факторы элонгации и терминации. Антиассоциация уже диссоциированных субъединиц обеспечивается eIF и служит для предотвращения преждевременного объединения рибосомных субъединиц.[4][5][Л 2][6] Главная роль в выполнении этой задачи принадлежит eIF3, мультисубъединичному фактору, состоящему из 13 различных субъединиц (общей молекулярной массой 800 кДа) у млекопитающих, 11 субъединиц у растений и шести субъединиц у дрожжей Saccharomyces cerevisiae.[7][8] eIF3 связывается с 40S субъединицей рибосомы (40S) посредством своей j-субъединицы, которая, в свою очередь, взаимодействует с «каркасной» (scaffolding) b-субъединицей и предотвращает ассоциацию 40S с 60S рибосомной субъединицей (60S).[9][10] Эти активности eIF3 зависят от его взаимодействия с eIF1 и тройственным комплексом eIF2/GTP/Met-tRNAiMet.[11] Связывание eIF1 с 40S является кооперативным с eIF3[12][13], так же как и связывание eIF1 с eIF1А (гомологом бактериального IF1)[14]. Таким образом, eIF1А, вероятно, также участвует в антиассоциации, по крайней мере, непрямым образом.

Селекция инициаторной метионил-тРНК (Met-tRNAiMet)[

Этот этап включает в себя следующие процессы:

1. узнавание и метионилирование tRNAiMet специфичной метионил-тРНК-синтетазой;
2. дискриминацию против Met-tRNAiMet эукариотическими факторами элонгации;
3. дискриминацию против неметионилированной или неправильно аминоацилированной tRNAiMet eIF;
4. дискриминацию против элонгаторных тРНК eIF.

В ходе процесса (а), метионил-тРНК-синтетаза взаимодействует как с акцепторным концом тРНК, так и с антикодоном.

Процесс (б) у растений и дрожжей осуществляется с помощью посттранскрипционной модификации tRNAiMet, которая делает её отличной от элонгаторной метионин-специфичной тРНК с помощью присоединения 2'-О-фосфорибозила к рибозе нуклеотида А64. У позвоночных процесс (б) осуществляется путём дискриминации между специфическими особенностями нуклеотидных последовательностей tRNAiMet и элонгаторной метиониновой тРНК.

Элонгация

Схема РНК-связывающих участков рибосомы. Буквами обозначены участки связывания тРНК. А — аминоацил-тРНК-связывающий участок, Р — пептидил-тРНК-связывающий участок, Е — участок отсоединения тРНК от рибосомы (англ. exit)

В процессе наращивания полипептидной цепи принимают участие два белковых фактора элонгации. Первый (EF1a у эукариот, EF-Tu — у прокариот) переносит аминоацилированную («заряженную» аминокислотой) тРНК в А (аминоацил)-сайт рибосомы. Рибосома катализирует перенос пептида, связанного с тРНК в Р-сайте, в А-сайт и образование пептидной связи с находящимся там аминокислотным остатком. Таким образом растущий пептид удлиняется на один аминокислотный остаток. Затем второй белок (EF2 у эукариот, EF-G — у прокариот) катализирует так называемую транслокацию. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК на один триплет (примерно 20 ангстрем), в результате которого пептидил-тРНК оказывается вновь в Р-сайте, а «пустая» тРНК из P-сайта переходит в Е-сайт (от слова exit). тРНК из E-сайта диссоциирует спонтанно, после чего рибосома готова к новому циклу элонгации[15].

Терминация — окончание синтеза белка, осуществляется, когда в А-сайте рибосомы оказывается один из стоп- кодонов — UAG, UAA, UGA. Из-за отсутствия тРНК , соответствующих этим кодонам, пептидил-тРНК остаётся связанной с Р-сайтом рибосомы. Здесь в действие вступают специфические белки RF1 или RF2, которые катализируют отсоединение полипептидной цепи от мРНК, а также RF3, который вызывает диссоциацию мРНК из рибосомы. RF1 узнаёт в А-участке UAA или UAG; RF-2 — UAA или UGA. С UAA терминация эффективнее, чем с другими стоп-кодонами.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Фо́лдинг белка

В биохимии и молекулярной биологии фо́лдингом белка (укладкой белка, от англ. folding) называют процесс спонтанного сворачивания полипептидной цепи в уникальную нативную пространственную структуру (так называемая третичная структура).

Переход первичной структуры полипептида (слева) в третичную структуру (справа).

Каждая молекула белка начинает формироваться как полипептид, транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки аминокислот. У полипептида нет устойчивой трёхмерной структуры (пример в левой части изображения). Однако все аминокислоты в цепочке имеют определённые химические свойства: гидрофобность,гидрофильность, электрический заряд. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным окружением получается хорошо определённая трёхмерная структура — конформация. В результате на внешней поверхности белковой глобулы формируются полости активных центров, а также места контактов субъединиц мультимерных белков друг с другом и с биологическими мембранами.

В редких случаях нативными могут быть сразу две конформации белка (т. н. конформеры). Они могут сильно различаться, и даже выполнять различные функции. Для этого необходимо, чтобы в разных областях фазового пространства белковой молекулы существовали два примерно равных по энергии состояния, каждое из которых будет встречаться в нативной форме с соответствующей вероятностью.

Для стабилизации третичной структуры многие белки в клетке подвергаются посттрансляционной модификации. Весьма часто встречаются дисульфидные мостикимежду пространственно близкими участками полипептидной цепи.

Для корректной работы белков весьма важна правильная трёхмерная структура. Ошибки сворачивания обычно приводят к образованию неактивного белка с отличающимися свойствами. Считается, что некоторые болезни происходят от накопления в клетках неправильно свёрнутых белков (более подробно это описано в статье Прионы).[1]

В фолдинге участвуют белки-шапероны. И хотя большинство только что синтезированных белков могут сворачиваться и при отсутствии шаперонов, некоторому меньшинству обязательно требуется их присутствие.

Механизм сворачивания белков до конца не изучен. Экспериментальное определение трёхмерной структуры белка часто очень сложно и дорого. Однако аминокислотная последовательность белка обычно известна. Поэтому учёные пытаются использовать различные биофизические методы, чтобы предсказать пространственную структуру белка из его аминокислотной последовательности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Распад белков.

   Физиология регуляции распада белков При отсутствии белков в пище некоторое количество собственных белков организма распадается до аминокислот и подвергается дезаминированию и окислению. Это количество составляет около 20-30 г/сут, его называют обязательной потерей белка. Чтобы предупредить распад собственного белка, необходимо ежедневно потреблять в пищу не менее 20-30 г белка; надежную гарантию от потерь такого рода дает ежедневное употребление 60-75 г белка. Соотношение различных аминокислот в белках, входящих в пищевой рацион, должно быть приблизительно таким, как их соотношение в белках тканей организма для того, чтобы все они использовались для образования новых белков тканей практически полностью. Если один конкретный вид аминокислот не присутствует в нужной концентрации, то и все прочие перестают использоваться, т.к. клетки либо полностью синтезируют молекулу белка, либо не синтезируют его вовсе, о чем говорилось в главе 3 в связи с синтезом белка. Неиспользованные аминокислоты подвергаются дезаминированию и окислению. Белки, в которых соотношение аминокислот отличается от обычного, называют неполноценными. Такие белки менее пригодны в качестве питательных веществ, чем полноценные. Влияние голодания на распад белков. Ежесуточные потери белка составляют 20-30 г. Для энергетических целей в организме используются только углеводы и жиры (пока они есть в наличии). Однако после нескольких недель полного голодания, когда запасы углеводов и жиров начинают истощаться, аминокислоты, присутствующие в крови, начинают быстро дезаминироваться и окисляться для получения энергии. С этого момента начинается быстрый распад белков — более 125 г/сут, в результате резко ухудшается функционирование клеток. Поскольку в качестве источников энергии используются в основном углеводы и жиры, а не белки, можно говорить об их сберегающей роли по отношению к белкам. Гормон роста стимулирует синтез белков в клетках. Гормон роста вызывает увеличение количества белков в тканях. Точный механизм этого влияния не известен, но предполагают, что он главным образом опосредован увеличением транспорта аминокислот через клеточные мембраны или ускорением процессов транскрипции ДНК и РНК наряду с процессами трансляции, направленными на синтез белка. Инсулин необходим для синтеза белка. Полное отсутствие инсулина приводит к снижению синтеза белка практически до нуля. Механизм этого влияния также не известен, но доказано, что инсулин ускоряет транспорт некоторых аминокислот в клетки, что может являться стимулом для синтеза белка. Кроме того, инсулин увеличивает количество глюкозы в клетках, что приводит к соответствующему снижению использования аминокислот на энергетические нужды. Глюкокортикоиды увеличивают распад большинства тканевых белков. Глюкокортикоиды, секретируемые корой надпочечников, снижают количество белка в большинстве тканей при одновременном увеличении концентрации аминокислот в плазме и увеличении количества белков как в печени, так и в плазме крови. Это дает основание предполагать, что глюкокортикоиды увеличивают скорость распада внепеченочных белков, увеличивая таким образом количество аминокислоты в жидких средах организма, что позволяет печени синтезировать большое количество белка в клетках печени и, соответственно, большое количество белков плазмы крови. Тестостерон увеличивает депонирование белков в тканях. Тестостерон (мужской половой гормон) увеличивает отложение белков, в особенности мышечных сократительных белков (от 30 до 50%). Механизм такого влияния не известен, но он отличается от влияния гормона роста: гормон роста вызывает продолжительный рост тканей почти независимо от их типа и местоположения, в то время как тестостерон на протяжении всего нескольких месяцев стимулирует увеличение именно мышечной массы и в гораздо меньшей степени — количества белков в других тканях. Как только мышцы и другие белковые компоненты тканей достигают максимально возможной величины, дальнейшее накопление белка прекращается, несмотря на продолжающееся введение тестостерона. Эстроген. Эстроген (главный женский половой гормон) также вызывает некоторое накопление белка в тканях, но его влияние по сравнению с влиянием тестостерона выражено незначительно. Тироксин. Тироксин увеличивает скорость обменных процессов во всех клетках организма и в результате непрямым путем влияет на метаболизм белка. В случае дефицита углеводов и жиров, которые могли бы обеспечить энергетические потребности организма, тироксин вызывает быстрый распад белков и их использование в качестве источника энергии. Напротив, при наличии адекватного количества углеводов и жиров на фоне избытка аминокислот во внеклеточной жидкости тироксин может даже увеличивать скорость синтеза белков. У растущих животных или детей дефицит тироксина заметно замедляет рост в связи с прекращением синтеза белка. Можно предположить, что тироксин в целом не обладает специфическим влиянием на метаболизм белка, но вызывает общие стимулирующие эффекты применительно к скорости как катаболических, так и анаболических процессов. - Читать далее "Функции и задачи печени. Анатомия печени с точки зрения физиологии"