ПОСТРАНСЛЯЦИОННЫЕ ПЕРЕСТРОЙКИ БЕЛКОВ
Образованный полипептид функционально не активен. Для приобретения биологической активности белок подвергается посттрансляционным перестройкам (модификациям).
1. Фолдинг молекул.
Формирование термодинамически наиболее выгодной пространственной структуры с участием белков шаперонов.
2.Частичный протеолиз.
3. Модификации радикалов аминокислот.
Может идти как во время синтеза белка на рибосоме, так и после его завершения, например, ацилирование, гидроксилирование, гликозилирование, карбоксилирование, метилирование и др.
6
4. Присоединение простетической (небелковой) группы.
Например, связывание кофермента в активном центре фермента, гема с протомерами гемоглобина и другие белки.
5. Сборка протомеров в олигомерные белки.
Например, гемоглобин, лактатдегидрогеназа, синтаза жирных кислот и другие ферменты. 6.Образование дисульфидных (-S-S-) мостиков.
Например, при формировании белкового гормона инсулина дисульфидные связи образуются по завершении частичного протеолиза.
7
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИНГИБИТОРОВ СИНТЕЗА НУКЛЕОТИДОВ И МАТРИЧНЫХ БИОСИНТЕЗОВ В КАЧЕСТВЕ ПРОТИВООПУХОЛЕВЫХ И АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫХ ПРЕПАРАТОВ.
АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ препараты могут оказывать свое действие, подавляя синтез нуклеотидов у бактерий.
Например, Сульфаниламидные препараты снижают:
●синтез нуклеотидов у микроорганизмов;
●синтез нуклеиновых кислот – РНК и ДНК;
●размножение микроорганизмов.
АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ препараты могут ингибировать бактериальные ферменты: ДНКгиразу (аналог ДНК-топоизомеразы II у человека), РНК-полимеразу, поэтому снижается:
●скорость размножения бактерий (при действии ингибиторов ДНК-гиразы);
●синтез РНК у микроорганизмов (под действием ингибиторов РНК-полимеразы);
●синтез белков и размножение бактерий.
АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ препараты вызывают нарушение структуры рибосом (30S и 50S) микроорганизмов, поэтому снижают:
● синтез белка у бактерий и их размножение.
ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ препараты могут подавлять синтез нуклеотидов в опухолевых клетках, поэтому снижается:
●скорость метаболических путей образования нуклеотидов;
●синтез ДНК и рост опухоли.
ПРОТИВООПУХОЛЕВЫЕ препараты могут оказывать свое действие, нарушая структуру ДНК матрицы, так как:
●специфически связываются с ДНК;
●нарушают процесс репликации и транскрипции;
●снижают скорость деления опухолевых клеток.
Эти препараты не нарушают метаболических процессов в покоящихся клетках. Но они оказывают влияние и на нормальные (здоровые) клетки быстроделящихся тканей, например:
● иммунной системы;
8
●стволовые клетки кроветворной системы;
●эпителиальной ткани;
●фолликулы волос.
Степень поражения выше у опухолевых клеток, так как:
●они более проницаемы для лекарственных препаратов;
●для них характерен активный метаболизм (рост, деление).
ВИРУСНЫЕ ИНФЕКЦИИ – ИНГИБИТОРЫ МАТРИЧНЫХ БИОСИНТЕЗОВ После попадания вируса в клетку, белок-синтезирующий аппарат клеток почти полностью переключается на синтез белков вируса.
ИНТЕРФЕРОНЫ – это белки, регулирующие реакцию клетки на вирусную инфекцию. Механизм действия интерферонов При заражении клетки активируется размножение вируса. Инфицированная клетка
одновременно с этим начинает продукцию белка интерферона, который выходит из клетки и оказывает влияние на клетки, соседние с инфицированной (готовит клетку к вирусной «атаке»). Интерфероны являются сигналом для зараженных клеток, чтобы они не репродуцировали вирус, а для здоровых клеток, чтобы они не допускали его ядро. В ответ на воздействие интерферона клетки вырабатывают большое количество ферментов рибонуклеазы и протеинкиназы R. Рибонуклеаза (РНК-гидролаза) расщепляет клеточные РНК. Протеинкиназа R фосфорилирует и инактивирует фактор инициации трансляции IF2. В результате синтез белка в клетке снижается.
9
РЕГУЛЯЦИЯ АКТИВНОСТИ ГЕНОВ В ЭУКАРИОТИЧЕСКИХ КЛЕТКАХ Одним из основных путей адаптации организмов к изменяющимся условиям окружающей
среды является регуляция на стадии транскрипции. Индукторами или корепрессорами у эукариотов служат S (субстраты), Р (продукты) метаболических путей, гормоны. Рассмотрим на примере, действия стероидного гормона кортизола.
●гормон проходит через клеточную мембрану;
●гормон взаимодействует с цитоплазматическим рецептором;
●комплекс гормон-рецептор проходит в ядро;
●образованный комплекс взаимодействует с гормон-зависимой регуляторной зоной – энхансером или сайленсером;
●повышается или уменьшается сродство промотора к РНК-полимеразе;
●РНК-полимераза взаимодействует или не взаимодействует с промотором;
●возрастает или снижается скорость транскрипции структурных генов;
●увеличивается или уменьшается количество белков в клетке.
10
Более подробно «включение» транскрипции при прохождении индуктора (например, гормона) рассмотрено на следующем рисунке.
11
Но воздействие индукторов и корепрессоров явление временное, оно может меняться в зависимости от состояния клетки и действия на нее регуляторных факторов..
СТОЙКАЯ, СОХРАНЯЮЩАЯСЯ НА ПРОТЯЖЕНИИ ВСЕЙ ЖИЗНИ КЛЕТКИ ИНДУКЦИЯ ИЛИ РЕПРЕССИЯ.
Регуляторные факторы вызывающие стойкую репрессию (препятствующие транскрипции):
●белки-гистоны;
●фермент ДНК-метилаза, присоединяющий СН3-группы к остаткам дезоксицитидина. Эта модификация меняет конформацию хроматина и препятствует транскрипции;
●белки, вызывающие конденсацию ДНК.
12
Все эти факторы препятствуют транскрипции определенных генов хромосом. В клетках разных тканей стойко репрессированы различные гены, поэтому разные клетки одного организма различаются по белковому составу и, следовательно, по обмену веществ и функциям. Образование зон стойкой репрессии происходит на стадии дифференцировки клетки.
МЕХАНИЗМЫ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИМЕНЧИВОСТИ. ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ. НАСЛЕДСТВЕННЫЕ БОЛЕЗНИ.
Нерепарированные изменения в первичной структуре ДНК называют мутациями. ГЕННЫЕ МУТАЦИИ – это изменения в нуклеотидной последовательности гена.
Молекулярные механизмы генных мутаций. Рассмотрим на примерах. ● Замена нуклеотида
а) без изменения смысла кодона (так как код вырожден)
ДНК |
РНК |
аминокислота в белке |
АCА |
UGU |
цистеин |
АCG |
UGC |
цистеин |
Изменений в структуре белка нет. |
|
|
б) с изменением смысла кодона |
|
|
ДНК |
РНК |
аминокислота в белке |
АCА |
UGU |
цистеин |
АCC |
UGG |
триптофан |
В первичной структуре белка вместо аминокислоты цис появляется триптофан, происходят изменения в первичной структуре белка, а значит, возможно и снижение его активности.
в) с изменением смысла и образованием терминирующего кодона
ДНК |
РНК |
аминокислота в белке |
АСА |
UGU |
цистеин |
АСТ |
UGА |
терминирующий (стоп) кодон |
Образование стоп кодона приводит к нарушению синтеза и образованию неполного (незавершенного) белка.
13
Пример: В яйцеклетке, в гене кодирующем строение фермента диоксигеназы гомогентезиновой кислоты произошла замена 7-го нуклеотида с образованием терминирующего кодона. В ходе трансляции этого гена образуется дипептид, который не проявляет ферментативной активности. Отсутствие фермента диоксигеназы гомогентезиновой кислоты приводит к заболеванию – алкаптонурия (нарушение катаболизма тирозина).
● Вставка нуклеотидов |
|
||
|
|
|
|
а) кратная трем |
|
||
-ААА-GАG-CТА- ДНК |
-ААА-GАG-CCТ-CТА- ДНК |
||
-UUU-CUC-GАU- РНК |
-UUU-CUC-GGА-GАU- РНК |
||
-Фен- ЛейАсп- белок |
-Фен- Лей- Глу- Аспбелок |
Вставка нуклеотидов, кратная трем, приводит к изменению 1-ой структуры белка и его удлинению на 1, 2, или несколько аминокислот. Активность белка, как правило,
снижается. |
|
б) не кратная трем (1, 2, 4, ) |
|
-ААА-GАG-CТА- ДНК |
-ААА-Т-GАG-CТА- ДНК |
-UUU-CUC-GАU- РНК |
-UUU-АCU-CGА-U- РНК |
-Фен- ЛейАсп- белок |
-Фен-Тре - Арг-белок |
Вставка нуклеотидов, не кратная трем, приводит к сдвигу рамки считывания, и образованию после точки мутации бессмысленной последовательности аминокислот. Происходит нарушение 1-ой, 2-ой, 3-ой структур белка и потеря активности.
● Выпадение нуклеотидов (делеция) а) кратная трем
Выпадение нуклеотидов, кратное трем, приводит к укорочению белка на 1, 2, или несколько аминокислот, изменению его конформации и активности.
б) не кратная трем Выпадение нуклеотидов, не кратное трем, приводит к сдвигу рамки считывания, и
образованию после точки мутации бессмысленной последовательности аминокислот. Происходит нарушение 1-ой, 2-ой, 3-ой структур белка и потеря, активности.
14
Возможные причины мутаций:
●Ошибки репликации
●Повреждения ДНК под действием УФ,
●Повреждение ДНК ионизирующей радиацией.
●Повреждение ДНК химическими соединениями окружающей среды. Возможные биологические последствия "вредных" мутаций:
●Предрасположенность к некоторым болезням
●Возникновение наследственных болезней
●Непереносимость некоторых лекарственных препаратов и пищевых веществ
●Трансформация клеток и развитие опухолей.
Мутации в соматических клетках не наследуются, но могут вызывать различные заболевания. Мутации в половых клетках передаются по наследству и проявляются как наследственная болезнь, связанная с малой активностью или полным отсутствием активности того или иного белка (фермента).
ПОЛИМОРФИЗМ БЕЛКОВ Полиморфные белки – это множественные молекулярные формы белка в пределах организмов одного биологического вида.
Полиморфные белки – это результат мутаций в копиях генов и рекомбинаций в процессе мейоза.
Полиморфные белки:
●могут иметь незначительное различие в аминокислотном составе;
●имеют близкую пространственную структуру;
●выполняют одну и ту же или близкие функции;
●в популяции могут быть представлены большим числом вариантов;
●каждый индивид имеет не более 2-х вариантов этого белка. ПРИМЕРЫ ПОЛИМОРФНЫХ БЕЛКОВ
Гемоглобины человека представлены группой полиморфных белков, например:
НbA(2α2β); HbS(2α2β*);
15