46. Внутриклеточный протеолиз

Белки, входящие в состав клеток организма, также подвергаются постоянному распаду под влиянием внутриклеточных протеолитических, называемых внутриклеточными протеиназами, или катепсинами. Эти ферменты локализованы в специальных внутриклеточных органоидах – лизосомах. Мембраны, окружающие лизосомы непроницаемы для катепсинов, зато пропускают внутрь лизосом белки, содержащие протеолизу. По своему действию катепсины похожи на ферменты желудочного и поджелудочного соков: катепсины вызывают превращение белков в олигопептиды, которые легко выходят из лизосом в цитоплазму клеток и превращаются там в аминоксилоты. Такой распад протекает с участием цитоплазматических ферментов, аналогичных ферментам желудочного сока.

В цитоплазме клеток организма были обнаружены особые белковые мультиферментные комплексы, названные протеосомами. Протеосомы предназначены для избирательного расщепления белков, которых не должно быть в клетках. Такому превращению подвергаются чужеродные и дефектные ьелки, а также регуляторные белки, присутствие которых ограничено во времени (например, белки-гормоны, белки-регуляторы транскрипции).

Для предупреждения чрезмерного распада собственных белковв организме имеются особые белки – эндогенные ингибиторы протеиназ, снижающие скорость протеолиза. Особенно много таких ингибиторов протеолиза в богатой белками плазме крови.

В сутки внутриклеточному протеолизу подвергается 200-300 г. собственных белков организма, что приводит к возникновению примерно такого же количества аминокислот.

Важно отметить, что при распаде как пищевых, так и собственных белков организма образуются аминокислоты одних и тех же 20 видов. Поэтому в течение суток в организме появляется около 300-400 г свободных аминокислот.

Глубокий распад белков, сопровождающийся расщеплением всех пептидных связей и приводящий к образованию аминокислот, называется тотальным протеолизом.

В некоторых случаях под воздействием протеолитических ферментов в молекуле белка избирательно расщепляется лишь одна пептидная связь между строго определенными аминокислотами и от белка отщепляется часть его молекулы – полипетид. Такой распад белка называется ограниченным протеолизом. Примером ограниченного протеолиза является превращение проферментов в ферменты (например, активация протеолитических ферментов, участвующих в пищеварении; переход факторов свертывания крови из неактивной формы в активную.

47. Синтез белка

Большая часть аминокислот используется для синтеза белков. В ор­ганизме взрослого человека существует равновесие между распадом и синтезом белков. У детей преобладает синтез, ведущий к накоплению белков в организме, что является обязательным условием роста и раз­вития организма.

Синтез белков происходит при обязательном участии нуклеиновых кислот.

1 этап синтеза белка - транскрипция - осуществляется в клеточном ядре с использованием ДНК как источника генетической информации. Генетическая (наследственная) информация обусловлива­ет порядок расположения аминокислот в полипептидных цепях синте­зируемого белка. Эта информация закодирована строгой последова­тельностью азотистых оснований мононуклеотидов в молекуле ДНК. Каждая аминокислота кодируется сочетанием трех азотистых основа­ний, называемым кодоном, или триплетом. Участок молекулы ДНК, содержащий информацию об определенном белке, получил название «ген». На этом участке ДНК во время транскрипции по принципу комплементарности синтезируется информационная РНК (иРНК). Эта нуклеиновая кислота пред­ставляет собой копию соответствующего гена. Следовательно, иРНК содержит информацию о строении белка, закодированного в данном гене. Образовавшаяся иРНК выходит из ядра и поступает в цитоплазму.

Аналогичным образом на ДНК как на матрице происходит синтез рибосомных (рРНК) и транспортных (тРНК) РНК.

2 этап — рекогниция (распознование), протекающе­го в цитоплазме, аминокислоты избирательно связываются со своими переносчиками - транспортными РНК (тРНК).

Все тРНК (их обнаружено около 60) построены сходным образом. Молекула каждой тРНК представляет собой короткую полинуклеотидную цепь, содержащую примерно 80 нуклеотидов и частично закру­ченную в двойную спираль, что приводит к возникновению простран­ственной конфигурации «изогнутого клеверного листа». На од­ном конце полинуклеотидной цепи у всех тРНК находится нуклеотид, содержащий аденин. К этому концу молекулы тРНК присоединяется аминокислота. Петля, противоположная месту присоединения амино­кислоты, содержит антикодон, состоящий из трех азотистых основа­ний и предназначенный для последующего связывания с комплемен­тарным кодоном иРНК. Одна из боковых петель молекулы тРНК обес­печивает присоединение тРНК к ферменту, участвующему в рекогни- ВДи> а другая, боковая, петля необходима для присоединения тРНК к рибосоме на следующем этапе синтеза белка.

На этом этапе в качестве источника энергии используется молекула АТф. в результате рекогниции образуется комплекс аминокислота-тРНК (аминоацил-тРНК):

аминокислота + тРНК ----------˃ аминоацил-тРНК

В составе этого комплекса аминокислота обладает повышенной хими­ческой активностью. В связи с этим второй этап синтеза белка часто называют активацией аминокислот.

3 этап синтеза белка - трансля­ция - происходит на рибосомах. Каждая ри­босома состоит из двух частей - большой и малой субчастиц. По химическому составу обе субчастицы представляют собою нук- леопротеиды, состоящие из рибосомных РНК и белков. Рибосомы способны легко распадаться на субчастицы (диссоциация), которые снова могут соединяться друг с дру­гом, образуя рибосому (ассоциация).

Трансляция начинается с диссоциации рибосомы на субчастицы, которые сразу же присоединяются к начальной части молеку­лы информационной РНК, поступающей из ядра. При этом между субчастицами остает­ся пространство (так называемый туннель), где располагается небольшой участок иРНК.

Затем к образовавшемуся комплексу рибосома - иРНК присоеди­няются тРНК, связанные с аминокислотами. Присоединение тРНК к этому комплексу происходит путем связывания одной из боковых пет­лей тРНК с рибосомой и связывания антикодона тРНК с комплемен­тарным ему кодоном иРНК, находящимся в туннеле между субчасти­цами рибосомы. Одновременно к комплексу рибосома - иРНК могут присоединиться только две тРНК с аминокислотами.

Благодаря специфическому связыванию антикодонов тРНК с ко до­нами иРНК, к участку молекулы иРНК, находящемуся в туннеле, при­соединяются только молекулы тех тРНК, у которых антикодоны ком­плементарны кодонам иРНК. Поэтому эти тРНК доставляют в рибосо­мы только строго определенные аминокислоты. Далее аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью и образуется дипептид, который связан с одной из тРНК. После этого рибосома передвигается вдоль иРНК ровно на один кодон (это перемещение рибосомы называ­ется транслокацией).

В результате транслокации свободная (без аминокислоты) тРНК отщепляется от рибосомы, а в зоне туннеля появляется новый кодон, к которому присоединяется по принципу комплементарности еще одна тРНК с аминокислотой, соответствующей этому кодону. Доставленная аминокислота соединяется с ранее образовавшимся дипептидом, что приводит к удлинению пептидной цепи. Далее следуют новые трансло­кации, поступление на рибосому новых тРНК с аминокислотами и дальнейшее удлинение пептидной цепи.

Таким образом порядок включения аминокислот в синтезируемый белок определяется последовательностью кодонов в иРНК.

Завершается синтез полипептидной цепи при поступлении в туннель особого кодона, который не кодирует аминокислоты и к которому не может присоединиться ни одна тРНК. Такие кодоны называются терми­нирующими, или нонсенс-кодонами. Особенно велика их роль в синтезе белков, молекула которых состоит из нескольких полипептидов.

В итоге за счет описанных трех этапов синтезируются полипептиды, т. е. формируется первичная структура белка. Высшие (пространствен­ные) структуры (вторичная, третичная, четвертичная) возникают само­произвольно. Это объясняется тем, что пространственные структуры фиксируются в основном химическими связями, возникающими между радикалами аминокислот. Поэтому в каждом белке эти связи образуются специфически в соответствии с генетически обусловленной последова­тельностью расположения радикалов в полипептидных цепях.

В некоторых случаях полипептидная цепь после завершения синтеза подвергается незначительной химической модификации, в результате чего в ней появляются некодируемые аминокислоты (не относящиеся к 20 обычным аминокислотам). Например, при синтезе белка коллагена на рибосомах образуется его предшественник - проколлаген, содержа­щий в большом количестве аминокислоты лизин и пролин. Эти амино­кислоты, находящиеся в составе полипептидной цепи, подвергаются в ходе модификации окислению и превращаются соответственно в окси- лизин и оксипролин, что приводит к переходу проколлагена в коллаген.

Синтез белков - процесс энергоемкий. Для включения в молекулу синтезируемого белка только одной аминокислоты требуется не менее трех молекул АТФ.

В очень небольших количествах белки еще синтезируются в мито­хондриях, где также имеются ДНК, иРНК, тРНК и рибосомы.

Синтез белков в организме ускоряется соматотропным гормоном (гормоном роста) и тестостероном. Тормозится синтез белков гормонами коры надпочечников - глюкокортикоидами. Регулирующее действие всех этих гормонов связано с их влиянием на скорость транскрипции.

Синтез белков подавляют многие антибиотики, ингибирующие трансляцию.