Архив WinRAR / 14-15 Матричные биосинтезы

12

при наличии лактозы активность фермента резко повышается. На основании этих

наблюдений была предложена схема регуляции оперона по механизму индукции.

В отсутствие лактозы активный белок-репрессор связывается с оператором и блокирует синтез мРНК, кодирующей ферменты катаболизма лактозы. В результате

эти ферменты не образуются.

Если глюкозы нет, и есть лактоза, то последняя связывается с белкомрепрессором и модифицирует его, не позволяя связаться с геном-оператором. Это позволяет РНК-полимеразе считывать информацию, отвечающую за синтез фер-

ментов катаболизма лактозы, и синтезировать мРНК.

Таким образом, лактоза является индуктором транскрипции.

Триптофановый оперон

Функционирование триптофанового оперона, в некотором смысле, противоположно работе лактозного. В данном случае, в отличие от лактозного оперона, белок-

репрессор синтезируется в неактивном состоянии и не может заблокировать транс-

крипцию генов, кодирующих ферменты синтеза триптофана. Синтез аминокислоты будет в клетке продолжаться до тех пор, пока в среде не появится триптофан.

Триптофан соединяется с белком-репрессором и активирует его. Далее такой активный комплекс присоединяется к гену-оператору и блокирует транскрипцию. Та-

ким образом, при наличии триптофана в среде, прекращается его внутриклеточный

синтез, экономятся ресурсы и энергия бактериальной клетки.

В этом случае триптофан является репрессором транскрипции. Регуляция осу-

ществляется по механизму репрессии.

13

ЭУКАРИОТЫ

Существенное усложнение эукариотических организмов повлекло за собой появ-

ление новых способов регуляции активности матричных биосинтезов: Амплификация – это увеличение количества генов, точнее многократное копи-

рование одного гена. Естественно, все полученные копии равнозначны и одинаково

активно обеспечивают транскрипцию.

Например, противоопухолевый препарат метотрексат препятствует работе ди-

гидрофолатредуктазы, фермента, необходимого для синтеза дезоксирибонуклеоти-

дов. При этом в опухолевых клетках происходит амплификация гена этого фермента, что приводит к многократному увеличению синтеза дигидрофолатредуктазы и

невосприимчивости опухолевых клеток к метотрексату.

Энхансеры (англ. to enhance - усиливать) – участки ДНК в 10-20 пар оснований, способные значительно усиливать экспрессию генов той же ДНК. В отличие от про-

моторов они значительно удалены от транскрипционного участка и могут распола-

гаться от него в любом направлении (к 5’-концу или к 3’-концу). Сами энхансеры не кодируют какие-либо белки, но способны связываться с регуляторными белками.

Сайленсеры (англ. silence - молчание) – участки ДНК, в принципе схожие с эн-

хансерами, но они способны замедлять транскрипцию генов, связываясь с регуляторными белками.

Перестройка генов. Нуклеотидные последовательности, кодирующие белковую

молекулу могут оказаться разделенными на отдельные сегменты, не связанные между собой. Например, иммуноглобулины состоят из тяжелой и легкой цепей, каждая

из которых включает собственные вариабельную и константную части. Существует

множество вариантов как вариабельной, так и константной частей. Генетическая информация об этих вариантах локализована подчас в разных хромосомах. При

дифференцировке В-лимфоцитов значительно удаленные сегменты генетического

материала переносятся и группируются рядом – происходит генетическая реком-

бинация.

Процессинг мРНК – некоторые пре-мРНК подвергаются разным вариантам

сплайсинга (альтернативный сплайсинг) в результате чего образуются разные мРНК, и соответственно, белки с разной функцией. Примером может служить обра-

зование двух типов тяжелых цепей IgM в В-лимфоцитах, один из которых удержива-

ет IgM на мембране, другой позволяет антителу нормально секретироваться наружу. Изменение стабильности мРНК – чем выше продолжительность жизни мРНК в

цитозоле клетки, тем больше соответствующего белка наработается. Например, ус-

тановлено, что при наличии пролактина в клетках молочной железы время полужиз-

ни мРНК белка казеина значительно увеличивается, а эстрадиол продлевает время полужизни мРНК белка вителлогенина в десятки раз.

Транспорт из ядра в цитоплазму –

ЛЕКАРСТВЕННОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ

1.Гетероциклические соединения доксорубицин, дауномицин и актиномицин D обладают способностью интеркалировать (встраиваться в молеку-

лу ДНК) между двумя соседними парами оснований Г-Ц. В результате возникает

препятствие для движения РНК-полимеразы («заедание молнии») и остановка транскрипции.

2.Рифампицин связывается с β-субъединицей РНК-полимеразы прокариот и ингибирует ее. Благодаря такой избирательности действия рифампицин действует только на бактерии и является препаратом для лечения туберкулеза.

14

3. α-Аманитин, октапептид, вещество бледной поганки (Amanita phalloides) бло-

кирует РНК-полимеразу II эукариот и предотвращает продукцию мРНК.

ЛЕКАРСТВЕННАЯ АКТИВАЦИЯ

Активация транскрипции используется в клинике намного реже и заключается в

применении аналогов стероидных гормонов для достижения анаболического эффек-

та в органе-мишени (см тему "Гормоны"/"Механизм действия стероидных гормонов").

БИОЛОГИЧЕСКИЙ КОД

Биологический код – это способ перевода четырехзначного языка нуклеотидов в

двадцатизначный язык аминокислотной последовательности.

СВОЙСТВА БИОЛОГИЧЕСКОГО КОДА:

Триплетность – три нуклеотида формируют кодон, кодирующий аминокислоту.

Всего насчитывают 61 кодон.

Специфичность (или однозначность) – каждому кодону соответствует только

одна аминокислота.

Вырожденность – одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

Универсальность – биологический код одинаков для всех видов организмов на Земле (однако в митохондриях млекопитающих есть исключения).

Колинеарность – последовательность кодонов соответствует последовательности аминокислот в кодируемом белке.

Неперекрываемость – триплеты не накладываются друг на друга, располагаясь рядом.

Отсутствие знаков препинания – между триплетами нет дополнительных нуклеотидов или каких-либо иных сигналов. При синтезе белка считывание кодонов идет последовательно, без пропусков или возвратов назад.

Однонаправленность – ???

15

АДАПТОРНАЯ РОЛЬ ТРАНСПОРТНЫХ РНК

Транспортные РНК является единственным посредником между 4-х буквенной

последовательностью нуклеиновых кислот и 20-ти буквенной последовательностью белков. Именно от наличия того или иного антикодона в тРНК зависит, какая амино-

кислота включится в белковую молекулу, т.к. ни рибосома, ни мРНК не узнают ами-

нокислоту.

Присоединение аминокислоты к тРНК осуществляется ферментом аминоацил-

тРНК-синтетазой, имеющей специфичность одновременно к двум соединениям: ка-

кой-либо аминокислоте и соответствующей ей тРНК.

Так как существует около 60 различных тРНК, то некоторым аминокислотам соответствует две или более тРНК. Транспортные РНК, способные присоединять одну и ту же аминокислоту называют изоакцепторными

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

После считывания информации с ДНК и переноса ее на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной поли-

пептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскриби-

ровать мРНК с иных участков ДНК.

Биосинтез белков или трансляция происходит на рибосомах, внутриклеточных

белоксинтезирующих органеллах, и включает 5 ключевых элементов:

•матрица – матричная РНК

•растущая цепь – полипептид

•субстрат для синтеза – 20 протеиногенных аминокислот

•источник энергии – ГТФ

•ферменты – рибосомальные белки и рРНК

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

16

ИНИЦИАЦИЯ

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосо-

мы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса: первый – мРНК, ма-

лая субъединица, ИФ-3; второй – мет-тРНК, ИФ-2, ГТФ. После их объединения и присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

17

ЭЛОНГАЦИЯ

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот,

белковые факторы элонгации, ГТФ. Элонгация представляет собой циклический процесс, повторяющийся столько раз, сколько аминокислот необходимо включить в

полипептидную цепь. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 амино-

кислот в секунду.

18

ТЕРМИНАЦИЯ

Синтез белка будет продолжаться до тех пор, пока рибосома не достигнет на

мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны.

Кроме стоп-кодонов для окончания синтеза белка требуются ГТФ и белковые факто-

ры терминации, которые последовательно катализируют

1.Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК

2.Отделение от П-участка последней, уже пустой, тРНК,

3.Диссоциацию рибосомы.

ПОЛИРИБОСОМЫ

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед

клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить мак-

симальное количество «белковых копий». Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последова-

тельно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования назы-

ваются полирибосомы.

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Чаще всего в результате трансляции полипептидные цепи образуются в неактивной форме, поэтому необходимы дополнительные изменения – процессинг.

К ним относятся:

1.Удаление с N-конца метионина или даже нескольких аминокислот специфичными аминопептидазами;

2.Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина;

3.Частичный протеолиз – удаление части пептидной цепи, как в случае с инсулином или протеолитическими ферментами ЖКТ;

4.Присоединение химической группы к аминокислотным остаткам:

•фосфорной кислоты – фосфорилирование по сер, тре, тир используется при регуляции активности ферментов или для связвания ионов кальция

19

•карбоксигруппы – при участии витамина К происходит γ-карбоксилирование глу-

тамата в составе протромбина, проконвертина, фактора Стюарта, Кристмаса, это

позволяет связать ионы кальция при инициации свертывания крови.

•метильной группы – метилирование аргинина и лизина в составе гистонов ис-

пользуется для регуляции активности генома

•гидроксильной группы – образование гидроксипролина и гидроксилизина необходимо для созревания молекул коллагена

•йода – в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образования

предшественников тиреоидных гормонов йодтиронинов.

•углеводных остатков – гликирование требуется при синтезе гликопротеинов

5.Включение простетической группы:

•гема – при синтезе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы

•витаминных коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т.п.

6.Объединение протомеров в единый олигомерный белок, например, гемогло-

бин, лактатдегидрогеназа.

ФОЛДИНГ БЕЛКОВ

Фолдинг – это процесс сворачивания полипептидной цепи в правильную пространственную структуру. Для обеспечения фолдинга используется группа вспомогательных белков под названием шапероны (chaperon, франц. – спутник). Они предотвращают взаимодействие новосинтезированных белков друг с другом, изолируют гидрофобные участки белков от цитоплазмы, способствуют переходу вторичной структуры в третичную.

При нарушении функции шаперонов и отсутствии фолдинга в клетке формируются белковые отложения – развивается амилоидоз. Насчитывают около 15 вариантов амилоидоза.

ЛЕКАРСТВЕННАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

1.Инактивация факторов инициации:

•интерферон активирует внутриклеточные протеинкиназы, которые, в свою очередь, фосфорилируют белковый фактор инициации ИФ-2 и подавляют его активность.

2.Нарушение кодон-антикодонового взаимодействия:

•стрептомицин присоединяется к малой субъединице и вызывает ошибку считывания первого основания кодона.

3.Нарушение элонгации:

•тетрациклины блокируют А-центр рибосомы и лишают ее способности связы-

ваться с аминоацил-тРНК

•левомицетин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует пептидилтрансферазу

•эритромицин связывается с 50S-частицей рибосомы и ингибирует транслоказу

•пуромицин по структуре схож с тирозил-тРНК, входит в А-центр рибосомы и

участвует в пептидилтрансферазной реакции, образуя связь с имеющимся пепти-

дом. После этого комплекс пуромицин-пептид отделяется от рибосомы, что останавливает синтез белка.

20

ГЕНОТИПИЧЕСКАЯ ГЕТЕРОГЕННОСТЬ

В результате того, что каждый ген у человека имеется в двух копиях (аллелях),

может подвергаться мутациям (замена, делеция, вставка) и рекомбинациям, серьезно не затрагивающим функцию кодируемого белка, то возникает полиморфизм ге-

нов, и, соответственно, полиморфизм белков. Возникают целые семейства родст-

венных белков, обладающих схожими, но не одинаковыми свойствами и функцией. Например, существует около 300 разных типов гемоглобина, часть из них явля-

ется необходимой на разных этапах онтогенеза: например, HbE – эмбриональный,

образуется в первые месяцы развития, HbF – фетальный, необходим на более поздних сроках развития плода, HbA и HbA2 – гемоглобин взрослых. Разнообразие

обеспечивается разным набором глобиновых цепей: в гемоглобине E присутствуют

2α и 2ε цепи, в HbF – 2α- и 2γцепи, в HbА – 2α- и 2β-цепи, в HbА2 – 2α- и 2δ-цепи.

Группы крови АВО зависят от строения особого углевода на мембране эритро-

цитов. Лица с группой крови А0 на эритроците имеют олигосахарид с присоединен-

ным к нему N-ацетилгалактозамином, с группой крови В0 – олигосахарид с галактозой, 00 – имеют только «чистый» олигосахарид. АВ – оба вида сахаридов. Такие раз-

личия обусловлены разной специфичностью и активностью фермента гликозил-

трансферазы, способного модифицировать исходный олигосахарид.

Белки главного комплекса гистосовместимости обеспечивают транспланта-

ционную несовместимость тканей. Они обладают чрезвычайно высоким полиморфизмом и насчитывают несколько миллионов аллелей этих белков. Благодаря такому разнообразию каждый человек обладает практически уникальным набором аллелей.

α1–Антитрипсин –