Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Литература / Биологическая Химия Северин 2008

.pdf
Скачиваний:
28343
Добавлен:
17.06.2017
Размер:
6.06 Mб
Скачать

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

71

 

 

 

 

Рис. 3.18. Генетический код. Последовательность нуклеотидов кодона

считывается от центра к периферии

В цитозоле клеток связывание аминокислоты с тРНК катализируют ферменты аминоацил-тРНК синтетазы (аа-тРНК-синтетазы), которые образуют сложноэфирную связь между α-СООН-группой аминокислоты и 3'-ОН группой акцепторного триплета –ССА. В ходе реакции используется молекула АТФ, которая расщепляется на АМФ и Н4Р2О7, а связь, образующаяся между аминокислотой и тРНК, является макроэргической (реакция активации аминокислот) (рис. 3.19).

Семейство аминоацил-тРНК-синтетаз включает более 20 ферментов: для каждой аминокислоты имеется фермент, катализирующий ее присоединение к тРНК, хотя активацию некоторых аминокислот катализирует несколько изоферментов. В названиях отдельных аа-тРНК-синтетаз отражаются названия

72

Биологическая химия

аминокислот, которые активируются в ходе реакции. Так, активацию глутамата катализирует глутамил-тРНК-синтетаза, аланина — аланил-тРНК-синтетаза, гистидина — гистидил-тРНК-синтетаза и т.д.

В образовании полипептидных цепей белка участвует большое число компонентов:

аминокислоты — субстраты синтеза белка;

мРНК — матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка в виде линейной последовательности кодонов;

тРНК — адапторы аминокислот к кодоном мРНК;

аминоацил-тРНК синтетазы, катализирующие связывание аминокислот с соответствующими тРНК;

рибосомы — субклеточные структуры, с помощью которых происходит сборка аминокислот в полипептидные цепи;

АТФ и ГТФ — источники энергии процесса;

Mg 2+ — кофактор, стабилизирующий структуру рибосом;

факторы инициации, элонгации, терминации — внерибосомные белки, облегчающие и ускоряющие процесс трансляции.

События по сборке аминокислот в полипептидные цепи белка происходят на рибосомах и включают этапы инициации, элонгации и терминации (рис. 3.20–3.22).

Инициация начинается с присоединения в область «кэпа» к зрелой мРНК 40 S субъединицы рибосомы, инициирующей аа-тРНК (у эукариотов это всегда Мет-тРНКМет), факторов инициации и молекулы ГТФ. Образующийся комплекс скользит по мРНК вплоть до встречи с инициирующим кодоном AUG. Когда антикодон Мет-тРНКМет связывается с кодоном AUG, комплекс останавливается, к нему присоединяется 60 S

субъединица рибосомы, при этом ГТФ гидролизуется до ГДФ и Н3РО4, а факторы инициации удаляются. Формируется полная 80 S рибосома с

двумя активными центрами: Р-центром (пептидильным), в который ока-

 

 

3'

 

 

 

 

 

 

 

O

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

O~C

CH NH2

 

 

 

A

 

OH

 

 

 

 

 

' C

 

C

CH

 

 

5

 

C

 

 

 

H2N CH

COOH

 

C

 

 

 

H3C

CH3

 

 

 

 

 

Валил-тРНК-синтетаза

 

 

 

CH

+

 

 

 

+ ATФ

 

 

 

 

 

 

+ АМФ + H4P2O7

 

 

 

 

 

 

 

 

H3C CH3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вал

-тРНК

 

 

 

тРНК

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.19. Реакция активации валина, катализируемая валил-тРНК-

синтетазой

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

73

зывается включенной Мет-тРНК Мет, и А-центром (аминоацильным),

в область которого попадает первый смысловой кодон мРНК.

Элонгация включает три последовательные стадии.

1.Связывание аа-тРНК в А-центре. К свободному А-центру присоединяется аа-тРНК, у которой антикодон комплементарен кодону мРНК, находящемуся

вобласти этого центра. Для того чтобы это событие стало возможным, в структуре рибосомы происходят конформационные изменения, требующие затраты энергии ГТФ и участия фактора элонгации EF1.

2.Образование пептидной связи. Между α-NH2-группой аминокислоты, находящейся в Ацентре в составе аа-тРНК, и карбоксильной группой метионина

или другой аминокислоты, входящей в растущую полипептидную цепь, которая присоединена к тРНК Р-центра, образуется пептидная связь. Катализирует реакцию пептидилтрансфераза. Продуктом реакции становится удлиненная на одну аминокислоту пептидил-тРНК, расположенная в А-центре рибосомы.

Рис. 3.20. Инициация синтеза белка.

Комплекс, состоящий из 40 S субъединицы рибосомы, Мет-тРНК Мет. факторов инициации и молекулы ГТФ, присоединяется и скользит по мРНК до встречи с инициирующим кодоном AUG. Антикодон Мет-тРНКМет связывается с кодоном AUG, к комплексу с затратой энергии ГТФ присоединяется 60 S субъединица рибосомы, а факторы инициации удаляются. На рибосоме формируются А- и Р-центры

74

Биологическая химия

3. Транслокация — перемещение рибосомы по мРНК. Рибосома продвигается по мРНК на один кодон в направлении от 5'- к 3'-концу с использованием энергии ГТФ и при участии фактора элонгации еEF2. В результате в рибосоме пептидил-тРНК из А-центра попадает в Р-центр, а в А-центре оказывается следующий кодон мРНК. тРНК, которая передала Мет или растущий пептид на аминокислоту аа-тРНК, на 2 этапе теряет связь с Р-центром и уходит в цитозоль клетки.

Рост полипептидной цепи белка продолжается за счет многократного повторения стадий 1→ 2 →3.

Рис. 3.21. Элонгация синтеза белка.

1 — связывание аа-тРНК в А-центре происходит за счет энергии ГТФ и при участии фактора элонгации EF1;

2 — образование пептидной связи катализирует пептидилтрансфераза, активный центр которой формируется рРНК, входящей в состав большой субъединицы рибосомы; 3 — транслокация — перемещение рибосомы по мРНК от 5’- к 3’-концу на один кодон идет с использованием энергии ГТФ

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

75

Терминация. Когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов мРНК: UАА, UАG, UGА, белковые факторы терминации RF1, RF3 узнают эти кодоны и освобождают вновь синтезированный пептид из связи с последней тРНК, субъединицами рибосомы и мРНК. Этот этап энергозависим и сопровождается гидролизом ГТФ.

Каждая рибосома на мРНК занимает участок длиной около 80 нуклеотидов. По мере продвижения рибосомы по мРНК к 3'-концу молекулы 5'-конец освобождается и к нему присоединяются новые рибосомы. Одновременно несколько рибосом могут синтезировать полипептидные цепи на одной и той же мРНК. Комплекс мРНК с несколькими работающими рибосомами называют

полирибосомой.

Рис. 3.22. Терминация синтеза белка.

При попадании в А-центр стоп-кодона вновь синтезированный пептид освобождается из связи с тРНК, субъединицами рибосомы и мРНК с участием факторов терминации и энергии ГТФ

76

Биологическая химия

Полирибосомы бывают двух типов:

свободные полирибосомные образования, плавающие в цитоплазме клеток и отвечающие за синтез внутриклеточных белков;

связанные с эндоплазматическим ретикулумом (ЭР) и обеспечивающие синтез белков на экспорт.

Посттрансляционные модификации белков. Полипептиды, являющиеся продуктами трансляции, не всегда функционально активны и требуют дополнительных посттрансляционных преобразований, включающих:

фолдинг молекул. В процессе синтеза полипептидных цепей на рибосоме при участии белков — шаперонов происходит формирование термодинамически наиболее выгодной пространственной конформации;

образование дисульфидных связей между остатками цистеина. Эта модификация имеет важное значение для проявления активности многих белков (инсулина, иммуноглобулинов, рибонуклеазы и др.);

частичный протеолиз, который имеет место при синтезе всех белков на экспорт и некоторых внутриклеточных белков;

присоединение простетической группы, обеспечивающее образование сложных белков;

сборку протомеров в олигомерные белки, необходимую для образования молекул с четвертичной структурой;

модификацию аминокислотных остатков, свойственную многим белкам. Так, фосфорилирование гидроксильных групп в остатках Сер, Тре и Тир, гидроксилирование остатков Про и Лиз в молекулах коллагенов; карбоксилирование остатков Глу в факторах свертывания крови II, VII, IХ, Х и др., метилирование остатков Арг и Лиз в молекулах гистонов; йодирование остатков Тир в белке щитовидной железы тиреоглобулине и т.д. являются необходимым этапом в синтезе и функционировании биологически активных молекул.

3.6. Ингибиторы матричных биосинтезов

Остановка любого из матричных синтезов опасна для клеток и может вызвать их гибель. Описана довольно большая группа разных по структуре природных и синтетических соединений, являющихся ингибиторами матричных синтезов. Некоторые из них нашли применение в медицине. Наиболее широко используются антибиотики, образующиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов и способные оказывать избирательное токсическое

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

77

действие на синтез ДНК, РНК или белка в проили эукариотических клетках (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Противоопухолевые и антибактериальные препараты —

ингибиторы матричных синтезов

Препарат

Механизм действия

Ингибиторы репликации и транскрипции:

 

 

Доксорубицин

Внедряются («интеркалируют») между основаниями ДНК,

Даунорубицин

вызывают одно- и двуцепочечные разрывы в ДНК, гене-

Карминомицин

.

.

, Н202 и усиливают

рируют свободные радикалы: 02, ОН

 

ПОЛ

 

 

Мелфалан

Имеют функциональные группы, способные взаимодей-

Цисплатин

ствовать с ДНК и образовывать внутри- и межцепочечные

Циклофосфан

поперечные сшивки в двойной спирали ДНК

Фторхинолоны:

Ингибируют работу бактериальной ДНК-гиразы и нару-

норфлоксацин

шают репликацию ДНК у бактерий

 

 

ципрофлоксацин

 

 

 

Рифамицины

Связываются с ДНК-зависимой РНК-полимеразой бакте-

 

риальных клеток и препятствуют инициации транскрип-

 

ции

 

 

Ингибиторы трансляции

 

 

 

Тетрациклин

Связывается с малой субъединицей рибосомы и препят-

 

ствует присоединению аа-тРНК в А-центр

Эритромицин

Соединяется с большой субъединицей рибосом и ингиби-

 

рует транслокацию

 

 

Линкомицин

Подавляет синтез белка в микробных клетках и эффекти-

 

вен в отношении грамположительных и анаэробных бак-

 

терий

 

 

Левомицетин

Присоединяется к большой субъединице рибосомы и ин-

 

гибирует пептидилтрансферазную реакцию

Противоопухолевые препараты — ингибиторы репликации. В молекуле антибиотиков — даунорубицина, доксорубицина содержится циклическая структура, которая встраивается («интеркалирует») между комплементарными основаниями G:::C, нарушая структуру ДНК и ингибируя реплика-

78

Биологическая химия

цию и транскрипцию. Избирательность действия этих препаратов невелика и основана на том, что опухолевые клетки, как правило, часто делятся, и их мембрана более проницаема, чем у клеток нормальных тканей. В то же время эти препараты токсичны для быстроделящихся клеток организма: стволовых клеток кроветворной системы, клеток слизистой оболочки желудка и кишечника, фолликулов волос.

Влечении онкологических заболеваний используют также алкилирующие препараты: мелфалан, цисплатин, циклофосфамид, которые взаимодействуют с азотистыми основаниями ДНК, образуют внутри- и межцепочечные сшивки и нарушают репликацию.

Антибактериальные парепараты разнообразны и могут ингибировать у прокариотов любой из матричных биосинтезов.

Так, высокоактивны в отношении большинства грамотрицательных и некоторых грамположительных бактерий антибиотики из семейства фторхинолонов:

норфлоксацин, ципрофлоксацин и др. Эти препараты нарушают репликацию и являются мощными ингибиторами ДНК-гиразы (фермента, аналогичного топоизомеразам эукариотических клеток), отвечающей за суперспирализацию и раскручивание кольцевой бактериальной ДНК.

К ингибиторам транскрипции относятся антибиотики из семейства рифамицинов. Они связываются с β-субъединицей бактериальной ДНК-зависимой

РНК-полимеразы и препятствуют инициации транскрипции. Антибиотики этой группы используют в лечении туберкулеза, так как они специфичны и не влияют на работу ядерных РНК-полимераз у человека.

Действие большой группы антибиотиков разных классов направлено на ингибирование трансляции у прокариотов. Все они используются в медицинской

практике как антибактериальные препараты. Так:

стрептомицин ингибирует инициацию синтеза белка в клетках патогенной микрофлоры и вызывает ошибки в прочтении информации, закодирован-

ной в мРНК;

тетрациклины связываются с 30 S субъединицей и препятствуют присоеди-

нению аа-тРНК в А-центр рибосомы, нарушая процесс элогации;

левомицетин присоединяется к 50 S субъединице рибосомы и подавляет

пептидилтрансферазную реакцию;

эритромицин также присоединяется к 50 S субъединице рибосомы и ингибирует транслокацию.

Вотличие от ингибиторов репликации антибактериальные препараты отличаются высокой избирательностью и сравнительно мало токсичны для человека. Это объясняется существенными различиями в структуре РНК-полимераз, РНК и белков рибосом у про- и эукариотов.

Раздел 3. Синтез нуклеиновых кислот и белков

79

Вирусы и токсины — ингибиторы матричных синтезов у эукариотов

Течение многих вирусных инфекций сопровождается гибелью зараженных клеток. Попадая в эукариотические клетки, вирусы прекращают синтез нуклеиновых кислот и белков, характерных для данного организма, и переключают ферментные системы и энергетические ресурсы на воспроизведение вирусных частиц. Продукция вирусных частиц идет вплоть до гибели зараженной клетки.

Причиной гибели людей при отравлении белой поганкой Amanita phalloides является токсин — α-аманитин, который содержится в теле гриба и вызывает необратимую дисфункцию печени и почек. Токсичность соединения обусловлена его способностью ингибировать РНК-полимеразы, прежде всего РНКполимеразу II, катализирующую синтез мРНК.

Энтеротоксин возбудителя дифтерии Сorynebacterium diphteriae ингибирует синтез белков в клетках слизистой оболочки зева и гортани, что обуславливает чрезвычайно тяжелое течение болезни. В цитоплазме клеток под влиянием протеолитических ферментов токсин расщепляется на два фрагмента, один из которых является АДФ-рибозилтрансферазой. Этот фермент катализирует реакцию:

FE-2 + NAD → АДФ-рибозил-FE-2 + никотинамид + Н+.

Субстратом реакции является фактор элонгации FE-2, модификация которого нарушает транслокацию рибосом, прекращает биосинтез белков в инфицированных клетках и вызывает их гибель.

Интерфероны как противовирусные, противоопухолевые и иммуностимулирующие препараты. Интерфероны — небольшие белки — гликопротеины, секретирующиеся некоторыми клетками позвоночных (макрофагами, В- и Т-лимфоцитами, фибробластами) . Связываясь с рецепторами на плазматической мембране клеток, они индуцируют синтез белков и ферментов, способных разрушать мРНК вирусов и прекращать синтез белков на рибосомах.

Интерфероны:

индуцируют синтез фермента, катализирующего образование коротких олигоаденилатов: 2',5' — олиго (А), которые активируют РНКазу. Последняя расщепляет мРНК и рРНК, необходимые для образования вирусных белков;

стимулируют синтез протеинкиназы, которая фосфорилирует фактор инициации трансляции IF2, в результате синтез белков в зараженных клетках останавливается;

повышают фагоцитарную активность макрофагов и усиливают специфическое цитотоксическое действие лимфоцитов на клетки-мишени.

80

Биологическая химия

3.7. Регуляция биосинтеза белков

Концентрация многих белков в клетках непостоянна и меняется в зависимости от изменяющихся условий окружающей среды. Регуляция синтеза и распада белков может осуществляться на любой стадии реализации информации, содержащейся в структуре гена, начиная от изменения количества генов, их транскрипции и кончая образованием функционально активного белка (рис. 3.23).

В про- и эукариотических клетках обнаружены белки трех типов:

конститутивные, присутствующие в клетках в постоянных количествах независимо от условий существования организма. Это белки «домашнего хозяйства», которые обеспечивают жизнеспособность клеток (ферменты биологического окисления, синтеза АТФ, мембран и нуклеиновых кислот);

индуцируемые, их концентрация может возрастать в десятки или тысячи раз при возникновении потребности клетки в этих белках;

репрессируемые, скорость синтеза которых может ингибироваться при снижении потребности клетки в соответствующих белках.

Рис. 3.23. Регуляция реализации генетической информации в фенотипическую.

Процесс реализации информации может регулироваться на этапах:

1 — транскрипции; 2 — посттранскрипционных модификаций; 3 — транспорта мРНК из ядра в цитоплазму, 4 — продолжительности жизни мРНК; 5 — трансляции; 6 — посттрансляционных превращений полипептидных цепей; 7 — продолжительности жизни белка

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.

Соседние файлы в папке Литература