5. Этапы синтеза белка
Синтез белка представляет собой циклический энергозависимый многоступенчатый процесс,состоящий из 5 стадий синтеза, из которых 3 стадии (инициация, элонгация и терминациясчитаются главными и основными, а 2 стадии (активация аминокислот и постсинтетический процессинг) рассматриваются в качестве дополнительных, вспомогательных стадий синтеза. Активация свободных аминокислот осуществляется при помощи специфических ферментов – аминоацил-тРНК-синтетаз – в присутствии АТФ. Этот процесс протекает в две стадии: Обе стадии катализируются одним и тем же ферментом. На I стадии аминокислота вступает в реакцию с АТФ, при этом освобождается пирофосфат и образуется промежуточный продукт, который на II стадии реагирует с соответствующей 3'-ОН-тРНК, в результате чего образуется аминоацил-тРНК и освобождается АМФ. Аминоацил-тРНК располагает необходимым запасом энергии и имеет следующее строение. Инициация трансляции. Требует соблюдения ряда условий, в частности наличия в системе, помимо 70S (или 80S) рибосом, инициаторной аминоацил-тРНК, инициирующих кодонов в составе мРНК и белковых факторов инициации. Синтез белка инициирует единственная аминокислота – метионин. Если эти триплеты являются обычными , каждый из них кодирует свою аминокислоту: АУГ кодирует метионин, а ГУГ – валин. К настоящему времени выяснена природа белковых факторов иниЦиации: у Е. coli открыты три фактора- IF-1, IF-2, IF-3. IF-3 обеспечивает узнавание участка на молекуле мРНК, к которому присоединяется формилметионил-тРНК. IF-1 способствует связыванию инициаторной формилметионил-тРНК с комплексом 30S субчастицы и мРНК. Белковый фактор IF-2способствует объединению 30S и 50S субчастиц. Сначала образуется инициаторный комплекс путем присоединения белковых факторов, формилметионил-тРНК и ГТФ к 30S субчастице, к которой комплементарно антикодону формилметионил-тРНК присоединяется мРНК при участии кодона АУГ. Процесс элонгации связан с большой субчастицей (50S) рибосомы, содержащей два центра для связывания тРНК: один из них называется аминоацильным (А), другой – пептидильным (П). В процессе элонгации у Е. coli также участвует три белковых фактора – EF-Tu, EF-Ts и EF-G. Процесс элонгации принято делить на 3 стадии: узнавание кодона и связывание аминоацил-тРНК, образование пептидной связи и транслокация. На I стадии в свободный А-участок рибосомы доставляется аминоацил-тРНК при участии фактора элонгации Tu. Образовавшийся комплекс подвергается диссоциации только в присутствии второго фактора элонгации Ts. II стадия элонгации – образование первой пептидной связи. Осуществляется ферментативная реакция транспептидирования между формилметионил-тРНК в П-центре и новой аа-тРНК в А-центре. В процессе транспептидазной реакции в А-центре образуется дипептидил-тРНК, а П-центр остается свободным. На III стадии необходимо иметь свободный аминоацильный центр для присоединения следующей аа-тРНК. Для этого благодаря процессу транслокации образовавшийся фрагмент дипептидил-тРНК переносится от аминоацильного на пептидильный центр. На стадии элонгации происходит последовательное наращивание полипептидной цепи по одной аминокислоте в строгом соответствии с последовательностью триплетов в молекуле мРНК. Терминация трансляции. Завершается синтез полипептидной цепи в 70S рибосоме при участии трех белковых факторов терминации. После того как терминирующий кодон мРНК занимает свое место в аминоацильном центре рибосомы, к нему присоединяется не тРНК, поскольку отсутствуют соответствующие антикодоны тРНК, узнающие этот терминальный сигнал, а один из белковых факторов терминации и блокируется далнейшая элонгация цепи.Происходит отделение белковой молекулы от рибосомы и освобождение молекул тРНК и мРНК и рибосома диссоциирует на две субчастицы – 30S и 50S. ПОСТСИНТЕТИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ Линейная одномерная полипептидная цепь называется конформационной, т.е. она претерпевает не хаотичные структурные изменения, а подвергается превращению (процессингу) . Функциональная активность проявляется позже в результате разнообразных превращений, объединенных понятием «постсинтетическая, или посттрансляционная, модификациия». Подобные модификации структуры полипептида начинаются или сразу послетрансляции, или еще до окончания формирования третичной структуры белковой молекулы. Помимо указанного процесса протеолитического удаления сигнального пептида, во многих белках отщепляется начальный N-концевой метионин. Участок ДНК, несущий информацию о синтезе индивидуального белка, называется геном, а участок, контролирующий синтез единственной полипептидной цепи и ответственный за него,– цистроном. Если белок состоит из нескольких поли пептидов, то в синтезе такого белка должны участвовать несколько цистронов. Подобный белок может синтезироваться в виде единственной полипептидной цепи с последующими протеолитическими разрывами в одном или нескольких местах и отщеплением неактивных участков. Типичным примером подобной модификации является гормон инсулин, синтезирующийся в виде единого полипептида препроинсулина, который после ферментативного гидролиза превращается сначала в неактивный предшественник проинсулин, а затем в активный гормон инсулин, содержащий две разных размеров и последовательности полипептидные цепи.
Посттрансляционная химическая модификация белков, затрагивающая радикалы отдельных аминокислот. Одной из модификаций является ковалентное присоединение простетической группы к молекуле белкаНекоторые белки подвергаются гликозилированию, присоединяя олигосахаридные, и обеспечивают доставку белков к клеткам-мишеням. Широко представлены химические модификации белков в результате реакции гидроксилирования остатков пролина, лизина, реакции метилирования, ацетилирования ряда N-концевых аминокислот, реакции карбоксилирования остатков глутамата и аспартата ряда белков Одной из широко распространенных химических постсинтетических модификаций является фосфорилирование остатков серина и треонина, например, в молекуле гистоновых и негистоновых белков, а также казеина молока.Главными источниками белков для человека являются пищевые продукты животного и растительного происхождения. Примерно 95–97% белков пищи всасывается в виде свободных аминокислот. Ферментный аппарат пищеварительного тракта осуществляет поэтапное, избирательное расщепление пептидных связей белковой молекулы вплоть до
конечных продуктов– свободных аминокислот. Гидролиз заключается в разрыве пептидных связей —СО—NH— белковой молекулы. Протеолитические ферменты (протеиназы) обладают широкой специфичностью.
Известны две группы пептидаз: экзопептидазы, катализирующие разрыв концевой пептидной связи с освобождением одной какой-либо концевой аминокислоты, и эндопептидазы, преимущественно гидролизующие пептидные связи внутри полипептидной цепи. Эндопептидазы: Пепсин вырабатывается в главных клетках слизистой оболочки желудка в неактивной форме – в виде пепсиногена. Превращение пепсиногена в активный пепсин происходит в желудочном содержимом этот процесс является последовательным и протекает в несколько этапов в присутствии соляной кислоты по механизму аутокаталитического действия самого пепсина. Пепсин отличается высокой устойчивостью в сильнокислой среде и характеризуется низким значением изоэлектрической точки. Превращение трипсиногена в трипсин катализируют не только энтеропептидаза и сам трипсин, но и другие протеиназы и ионы Са2+. Активирование трипсиногена химически выражается в отщеплении с N-конца полипептидной цепи 6 аминокислотных остатков. Химотрипсин. В поджелудочной железе синтезируется из двух предшественников – химотрипсиногена А и химотрипсиногена В. В поджелудочной железе синтезируется еще одна эндопептидаза – эластаза – в виде проэластазы. Превращение профермента в эластазу в тонкой кишке катализируется трипсином. Эластаза обладает широкой субстратной специфичностью, но предпочтительнее гидролизует пептидные связи, образованные аминокислотами с небольшими гидрофобными радикалами, в частности глицином, аланином и серином. Экзопептидазы. В переваривании белков в тонкой кишке активное участие принимает семейство экзопептидаз. Одни из них – карбоксипептидазы – синтезируются в поджелудочной железе в виде прокарбоксипептидазы и активируются трипсином в кишечнике; другие – аминопептидазы –секретируются в клетках слизистой оболочки кишечника и также активируются трипсином. Карбоксипептидазы. Карбоксипептидазы – А и В, (катализирующие отщепление от полипептида С-концевых аминокислот). Карбоксипептидаза А разрывает преимущественно пептидные связи, образованные концевыми ароматическими аминокислотами, а карбоксипептидаза В – связи, в образовании которых участвуют С-концевые лизин и аргинин. Аминопептидазы. Аланинаминопептидаза, катализирующая преимущественно гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует N-концевой аланин, и лейцинаминопептидаза, не обладающая строгой субстратной специфичностью и гидролизующая пептидные связи, образованные любой N-концевой аминокислотой. Они осуществляют ступенчатое отщепление аминокислот от N-конца полипептидной цепи. Дипептидазы. Среди дипептидаз кишечного сока глицилглицин-дипептидаза, гидролизующая соответствующий дипептид до двух молекул глицина. Известны также две другие дипептидазы: пролил-дипептидаза, катализирующая гидролиз пептидной связи, в образовании которой участвует СООН-группа пролина, и пролин-дипептидаза, гидролизующая дипептиды, в которых азот пролина связан кислотно-амидной связью. Переваривание белков в желудке Условия для переваривания белков:1.в желудочном соке содержится активный фермент пепсин. 2. наличие в желудочном соке свободной соляной кислоты (оптимальная среда для действия пепсина),(рН 1,5–2,5). Роль соляной кислоты в переваривании белков: 1.переводит неактивный пепсиноген в активный пепсин2. создает оптимальную среду для действия пепсина;3. происходят набухание белков, частичная денатурация и, возможно, гидролиз сложных белков. 4.стимулирует выработку секретина в двенадцатиперстной кишке, 5.ускоряет всасывание железа 6. оказывает бактерицидное действие. Пепсин расщепляет практически все природные белки Переваривание белков в кишечнике В тонкой кишке на белки действуют ферменты панкреатического и кишечного соков. Благодаря гидролитическому действию на белки всех трех эндопептидаз (пепсин, трипсин, химотрипсин) образуются различной длины пептиды и некоторое количество свободных аминокислот. Дальнейший гидролиз пептидов до свободных аминокислот осуществляется под влиянием группы ферментов – пептидаз. При этом образуются свободные аминокислоты, которые затем всасываются. Всасывание продуктов гидролиза белков идет в ЖКТ в виде свободных АК вместе с ионами натрия. Судьба всосавшихся аминокислот АК→углеводы,липиды,пептиды,гем,гемоглобин,цитохромы,ферменты,гормоны,антитела,НАД,аммиак,мочевина. Транспорт аминокислот. Главную роль в этом процессе играет мембранно связанный гликопротеин – фермент γ-глутамилтрансфераза, которая катализирует перенос γ-глутамильной группы от глутатиона или другого γ-глутамильного пептида на транспортируемую аминокислоту. Комплекс γ-глутамил–аминокислота после переноса через биомембрану распадается внутри клетки под действием γ-глутамилциклотрансферазы на свободную аминокислоту и 5-оксопролин , образование которого почти целиком сдвигает реакцию расщепления комплекса вправо. Всасавшиеся АК поступают в портальный кровоток→Печень→Общий кровоток. Благодаря возможности ресинтеза глутатиона, требующего затраты энергии АТФ, цикл может повторяться многократно, транспортируя значительные количества аминокислот. Общие пути обмена аминокислот Общие пути превращения аминокислот включают реакции: 1) дезаминиование, 1)Доказано существование 4 типов дезаминирования аминокислот
Ферменты в данных реакциях малоактивны и строго специфичны.Единственный фермент с повышенной активностью-глутаматдегидрогенаа(печень,мозг), катализирует анаэробную фазу дегидрирования глутаминовой кислоты с образованием промежуточного продукта – иминоглутаровой кислоты и спонтанный гидролиз последней на аммиак и α-кетоглутаровую кислоту. 2)трансаминирование .Сущность его сводится к восстановительному аминированию α-кетоглутаровой кислоты с образованием глутаминовой кислоты (реакцию катализирует НАДФ-зависимая глутаматдегидрогеназа) и к последующему трансаминированию глутамата с любой α-кетокислотой. В результате образуется L-аминокислота, соответствующая исходной кетокислоте, и вновь освобождается α-кетоглутаровая кислота, которая может акцептировать новую молекулу аммиака. 3)декарбоксилирование.3) Процесс отщепления карбоксильной группы аминокислот в виде СО2 получил название декарбоксилирования. В живых организмах открыты 4 типа декарбоксилирования аминокислот: 1. α-Декарбоксилирование, характерное для тканей животных, при котором от аминокислот отщепляется карбоксильная группа, стоящая по соседству с α-углеродным атомом. Продуктами реакции являются СО2 и биогенные амины:
2. ω-Декарбоксилирование,
свойственное микроорганизмам. Например,
из аспарагиновой кислоты этим путем
образуется α-аланин:
3. Декарбоксилирование, связанное с реакцией трансаминирования: В этой реакции образуются альдегид и новая аминокислота, соооветствующая исходной кетокислоте.
4. Декарбоксилирование, связанное с реакцией конденсации двух молекул:
