Структура и синтез белков

Структура белков. Белки, составляющие основу цито­плазмы, являются полимерами с молекулярной массой от 5000 до нескольких миллионов. Они построены из аминокислот. В составе белков всех живых клеток обнаружено около 20 ами­нокислот, хотя небелковых аминокислот найдено значительно больше. Белковые аминокислоты являются а-аминокислотами и относятся к L-ряду. Их строение отражает следующая общая формула:

R—СН—СООН

I

NH₂

Радикал R может быть представлен атомом водорода, угле­родной (алифатической или ароматической) группировкой, мо­жет содержать полярные группы, карбоксильную или основ­ную группы.

В молекуле белка отдельные аминокислоты соединяются с помощью пептидной связи — NH — СО—. Объединение двух аминокислот дает Дипептид, трех — трипептид и т. д. Многие полипептиды встречаются в растениях в свободном состоянии и являются физиологически активными (например, трипептид глутатион). Помимо пептидных связей, в молекулах белков есть еще один тип ковалентных связей — дисульфидные, которые могут соединять участки молекулы или отдельные полипеп­тидные цепи. Остальные типы связей в молекуле белка более слабые. Это водородные, ионные связи (между основными и кислыми группами) и гидрофобные взаимодействия (сближе­ние неполярных частей полипептидных цепочек, что приводит к уменьшению их взаимодействия с водой).

Структуру белка определяет полипептидная цепь из специ­фической последовательности аминокислот, связанных кова-лентными пептидными связями. Она составляет первичную структуру белка.

Взаимодействие боковых групп белковой молекулы приво­дит к образованию водородных связей между определенными участками, что обусловливает спиральное закручивание моле­кулы, ее а-спиральную структуру. Почти все белки обладают а-структурой, но не обязательно на протяжении всей цепи: спи-рализованными могут быть отдельные участки. Кроме «-струк­туры в белках встречается Р-структура. Она также обусловлена водородными связями, но не внутри одной полипептидной це­пи, а между соседними цепями с образованием «складчатой» структуры, а- и Р-Структуры определяют вторичную структуру белка.

Разнообразная укладка в пространстве спиральной моле­кулы белка, создающая ее специфическую конфигурацию, на­зывается третичной структурой молекулы. Ферменты и другие белковые образования часто состоят из различных белков (субъединиц), объединенных нековалентными (водородными, ионными, ван-дер-ваальсовыми) связями. Эти комплексы обра­зуют четвертичную cmpvKmvpv белков. Белки, об ал юшие че-

Л'. М-оиомеры.

7ezi

К&трилцрякии шсгимл.

твертичнои структурой, могут диссоциировать на отдельные субъединицы и вновь собираться в комплекс.

По форме молекулы различают фибриллярные и глобу­лярные белки.

Белки, как и входящие в их состав аминокислоты, содержат свободные карбоксильные и аминные группы и являются ам-фотерными соединениями, т. е. могут функционировать и как кислоты, и как основания. В щелочном растворе белок будет диссоциировать как кислота, в кислом — как щелочь. Поэтому в щелочном растворе молекулы белков будут заряжены отри­цательно, а в кислом — положительно. При пропускании элек­трического тока через раствор белка в щелочном растворе мо­лекулы белка будут перемещаться к аноду, а в кислом — к катоду.

Кислая среда Изоэлектрическая точка Щелочная среда R—СН—СООН R—СН—СХХГ R—СН—СОО"

NH3 NH3 NH₂

Реакция среды, при которой устанавливается равенство поло­жительных и отрицательных зарядов молекул белка, называет­ся изоэлектрической точкой. В этой точке белок обладает на­именьшей растворимостью и наиболее легко осаждается из раствора.

Вследствие гидрофильности различных групп белковой мо­лекулы (например, — СООН связывает четыре молекулы воды, a —NH₂ — одну) белок имеет водную оболочку, причем моле­кулы воды, расположенные ближе к поверхности белка, ориен­тированы строго определенным образом, а на периферии моле­кулы — более беспорядочно. Водная оболочка белков способ­ствует устойчивости молекулы.

При определенных условиях белки приобретают в растворе (в цитоплазме) структуру геля. Это связано с образованием из свободных белковых молекул сложной сетеподобной струк­туры, внутри которой находятся ориентированные молекулы воды. При разрушении сети и переходе белков вновь в раство­римую мономолекулярную форму цитоплазма приобретает ме­нее вязкое, более оводненное состояние золя. Эти обратимые переходы гель — золь очень важны при функционировании цитоплазмы.

Синтез белков. Каждый белок характеризуется присущей только ему последовательностью аминокислот. Уникальность его строения обеспечивается структурой мРНК, образовавшей­ся в результате транскрипции специфической для данного бел­ка последовательности оснований ДНК. Информация о струк­туре белка заложена в мРНК в форме кодонов, состоящих из последовательности трех оснований — триплетов, каждый из которых эквивалентен конкретной аминокислоте. Поскольку в состав нуклеотидов РНК входят четыре основания, то для аминокислот возможны 64 кодона. Это означает, что каждая аминокислота кодируется более чем одним кодоном.

Синтез белка осуществляется на м тоипе мРНК в цитоплаз-

Рис. 10.2

Общая схема этапов трансляции. А — акти­вация про-мРНК; Б — образование комплек­са инициации; В — ак­тивация аминокислот; Г — деградация поли­рибосомы :

IFl_6 — факторы ини- циации, EF₁ з — факто- ры элонгации, RF — фак- тор освобождения

мРНК

ме в процессе трансляции. Механизмы трансляции сложнее процессов транскрипции. В то время как транскрипцию обеспе­чивают 1,5 — 2 десятка белков, для трансляции необходимы не менее 50 специализированных белков. Интенсивность и напра­вленность трансляции зависят от: а) концентрации информа­ционных матриц, т. е. специфических мРНК, уровень которы| определяется их синтезом, транспортом, хранением, актива­цией и распадом; б) присутствия всех других компонентов ап­парата трансляции (рибосом, тРНК, аминокислот, АТР, GTP, синтетаз, внерибосомных факторов трансляции, регуляторных белков); в) необходимых физико-химических условий (рН, ионов).

Рассмотрим возможные системы регуляции при активации мРНК и аминокислот, формирования и работы полирибосом-ного комплекса и разрушения отработанных матриц. Появле­ние молекул мРНК в цитоплазме — главное условие образова­ния полирибосом (полисом). Сдвиги в содержании матриц для синтеза тех или иных белков происходят благодаря индукции или усилению синтеза про-мРНК и их процессинга, а также за счет освобождения мРНК из латентной формы (рис. 10.2, А). Эти процессы находятся под контролем физико-химических факторов в нуклеоплазме и специфических регуляторных моле­кул, в частности фитогормонов.

Регуляция синтеза белков может осуществляться при фор­мировании инициаторного комплекса (рис. 10.2, Б). Промежу­точный комплекс инициации образуется путем взаимодействия малой рибосомальной субъединицы (40S) с инициаторной ме-тионил-тРНК^мет, которая затем связывается с мРНК. В обра­зовании и стабилизации этого комплекса принимают участие GTP и несколько белковых факторов (получивших название факторов инициации IFi_₆), а у растений — еще и АТР. Послед­ней к ини и т о omv комплексу пписоели яется боль тая пи-

Рис. 10.3

1н,

!' fill |л-т г-гт-г

У Г А У А Г ГЬК Г У У У Г У

ихема синтеза поли-кептидной цепи в по­ри рибосоме

H0-I

Age,

он он

босомальная субъединица (60S). На всех этих этапах регули­рующим фактором может быть любой из участников комплек­са, если он будет находиться в минимуме, а также физико-хи­мические условия микросреды.

Процесс синтеза полипептида кроме инициации проходит фазы элонгации и терминации. Для включения в полипептид аминокислоты предварительно активируются, превращаясь с участием АТР и аминоацил-тРНК-синтетаз в аминоациладе-нилаты (рис. 10.2, В), которые затем под действием тех же фер­ментов присоединяются к соответствующим тРНК. Для каж­дой аминокислоты существуют по крайней мере одна специфи­ческая тРНК и одна аминоацил-тРНК-синтетаза.

Рост полипептидной цепи начинается с 5^:конца мРНК и протекает циклично, причем три этапа цикла повторяются до тех пор, пока не закончится образование всего полипептида. На первом этапе каждая специфическая тРНК, доставившая аминокислоту к рибосоме, связывается своим триплетным ан-тикодоном с комплементарным кодоном мРНК в аминоациль-ном (А) центре (рис. 10.3). Это связывание зависит от присут­ствия двух факторов элонгации EF, один из которых взаимодействует с GTP. На втором этапе между новой амино­кислотой, связанной с тРНК, и синтезирующейся полипептид­ной цепью образуется пептидная связь при участии пептидил-трансферазы, причем полипептид из пептидилъного (П) центра переносится на новую аминокислоту в А-центр. При этом расщепляется GTP и освобождаются факторы элонгации и GDP. На третьем этапе пептидил-тРНК перемещается из А-центра в П-центр, что сопряжено с освобождением из П-центра использованной тРНК. Для отделения тРНК от П-центра не­обходимо участие третьего фактора элонгации, обладающего при взаимодействии с рибосомой СТРазной активностью. В результате перемещения рибосомы очередной кодон мРНК попадает в А-центр. Для процесса транслокации используется энергия гидролиза второй молекулы GTP.

Синтез полипептидной цепи в рибосомном комплексе осу-

ществляется до тех пор, пока не будет достигнут терми­нальный кодон мРНК. С этим ко доном связывается белковый фактор терминации (RF), который не только распознает нужный кодон, но и обеспечивает отщепление полипептидной цепи от тРНК (см. рис. Ю.2, Г). После отделения полипептида отщепляются деацилированная тРНК и мРНК. Для отделения мРНК требуется участие двух внерибосомных белковых факто­ров и GTP. Процесс завершается диссоциацией рибосомы на субъединицы с участием одного из факторов инициации IF₃. Каждая молекула мРНК может считываться многократно.

Механизмы регуляции процессов элонгации и терминации изучены еще очень слабо. На уровне элонгации помимо факто­ров элонгации и GTP лимитировать синтез полипептидов мо­гут изоакцепторные тРНК, спектр которых меняется при раз­ных физиологических состояниях организма и тех или иных воздействиях (например, при дифференцировке тканей, при действии гормонов и т. д.). Существенную роль для синтеза пептидных связей в пептидильном центре рибосомы играют физико-химические условия микросреды (наличие ионов Mg²⁺, Са²⁺, Мп²⁺, рН 8,3-8,4 и т. д.).

В клетках в каждый данный отрезок времени синтез белков обеспечивает определенную физиологическую программу. По­этому активация и считка большого количества мРНК, коди­рующих новообразование функционально связанных белков, должны быть строго скоординированы. Так, на ряде объектов показано, что в норме относительное количество различны/ тРНК в клетках соответствует набору кодонов транслируемых матриц. Особенно хорошо это прослеживается в клетках, где осуществляется массовый синтез специфических белков. Коли­чество рРНК, факторов элонгации также строго скоординиро­вано с содержанием тРНК и количеством активных матриц. При изменении физиологического состояния клетки концентра­ции всех этих компонентов аппарата трансляции одновременно возрастают или падают. В модельных опытах установлено, что избыток тРНК тормозит скорость трансляции. Снижение ин­тенсивности синтеза белков в свою очередь тормозит транс­порт мРНК из ядра в цитоплазму.

Таким образом, в клетках функционируют системы регуля- ции, не только координирующие транскрипцию различных 2 классов PIJK и трансляцию различных белков, но и обеспечи-

вающие тесное взаимодействие всех этих процессов.

■ - Процессы транскрипции и трансляции - первый этап на пу-

Самосборка _Ти формирования внутриклеточных структур. Следующие и биогенез этапы — сборка надмолекулярных комплексов и их доставка клеточных в определенные участки клетки,

структур Первичная структура белка, т. е. последовательность ами-

нокислот в молекуле полипептида, определяет его вторичную и третичную структуры. Взаимодействие белковых молекул с другими белковыми и небелковыми органическими соедине­ниями приводит к образованию четвертичной структуры бел­ков и их встраиванию в те надмолекулярные комплексы, для кото ых эти белки п едназначены. Все эти этапы превращений