Синтез белка и его зависимость от разных факторов

Двадцать из образовавшихся аминокислот используется для синтеза белка, остальные или остаются в клетке в свободном состоянии, или превращаются в никотинамид, пиримидин, порфирин, пурины и другие соединения.

Синтез белка — процесс образования полипептидной цепи на иРНК как на матрице — нами уже подробно описан в гл. 2 (см. параграф 2.5). Часть белков, синтезированных в цитозоле на рибосомах, остается в цитозоле, часть должна попасть в органеллы и стать компонентом их мембран.

Судьба синтезированных белков различна и зависит от мест их дальнейшего функционирования. Белки, синтезированные в митохондриях или пластидах, остаются в этих органеллах, а синтезированные в цитозоле должны попасть в соответствующие органеллы или выделиться из клетки. Сигналами о локализации белка в клетке служат один или несколько участков полипептидной цепи на N- или С-конце или внутри ее, которые называются сигнальными, или лидерными, пептидами.

Как происходит распределение белков между цитозолем и органеллами? Существует два пути их транспорта в клетке — секреторный и цитозольный.

Эти пути различаются по механизмам транспорта белковых молекул. Для цитозольного пути используется мономолекулярный механизм транспорта белков, при котором каждая молекула пересекает мембрану через свой траислокатор. Для секреторного пути характерен транспорт молекул белка с помощью везикул, называемых также секреторными пузырьками.

Секреторный путь используется для транспорта белков, нужных для образования плазмалеммы и мембран эндоплазматического ретикулума, аппарата Гольджи, тонопласта. В распределении белков участвуют ЭПР, везикулы, АГ.

Синтез белков протекает на мембранах шероховатого ЭПР.

Сигнальные последовательности синтезируемой полипептидной цепи соединяются со специфическими рецепторами на мембране ЭПР, и цепь переносится через мембрану ЭПР в его внутреннее пространство постепенно, по мере образования каждого нового ее участка.

Не все белки проходят во внутреннее пространство ЭПР. Белки, имеющие на С-конце сигнальный тетрапептид KDEL (К — Lysine, D — Aspartic acid, Е — Glutamic acid, L— Leucine), закрепляются на мембране ЭПР и становятся ее частью. Если эта сигнальная последовательность отсутствует, то белок остается во внутреннем пространстве ЭПР. Пептидаза отщепляет сигнальный пептид, а сама иолинентидная цепь сворачивается. Сворачивание в большой степени зависит от образования серных мостиков между остатками цистеинов полипептидной цепи. Правильность сворачивания цепи обеспечивают шапероны. Белки, свернутые неправильно, возвращаются в цитозоль.

Из внутреннего пространства ЭПР молекула белка попадает в образующуюся везикулу, которая отпочковывается от мембраны ЭПР. С помощью везикул белок транспортируется постепенно в разные части АГ, к плазмалемме, вакуоли или выходит из клетки (рис. 6.12).

Рис. 6.12. Секреторный путь транспорта белка^1.

На поверхности везикулы имеются специальные белки СОР (от англ. Coat protein). Эти белки нужны для транспорта везикул к определенной органсллс. В процессе транспорта белки могут измениться, особенно в ЭПР и аппарате Гольджи, например присоединить цепочку моносахарида.

Продолжительность этого транспорта от мембраны ЭПР до органеллы может составлять десятки и даже сотни минут.

Цитозольный путь используется для транспорта белков в ядро, митохондрии, пластиды, иероксисомы. Синтез молекулы белка идет в цитозоле на свободных рибосомах. Каждая молекула белка пересекает мембрану органеллы через свой транслокатор. Транслокатор — специальный белок, находящийся в мембране органеллы и узнающий сигнальный пептид. Молекула переносимого белка должна развернуться, чтобы, как нитка, войти в ушко белка-транслокатора. С момента окончания синтеза белка до поступления молекулы в органеллу проходит не более 1—2 мин.

Из цитозоля в ядро белки могут транспортироваться, только если они имеют сигнальную последовательность ядерной локализации (англ. NLS — nuclear localization signals). Существует три типа таких последовательностей: 1) Pro-Lys-Lys-Lys- -Arg-Lys 2) две такие же последовательности, разделенные спсйссром (от англ. space — промежуток, интервал); 3) Lys-lie-Pro-Ile-Lys. Узнавание этого сигнала ядерным поровым комплексом открывает его центральный канал. Сигнальные последовательности не отщепляются после переноса белка в ядро.

Из цитозоля в хлоропласт транспортируется малая субъединица РуБисКО. РуБисКО состоит из восьми больших и восьми малых субъединиц. Белок малой субъединицы синтезируется в цитозоле, большой — в хлоропласте. Для транспорта белка малой субъединицы на Анконце нолииеитидной цени должен находиться сигнальный иеигид, состоящий из 40—50 аминокислотных остатков. Если белок должен остаться в строме хлоропласта, он сворачивается в глобулу с затратой АТФ. Если белок должен войти в люмен, то поддерживается шаперонами в развернутом виде. Па конце полипептидной цепи находятся два сигнальных пептида. Когда этот^[1]

белок входит в строму, протеаза удаляет один сигнальный пептид, и открывается второй сигнальный пептид, с помощью которого белок проходит в люмен. Здесь он может встроиться в мембрану или остаться в полости тилакоида. Для этого транспорта нужна АТФ. Время транспорта в органеллу 1—2 мин.

Белки, предназначенные для внешней мембраны хлоропласта, не транспортируются в строму, а попадают в мембрану из цитозоля.

Большинство белков, синтезируемых на свободных рибосомах в цитозоле, не имеют сигналов сортировки и остаются в цитозоле как постоянные компоненты.

Каковы условия синтеза белка? Во-первых, растения должны быть обеспечены азотом. При недостатке азота в почве синтез белка некоторое время может идти за счет реутилизации азотистых веществ из нижних листьев. В результате эти листья желтеют и отмирают. Если содержание азота в почве выше оптимального, то, как показал опыт с райграсом, на очень короткий срок (три дня) повышается содержание белка, но в дальнейшем в клетках происходит накопление небелкового азота — аминокислот и амидов, прежде всего глутамина, а также аргинина и цитрулина. Следовательно, при избытке азота происходит его запасание в виде амидов и детоксикация образовавшегося аммония. При очень большом содержании азота может произойти даже аммиачное отравление. Итак, прямой связи между содержанием азота в почве и скоростью образования белка в растительном организме нет.

Следующее необходимое условие синтеза белка — высокая концентрация сахарозы в клетке. Если лист находится в темноте, то идет распад белка. Однако если искусственно снабжать лист сахаром, то распад белка приостановится. Почему? Сахароза, достигая корней, превращается в пируват, который после окислительного декарбоксилирования включается в цикл Кребса. Образующийся в цикле кетоглутарат является акцептором аммония. Кроме того, в цикле Кребса образуются АТФ и НАДН, необходимые для синтеза белка.

Синтез белка в рибосомах происходит за счет энергии, освобождающейся при дыхании. Анаэробная фаза дыхания не в состоянии снабдить клетку достаточным количеством АТФ и НАДН, необходимых для всех процессов синтеза. Синтез белка ускоряется пропорционально увеличению интенсивности аэробного окисления и, следовательно, зависит от снабжения тканей кислородом. Из сказанного ясно, что высокая интенсивность аэробного дыхания и сопряженность окисления и фосфорилирования тоже являются одним из необходимых условий синтеза белка.

Так как сахара образуются в процессе фотосинтеза, то для успешного синтеза белка необходим свет. Кроме сахаров, фотосинтез поставляет восстановленные ферредоксин и НАДФ. В темноте ускоряется распад белков.

Для нормального синтеза белков в клетках должны активно синтезироваться также нуклеиновые кислоты. Если черешки срезанных с растения нижних желтеющих листьев табака обработать гормоном роста — индолилуксусной кислотой, то листья укореняются, зеленеют и при выращивании на питательном растворе, содержащем только минеральные вещества, накапливают значительные количества белка. Накопление белка в таком листе происходит параллельно с синтезом в корнях РНК.

Мы уже говорили, что обработка другим гормоном — цитокинином, например зародышей куколя, активирует новообразование нитратредуктазы. Это доказывает участие гормонов в регуляции синтеза белка.

Отсутствие кальция, марганца, молибдена и некоторых других элементов вызывает нарушение синтеза белка, поскольку они активируют ферменты, участвуют в процессах восстановления азота, транскрипции и трансляции.

Для синтеза белка необходимо нормальное водоснабжение. В условиях засухи многие белки распадаются, в результате в листьях накапливаются аминокислоты и амиды, облегчающие поступление в клетки воды. Одновременно синтезируются специальные стрессорные белки (о них будем говорить в гл. 9), повышающие устойчивость растений к водному дефициту.

Таким образом, синтез белка зависит от обеспеченности растений азотом и другими элементами минерального питания, водой, кислородом, а также продуктами фотосинтеза и дыхания.

Продукты ассимиляции азота могут откладываться в растении в виде запасных белков в семенах, клубнях, камбии стволов деревьев, особенно перед наступлением зимнего периода или периода засухи, обеспечивая быстрое прорастание семян или развитие побегов из почек. Синтез этих белков наблюдается только при хорошем снабжении растений азотом, а при голодании эти белки не образуются.

Количество белка в клетке определяется скоростью не только его синтеза, но и его распада.

• [1] Хелдт Г.-В. Биохимия растений. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. С. 35.