Анаболизм белков. 
Биология

Биосинтез белков в клетке удобно представить себе как взаимодействие трех потоков — вещества, информации и энергии, пересекающихся на уровне рибосомы (рис. 3.67).

Поток вещества: поступающие в клетку аминокислоты активируются и присоединяются ктРНК (процесс называется рекогницией, катализируется ферментным комплексом — кодосомой и нуждается в АТФ). Отличительной особенностью данного процесса является единственная в своем роде реакция, в которой непосредственно взаимодействуют вещества белковой и нуклеиновой природы. Это реакция образования аминоациладенилата — соединения, состоящего из аминокислоты и аденинового нуклеотида, соединенных фосфоэфирной связью. Функция данного вещества заключается в передаче активированного аминокислотного остатка на тРНК. Образовавшийся комплекс включается в процесс трансляции.

Поток информации можно подразделить на два «каскада».

1. Транскрипция, т.с. синтез нре-иРНК, представляющей собой «слепок» с определенного участка ДНК — транскриптона. Этот участок ДНК состоит из структурного гена и нескольких регуляторных генов. Процесс катализируется ДНК-зависимой РНК-полимеразой.

Рис. 3.67. Схема метаболизма белка в клетке эукариот (АК — аминокислота, Ф-Ф — пирофосфат)

Существенно, что только при синтезе пре-иРНК на матричной цепи ДНК возможно считывание (перенос) информации со смысловой цепи ДНК на иРНК, а затем ее реализация в первичной структуре полипептида (рис. 3.68).

Рис. 3.68. Пример переноса информации со смысловой цени ДНК на иРНК, а затем ее реализации в первичной структуре полипептида

Процесс транскрипции (инициация, продолжение, завершение) находится под контролем различных регуляторных систем: определенных последовательностей ДНК (энхансеры, ТАТА-боксы и др.), находящихся вблизи транскрибируемого участка (а у эукариотических организмов — в отдаленных областях генома), а также от наличия или отсутствия особых белков — транскрипционных факторов. Последние представлены обширным семейством пептидов, насчитывающим у человека более 2500. Однако реальное число этих факторов, по-видимому, заметно больше, поскольку существуют специальные белки — сиртуипы, осуществляющие их химическую модификацию и, таким образом, изменяющие их функциональные свойства. Поскольку регуляция транскрипции многих генов осуществляется в результате совместного (корпоративного) действия нескольких транскрипционных факторов, высказывается предположение, что данный механизм может обеспечить уникальный способ регуляции считывания генов на всех стадиях развития организма.

Примечание. В исследованиях, выполненных за последние годы, показано, что в ряде случаев РНК-коиия может сниматься со смысловой цепи ДНК. Такая «антисмысловая» РНК соединяется с комплементарной иРНК с образованием двухцепочечиой молекулы, которая не может участвовать в процессе трансляции на рибосоме. Предполагают, что данный процесс используется клеткой как один из механизмов избирательной экспрессии генов. Поэтому данную разновидность РНК относят к группе регуляторных РНК (микро-РНК).

2. Посттранскрипционная модификация, т. е. превращение нреиРИК в иРНК путем отщепления той части молекулы, которая является копией с регуляторных генов транскриптона; катализируется несколькими ферментами при участии малых ядерных РНК (рис. 3.69).

Процесс транскрипции у эукариот носит иной характер, поскольку строение их структурных генов существенно отличается.

Рис. 3.69. Схема образования информационной РНК у прокариот:

Про — промотор (стартовый участок гена);

Тер — терминатор (финишный участок гена) от таковых у прокариот. Эукариотический структурный ген имеет мозаичное строение и состоит из информационно значимых участков (экзонов, содержащих информацию о части полипептидной цепи) и информационно незначимых («бессмысленных») участков — интронов. На этапе носттранскринционной модификации происходит вырезание интронов и сшивание экзонов в непрерывную полинуклсотидную цепь — иРНК. Биологический смысл данного явления (называемого альтернативным сплайсингом) заключается в возможности путем различных способов сборки экзонов получать с одного структурного гена несколько вариантов иРНК и, соответственно, несколько изомолекулярных форм определенного белка, различающихся по своим физиологическим свойствам (рис. 3.70). Именно с этим обстоятельством связывают значительное разнообразие белкового спектра в организме высокоорганизованных животных и человека, но сравнению с низшими животными, хотя число генов у них примерно одинаково. Так, у человека при общем числе генов порядка 25 000 благодаря альтернативному сплайсингу может синтезироваться около 100 000 белковых продуктов. Поскольку у первых альтернативный сплайсинг отличается выраженной тканеспецифичностыо, предполагают, что он имеет функциональное значение. Существенно, что данный процесс находится под генетическим контролем и осуществляется с помощью специального РНК-белкового комплекса — сплайсосомы. Вышеизложенные факты послужили основанием для пересмотра определения понятия «ген». В современной версии ген определяется как «любая последовательность ДНК, которая транскрибируется как отдельная единица и кодирует набор близкородственных полипептидных цепей»^[1].

Рис. 3.70. Схема образования информационной РНК у эукариот:

Про — промотор (стартовый участок гена); Тер — терминатор (финишный участок гена); И — нитрон; Э — экзон Несомненный интерес представляет открытый недавно факт: на редактированной иРНК при участии фермента обратной транскриптазы может синтезироваться ДНК-копия и встраиваться в геном. В результате данного процесса в геноме наряду с исходным геном может существовать несколько его редактированных версий.

Примечание. Заслуживает внимания выявленный на этапе носттранскрипционной модификации феномен, получивший название транскрип— ционно индуцированный химеризм^[2]. Сущность данного явления заключается в следующем. На участке ДНК, содержащем два расположенных по соседству гена (включая их промоторы) и межгенный интервал, синтезируется комплементарная РНК-копия (пре-иРНК). Затем из последней вырезаются фрагменты, являющиеся репликами с промоторов обоих генов и межгенной области. Оставшиеся последовательности, представляющие собой копии двух структурных генов, сшиваются в единую молекулу — иРНК. Поскольку при трансляции на матрице этой иРНК синтезируется одна полипептидная молекула, считается, что в данном случае первичная структура одного белка кодируется двумя генами. Полагают, что транскрипционно индуцированный химеризм представляет собой достаточно распространенное явление: от 2 до 5% генов человеческого генома могут принимать участие в создании «химерных» иРНК (при описании данного феномена процесс вырезания нитронов и сшивания экзонов опущен).

Поток энергии: поставка молекул АТФ из митохондрий в компартменты (структурные компоненты) клетки, где протекают энергоемкие реакции, — плазмалемму (трансмембранный перенос аминокислот), эухроматин (транскрипция), гиалоплазму (рекогниция), свободные рибосомы и гранулярную цитоплазматическую сеть (трансляция).

Трансляция: процесс сборки полипептидной молекулы на матрице иРНК при участии тРНК в рибосоме. Трансляция состоит из трех этапов: инициации, элонгации и терминации. В цитоплазме на один из концов и PH К (а именно на тот, с которого начинался синтез молекулы в ядре) вступает рибосома и приступает к синтезу полипептида. Трансляция начинается со стартового кодона АУГ, который в смысловой части структурного гена кодирует аминокислоту метионин. Рибосома перемещается по молекуле иРНК прерывисто, триплет за триплетом (элонгация), делая каждый из них доступным для контакта с тРНК (рис. 3.71). Сущность трансляции заключается в подборе по принципу комплементарное™ антикодона тРНК к кодону и РНК. Если антикодон тРНК соответствует кодону иРНК, то аминокислота, доставленная такой тРНК, включается в полипептидную цепь и рибосома перемещается на следующий триплет (кодон иРНК). Соседние аминокислоты соединяются с помощью пептидной связи ферментом большой субъединицы рибосомы — пептидилтрансферазой. Одна рибосома способна синтезировать полную полипептидную цепь и не нуждается в присутствии других рибосом. Однако в зависимости от длины молекулы иРНК к ней может присоединиться от 3—4 до 100 рибосом. Такие.

Рис. 3.71. Рабочий цикл рибосомы:

1 — иРНК; 2 — возвращающаяся в цитоплазму молекула тРНК; 3 — растущая полипептидная цепь; 4 — большая субъединица рибосомы; 5 — молекула тРНК с аминокислотой; 6 — кодоны иРНК; 7 — малая субъединица рибосомы; 8 — антикодоны тРНК комплексы рибосом называются полирибосомами. Образование групп рибосом повышает эффективность использования иРНК, поскольку на ней одновременно может синтезироваться несколько полипептидных цепей. После завершения синтеза полинептидная цепочка отделяется от матрицы — молекулы иРНК. Окончание синтеза (терминация) осуществляется по команде кодонов УАА, УАГ, У ГА. Молекула иРНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, так же как рибосома.

Важным элементом механизма контроля экспрессии генов является стабильность молекул индивидуальных иРНК. В среднем время полужизни иРНК у прокариот составляет 1—2 мин (что, вероятно, обусловлено необходимостью оперативно реагировать на изменение среды), в то время как у высокоорганизованных эукариот, в частности, млекопитающих, данный параметр варьирует в широких пределах — от 10 мин до 48 час. Предполагают, что короткоживущие иРНК кодируют регуляторные пептиды. Какие же факторы определяют скорость деградации иРНК? Таких факторов несколько. У многих иРНК скорость разрушения зависит от наличия на 3-м конце молекулы полиаденилового «хвоста» и степени его защищенности специальным белком, у других (например, иРНК гистонов) она определяется особой петлей на 3-м конце. В ряде случаев в регуляции скорости расщепления иРНК важную роль играют определенные последовательности (участки) в 3-м нетранслируемой области молекулы, чувствительные к тем или иным химическим сигналам — гормонам, ионам металлов, нейромедиаторам и др.

Примечание. В процессе биосинтеза белка на этапе трансляции наблюдается особый феномен, получивший название перепрограммирования (перекодирования) трансляции. В ряде случаев происходит сдвиг «рамки считывания» либо в сторону 5'-конца иРНК, либо в сторону З'-конца, что в итоге приводит к изменению первичной структуры синтезируемого полипептида. Таким образом одна и та же иРНК может служить матрицей для сборки различных белков.

Посттрансляционная модификация: процесс превращения полипептида в биологически активный белок. Этот процесс включает в себя:

• • химическую модификацию полипептида: метилирование, фосфорилирование, образование внутримолекулярных «сшивок» (в частности, дисульфидных мостиков), присоединение небелковых групп (углеводных и др.), вырезание балластных фрагментов молекулы;
• • формирование определенной пространственной организации молекулы;
• • ассоциацию субъединиц (для белков, имеющих четвертичную структуру).

• [1] Тейлор Д., Грин Я, Стаут У. Биология. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013.
• [2] Здесь — соединение разнородных частей в одно целое.