Посттрансляционная модификация белков
Лекция 4
БИОСИНТЕЗ БЕЛКА
Генетический код
Генетическая информация в широком смысле этого слова представляет собой передаваемую по наследству совокупность данных обо всех сторонах жизнедеятельности — составе, строении, функционировании, развитии и взаимодействии, составляющих живую систему молекул, клеток, органов, организмов. Любая информация для сохранения и передачи должна быть записана. Генетическая информация не является исключением. Разная генетическая информация записывается по-разному: с помощью строения определенных молекул или с помощью распределения молекул в клетке, органе или организме. Но в основе всех разновидностей генетической информации и способов ее записи, хранения и передачи лежит информация о строении белков. Именно информация о последовательности аминокислот в белках — наиболее общая и объемлющая все без исключения стороны функционирования живых систем. Тот язык, которым записана эта информация, называется генетическим кодом.
Таким образом, генетический код — это система записи (язык) информации о последовательности аминокислот в белках с помощью последовательности нуклеотидов в ДНК (или РНК в случае некоторых вирусов). По скольку в синтезе белка непосредственное участие в качестве матрицы принимает не ДНК, а мРНК, то код записывается на языке РНК. Буквами в генетическом языке являются нуклеотиды. Языки ДНК и РНК содержат всего по четыре «буквы»-нуклеотида, и отличаются эти языки всего одной буквой — в РНК вместо тимина входит урацил, являющийся синонимом тимина.
Свойства генетического кода. В каждом языке есть определенные правила грамматики. Есть они и в генетическом коде. Эти правила — свойства генетического кода. Здесь следует еще раз подчеркнуть,что генетический код – это запись только о последовательности аминокислот в белках. Гены тРНК, рРНК и sРНК белки не кодируют. В них генетическая информация тоже записана последовательностью нуклеотидов, но грамматика там другая. В ДНК (и РНК) есть много других «записей»: сигналы начала транскрипции (промоторы) и ее завершения (терминаторы), сигналы начала репликации, сигналы различных модификаций ДНК и РНК и многие другие. Это - другие языки (хотя и с теми же буквами) с другими правилами, которые до сих пор еще не полностью расшифрованы. Здесь мы рассмотрим правила грамматики только генетического кода. Основных свойств кода восемь.
1. Триплетность. Одна аминокислота кодируется тремя нуклеотидами. Это предположение было сделано па «арифметической основе». Аминокислоту не может кодировать один нуклеотид, так как в белки включается двадцать аминокислот (в настоящее время известно, что их 22), а нуклеотидов всего четыре. Двух нуклеотидов для кодирования одной аминокислоты тоже недостаточно, так как таким способом можно закодировать лишь 16 аминокислот. Минимальный размер «слова» в генетическом языке — три нуклеотида, так как число сочетаний и перестановок из 4 по 3 (с повторением элементов) равно 64. Такая последовательность из трех нуклеотидов, кодирующая одну ами нокислоту, называется триплетом или кодоном.
2. Однозначность. Основным свойством любого кода является однозначность. Ведь если один и тот же знак или слово имеют разные значения, то закодировать что-либо будет очень сложно. В случае генетического кода это означает, что каждый триплет кодирует лишь одну аминокислоту (или является «знаком препинания»).
3. Вырожденность. Поскольку в белки включаются 22 аминокислоты, а кодонов 64, оказывается, что большинство аминокислот может кодироваться не одним, а несколькими кодонами. Только двум аминокислотам — метионину и триптофану — соответствует по одному кодону. Другие аминокислоты могут быть обозначены двумя, тремя, четырьмя и даже шестью кодонами. Три кодона никакой аминокислоты не кодируют, они являются «знаками препинания», обозначающими конец синтеза белка. Это кодоны УАА, УАГ и УГА, называемые стоп-сигналами. В определенном контексте триплеты УАГ и УГА кодируют включение в белок неканонических аминокислот селеноцистеина и пирролизина.
4. Наличие межгенных знаков препинания. Ген — это участок ДНК, кодирующий одну полипептидную цепь или одну молекулу тРНК, рРНК или sPHK. В конце каждого гена, кодирующего полипептид, находится, по меньшей мере, один из трех терминирующих кодонов, или стоп-сигналов: УАА, УАГ, УГА. Они являются сигналами окончания синтеза белка на рибосоме. Условно к знакам препинания относится и триплет АУГ — первый кодон в транслируемой части гена. Кодируя формилметионин у прокариот или метионин у эукариот, он выполняет функцию «заглавной буквы в предложении».
5. Компактность, или отсутствие внутригенных знаков препинания. Внутри гена каждый нуклеотид входит в состав триплета, кодирующего аминокислоту. Из-за того что между кодонами внутри гена нет знаков препинания, возможны так называемые мутации «сдвига рамки считывания». Они возникают в случае выпадения или вставки одного или двух нуклеотидов. Такие мутации приводят к полному изменению первичной структуры синтезируемого полипептида. При выпадении или вставке трех нуклеотидов (или количества нуклеотидов, кратного трем) сдвига рамки не происходит. При этом в полипептиде выпадает или появляется одна аминокислота, но остальные аминокислоты остаются неизменными. Поэтому вставка или удаление одного нуклеотида в начальной части гена приводят к порче всего гена. В зависимости от того, с какого нуклеотида начинается дешифровка одной и той же последовательности, возможно несколько рамок считывания, внутри которых «тексты» различны. При этом одна и та же нуклеотидная последовательность может кодировать три совершенно различные последовательности аминокислот.
6.Универсальность. Генетический код един для всех живущих на Земле существ. У всех существующих видов одни и те же триплеты кодируют одинаковые аминокислоты. Однако как и в человеческих языках существуют диалекты, так и значения некоторых триплетов у разных организмов могут несколько отличаться.
7. Помехоустойчивость. Мы знаем, что все белки могут выполнять свои функции только тогда, когда они имеют определенную пространственную конформацию — третичную и / или четвертичную структуру. Эти структуры зависят от связей между радикалами аминокислот, входящих в этот белок. По радикалам все аминокислоты молено разделить на четыре класса: неполяр-ные, способные к гидрофобным взаимодействиям; полярные, образующие водородные связи с водой; отрицательно заряженные и положительно заряженные, способные к электростатическим взаимодействиям. Если в результате замены нуклеотида в ДНК в белке произойдет замена одной аминокислоты на другую, принадлежащую к тому же классу, то структура белка, как правило, меняется незначительно, что может вообще не сказаться на выполнении функции. Замены нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными. Замена нуклеотида, приводящая к смене класса кодируемой аминокислоты (называемая радикальной), сказывается на третичной структуре белка и, как следствие, на выполнении его биологической функции. В каждом триплете может произойти девять однократных замен. Общее количество возможных замен нуклеотидов в триплетах, кодирующих 20 канонических аминокислот, оказывается 61 • 9 = 549. Из них 134 замены из-за вырожденности кода не меняют кодируемую аминокислоту; 230 замен не меняют класс кодируемой аминокислоты; 162 замены являются радикальными, т. е приводят к смене класса аминокислоты; 23 замены превращают смысловой триплет в стоп-кодон. Таким образом, отношение числа консервативных замен к числу радикальных будет (134 + 230) : 162 = 2,25. Эта цифра — показатель помехоустойчивости генетического кода. Она означает, что большая часть замен нуклеотидов не сказывается на третичной и четвертичной структуре белка и его функции.
8. Неперекрываемость. Один нуклеотид не может входить в состав нескольких кодонов в цепи мРНК.
Трансляция.
Трансляция — это перевод генетической информации с языка нуклеотидов на язык аминокислот, осуществляемый в ходе синтеза белка. Поскольку нуклеотиды, из которых состоит матричная РНК, и аминокислоты, составляющие белки, — это разные по своим химическим свойствам молекулы, то матричный принцип в ходе трансляции не может осуществляться за счет комплементарности мономеров. Трансляция отличается от остальных матричных синтезов тем, что она идет с помощью адаптеров — своего рода переходников, которые и осуществляют перевод последовательности нуклеотидов в последовательность аминокислот. Этими переходниками служат транспортные РНК. Принцип их действия заключается в том, что на одном конце конструкции, состоящей из тРНК и аминокислотного остатка находится антикодон — триплет, комплементарный одному из кодонов в мРНК, а на другом — та аминокислота, которая кодируется именно этим кодоном. В результате тРНК, спаривающиеся своими антикодонами с кодонами, выстраиваются в том порядке, в котором кодоны расположены в мРНК (и, соответственно, в ДНК, с которой эта РНК была считана). И в этом же порядке, естественно, выстраиваются аминокислоты. Соединение этих аминокислот пептидными связями и дает полипептид с закодированной последовательностью аминокислот. Для того чтобы полипептид был построен в точном соответствии с записью в мРНК, каждая транспортная РНК должна быть безошибочно узнана и к ней присоединена «своя» аминокислота. Именно это и составляет суть подготовительного этапа трансляции (рекогниции).
Структура транспортной РНК. Транспортные РНК — короткие молекулы, состоящие из 75-95 нуклеотидов, имеющие и вторичную, и третичную структуру. Вторичная структура (ее сравнивают с листом клевера) обусловлена водородными связями между нуклеотидами, расположенными в разных частях молекулы. Хотя тРНК — одноцепочечная молекула, в ней имеется четыре двуцепочечных участка. Один из них, называемый акцепторным стеблем, служит местом присоединения аминокислоты. Три других называют шпильками. Они образуются за счет палиндромов, разделенных непалиндромными последовательностями, которые формируют три петли. На вершине антикодонной петли находится антикодон — последовательность трех нуклеотидов, комплементарная кодону в матричной РНК. Последовательность нуклеотидов ЦЦА на 3’-конце одинакова для всех тРНК. К концевому аденозину (А) присоединяется та аминокислота, которую переносит эта транспортная РНК. Всего может существовать не менее 61 разных (различающихся антикодонами) тРНК — столько, сколько существует кодирующих триплетов. Разнообразие третичных структур тРНК значительно меньше — 20 (по количеству канонических аминокислот). Имеющие разные антикодоны, комплементарные кодонам, кодирующим одну и ту же аминокислоту, тРНК имеют одинаковую третичную структуру. Такие тРНК называются изоакцепторными. К ним присоединяется одна и та же аминокислота.
Рекогниция. Для того чтобы трансляция могла начаться, аминокислоты должны быть узнаны своими тРНК и присоединены к ним. Это происходит во время подготовительного этапа трансляции. Он называется рекогницией recognition — узнавание). Суть рекогниции заключается в образовании ковалентной связи между тРНК и соответствующей аминокислотой. Рекогниция состоит из двух стадий. Первая стадия — активирование аминокислоты. Активирование представляет собой химическую реакцию присоединения аминокислоты к аденозину в составе АМФ:
аминокислота + АТФ -> аминоациладенилат + пирофосфат.
Вторая стадия рекогниции — аминоацилирование — заключается в переносе аминокислоты с аминоациладенилата на аденозин на 3’-конце тРНК:
аминоациладенилат + тРНК -> аминоацил-тРНК + АМФ.
Обе стадии рекогниции осуществляются ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой (АРС-азой). АРС-азы — крупные молекулы, так как они должны вместить в свои узнающие центры три другие молекулы — аминокислоту, АТФ и транспортную РНК. Существует 20 вариантов АРС-аз - столько же, сколько канонических аминокислот (селеноцистеин образуется из серина особыми ферментами непосредственно на специальной secтPHK). Аминоацилирование — энергозависимый процесс, требующий расщепления АТФ. У каждой АРС-азы три центра связывания — для аминокислоты, тРНК и АТФ. АРС-азы узнают тРНК по их третичной структуре, поэтому изоакцепторные тРНК узнаются одной и той же АРС-азой. Существует особая тРНК, которая называется формилметиониновой тРНК. Метиониновая АРС-аза присоединяет к ней метионин, и уже после реакции аминоацилирования к метионину специальным ферментом трансформилазой, который узнает эту тРНК, присоединяется формил — остаток муравьиного альдегида. Именно с формилметионина начинается синтез любого полипептида у бактерий. Таким образом, кодон АУГ играет роль заглавной буквы в кодирующем полипептид участке мРНК, а формилметионин — первой буквы в этом полипептиде. Каждая тРНК используется в качестве переносчика аминокислоты многократно. Освободившуюся в ходе синтеза белка на рибосоме от аминокислоты тРНК АРСаза снова связывает с такой же аминокислотой.
Структура рибосом. Собственно трансляция — синтез полипептидов происходит на рибосомах. Рибосомы — немембранные клеточные органеллы, самые мелкие, но при этом едва ли не самые сложные. Каждая рибосома состоит из двух субчастиц (большой и малой), отличающихся и рибосомными РНК, и белками, образующими комплексы с рРНК. Пока рибосома не занята синтезом полипептида, она диссоциирована, субчастицы не агрегированы. Синтез белков осуществляют ассоциированные рибосомы.
В клетке Е. coli содержится около 103 - 5-103 рибосом. Рибосомы бактерий имеют размеры 21 х 29 нм. Для частиц такого размера принято указывать так называемый коэффициент седиментации (константу Сведберга), обозначаемый буквой S. Он зависит от молекулярной массы и от формы частицы (широкая и плоская частица осаждается при центрифугировании медленнее, чем компактная такой же массы). Поэтому константа седиментации ассоциированной рибосомы не равна сумме констант седиментации ее субчастиц. Она меньше из-за компактной формы ассоциированной рибосомы. Рибосомы бактерий обозначают как 70 S рибосомы. В цитоплазме эукариотических клеток находятся 80 S рибосомы, они крупнее (22 х 32 нм) и сложнее бактериальных.
В состав рибосом входят молекулы рибосомных РНК и рибосомные белки. Сложность структуры рибосом объясняется тем, что подавляющее большинство составляющих их молекул присутствует в одном экземпляре. Например, в бактериальной рибосоме только один из 31 белка большой субчастицы присутствует в количестве четырех копий.
Белки выполняют в рибосоме хотя и очень важные, но вспомогательные функции - они стабилизируют структуру рибосомы и увеличивают эффективность ее работы. Самое главное в работе рибосомы — реакцию транспептидации (переноса аминокислоты, принесенной тРНК, на синтезирующийся пептид) - осуществляет 23S рРНК большой субчастицы. Функции других рРНК также вспомогательные - 16S рРНК необходима для правильной установки инициирующего кодона АУГ мРНК на 30 S субчастице, 5 S pPНК - для правильной ориентации аминоацил-тРНК на рибосоме.
Все рРНК обладают очень сложной вторичной структурой. Несмотря на то, что рРНК состоят из одной полинуклеотидной цепочки, значительная часть молекулы представляет собой двойную спираль.
В ассоциированной рибосоме можно различить несколько «рабочих» центров:
Р-центр — пептидильпый, донорный. В нем находится тРНК, несущая первую аминокислоту полипептида — формилметионин у бактерий или метионин у всех остальных организмов. На последующих стадиях трансляции к тРНК в P-центре присоединена уже синтезированная часть полипептида пептидил. Из этого центра формилметионин, метионин или пептидил переносятся в А-цснтр.
A-центр — аминоацильный, акцепторный. В этот центр рибосомы поступают очередные аминоацил-тРНК. В этом центре происходит акцептирование формилметионина, метионина или пептидила.
Е-центр — выход (exit). Из этого участка тРНК, освободившаяся после передачи пептидила из P-центра в A-центр, покидает рибосому.
К-центр — каталитический. В нем происходит главное событие трансляции — образование очередной пептидной связи. К-центр формируется 23 S рРНК большой субчастицы рибосомы. Он катализирует перенос пептидила из состава пептидил-тРНК на поступившую в A-центр очередную аминоацил-тРНК. При этом образуется еще одна пептидная связь и пептидил удлиняется на одно звено.
Синтез белка на рибосомах.
После завершения подготовительного этапа начинается собственно трансляция — синтез белка на рибосоме. Этот процесс невозможен без несущих генетическую информацию мРНК, поставляющих материал для построения полипептида аминоацил-тРНК и управляющих каждым этапом трансляции белковых факторов. Как и в других матричных синтезах, в трансляции выделяют три этапа: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация трансляции у прокариот. Для того чтобы полипепептид был синтезирован правильно, считывание должно начаться со строго определенного кодона в мРНК. У бактерий каждый цистрон начинается с так называемой лидерной последовательности. Она является нетранслируемой, так как не кодирует аминокислот, и нужна для того, чтобы рибосома могла узнать инициирующий кодон АУГ. Эта последовательность обязательно содержит так называемую полипуриновую последовательность Шайна — Дальгарно (обычно это шесть нуклеотидов АГГАГГ). Этот участок мРНК комплементарен участку, находящемуся на 3’-конце 16S рРНК малой субчастицы рибосомы. Спаривание этих участков позволяет точно установить малую субчастицу рибосомы относительно кодона АУГ. Первым этапом трансляции и является образование комплекса малой субчастицы с мРНК.
Взаимодействие 16 S рРНК малой субчастицы и последовательности Шайна — Дальгарно приводит к тому, что кодон АУГ оказывается в Р-центре, а следующий кодон — в A-центре малой субчастицы рибосомы. Пока нет большой субчастицы, попасть в рибосому (точнее, в малую субчастицу) может только формилметионин-тРНК. Ее антикодон образует водородные связи с кодоном АУГ. Второй кодон мРНК также находится в малой субчастице, но вход в А-центр закрыт белковым фактором инициации IF1, тРНК с аминокислотой туда попасть не может. В результате образуется инициаторный комплекс: 30S субчастица рибосомы + мРНК + формилметиониновая тРНК-формилметионин. Только после этого происходит ассоциация рибосомы, т. е. присоединение большой субчастицы. При этом конформация 16 S рРНК изменяется, и связь между ней и последовательностью Шайна — Дальгарно нарушается. Это необходимо для того, чтобы рибосома могла передвигаться по мРНК. Белковый фактор инициации IF2 в комплексе с ГТФ обеспечивает взаимодействие нагруженной формилметионином тРНК (и никакой другой) с инициирующим кодоном АУГ. За узнавание и правильную установку на 30 S субчастице инициирующего кодона отвечает фактор IF3, который покидает рибосому в момент ассоциации субчастиц.
Элонгация. После того как формилметионин-тРНК заняла свое место и присоединилась большая субчастица, A-центр ассоциированной рибосомы оказывается доступным для аминоацил-тРНК. Туда входит та несущая аминокислоту тРНК, антикодон которой соответствует кодону, следующему за АУГ. Рибосома начинает работать: формилметионин в результате действия каталитического центра рибосомы отрывается от тРНК, переносится в A-центр и присоединяется к аминокислоте, связанной с тРНК, находящейся в A-центре. В P-центре остается «пустая» формилметиониновая тРНК.
После образования пептидной связи рибосома передвигается по мРНК на один кодон. В результате пустая формилметиониновая тРНК переходит из Р-центра в Е-центр и затем покидает рибосому. Второй кодон мРНК вместе с тРНК, к которой теперь уже присоединен дипептид, переходит в P-центр, а A-центр освобождается. В нем оказывается третий кодон, к которому подходит следующая аминоацил-тРНК с соответствующим антикодоном. Теперь в P-центре отрывается дипептид, переносится в A-центр и соединяется с третьей аминоацил-тРНК. Удлинение полипептидной цепочки так и происходит - рибосома передвигается на один кодон, пептидил-тРНК с растущим полипептидом на конце оказывается в Р-центре, в A-центр попадает следующий триплет, напротив которого встает очередная аминоацил-тРНК. Предыдущая тРНК, освобожденная от пептидила, переходит в Е-центр и покидает рибосому.
Любая (кроме формилметиониновой) аминоацил-тРНК может попасть в A-центр ассоциированной рибосомы только в комплексе с белковым фактором элонгацииEF-Tu и ГТФ. При декодировании, т. е. комплементарном взаимодействии антикодона с кодоном, ГТФ гидролизуется и выполнивший свою функцию ЕF-Тu уходит за следующей аминоацил-тРНК. За транслокацию, т.е. перемещение, пептидил-тРНК и соответствующего кодона из А-центра в P-центр отвечает фактор EF-G в комплексе с ГТФ.
Терминация. Когда в A-центр на малой субчастице попадает стоп-кодон, то А центр ассоциированной рибосомы остается пустым, так как не существует тРНК с таким антикодоном. Для того чтобы было возможно завершить процесс синтеза полипептида, в A-центр приходит специальный белок RF, называемый рилизинг-фактором (от release - освобождать). Он занимает место аминоацил-тРНК. В P-центре все происходит, как и раньше - полипептид отрывается от тРНК, переносится в А-центр, но присоединиться к рилизинг-фактору он не может. Поэтому он просто покидает рибосому. Рибосома диссоциирует, и малая субчастица снова соединяется с лидерной последовательностью в этой же молекуле мРНК (если она полицистронна) или в другой мРНК. Все синтезируемые полипептиды бактерий (и митохондрий эукариот) нa N-конце несут формилметионин. Из всех полипептидов, синтезированных бактериальной клеткой, 80 % начинается с метионина, который образуется в результате отщепления формильного радикала от формилметионина. От 20 % полипептидов отщепляется и метионин.
Инициация трансляции у эукариот. Этапы элонгации и терминации трансляции у про- и эукариот проходят практически одинаково. Несколько отличаются лишь белковые факторы, управляющие процессом синтеза белка на этих этапах . Инициация же у эукариот значительно усложнена по сравнению с прокариотами. Связано это, в первую очередь, с тем, что в ядре клетки образуются про-мРНК, которые «созревают» до мРНК путем модификации 5’-конца (100 % молекул), наращиванием полиА-«хвоста» на 3’-конце (более 95 % молекул) и сплайсинга (более 85 % молекул мРНК). Все зрелые мРНК на 5’-конце имеют специфическую структуру, называемую кэпом. С кэпом связывается белковый фактор инициации трансляции еIF4Е и обеспечивает образование комплекса мРНК с 40 S субчастицей рибосомы в цитоплазме клетки. 40 S субчастица движется вдоль мРНК, сканируя ее, до встречи с инициирующим кодоном АУГ. В отличие от полицистронных прокариотических, мРНК эукариот моноцистронны и в нетранслируемом районе не содержат последовательности Шайна - Дальгарно. С инициирующим кодоном спаривается особая тРНК, несущая метионин, которая поступает на 40 S субчастицу в виде тройного комплекса с eIF2 и ГТФ. На последней стадии инициации белковый фактор eIF5 в комплексе с ГТФ обеспечивает ассоциацию субчастиц с образованием 80 S рибосомы, на которой и начинается синтез полипептида.
Если на 3’-конце мРНК имеется полиА-хвост (а это более 95 % всехмРНК), то он по мере наращивания покрывается полиА-связывающим белком РАВР (от англ. polyA binding protein). К этому белку имеет сродство фактор eIF4G, который ускоряет образование иницииторного комплекса кэпированного 5’-конца тРНК с 40 S субчастицей. С каждым актом трансляции полиА-хвост укорачивается: существует корреляция между длиной хвоста и числом инициированных синтезов идентичных полипептидных молекул. Не полиаденилированные мРНК транслируются лишь один раз.
Регуляция синтеза белка. Все процессы жизнедеятельности любого организма определяются тем, какие белки, когда и в каком количестве производятся клетками. Все эти параметры постоянно меняются в зависимости от потребностей организма. Это означает, что все процессы, связанные с синтезом белков, должны регулироваться. Они и регулируются, причем на разных уровнях: на уровне транскрипции, на уровне трансляции, на уровне посттрансляционной модификации и разрушения белков. Регуляторные системы клетки очень сложны и разнообразны.
Регуляция синтеза белка у прокариот. Наиболее экономично регулировать синтез ферментов в самом начале пути — во время процесса считывания информации с ДНК, т. е. транскрипции. Работа оперонов регулируется путем индукции (включения) или репрессии (подавления) транскрипции, которые могут быть как негативной (с участием «выключателя»), так и позитивной (с участием «включателя»).
Негативная индукция. Так называемый lac-оперон Е. coli содержит три гена, отвечающие за образование белков, участвующих в переносе в клетку дисахарида лактозы и в ее расщеплении. Белок-репрессор, регулирующий работу lac-оперона, кодируется в конститутивном гене другого оперона, не имеющего оператора. Поэтому он синтезируется в клетке постоянно. В отсутствие субстрата (лактозы), lac-оперон выключен. Как только лактоза появляется в среде и попадает в клетку, две ее молекулы соединяются с белком-репрессором, изменяют его конформацию, и он отсоединяется от оператора. Тут же начинается транскрипция lac-оперона и трансляция мРНК. Одним из образующихся белков является пермеаза, избирательно переносящая лактозу в клетку через плазмалемму, два других белка — ферменты, расщепляющие лактозу на глюкозу и галактозу, а затем превращающие галактозу в конечный продукт. Когда вся лактоза переработана, очередная порция репрессора, свободного от лактозы, выключает lac-оперон. Эта схема регуляции называется негативной, потому что контролирующим транскрипцию элементом является негативный фактор, «выключатель» — белок-репрессор. Индукция происходит при потере сродства белка-репрессора к оператору.
Позитивная индукция. Другой оперон кишечной палочки, содержащий три цистрона, кодирующие ферменты, расщепляющие сахар арабинозу, регулируется с помощью позитивной индукции. В отсутствие арабинозы ara-оперон не работает, так как белок-репрессор связан с оператором. Взаимодействие попавшей в клетку арабинозы с белком-репрессором превращает его в активатор, облегчающий посадку РНК-полимеразы на промотор. Эта схема регуляции называется позитивной индукцией, поскольку контролирующий элемент — белок-активатор — «включает» работу оперона.
Позитивная репрессия. Третий тип регуляции - позитивную репрессию -
рассмотрим на примере регуляции транскрипции оперона синтеза рибофлавина у другой бактерии — Bacilus subtilis. В опероне содержатся гены ферментов, участвующих в синтезе рибофлавина. Позитивная репрессия так называется потому, что в ней участвует белок-активатор, а сама регуляция заключается в его инактивации. Она противоположна позитивной индукции. Существует белок-активатор, обеспечивающий посадку РНК-полимеразы на промотор. Обычно оперон открыт, так как рибофлавин нужен постоянно. Но синтезироваться его должно столько молекул, сколько в данный момент нужно клетке. Лишняя молекула рибофлавина взаимодействует с белком-активатором, и он теряет способность ускорять посадку РНК-полимеразы на промотор.
Негативная репрессия используется клетками Е. coli для регуляции работы оперона, отвечающего за синтез аминокислоты триптофана. Негативная репрессия так называется потому, что есть белок-репрессор, а сама регуляция заключается в «выключении» работающего оперона. В этом опероне имеется пять цистронов, которые кодируют ферменты последовательной цепи реакций синтеза триптофана. Обычно оперон включен. Белок-репрессор есть, но он неактивен, так как находится в форме так называемого апорепрессора. В этой форме он не способен садиться на оператор. Клетке нужно определенное количество молекул триптофана. Лишняя молекула взаимодействует с апорепрессором. Он меняет конформацию, связывается с оператором, вложенным в промотор, и не позволяет холоферменту узнать промотор и начать синтез мРНК.
Аттенуация. Для экономии пластических и энергетических ресурсов клетки транскрипция trp-оперона может быть прервана как только концентрация триптофана достигает уровня, позволяющего синтезировать так называемый лидерный пептид. Этот 14-членный пептид содержит два остатка триптофана (что намного больше содержания триптофана в среднем белке). Он закодирован в участке 1 лидерной области, содержащей еще три участка, способные спариваться. Участок 2 комплементарен участкам 1 и 3, участок 3 комплементарен участкам 2 и 4. Когда РНК-полимераза уже синтезировала участок 1, по нему начинает двигаться рибосома, и если из-за отсутствия триптофана образование лидерного пептида невозможно, то она застревает на этом участке. Образовавшиеся за это время участки 2 и 3 спариваются, что исключает возможность образования шпильки 3-4, которая способна остановить движение корфермента. Эту ГЦ-богатую шпильку, за которой следует олигоУ-последовательность, называют аттенуатором (ослабителем). Аттенуация (прерывание транскрипции) происходит в том случае, когда рибосома, синтезирующая лидерный пептид при достаточной концентрации триптофана, сдвигается на участок 2 и мешает ему спариваться с участком 3. Шпилька 3-4 образуется и терминирует транскрипцию. Лидерный пептид не выполняет никакой биологической функции, важен сам факт его образования. Это сигнал к выключению триптофанового оперона. Аттенуация используется для регуляции экспрессии многих генов и оперонов как у Е. coli, так и других организмов. Работа некоторых оперонов регулируется исключительно с помощью аттенуации.
Одновременная транскрипция и трансляция. В отличие от эукариот, у которых транскрипция происходит в ядре, а трансляция — в цитоплазме, у прокариот оба процесса происходят в одном и том же месте. Прокариоты должны оперативно реагировать на любые изменения окружающей среды, в первую очередь на появление или исчезновение тех или иных питательных веществ. Поэтому когда определенный оперон включается, т. е. начинается транскрипция, клетка не ждет, пока молекула мРНК будет полностью синтезирована, а начинает трансляцию сразу же, как только размер синтезированного участка РНК будет достаточен для посадки рибосомы.
По мере продвижения РНК-полимеразы по ДНК и удлинения молекулы мРНК рибосома также продвигается, освобождая 5’-конец молекулы, куда может сесть новая рибосома. Чем дальше продвигается полимераза по оперону, тем длиннее оказывается молекула РНК, тем больше на ней ведущих трансляцию рибосом. Такая структура - нить мРНК и много (иногда несколько десятков) рибосом на ней называется полисомой. Каждый оперон одновременно транскрибируется несколькими РНК-полимеразами. Из каждой молекулы корфермента «свисает» полисома, которая тем длиннее, чем дальше от промотора продвинулась РНК-полимераза
Для того чтобы синтез белка прекратился, когда потребность в нем минует, прекращения транскрипции недостаточно, должна быть ликвидирована матрица мРНК, чтобы рибосомы не имели возможности продолжать трансляцию. Разрушение РНК происходит в результате действия РНКазы, фермента, «откусывающего» по одному нуклеотиду с 5’-конца. Это позволяет синтезировать столько молекул белка, сколько нужно клетке, не тратя ресурсы на производство лишних молекул. Таким образом, транскрипция, трансляция и разрушение мРНК у прокариот не разобщены во времени и пространстве. Это и позволяет им быстро реагировать на изменяющиеся условия среды.
Посттрансляционная модификация белков
После завершения трансляции большинство белков подвергается дальнейшим химическим модификациям, которые называются посттрансляционными модификациями. Известно более двухсот вариантов посттрансляционных модификаций белков. Посттрансляционные модификации могут регулировать продолжительность существования белков в клетке, их ферментативную активность и взаимодействия с другими белками. В ряде случаев посттрансляционные модификации являются обязательным этапом созревания белка, в противном случае он оказывается функционально неактивным. Наряду с альтернативным сплайсингом, посттрансляционные модификации увеличивают разнообразие белков в клетке.
Посттрансляционные модификации могут быть как широко распространёнными, так и редкими, вплоть до уникальных. Так, гликозилирование является одной из наиболее часто встречающихся модификаций: считается, что около половины белков человека гликозилировано, а 1—2 % генов человека кодируют белки, связанные с гликозилированием. Исключительное значение посттрансляционных модификаций для нормального функционирования организма подтверждается тем, что существуют заболевания, в основе которых лежит нарушение системы посттрансляционной модификации белков (муколипидоз, болезнь Альцгеймера, различные виды рака).
Модификации главной цепи. Отщепление N-концевого остатка метионина. Ограниченный протеолиз — удаление фрагмента белка, которое может происходить с концов (отщепление сигнальных последовательностей) или, в отдельных случаях, в середине молекулы (созревание инсулина). Присоединение различных химических групп к свободным амино- и карбоксильной группам (N-ацилирование, миристоилирование и др.).
Модификации боковых цепей аминокислот. Присоединение или отщепление небольших химических групп (гликозилирование, фосфорилирование и др.). Присоединение липидов и углеводородов. Изменение стандартных аминокислотных остатков на нестандартные (образование цитруллина). Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина.
Дата добавления: 2022-06-11; просмотров: 172; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!