Модификации хромосомных белков. Модификации хромосомных белков Транспорт синтезированных белков через мембраны

Рассмотрим особенности синтеза тех белков, которые образуются мембраносвязанными рибосомами. Как уже отмечалось это «экспортные», мембранные и лизосомальные белки. Сюда также входят белки пероксисом.

В формировании всех этих белков ключевую роль играют:

Во-первых, гранулярная, или шероховатая ЭПС (эндоплазматическая сеть),

Во-вторых, комплекс Гольджи.

Благодаря этим структурам, происходят два дополнительных (помимо трансляции и фолдинга) процесса:

Специфическая сортировка (вместе с направленным транспортом) и

Модификация новообразованных белков.

2.1. Процессы в гранулярной ЭПС

2.1.1. Структура гранулярной ЭПС

Как известно, ЭПС (эндоплазматическая сеть), или ЭР (эндоплазматический ретикулум), на электронных микрофотографиях выглядит в виде множества мембранных цистерн (мешочков), трубочек и пузырьков.

На самом же деле практически все эти структуры представляют собой единый непрерывныйкомпартмент (отсек), отграниченный мембраной от гиалоплазмы. Этот компартмент образует всевозможные инвагинации и складки, которые и воспринимаются на срезе как отдельные трубочки, пузырьки и расположенные параллельно друг другу плоские цистерны.

Лишь некоторые пузырьки могут быть действительно отшнурованными от данного компартмента. Это «транспортные средства», направляющиеся с порцией новосинтезированных белков к комплексу Гольджи для дальнейших процессов сортировки и модификации.

ЭПС подразделяется на гладкую и гранулярную(шероховатую). Особенность последней состоит в том, что со стороны гиалоплазмы она покрыта рибосомами,что и придает ей характерный шероховатый вид. Эти рибосомы и называются мембраносвязанными- в отличие от свободных, находящихся в гиалоплазме.

Таким образом, при образовании «экспортных» и других рассматриваемых белков (мембранных, лизосомальных, пероксисомальных) трансляция происходит на гранулярной ЭПС.

По некоторым данным, имеет значение и локализация этой ЭПС: «экспортные» белки синтезируются в одних областях гранулярной ЭПС, мембранные белки - в других, лизосомальные - в третьих.

В то же время используемые при этом рибосомы ничем не отличаются от свободных рибосом. Мембранносвязанными они становятся только в процессе трансляции. Вне данного процесса рибосомы находятся в виде отдельных субъединиц. А объединение последних происходит только при инициации трансляции, т. е. при образовании комплекса с мРНК и инициирующей аа-тРНК.

Поэтому, говоря как о свободных, так и о мембраносвязанных рибосомах, подразумевается, что те и другие находятся в состоянии трансляции, и, следовательно, связаны с мРНК и синтезируемым пептидом. При этом нередко рибосомы входят в состав полисом - также свободных или мембраносвязанных.

Отдельные же субъединицы рибосом с ЭПС никогда не связаны.

Рассмотрим особенности трансляции на гранулярной ЭПС с учетом этих замечаний.

2.1.2. Особенности трансляции

При трансляции «экспортных» и других подобных (по механизму синтеза) белков встают две проблемы:

Связывание начавшей трансляцию свободной рибосомы с мембраной ЭПС (причем, видимо, в определенной области ЭПС);

Проникновение синтезируемого пептида во внутреннее пространство ЭПС.

В решении обеих этих проблем ключевую роль играет т. н. сигнальная последовательность (СП) (рис.2.1), с которой всегда начинается первичная полипептидная цепь любого рассматриваемого здесь белка.

(от позднелат. modificatio-изменение) биогенная, происходит после завершения трансляции матричной рибонуклеиновой к-ты, или мРНК, (синтез белка на мРНК-матрице) или до ее завершения. В первом случае М.б. наз. п о с т т р а н с л я ц и о н н о й, во втором -к o т р а н c л я ц и о н н о й. Осуществляется благодаря реакциям разл. функциональная группаминокислотных остатков, а также пептидных связей и обусловливает конечную форму белковой молекулы, ее физиологический активность, стабильность, перемещения внутри клетки.

Внеклеточные (секретируемые) белки, а также мн. белки цитоплазматич. мембраны и разл. внутриклеточных ком-партментов (обособленных участков клетки) подвергаются гликозилированию, в результате к-рого образуются глико-протеины. Наиб. сложно организованы маннозосодержащие цепи, присоединенные к полипептидам N-гликозидной связью. Начальная стадия формирования таких цепей протекает котрансляционно по схеме:

Dol-долихол (полипренол), Dol-Р-Р-долихолпирофосфат, Glc-глюкоза, GlсNАс-N-ацетил-D-глюкозамин, Маn-манноза

Послед. стадии осуществляются посттрансляционно с участием неск. ферментов, локализованных в разных субклеточных компартментах. Так, для G-белка вируса везикулярного стоматита, гликозидные цепи к-рого построены из 15 углеводных остатков, установлена такая последовательность событий. Сначала в эндоплазматич. ретикулуме происходит в две стадии отделение терминальных остатков глюкозы с участием двух разных глюкозидаз. Затем ман-нозидазы (I и II) удаляют 6 остатков маннозы, а N-ацетил-D-глюкозаминтрансфераза осуществляет присоединение трех остатков GlcNAc к остаткам маннозы гликопротеина. Наконец, в комплексе Гольджи с этими остатками связываются с участием соответствующих трансфераз остатки фукозы, галактозы и сиаловой к-ты. Моносахаридные остатки могут подвергаться фосфорилированию, сульфированию и др. модификациям.

Гликозилированию секретируемых белков предшествует протеолитич. процессинг - отделение от N-конца поли-пептидной цепи "сигнальной" последовательности аминокислот. В эукариотич. клетках (клетки всех организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) этот процесс осуществляется контрансляционно, в прокариотич. клетках (клетки бактерий и синезеленых водорослей) он может протекать посттрансляционно. Наиб. распространенные сигнальные последовательности включают 23 аминокислотных остатка. Характерные особенности этих последовательностей -наличие на конце короткого положительно заряженного участка, за к-рым следует гидрофобный участок, содержащий от 7 до 14 аминокислотных остатков. Сигнальные последовательности завершаются консервативным по длине (5-7 остатков) гидрофильным участком, на С-конце к-рого чаще всего находятся остатки аланина, глицина, серина, треонина, цистeина или глутамина.

Почти все функцион. классы внеклеточных белков (ферменты, гормоны, иммуноглобулины и др.) содержат ди-сульфидные связи. Они образуются из групп SH цистенна в ходе многостадийного процесса с участием фермента ди-сульфидизомеразы. На его ранних стадиях появляется значит. кол-во "неправильных" дисульфидных мостиков, к-рые ликвидируются в результате тиол-дисульфидного обмена, в к-ром, по-видимому, участвует цистамин (H 2 NCH 2 CH 2 S) 2 . Предполагают, что такой "перебор" связей происходит до тех пор, пока не возникает наиб. стабильная третичная структура, в к-рой дисульфидные мостики "захоронены" и вследствие этого недоступны реагентам.

К наиб. распространенным модификациям внутриклеточных белков относятся фосфорилированис и дефосфорилиро-вание по группе ОН остатков серина, тирозина и треонина, к-рые осуществляются с участием ферментов протеинкиназ и фосфатаз по схеме:

АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат, Р -фосфорная к-та или ее остаток

Фосфорилирование сопровождается активацией или инактивацией ферментов, напр. гликозилтрансфераз, а также изменением физико-химический св-в неферментных белков. Обратимое фосфорилирование белков контролирует, напр., такие важные процессы, как транскрипция и трансляция, метаболизм липидов, глюконеогенез, мышечное сокращение.

Белки митохондрий и хлоропластов, кодируемые ядерными ДНК, имеют на N-конце избыточные аминокислотные последовательности, к-рые избирательно направляют полипептидные цепи в определенные компартменты органелл, после чего отщепляются в результате протеолиза с участием специфич. эндопептидаз. Избыточные последовательности предшественников митохондриальных белков существенно различаются по кол-ву аминокислотных остатков; их может быть от 22 до 80. Короткие последовательности характеризуются высоким (20-25%) содержанием положительно заряженных аминокислотных остатков, равномерно расположенных по полипептидной цепи. Длинные последовательности включают дополнительно участок, состоящий из гидрофобных аминокислот, к-рый "заякоревает" предшественник в липидном бислое митохондриальных мембран.

Известны предшественники для ряда гормонов (напр., для гастрина, глюкагона и инсулина), к-рые переходят в активную форму посредством расщепления полипептидной цепи в участках, содержащих два последовательно расположенных остатка основных аминокислот (аргинин и лизин). Расщепление осуществляется с участием специфич. эндопептидазы, действующей в ансамбле со вторым ферментом, имеющим карбоксипептидазную активность. Последний удаляет остатки концевых основных аминокислот, завершая превращ. пептида в активный гормон. К белкам, подвергающимся протеолитич. активации, относятся также протеиназы (пепсин, трипсин, химотрипсин), альбумины, проколлаген, белки системы свертывания крови и др. В нек-рых случаях неактивные формы ферментов (зимогены) необходимы для временной "консервации" ферментов. Так, зимогены трипсина и химотрипсина (соотв. трипсиноген и химотрипсиноген) синтезируются в поджелудочной железе, секретируются в тонкий кишечник и только там под действием специфич. ферментов превращ. в активную форму.

Широкий круг белков (гистоны, миозин, актин, рибо-сомальные белки и др.) метилируются посттрансляционно по остаткам лизина, аргинина и гистидина (N-метилирова-ние), а также по остаткам глутаминовой и аспарагиновой к-т (О-метилирование). В качестве метилирующего агента обычно выступает S-аденозилметионин .

В нек-рых эукариотич. клетках более половины р-римых белков ацетилированы по N-концу. Этот процесс может осуществляться ко- и посттрансляционно (на схеме обозначено соотв. К. Т. и П. Т.), напр.:

HSCoA-кофермент А, АсСоА - ацетилкофермент A, Met-метионин, Asp - аспарагиновая к-та

Для пептидов, содержащих от 3 до 64 аминокислотных остатков и секретируемых в разл. органы(гастрин, секретин, холецистокинин и др.), обнаружено посттрансляц. амидиро-вание остатка С-концевой аминокислоты (за исключением концевых остатков аргинина и аспарагина).

Нек-рые типы модификаций характерны для отдельных белков или небольших групп белков. В частности, в коллагене и неск. др. белках со сходными аминокислотными последовательностями обнаружены 4- и 3-гидроксипролин, а также 5-гидроксилизин. Гидроксилирование остатков про-лина и лизина протекает котрансляционно и имеет важное значение для формирования уникальной структуры коллагена. Гидроксилизин участвует в образовании ковалент-ных сшивок между полипептидными цепями коллагена по схеме:

Ядерные белки (гистоны, негистоновые белки) подвергаются аденозиндифосфатрибозилированию и полиаденозин-дифосфатрибозилированию, в ходе к-рого аденозиндифос-фатрибозильные остатки переносятся от кофермента ни-котинамидадениндинуклеотида (НАД) к акцепторным белкам:

Эти две р-ции различны во мн. аспектах. В частности, полиаденозиндифосфатрибозилирование протекает в при-сут. ДНК. Большинство аденозиндифосфатрибозильных групп присоединяется к белкам посредством эфирной связи, образованной группой ОН в положении 5" остатка рибозы и группой СООН С-концевой аминокислоты или глутаминовой к-ты, находящейся внутри полипептидной цепи.

Большое значение имеет карбоксилирование остатков глутаминовой к-ты с образованием g-карбоксиглутаминовой к-ты в предшественнике протромбина. Эта реакция катализируется витамин К-зависимой карбоксилазой, локализованной в мембранах эндоплазматич. ретикулума. Аналогичная реакция протекает при созревании нек-рых др. факторов свертывания крови.

Лит.: Основы биохимии, пер. с англ., т. 1, М., 1981, с. 277-80; Общая органическая химия, пер. с англ., т. 10, М., 1986, с. 543-70; The enzymology of post-translational modification of proteins, v. 1, L.-N. Y., 1980; The biochemistry of glycpproteins and proteoglycans, N. Y.-L., 1980; Cell biology. A comprehensive treatise, v. 4-Translation and the behavior of proteins, N. Y., 1980; Methods in enzymology, v. 106, N.Y., 1984; Hurt E.G., Loon A.P.G.M. van, "Trends in Biochem. Sci.", 1986, v. 11, № 5. n. 204-07. В. Н. Лузиков.

На этой стадии происходит формирование третичной структуры и процессинг молекулы полипептида.

Синтезированная на рибосоме полипептидная белковая молекула несет информацию и называется конформационной , т.е. она подвергается превращению (процессингу ) в строго определенное трехмерное тело, несущее уже функциональную информацию.

Это справедливо для белков со структурной функцией, но не для биологически неактивных молекул - предшественников белков. Их функциональная активность проявляется в результате превращений, называемых постсинтетической или посттрансляционной модификацией . В процессе синтеза 20 аминокислот могут быть включены в его состав. После трансляции посттрансляционная модификация расширяет функциональный состав белка:

Отщепление N-конца формилметионина или метионина;

Отщепление сигнальных пептидов;

Присоединение простетической группы;

Фосфорилирование гистонов и негистоновых белков хроматина;

Метилирование радикалов лизина и аргинина;

Присоединение олигосахаридных фрагментов к радикалам аспарагина, серина;

Выбор правильной структуры белка происходит при участии белков - шаперонов . Гидрофобные участки на поверхности глобулы шаперонов-70 взаимодействуют с гидрофобными участками синтезированной цепи, защищая ее от неправильных взаимодействий с другими белками цитозоля. Шапероны-60 участвуют в исправлении пространственной структуры неправильно свернутой или поврежденной цепи.

Транспорт синтезированных белков через мембраны

У эукариот мРНК образуется в ядре и поступает в рибосому, находящуюся в цитозоле клетки. Синтезированной белок поступает из рибосомы в цитозоль. Если он не используется для нужд самой клетки, т.е. относится к экспортируемым (секретируемым) белкам , то он переносится через клеточную мембрану при помощи низкомолекулярных пептидов (15-30 аминокислотных остатков), содержащих гидрофобные радикалы. Это лидирующие или сигнальные пептиды . Сигнальные пептидные последовательности образуются в рибосомах с N-конца при синтезе белка по сигнальным кодонам, расположенным сразу после инициаторного, и узнаются рецепторными участками эндоплазматической сети. В мембране формируется канал, через который сигнальный пептид проникает внутрь цистерны эндоплазматического ретикулума, и протаскивает за собой синтезируемую молекулу белка. Под действием сигнальной пептидазы N-концевая сигнальная последовательность отщепляется, а белок через аппарат Гольджи выходит из клетки в форме секреторного пузырька.

Регуляция синтеза белка

Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от состояния клетки и внешних условий. Это происходит в результате регуляции скоростей синтеза и распада белков.

Гены – участки ДНК, кодирующие синтез тРНК, рРНК, мРНК.

Гены, кодирующие синтез мРНК, называют генами белков .

Регуляция на уровне транскрипции (образование первичного транскрипта) – наиболее распространенный механизм регуляции синтеза белков.

Различают две формы регуляции – индукция синтеза (положительная регуляция) и репрессия синтеза (отрицательная регуляция).

Понятия индукции и репрессии предполагают изменение скорости синтеза белка по отношению к исходному (базальному) уровню .

Синтез в базальном состоянии – конститутивный синтез .

Если скорость конститутивного синтеза белка высока, то белок регулируется по механизму репрессии синтеза, и, наоборот – при низкой базальной скорости бывает индукция синтеза.

В генетическом аппарате клетки существуют опероны – отрезки ДНК, содержащие структурные гены определенных белков и регуляторные участки.

Считывание генетического кода начинается с промотора, расположенного рядом с геном-оператором.

Ген-оператор расположен на крайнем отрезке структурного гена. Он либо запрещает, либо разрешает репликацию мРНК на ДНК.

У эукариот преобладают положительные регуляторные механизмы. Основной регуляторной точкой является стадия инициации транскрипции. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию, называют энхансерами , а подавляющие ее – силансерами (сайленсерами) . Они могут избирательно соединяться с белками-регуляторами : энхансеры – с белками-индукторами , сайленсеры – с белками-репрессорами .

Белок-репрессор осуществляет связь опероном и геном-регулятором. Репрессор образуется в рибосомах ядра на мРНК, синтезированной на гене-регуляторе. Он образует комплекс с геном-оператором и блокируется синтез мРНК, а, следовательно, и белка. Репрессор может связываться с низкомолекулярными веществами – индукторами или эффекторами. После этого он теряет способность связываться с геном-оператором, ген-оператор выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК.

В клетках млекопитающих существуют два вида регуляции биосинтеза белков :

- кратковременная , обеспечивающая адаптацию организма к изменениям окружающей среды;

- длительная, стабильная , определяющая дифференцировку клеток и разный белковый состав органов и тканей.

МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

(от позднелат. modificatio-изменение) биогенная, происходит после завершения трансляции матричной рибонуклеиновой к-ты, или мРНК, (синтез белка на мРНК-матрице) или до ее завершения. В первом случае М. б. наз. п о с т т р а н с л я ц и о н н о й, во втором -к o т р а н c л я ц и о н н о й. Осуществляется благодаря р-циям разл. функц. групп аминокислотных остатков, а также пептидных связей и обусловливает конечную форму белковой молекулы, ее физиол. , стабильность, перемещения внутри клетки.

Внеклеточные (секретируемые) , а также мн. белки цитоплазматич. мембраны и разл. внутриклеточных ком-партментов (обособленных участков клетки) подвергаются гликозилированию, в результате к-рого образуются глико-протеины. Наиб. сложно организованы маннозосодержащие цепи, присоединенные к полипептидам N-гликозидной связью. Начальная стадия формирования таких цепей протекает котрансляционно по схеме:

Dol-долихол (полипренол), DolЧРЧР-долихолпирофосфат, Glc-глюкоза, GlсNАс-N-ацетил-D-глюкозамин, Маn-манноза

Почти все функцион. классы внеклеточных белков ( , гормоны, и др.) содержат ди-сульфидные связи. Они образуются из групп SH цистенна в ходе многостадийного процесса с участием фермента ди-сульфидизомеразы. На его ранних стадиях появляется значит. кол-во "неправильных" дисульфидных мостиков, к-рые ликвидируются в результате тиол-дисульфидного обмена, в к-ром, по-видимому, участвует цистамин (H 2 NCH 2 CH 2 S) 2 . Предполагают, что такой "перебор" связей происходит до тех пор, пока не возникает наиб. стабильная третичная структура, в к-рой дисульфидные мостики "захоронены" и вследствие этого недоступны реагентам.

АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат, Р -фосфорная к-та или ее остаток

Фосфорилирование сопровождается активацией или инактивацией ферментов, напр. гликозилтрансфераз, а также изменением физ.-хим. св-в неферментных белков. Обратимое белков контролирует, напр., такие важные процессы, как и трансляция, липидов, глюконеогенез, мышечное сокращение.

Известны предшественники для ряда гормонов (напр., для гастрина, глюкагона и инсулина), к-рые переходят в активную форму посредством расщепления полипептидной цепи в участках, содержащих два последовательно расположенных остатка основных аминокислот ( и лизин). Расщепление осуществляется с участием специфич. эндопептидазы, действующей в ансамбле со вторым ферментом, имеющим карбоксипептидазную . Последний удаляет остатки концевых основных аминокислот, завершая превращ. пептида в активный гормон. К белкам, подвергающимся протеолитич. активации, относятся также протеиназы ( , трипсин, ), проколлаген, белки системы свертывания крови и др. В нек-рых случаях неактивные формы ферментов (зимогены) необходимы для временной "консервации" ферментов. Так, зимогены трипсина и химотрипсина (соотв. трипсиноген и химотрипсиноген) синтезируются в поджелудочной железе, секретируются в тонкий кишечник и только там под действием специфич. ферментов превращ. в активную форму.

Широкий круг белков ( , миозин, актин, рибо-сомальные белки и др.) метилируются посттрансляционно по остаткам лизина, аргинина и гистидина (N-метилирова-ние), а также по остаткам глутаминовой и аспарагиновой к-т (О-метилирование). В качестве метилирующего агента обычно выступает S-аденозилметионин.

HSCoA-кофермент А, АсСоА - ацетилкофермент A, Met-метионин, Asp - аспарагиновая к-та

Для пептидов, содержащих от 3 до 64 аминокислотных остатков и секретируемых в разл. органы( , секретин, и др.), обнаружено посттрансляц. амидиро-вание остатка С-концевой (за исключением концевых остатков аргинина и аспарагина).

Большое значение имеет остатков глутаминовой к-ты с образованием g-карбоксиглутаминовой к-ты в предшественнике протромбина. Эта р-ция катализируется К-зависимой карбоксилазой, локализованной в мембранах эндоплазматич. ретикулума. Аналогичная р-ция протекает при созревании нек-рых др. факторов свертывания крови.

Лит.: Основы биохимии, пер. с англ., т. 1, М., 1981, с. 277-80; Общая , пер. с англ., т. 10, М., 1986, с. 543-70; The enzymology of post-translational modification of proteins, v. 1, L.-N. Y., 1980; The biochemistry of glycpproteins and proteoglycans, N. Y.-L., 1980; Cell biology. A comprehensive treatise, v. 4-Translation and the behavior of proteins, N. Y., 1980; Methods in enzymology, v. 106, N.Y., 1984; Hurt E.G., Loon A.P.G.M. van, "Trends in Biochem. Sci.", 1986, v. 11, № 5. n. 204-07. В. Н. Лузиков.

Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .

Смотреть что такое "МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ" в других словарях:

- (позднелат. modificatio установление меры, от лат. modus мера, вид, образ, преходящее свойство и лат. facio делать), преобразование, усовершенствование, видоизменение чего либо с приобретением новых свойств. Модификации качественно … Википедия

Посттрансляционная модификация это ковалентная химическая модификация белка после его синтеза на рибосоме. Для многих белков посттрансляционная модификация оказывается завершающим этапом биосинтеза, который является частью процесса… … Википедия

Эндонуклеаза EcoRV в комплексе с расщепленным фрагментом ДНК. Система рестрикции модификации ферментативная система бактерий, разрушающая попавшую в клетку чужеродную ДНК. Основная её функция защита клетки от чужеродного генетического материала … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Белки (значения). Белки (протеины, полипептиды) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа аминокислот. В живых организмах… … Википедия

Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка. Белки (протеины,… … Википедия

И другие мембранные органеллы эукариотической клетки Аппарат (комплекс) Гольджи мембранная структура э … Википедия

Аппарат Гольджи и другие мембранные органеллы эукариотической клетки Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи) мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом … Википедия

Лот; мн. (ед. аминокислота, ы; ж.). Органические вещества, сочетающие свойства кислот и оснований (являются основным элементом построения всех белков животных и растительных организмов). * * * аминокислоты класс органических соединений,… … Энциклопедический словарь