Материал: 38-42

Вопрос 38

Биосинтез белков (трансляция). Генетический код и его свойства. Основные компоненты белоксинтезирующей системы: аминокислоты, аминоацил-т-РНК синтетазы т-РНК, рибосомы, источники энергии, белковые факторы, ферменты.

Трансляция – циклический энергозависимый многоступенчатый процесс, в котором свободные аминокислоты полимеризуются в генетически запрограммированную последовательность с образованием полипептидов (Перевод информации, заключенной в последовательности мРНК в последовательность АК)

Генетический код – способ записи АК-последовательности с помощью треплетов нуклеотидов

Свойства генетического кода:

1. Триплетность – каждая АК кодируется триплетом нуклеотидов (кодоном)

(3 нуклеотида, расположенных последовательно = триплет; на 20 АК приходится 64 триплета, 3 триплета UAA, UAG, UGA - терминирующие, а AUG - инициирующие);

2. Специфичность (однозначность) –каждому кодону соответствует 1 АК

3. Вырожденность – каждая АК может кодироваться несколькими кодонами

(Исключение: Три, Мет);

4. Линейность записи информации – кодоны мРНК читаются с 5’-конца к

3’-концу, начиная с фиксированной стартовой точки (инициирующего кодона)

5. Неперекрываемость – один и тот же нуклеотид не может одновременно входить в

состав нескольких триплетов

6. Универсальность – генетический код одинаков для всех живых организмов, кроме

митохондриальной мРНК, кот. содерж. 4 триплета всего: UGA-Три, AUA-Мет, а AGA и AGG - стоп-кодоны);

Коллинеарность гена и продукта:

• У прокариот линейно соответствуют последовательность кодона гена и

последовательность АК в белковом продукте

• У эукариот последовательность АК коллинеарна последовательности экзонов

в гене или зрелой мРНК после удаления интронов

Необходимые компоненты трансляции:

1. Аминокислоты – субстраты для синтеза белков

2. тРНК – выполняют роль адапторов, они акцепторным взаимодействуют с АК,

а антикодоном с кодоном мРНК; их в организме около 50 видов.

К акцепторному концу тРНК присоединяется определенная АК, а с помощью

антикодона они узнают специфический кодон на мРНК. На рибосоме антикодонов с кодонами РНК происходит по принципу комплиментарности и антипараллельности

Некоторые тРНК способны связываться более, чем с 1 кодоном:

• Первые2 основания кодона и последние 2 основания антикодона обр. прочные пары (А-у, Г-Ц) и вносят наибольший вклад в специяисноть декодирования

• Связывания 3-го основания кодона с 1 основанием тРНК происходит слабее, что позволяет тРНК прочитывать больше, чем 1 кодон

“Гипотеза качания” – третье основание большинства кодонов имеет опред. степень свободы при образовании пары с соответствующим антикодоном и как бы “качается”. (поэтому тРНК около 50 видов, а не 64)

3. Аминоацил-тРНК-синтетазы – семейство ферментов (20шт – на каждую АК),

катализирующих реакцию специфического связывания определенной АК с тРНК – присоединение α-карбоксильной гр. АК к 3’-гидроксильному акцепторному концу соответствующей с обр. сложноэфирной связи тРНК

Они осуществляют активацию АК:

1 стадия – АК присоединяется к ферменту и реагирует с АТФ с обр-ем богатого

энергией аминоацил-АМФ

2 стадия – аминоацильный остаток аминоациладенилата, оставаясь связанным с

ферментом, взаимодействует с соответствующей тРНК с образованием аминоацил-тРНК

АК присоединяется к 3’-ОН группе рибозы на 3’-конце тРНК, где все тРНК имеют

общую нуклеотидную последовательность -ССА

4. мРНК – матрица, содержащая линейную последовательность кодонов,

определяющую первичную стр-ру белка

5. Рибосома – рибонуклеопротеиновая субклеточная структура, являющаяся местом синтеза белка. Они имеют константу седиментации 80S и состоят из 2х субъединиц:

• Малой (40S) – рРНК 18S 30-40 белков

• Большой (60S) – 3 вида рРНК – 5S, 5.8S и 28S и около 50 белков

В присутствии мРНК 40S и 60S объединяются с обр-ем полной рибосом.

В рибосоме есть 2 центра для присоединения тРНК:

• (А) аминоацильный – в ходе трансляции связывает аа-тРНК, строение которой

определяет кодон, находящийся в области этого центра. В стр-ре этого кодона зашифрована природа АК, которая будет включена в ППЦ

• (Р) пептидильный – его занимает пептидил-тРНК (т.е. тРНК, связанная с

пептидной цепочкой, которая уже синтезирована)

6. АТФ, ГТФ – источники энергии

• 2 макроэрг. связи из АТФ затрачивается в ходе реакции, катализируемой

аа-тРНК-синтетазой

• Еще 2 из ГТФ: 1 исп. на связывание аа-тРНК в А-центре рибосомы,

1 исп. на стадии транслокации

7. Белковые факторы – специфические внерибосомные белки,

необходимые для трансляции;

• 12 факторов инициации elF

• 2 фактора элонгации eEF1, eEF2

• факторы терминации eRF

8. Ионы Mg²⁺ - кофакторы, стабилизирующие структуру рибосом

Вопрос 39 Сборка полипептидной цепи на рибосоме. Образование инициаторного комплекса. Элонгация: образование пептидной связи (реакция транспептидации). Транслокация. Транслоказа. Терминация.

В ходе синтеза белка прочтение информации мРНК идёт в направлении от 5'- к З'-

концу (синтез пептида от N- к С-концу). Каждая эукариотическая мРНК кодирует строение только одной ППЦ, а прокариот – несколько (т.к. у них нет интронов).

• У прокариот процессы транскрипции и трансляции не разделены, синтез белка

начинается сразу, до того, как закончился синтез самой мРНК

• У эукариот трансляция протекает в цитоплазме, куда из ядра поступают

уже "зрелые" мРНК.

События на рибосоме включают этапы: инициации, элонгации и терминации.

1. Инициация трансляции – событие, в ходе которого происходит образование комплекса, включающего Мет-тРНК_i^Мет, мРНК и рибосому

• тРНК_i^Мет – инициирующая метиониновая тРНК.

Образование инициирующего комплекса в ходе синтеза белка у эукариотов.

Мет-тРНК_i^Мет объединяется с малой субъединицей рибосомы в форме тройного комплекса: Мет-тРНК^Мет, elF-2 и ГТФ.

Образовавшийся четырёхкомпонентный комплекс (малая субъед. рибосомы +

Мет-тРНК^Мет + elF-2 + ГТФ) присоединяется к 5'-концу мРНК с помощью неск. инициир. факторов, и малая субъединица начинает скользить по мРНК до тех пор, пока антикодон Мет-тРНК^Мет не свяжется с инициирующим кодоном AUG.

Достигнув начала кодир. последовательности, происходит присоединение других

факторов инициации, кот. ускоряют присоединение большой субъединицы, сопровождающееся гидролизом ГТФ. Формируются А и Р центры.

По завершении инициации рибосома располагается на мРНК таким образом:

• В Р-центре находится инициирующий кодон AUG с присоединённой

к нему Мет-тРНКi^Мет,

• В А-центре – триплет, кодирующий включение первой аминокислоты

синтезируемого белка.

2. Элонгация - самый продолжительный этап белкового синтеза, в ходе которого

рибосома с помощью аа-тРНК последовательно «читает» мРНК в виде триплетов нуклеотидов, следующих за инициирующим кодоном в направлении от 5' к 3'-концу, наращивая ППЦ за счёт последовательного присоединения АК.

Включение каждой АК в белок происходит в 3 стадии, в ходе которых:

1. Связывание аминоацил-тРНК в А-центре. Кодон мРНК, располагающийся в А-центре рядом с инициирующим кодоном, определяет природу аа1-тРНКaa1, которая будет включена в А-центр. аа1-тРНКаа1 взаимодействует с рибосомой в виде тройного комплекса, состоящего из фактора элонгации ЕР-1, аа1-тРНКаа1 и ГТФ.

Комплекс эффективно взаимодействует с рибосомой лишь в том случае, если антикодон аа-тРНКаа1 комплементарен и антипараллелен кодону мРНК в А-центре. Включение аа-тРНКаа1 в рибосому происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и неорганического фосфата.

Включение аа1-тРНКaa1 в рибосому.

аа1-тРНКaa1 взаимодействует с рибосомой в виде тройного комплекса, состоящего из фактора элонгации ЕF-1, аа1-тРНКaa1 и ГТФ. Антикодон аа-тРНКaa1 комплементарен и антипараллелен кодону мРНК в А- центре. Связывание аа1-тРНКaa1 происходит за счёт энергии гидролиза ГТФ до ГДФ и Рi.

2. Реакции транспептидации – стадия образования пептидной связи, которая происходит сразу же после отщепления комплекса ЕГ-1 и ГДФ от рибосомы.

Реакция транспептидации.

Метионин от Мет-тРНКiМет, находящегося в Р-центре, присоединяется к α-NН2-группе аминоацильного остатка аа1-тРНКaa1 А-центра с образованием новой пептидной связи.

В ходе этой реакции остаток метионина Мет- тРНКiМет связывается с

α-аминогруппой первой аминокислоты, присоединённой к тРНКаа1 и расположенной в

А-центре, образуется первая пептидная связь.

3. Транслокация – к рибосоме присоединяется фактор элонгации ЕF-2 и за счёт энергии ГТФ продвигает рибосому по мРНК на один кодон к 3'-концу и дипептидил-тРНК из А-центра перемещается в Р-центр. Свободная от метионина тРНКi^Мeт покидает рибосому, а в область А-центра попадает следующий кодон

По завершении третьей стадии элонгации рибосома в Р-центре имеет дипептидил-тРНК, а в А-центр попадает триплет, кодирующий включение в ППЦ второй аминокислоты. Начинается следующий цикл стадии элонгации, в ходе которого на рибосоме снова проходят вышеописанные события. Повторение таких циклов по числу смысловых кодонов мРНК завершает весь этап элонгации.

Терминация трансляции наступает в том случае, когда в А-центр рибосомы попадает один из стоп-кодонов: UАG, UАА или UGА. Для стоп- кодонов нет соответствующих тРНК. Вместо этого к рибосоме присоединяются 2 белковых высвобождающих фактора RF или фактора терминации. Один из них с помощью пептидилтрансферазного центра катализирует гидролитическое отщепление синтезированного пептида от тРНК. Другой за счёт энергии гидролиза ГТФ вызывает диссоциацию рибосомы на субъединицы.

Малая субъединица присоединяет мРНК и декодирует информацию с помощью тРНК и механизма транслокации,

Большая субъединица ответственна за образование пептидных связей.

Вопрос 40

Процессинг первичных полипептидных цепей после трансляции: частичный протеолиз, образование ковалентных связей, присоединение простетических групп, ковалентная модификация аминокислотных остатков (гликозилирование, метилирование, фосфорилирование, ацетилирование).

Посттрансляционные модификации ППЦ – конформационные и структурные изменения ППЦ. Они включают удаление части ППЦ, ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, приобретение белком нативной конформации (функционально-активная трансформация).

Многие модификации осуществляются в ЭР. Здесь происходят фоддинг ППЦ и формирование уникальной третичной или четвертичной структуры белков.

Для поддержания нативной конформации молекул важно формирование дисульфидных связей.

1. Частичный протеолиз: многие белки, секретируемые из клеток, первоначально

синтезируются в виде молекул-предшественников, функционально неактивных. Удаление части ППЦ специфическими эндопротеазами приводит к образованию активных молекул.

Некоторые белки-предшественники расщепляются в ЭР или аппарате Гольджи, другие – после секреции.

Неактивные предшественники секретируемых ферментов (зимогены) образуют

активный фермент после расщепления по определённым участкам молекулы: зимоген панкреатической железы трипсиноген превращается в активный трипсин после секреции в тонкий кишечник.

Пример двухстадийного протеолиза: образование активных форм пептидных гормонов (например, инсулина или глюкагона) из препрогормонов.

• Первоначально N-концевой сигнальный пептид молекулы-предшественника

удаляется в ЭР в процессе синтеза белка и образуется неактивный прогормон.

• Затем прогормон в секреторных гранулах, формирующихся в аппарате Гольджи,

подвергается действию эндо- или экзопротеаз и превращается в активный гормон.

2. Ковалентные модификации: структурные белки и ферменты могут

активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метальных, олигосахаридных и некоторых других.

• Фосфорилирование белков осуществляется по гидроксильным группам Серина,

Треонина и, реже, Тирозина ферментами из группы протеинкиназ (используется при регуляции активности ферментов или для связывания ионов кальция); дефосфорилирование катализируют гидролитические ферменты фосфопротеинфосфатазы

• Гликозилирование. Углеводные цепи присоединяются по гидроксильным группам

серина или треонина (О-гликозилирование) либо аспарагина (N-гликозилирование). Последовательное наращивание углеводного фрагмента происходит в ЭР и

аппарате Гольджи.

• Метилирование – метилирование аргинина и лизина в составе гистонов используется

для регуляции активности генома,

• Ацетилирование – присоединение карбоксильной группы – например, при участии

витамина К происходит γ-карбоксилирование глутамата в составе протромбина, проконвертина, что позволяет связывать ионы кальция при инициации свертывания крови,

Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некотор. АК:

например, в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образования предшественников тиреоидных гормонов йодтиронинов; в факторах свёртывания крови карбоксилируются остатки глутамата; в ЭР фибробластов гидроксилируются остатки пролина и лизина в цепях тропоколлагена.

3. Удаление с n-конца метионина или даже нескольких аминокислот

специфичными аминопептидазами.

4. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина.

5. Включение простетической группы:

• Углеводных остатков – гликирование требуется при синтезе гликопротеинов.

• Гема – при синтезе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы,

• Витаминных коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т.п.

6. Объединение протомеров в единый олигомерный белок – гемоглобин, коллаген, лактатдегидрогеназа, креатинкиназа.

Вопрос 41 Фолдинг белков. Ферменты. Роль шаперонов в фолдинге белка. Фолдинг белковой молекулы с помощью шаперониновой системы. Болезни, связанные с нарушением фолдинга белка – прионовые болезни.

Фолдинг – процесс укладки вытянутой полипептидной цепи в правильную трехмерную пространственную структуру.

Возможная последовательность фолдинга белка:

• Случайный клубок – нет ни вторичной, ни третичной структуры,

пептидная цепь развернута

• Состояние – предшественник расплавленной глобулы – вторичная структура

сформирована не до конца, третичная структура отсутствует, цепь частично развернута

• Расплавленная глобула – вторичная структура сформирована, цепь полностью

свернута в компактную глобулу, но жесткая третичная структура отсутствует

• Нативный белок – цепь свернута в компактную глобулу, которая имеет

определенную третичную структуру

Ферменты фолдинга:

1. Протеиндисульфидизомераза (PDI) – способствует сворачиванию секретируемых клетками белков, содержащих дисульфидные мостики (инсулин, рибонуклеаза, иммуноглобулины).

Катализирует изомеризацию дисульфидных связей в формирующемся белке, дает ему возможность найти (путем случайного перебора) такую комбинацию этих связей, которая соответствует энергетически наиболее оптимальной пространственной структуре.

2. Пептидил-пролил-цис/транс-изомераза (PPI) – катализирует переход радикалов в области пептидной связи Pro из транс-конфигурации в цис-конфигурацию и обратно. Обеспечивает возможность пептидной связи делать в области нахождения АК пролина, такие изгибы, кот. приводят к наиболее оптимальной пространственно стр-ре.

Шапероны – группа белков, способных связываться с белками, находящимися в неустойчивом, склонном к агрегации состоянии. Они способны стабилизировать их конформацию, обеспечивая фолдинг

Классификация шаперонов: см. вопрос 6

Роль шаперонов в фолдинге белков: при синтезе белков N-концевая область

полипептида синтезируется раньше, чем С-концевая область. Для формирования конформации белка нужна его полная аминокислотная последовательность. Поэтому в период синтеза белка на рибосоме защиту реакционноспособных радикалов (особенно гидрофобных) осуществляют Ш-70.

Ш-70 – высококонсервативный класс белков, кот. присутствует во всех отделах

клетки. В области карбоксильного конца единственной ППЦ шаперонов есть участок, образованный радикалами АК в форме бороздки. Он способен взаимодействовать с участками белковых молекул и развёрнутых ППЦ длиной в 7-9 аминокислот, обогащённых гидрофобными радикалами (в синтезирующейся ППЦ такие участки встречают примерно через каждые 16 АК)

Фолдинг многих высокомолекулярных белков, имеющих сложную конформацию

(например, доменное строение), осуществляется в специальном пространстве, сформированном Ш-60.

Ш-60 функционируют в виде олигомерного комплекса, сост. из 14 субъединиц.

Ш-60 обр. 2 кольца, каждое из которых состоит из 7 субъединиц, соединённых друг с другом. Субъединица Ш-60 состоит из 3 доменов: апикального (верхушечного), промежуточного и экваториального.

• Верхушечный домен имеет ряд гидрофобных остатков, обращённых в полость кольца, сформированного субъединицами.

• Экваториальный домен имеет участок связывания с АТФ и обладает АТФ-азной активностью, т. е. способен гидролизовать АТФ до АДФ и Н3РO4.