Биологическая химия - часть 131

2 молекул АТФ до 2 молекул АДФ, поскольку пирофосфат подвергается

распаду на 2 молекулы неорганического фосфата. Для включения амино-

ацил-тРНК в аминоацильный центр используется энергия гидролиза мо-

лекулы ГТФ на ГДФ и неорганический фосфат. Наконец, транслокация

транслирующей 70S рибосомы также нуждается в энергии гидролиза еще

одной молекулы ГТФ. Таким образом, энергетические потребности синтеза

каждой пептидной связи эквивалентны энергии гидролиза 2 молекул АТФ

и 2 молекул ГТФ (т.е. гидролиз четырех макроэргических фосфатных

связей) до соответствующих нуклеозиддифосфатов. Легко представить,

насколько велики энерготраты каждой клетки при синтезе не только одной

молекулы белка, а множества молекул самых разнообразных белков в

единицу времени.

Терминация трансляции. На IV стадии биосинтеза белка завершается

синтез полипептидной цепи в 70S рибосоме при участии трех белковых

факторов терминации (рилизинг-факторов). Эти белки обозначаются RF-1

(мол. масса 47000), RF-2 (мол. масса 35000–48000) и RF-3 (мол. масса

46000) у прокариот (см. табл. 14.1). В клетках животных открыт один-

единственный белок с аналогичным свойством – рилизинг-фактор R (eRF,

мол. масса 56000–105000). У Е. coli RF-1 наделен свойством узнавания

в молекуле мРНК терминирующих кодонов УАГ и УАА, a RF-2 – со-

ответственно УГА и УАА. Эукариотический рилизинг-фактор eRF узнает

все три терминирующих кодона (нонсенс-кодоны) и индуцирует осво-

бождение синтезированного полипептида опосредованно через пептидил-

трансферазу. После того как терминирующий кодон мРНК занимает свое

место в аминоацильном центре рибосомы, к нему присоединяется не тРНК,

поскольку отсутствуют соответствующие антикодоны тРНК, узнающие

этот терминальный сигнал, а один из белковых факторов терминации

и блокируется далнейшая элонгация цепи. Считают, что терминирующие

кодоны и белковые факторы индуцируют изменение специфичности пеп-

тидилтрансферазной активности таким образом, что она катализирует

перенос растущей пептидной цепи, скорее, к молекуле воды, вызывая

гидролиз, чем к аминогруппе аминокислоты. Следствием этого являются

отделение белковой молекулы от рибосомы и освобождение молекул тРНК

и мРНК (последняя подвергается распаду до свободных рибонуклеотидов).

Одновременно 70S рибосома диссоциирует на две субчастицы – 30S и 50S,

которые поступают в свободный пул и могут вновь использоваться для

реассоциации новой рибосомы. Схематически этот процесс представлен на

рис. 14.9. ГТФ в терминации трансляции у Е. coli рассматривается в ка-

честве аллостерического регулятора, а у эукариотов ГТФ, вероятнее всего,

распадается на ГДФ и P

i

.

Рис. 14.9. Процесс терминации синтеза белка (схема).

529

мРНК

П

А

Н

2

O

RF

RF

ГТФ

ГДФ

 + P

i

50S

+

30S

+

 Белок

+ тРНК

+ Продукты

распада

мРНК

Рис. 14.10. Схематическое изображение роли разных типов РНК в синтезе белка (по

Уотсону).

Рис. 14.11. Схематическое изображение организации бактериальной полирибосомы

(полисомы) и движения рибосом вдоль мРНК.

В общей форме зависимость между репликацией ДНК, транскрипцией

и трансляцией мРНК представлена на рис. 14.10. Видно, что одна мат-

ричная мРНК транслируется не одной рибосомой, а одновременно многими

рибосомами, расположенными близко друг к другу. Подобные скопления

рибосом на мРНК получили название  п о л и р и б о с о м , или  п о л и с о м

(рис. 14.11). Они значительно повышают эффективность использования

мРНК, т.е. ускоряют синтез белка.

Рибосомы движутся в направлении 5' –> 3' вдоль цепи мРНК, причем

каждая рибосома работает самостоятельно, синтезируя отдельный белок.

Полисома, таким образом, позволяет обеспечить высокую скорость транс-

ляции единственной мРНК (см. рис. 14.11).

ТРАНСПОРТ СИНТЕЗИРОВАННЫХ БЕЛКОВ

ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Помимо использования белков для нужд самой клетки, многие так на-

зываемые экспортируемые (секретируемые) белки, которые функционируют

вне клетки, подвергаются переносу через клеточную мембрану при помощи

особых низкомолекулярных пептидов (от 15 до 30 аминокислотных остат-

530

ДНК

тРНК

мРНК

рРНК

тРНК

Рибосомные

белки

Рибонуклеотиды

Свободные

рибосомы

Полисома

Энзиматический

распад

 мРНК

Полипептидная

цепь

Ферменты

Белковые

факторы

ГТФ

АА~

 тРНК

АА~АМФ PP

i

АА

АТФ

мРНК

50S

30S

50S

30S

50S

30S

50S

30S

50S

30S

ков), получивших название лидирующих, или  с и г н а л ь н ы х ,  п е п т и д о в .

Особенность их состава – преимущественное содержание гидрофобных ра-

дикалов, что позволяет им легко проникать через бислойную липидную

мембрану или встраиваться в мембрану. Эти сигнальные последователь-

ности в рибосомах образуются первыми с N-конца при синтезе белка по

программе сигнальных кодонов, расположенных сразу после инициатор-

ного кодона, и легко узнаются рецепторными участками мембраны эндо-

плазматической сети. При этом образуется комплекс между мРНК, ри-

босомой и мембранными рецепторными белками, формируя своеобразный

канал в мембране, через который сигнальный пептид проникает внутрь

цистерны эндоплазматического ретикулума, увлекая и протаскивая за собой

синтезируемую и растущую молекулу секреторного белка. В процессе

прохождения или после проникновения полипептида в цистерны N-концевая

сигнальная последовательность отщепляется под действием специфической

лидирующей (сигнальной) пептидазы, а зрелый белок через пластинчатый

комплекс (аппарат Гольджи) покидает клетку в форме секреторного пу-

зырька. Следует указать на возможность активного участия в транспорте

белков и других полимерных молекул через мембраны, помимо сигнальных

пептидов, также особых белков – п о р и н о в , химическая природа и ме-

ханизм действия которых выяснены пока недостаточно.

СИНТЕЗ МИТОХОНДРИАЛЬНЫХ БЕЛКОВ

В митохондриях клеток высших организмов (см. главу 13) содержится до

2% клеточной ДНК, отличающейся от ДНК ядра по массе и структуре.

Митохондрии имеют весь аппарат, включая рибосомы, тРНК и мРНК,

необходимый для синтеза определенных белков. Синтезируемые в мито-

хондриях белки являются нерастворимыми белками и участвуют в ос-

новном в организации структуры этих же органелл, в то время как местом

синтеза растворимых митохондриальных белков являются рибосомы цито-

плазмы, откуда они затем транспортируются в митохондрии. Рибосомы

в митохондриях имеют меньший размер, чем 80S рибосомы в цитоплазме.

Интересно отметить, что в качестве инициирующей аминокислоты при

синтезе белка в митохондриях эукариот может участвовать N-формил-

метионин, а не свободный метионин, как в цитоплазме. Это обстоятельство

свидетельствует о том, что митохондриальный синтез белка по своему

механизму, очевидно, близок к синтезу белка у прокариот.

ПОСТСИНТЕТИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

На V, последней, стадии синтеза белка происходят формирование тре-

тичной структуры и процессинг молекулы полипептида. Синтезированная

на рибосоме в строгом соответствии с генетической программой линейная

одномерная полипептидная молекула уже содержит определенную инфор-

мацию. Такая молекула называется конформационной, т.е. она претер-

певает не хаотичные структурные изменения, а подвергается превращению

(процессингу) в строго определенное трехмерное тело, которое само на-

делено информацией, но уже функциональной. Указанное положение спра-

ведливо для молекул белков, выполняющих в основном структурные

функции, но не для биологически неактивных молекул предшественни-

ков белков, функциональная активность которых проявляется позже в

531

результате разнообразных превращений, объединенных понятием «пост-

с и н т е т и ч е с к а я , или  п о с т т р а н с л я ц и о н н а я , модификация». Подоб-

ные модификации структуры полипептида начинаются или сразу после

трансляции, или еще до окончания формирования третичной структуры

белковой молекулы.

Помимо указанного процесса протеолитического удаления сигнального

пептида, во многих белках отщепляется начальный N-концевой метионин.

Оказалось, что в прокариотических клетках имеются особые ферменты,

модифицирующие N-концевые остатки, в частности деформилаза, ката-

лизирующая отщепление формильной группы от N-концевого метионина,

а также аминопептидазы, катализирующие отщепление не только N-кон-

цевого формилметионина (или метионина у эукариот), но, возможно,

и других остатков аминокислот с N-конца пептида. Аналогичному так

называемому ограниченному постсинтетическому протеолизу подвергают-

ся некоторые пробелки, или проферменты (например, трипсиноген, химо-

трипсиноген и др.), и предшественники гормонов (например, препроинсу-

лин, пре-β-липотропин и др.). В ряде случаев наблюдается и С-концевая

модификация синтезированного белка.

Как известно, участок ДНК, несущий информацию о синтезе индиви-

дуального белка, называется геном, а участок, контролирующий синтез

единственной полипептидной цепи и ответственный за него,– цистроном.

Следовательно, если белок состоит из нескольких (более одного) поли-

пептидов, то естественно предположить, что в синтезе такого белка должны

участвовать несколько (более одного) цистронов. Это не всегда соответст-

вует действительности, особенно если полипептидные цепи идентичны

(например, α

2

- и β

2

-цепи гемоглобина). Если, например, пептидные цепи

какой-либо одной белковой молекулы являются неидентичными, то это не

всегда означает, что они синтезируются как результат действия разных

цистронов. Подобный белок может синтезироваться в виде единственной

полипептидной цепи с последующими протеолитическими разрывами в

одном или нескольких местах и отщеплением неактивных участков. Типич-

ным примером подобной модификации является гормон инсулин, синтези-

рующийся в виде единого полипептида препроинсулина, который после

ферментативного гидролиза превращается сначала в неактивный предшест-

венник проинсулин, а затем в активный гормон инсулин, содержащий две

разных размеров и последовательности полипептидные цепи (см. рис. 1.14).

Следует подчеркнуть, однако, что значительно больший удельный вес

имеет посттрансляционная химическая модификация белков, затрагивающая

радикалы отдельных аминокислот. Одной из таких существенных моди-

фикаций является ковалентное  п р и с о е д и н е н и е  п р о с т е т и ч е с к о й

г р у п п ы к молекуле белка. Например, только после присоединения пи-

ридоксальфосфата к ε-аминогруппе остатка лизина белковой части – апо-

ферменту – образуется биологически активная трехмерная конфигурация

аминотрансфераз, катализирующих реакции трансаминирования амино-

кислот. Некоторые белки подвергаются гликозилированию, присоединяя

олигосахаридные остатки (образование гликопротеинов), и обеспечивают

тем самым доставку белков к клеткам-мишеням. Широко представлены

химические модификации белков в результате  р е а к ц и и  г и д р о к с и л и -

р о в а н и я остатков пролина, лизина (при формировании молекул колла-

гена),  р е а к ц и и  м е т и л и р о в а н и я (остатки лизина, глутамата), ацети-

л и р о в а н и я ряда N-концевых аминокислот,  р е а к ц и и  к а р б о к с и л и р о -

в а н и я остатков глутамата и аспартата ряда белков (добавление экстра-

карбоксильной группы). В частности, протромбин (белок свертывающей

532