Биологическая химия - часть 132

системы крови) содержит ряд γ-карбоксиглутаматных остатков на N-конце,

в образовании которых активное участие принимает витамин К, содер-

жащий фермент. Предполагают, что γ-карбоксиглутаматные остатки при-

нимают участие в связывании ионов Са

2 +

, необходимых для инициации

свертывания крови.

Одной из широко распространенных химических постсинтетических

модификаций является  ф о с ф о р и л и р о в а н и е остатков серина и треонина,

например, в молекуле гистоновых и негистоновых белков, а также казеина

молока. Фосфорилирование-дефосфорилирование ОН-группы серина аб-

солютно необходимо для множества ферментов, например для активности

гликоген-фосфорилазы и гликоген-синтазы. Фосфорилирование некоторых

остатков тирозина в молекуле белка в настоящее время рассматривается

как один из возможных и специфических этапов формирования онкобелков

при малигнизации нормальных клеток. Хорошо известны также реакции

окисления двух остатков цистеина и образование внутри- и межцепочечных

дисульфидных связей при формировании третичной структуры (фолдинг).

Этим обеспечивается не только защита от внешних денатурирующих

агентов, но и образование нативной конформации и проявление био-

логической активности.

Менее известны  р е а к ц и и  ф а р н е з и л и р о в а н и я остатков цистеина

ряда белков: белка G (см. главу 8), группы белков ядерного матрикса,

а также белков-онкогенов ras и протоонкогенов; источником изопрениль-

ных групп является фарнезил-пирофосфат (промежуточный продукт при

синтезе холестерина). Получены доказательства, что блокирование реакции

фарнезилирования, вызванное специфическими препаратами (ингибитора-

ми), приводит к потере канцерогенной активности онкогена ras. Эти

результаты могут служить основой для разработки эффективных средств

борьбы с опухолевыми заболеваниями человека, основанными на инги-

бировании посттрансляционной модификации белков вообще или онко-

белков в частности.

Следует отметить, что, хотя биосинтез белка, представляющий сложный

многоступенчатый процесс, подробно описан во многих обзорах и мо-

нографиях, наши знания о структурно-функциональных взаимоотношениях

многих его этапов все еще недостаточны. Действительно, выделены и

охарактеризованы рибосомы (более полно у Е. coli), состоящие из мно-

жества индивидуальных белков и 3 типов молекул РНК; более того,

выяснена аминокислотная последовательность всех 55 белковых молекул,

первичная и вторичная структура 3 типов РНК, интенсивно изучается

трехмерная структура отдельных белков рибосом прокариот. Тем не менее

многие существенные детали механизма белкового синтеза неясны. На-

пример, недостаточно известно, какие участки или составные части рибосом

ответственны за инициацию, элонгацию и терминацию белкового синтеза;

каков молекулярный механизм процессов транслокации, пептидилтранс-

феразной реакции; каковы тонкие взаимодействия рибосом с белковыми

факторами, мРНК, тРНК и антибиотиками. Потребуется еще немало

усилий для определения полной молекулярной архитектуры рибосом и

отдельных ее субчастиц, а также для выяснения и получения точных данных

об их третичной структуре, форме и размерах, достаточных для раскрытия

на молекулярном уровне функций рибосомы в сложном процессе синтеза

белка.

Внерибосомный механизм синтеза пептидов. Накопленные данные, дей-

ствительно, свидетельствуют о том, что матричный механизм синтеза

лежит в основе биосинтеза почти всех белков живых организмов. Тем не

533

менее синтез ряда низкомолекулярных (коротких) пептидов в биологи-

ческих системах может осуществляться не только без участия нуклеиновых

кислот, в частности без матричной мРНК, но даже в отсутствие рибосом.

Еще на X Международном биохимическом конгрессе в Гамбурге в 1976 г.

Ф. Липман (США) и К. Курахаси (Япония) представили экспериментальные

доказательства синтеза двух природных циклических пептидных анти-

биотиков – грамицидина S и тироцидина как в цельных экстрактах, по-

лученных из Bacillus brevis, так и в изолированных из экстрактов белковых

фракциях. В частности, выделенные из экстрактов В. brevis и очищенные два

белковых препарата обеспечивали точность сборки циклического поли-

пептида – грамицидина S, состоящего из 10 аминокислотных остатков,

расположенных в строгой последовательности. Очищенные белковые фрак-

ции (с мол. массами 100000 и 180000) требовали присутствия только

свободных аминокислот, АТФ и ионов Mg

2+

 для синтеза этого цикли-

ческого декапептида (О-фенилаланилпролилвалилорнитиллейцин)

2

:

Показано, что именно легкая белковая фракция (мол. масса 100000)

обеспечивает рацемизирование и включение D-фенилаланина в первую

полипептидную цепь, а тяжелая фракция (мол. масса 180000) – включение

4 остальных L-аминокислот; оба фермента принимают участие также

и в образовании пептидных связей. Аналогично синтезируется такой же

пентапептид на расположенном рядом мультиферментном комплексе, за-

тем оба пентапептида соединяются по типу «голова» к «хвосту» с за-

мыканием цепи и образованием циклического декапептида. В механизме

синтеза предполагается предварительное образование аминоациладенилатов

(при участии этих же ферментов), из которых остатки аминокислот затем

переносятся на SH-группы обоих ферментов. При этом образуются ак-

тивированные промежуточные тиоэфиры, подобные тиоэфирам при синтезе

высших жирных кислот (см. главу 11). В структуре первого (легкого)

фермента открыт ковалентно связанный остаток  ф о с ф о п а н т о т е и н а ,

поэтому предполагают участие его тиоловой группы в переносе растущей

пептидной цепи с одного участка фермента на другой. Аналогичный

механизм синтеза доказан также для антибиотика тироцидина (декапептид)

и для 13-членного циклического пептида – антибиотика микобациллина.

Таким образом, природа (условно в лице бактериальной клетки), оче-

видно, не утратила полностью существовавшего до матричного, рибо-

сомного, пути атавистического механизма синтеза белковых тел и поль-

зуется для этого весьма примитивными, но достаточно эффективными

приемами.

РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА БЕЛКА

Основным условием существования любых живых организмов является

наличие тонкой, гибкой, согласованно действующей системы регуляции,

в которой все элементы тесно связаны друг с другом. В белковом синтезе не

только количественный и качественный состав белков, но и время синтеза

имеют большое значение. От этого зависит приспособление микроорга-

низмов к условиям окружающей питательной среды как биологической

534

необходимости или приспособление сложного многоклеточного организма

к физиологическим потребностям при изменении внутренних и внешних

условий.

Клетки живых организмов обладают способностью синтезировать ог-

ромное количество разнообразных белков. Однако они никогда не син-

тезируют все белки. Количество и разнообразие белков, в частности

ферментов, определяются степенью их участия в метаболизме. Более того,

интенсивность обмена регулируется скоростью синтеза белка и парал-

лельно контролируется аллостерическим путем (см. главу 4). Таким об-

разом, синтез белка регулируется внешними и внутренними факторами

и условиями, которые диктуют клетке синтез такого количества белка

и такого набора белков, которые необходимы для выполнения физиоло-

гических функций. Все это свидетельствует о весьма сложном, тонком

и целесообразном механизме регуляции синтеза белка в клетке.

Общую теорию регуляции синтеза белка разработали французские

ученые, лауреаты Нобелевской премии Ф. Жакоб и Ж. Моно. Сущность

этой теории сводится к «выключению» или «включению» генов как функ-

ционирующих единиц, к возможности или невозможности проявления их

способности передавать закодированную в структурных генах ДНК ге-

нетическую информацию на синтез специфических белков. Эта теория,

доказанная в опытах на бактериях, получила широкое признание, хотя

в эукариотических клетках механизмы регуляции синтеза белка, вероятнее

всего, являются более сложными (см. далее). У бактерий доказана

и н д у к ц и я ферментов (синтез ферментов de novo) при добавлении

в питательную среду субстратов этих ферментов. Добавление конечных

продуктов реакции, образование которых катализируется этими же фер-

ментами, напротив, вызывает уменьшение количества синтезируемых фер-

ментов. Это последнее явление получило название репрессии синтеза

ферментов. Оба явления – индукция и репрессия – взаимосвязаны.

Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моно, в биосинтезе белка у бактерий

участвуют по крайней мере 3 типа генов: структурные гены, ген-регулятор

и ген-оператор. Структурные гены определяют первичную структуру син-

тезируемого белка. Именно эти гены в цепи ДНК являются основой для

биосинтеза мРНК, которая затем поступает в рибосому и, как было

указано, служит матрицей для биосинтеза белка. Регуляция синтеза белка

путем индукции представлена на рис. 14.12.

Синтез мРНК на структурных генах молекулы ДНК непосредственно

контролируется определенным участком, называемым геном-операто-

ром. Он служит как бы пусковым механизмом для функционирования

структурных генов. Ген-оператор локализован на крайнем отрезке струк-

турного гена или структурных генов, регулируемых им. «Считывание»

генетического кода, т.е. формирование мРНК, начинается с промотора –

участка ДНК, расположенного рядом с геном-оператором и являющегося

точкой инициации для синтеза мРНК, и распространяется последовательно

вдоль оператора и структурных генов. Синтезированную молекулу мРНК,

кодирующую синтез нескольких разных белков, принято называть по-

лигенным (полицистронным) транскриптом. Координированный одним

оператором одиночный ген или группа структурных генов образует

оперон.

В свою очередь деятельность оперона находится под контролирующим

влиянием другого участка цепи ДНК, получившего название гена-регу-

л я т о р а . Структурные гены и ген-регулятор расположены в разных

участках цепи ДНК, поэтому связь между ними, как предполагают

535

Рис. 14.12. Регуляция синтеза белка путем индукции (схема).

ГР - ген-регулятор; П - промотор; ГО - ген-оператор.

Ф. Жакоб и Ж. Моно, осуществляется при помощи вещества-посредника,

оказавшегося белком и названного репрессором. Образование репрес-

сора происходит в рибосомах ядра на матрице специфической мРНК,

синтезированной на гене-регуляторе (рис. 14.13). Репрессор имеет сродство

к гену-оператору и обратимо соединяется с ним в комплекс. Образование

такого комплекса приводит к блокированию синтеза мРНК и, следо-

вательно, синтеза белка, т.е. функция гена-регулятора состоит в том, чтобы

через белок-репрессор прекращать (запрещать) деятельность структурных

генов, синтезирующих мРНК. Репрессор, кроме того, обладает способ-

ностью строго специфически связываться с определенными низкомоле-

кулярными веществами, называемыми  и н д у к т о р а м и , или эффекто-

рами. Если такой индуктор соединяется с репрессором, то последний

теряет способность связываться с геном-оператором, который, таким об-

разом, выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез

мРНК. Это типичный пример отрицательной формы контроля, когда

индуктор, соединяясь с белком-репрессором, вызывает изменения его тре-

тичной структуры настолько, что репрессор теряет способность связываться

с геном-оператором. Процесс этот аналогичен взаимоотношениям алло-

стерического центра фермента с эффектором, под влиянием которого

изменяется третичная структура фермента и он теряет способность свя-

зываться со своим субстратом.

Механизм описанной регуляции синтеза белка и взаимоотношения

репрессора со структурными генами были доказаны в опытах с Е. coli на

примере синтеза β-галактозидазы (лактазы) – фермента, расщепляющего

молочный сахар на глюкозу и галактозу. Дикий штамм Е. coli обычно

растет на глюкозе. Если вместо глюкозы в питательную среду добавить

лактозу (новый источник энергии и углерода), то штамм не будет расти,

пока не будут синтезированы соответствующие ферменты (адаптивный

синтез). При поступлении в клетку лактозы (индуктор) молекулы ее свя-

зываются с белком-репрессором и блокируют связь между репрессором

и геном-оператором. Ген-оператор и структурные гены при этом начинают

снова функционировать и синтезировать необходимую мРНК, которая

536

ГР

П

Оперон

Структурные гены

ГО

1

2

3

Репрессор

Индуктор

Репрессор

(неактивный)

ДНК

Транскрипция

мРНК

Полисома

Трансляция

Белки

1

2

3

(активный)