Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Биохимия белков
Биосинтез белка и его регуляция

Аминокислоты, образовавшиеся при расщеплении белков пищи и посту­пившие в ткани, используются преимущественно для биосинтеза специфи­ческих для организма белков. Ежедневно в организме образуется около 1,3 г белка на 1 кг массы тела, что и определяет суточную норму его пот­ребления. Белки в клетках организма постоянно синтезируются, так как имеют ограниченное время жизни. Так, период полураспада белков пече­ни составляет примерно 9 дней, белков мышц — 120 дней, а все белки ор­ганизма обновляются приблизительно за 130—150 суток. Процессы био­синтеза белков играют очень важную роль в процессах роста и развития организма в восстановлении и адаптации при спортивной деятельности.

Биосинтез белка — это сложный многоступенчатый процесс. Большой вклад в определение его механизмов внесли ученые А.М. Белозерский, А.С. Спирин, А.А. Баев, Ф. Крик, С. Очоа, М. Ниренберг и др. Однако мно­гие стороны этого сложного процесса все еще не выяснены.

Основная роль в определении структуры синтезируемых белков при­надлежит ДНК. Последовательность и набор аминокислот в белковой мо­лекуле определяются последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК Каждая аминокислота кодируется тремя расположенными рядом нуклеоти­дами (триплетами) — кодонами. Четыре нуклеотида (А, Г, Т, Ц), входящие в состав ДНК, могут образовывать 64 разных триплета, которые способны кодировать все 20 основных аминокислот (см. главу 11).

Сами ДНК непосредственного участия в синтезе белка не принимают. Они находятся в ядре клетки и содержат генетическую информацию о структуре белка. Синтез белка происходит в рибосомах — клеточных структурах, находящихся в цитоплазме.

Этапы синтеза белков. Сложный процесс биосинтеза белка в тканях можно разделить на несколько основных этапов, включающих процессы транскрипции, активации аминокислот и трансляции (рис. 96).

Транскрипция — это процесс синтеза молекулы информационной РНК на участке молекулы ДНК (гене), как на матрице, в котором зако­дирована информация о структуре белка. Сначала специфические ферменты (ДНК-полимеразы) разрывают водородные связи между азотистыми основаниями двух комплементарных цепей ДНК Далее про­исходит раскручивание участка спирали ДНК, и на одной из двух ее цепей с участием фермента РНК-полимеразы синтезируется молекула иРНК по принципу комплементарности (см. рис. 96, а). Таким образом происходит переписывание информации о структуре белка. В комплек­се с ядерными белками иРНК выходит из ядра в цитоплазму а ДНК восстанавливает свою структуру. Этот этап происходит в ядре и является началом запуска синтеза конкретного белка, который осуществляется на рибосомах.

Активация аминокислот - это процесс взаимодействия с молекулами тТРК. Поскольку существует 20 основных аминокислот, то существует и бо­лее 20 видов тРНК. Процесс активации протекает с участием аминоацил-тРНК-синтетазы и молекулы АТФ.

Суммарную реакцию активации аминокислот и их соединение с тРНК можно представить следующим образом:

Для каждой аминокислоты имеются свои специфические ферменты участвующие в ее активации. Они проявляют высокую активность в присут­ствии ионов Мg²⁺. Нарушение специфичности действия этих ферментов может вносить погрешности в первичную структуру белка при образова­нии полипептидной цепи, что влечет за собой мутационные изменения в организмe.

Молекулы тРНК имеют по два специфических триплета. Один из них — кодон, с которым связывается аминокислота, другой — антикодон, который соответствует кодону данной аминокислоты в иРНК. Благодаря этому аминокислоты при синтезе белка располагаются в последовательности, диктуемой последовательностью кодонов в иРНК. Активированные амино­кислоты доставляются к рибосомам.

Рис. 96 Схема этапов биосинтеза белка: транскрипция (а), трансляция (б)

Трансляция — это процесс синтеза полипептидной цепи белка на ри­босомах, в ходе которого происходит передача информации из. Молекулы иРНК в определенную последовательность аминокислот синтезирующего­ся белка. Молекула иРНК передвигается между двумя субъединицами ри­босомы — малой (30 S) и большой (50 S). К малой субъединице присоеди­няется иРНК, а к большой — фермент, синтезирующий белок (пептидил-трансфераза). При передвижении иРНК между двумя субъединицами ри­босом кодоны иРНК взаимодействуют с антикодонами тРНК по принципу комплементарности. При этом специальные ферменты катализируют при­соединение аминокислотного остатка к нарастающей полипептидной цепи. Этот процесс активирует рРНК.

Завершение биосинтеза белка обеспечивается кодонами терминации (стоп-сигналом) в иРНК — УАА, УАГ и УГА, с которыми не может связать­ся ни одна тРНК. Поэтому процесс завершения биосинтеза белка называ­ется терминацией. Затем включается фактор освобождения и полипептид­ная цепь белка отделяется от рибосом. Вновь синтезированный белок при­нимает определенную пространственную структуру, характерную для дан­ного белка. Сложная третичная структура молекулы белка формируется самопроизвольно в цитоплазме и определяется характером первичной структуры белка, а также условиями его окружения.

Синтез белка требует затрат огромного количества АТФ, так как толь­ко для присоединения одной аминокислоты к полипептидной цепи синте­зирующегося белка используется, по меньшей мере, пять молекул АТФ. Следовательно, процесс синтеза белка зависит от скорости восстановле­ния уровня АТФ в клетках.

Регуляция биосинтеза белка

Все клетки организма имеют идентичный геном и синтезируют от 10 000 до 20 000 различных белков, однако отличаются между собой наличием специфических для данных клеток белков. Для эритроцитов характерно высокое содержание гемоглобина, для кожи — коллагена, поджелудочной железы — ферментных белков, скелетных мышц — сократительных белков актина и миозина. Концентрация различных белков, а иногда и их спектр, изменяется с возрастом, а также при воздействии внутренних и внешних факторов среды, патологических изменениях обмена веществ. Даже отно­сительно небольшие изменения в спектре синтезируемых белков в клетке способны существенно влиять на ее функции и структуру. Все это свиде­тельствует о том, что в живых организмах существует контроль белкового синтеза. Механизмы регуляции белкового синтеза играют существенную роль в процессах адаптации организма к мышечной деятельности, так как обеспечивают увеличение или появление новых адаптивных белков в мыш­цах и других тканях.

Регуляция белкового синтеза возможна на всех его этапах: на уровне транскрипции данного гена, отбора и транспорта иРНК из ядра в цито­плазму, включения иРНК в процесс трансляции на рибосомах. Наиболее изучен механизм регуляции биосинтеза белка на уровне транскрипции, т. е. на уровне образования иРНК.

Согласно существующей концепции регуляции биосинтеза белка на генетическом уровне (транскрипции), в молекуле ДНК имеются различные типы генов: система нескольких структурных генов, несущих генетическую информацию о структуре кодирующих белков, гены-операторы и гены-промоторы, составляющие оперон, а также регуляторные гены. Регуляция генетического аппарата осуществляется с участием специфических ве­ществ — индукторов и репрессоров.

Деятельность оперона в качестве поставщика иРНК контролируется геном-оператором, функция которого контролируется пространственно изолированным от него геном-регулятором, обеспечивающим синтез бел­ка-репрессора. Именно свободный белок-репрессор связывается с геном-оператором и блокирует функцию оперона либо переводит его в неактив­ное (репрессорное) состояние.

Белок-репрессор, в свою очередь, подвержен воздействию аллостери­ческих индукторов, которые соединяются с ним и изменяют его структуру, что стимулирует или ингибирует возникновение репрессора с геном-опе­ратором. В качестве аллостерических индукторов часто выступают суб­страты (индуцированный синтез ферментов) или продукты реакции. Регу­ляторное влияние их показано на рис. 97.

Механизм индукции синтеза белка заключается в следующем: моле­кулы индуктора связываются с белком-репрессором, что способствует освобождению гена-оператора и запуску синтеза определенной иРНК (транскрипции). Важную роль в регуляции активности ферментов РНК-синтетаз играют циклический АМФ, уровень которого изменяется под воздействием гормонов, а также отдельные гормоны (стероиды) и неко­торые метаболиты.

Рис. 97 Схема регуляции биосинтеза белка

Приведенная схема регуляции биосинтеза белка не раскрывает всей сложности и многообразия контролирующих систем, поскольку регуляция осуществляется также на уровне активации и переноса аминокислот к ри­босомам, на уровне биосинтеза ДНК, различных видов тРНК и рибосом, а также на уровне организации субклеточных структур (формирование полисом, белково-липидных мембран и т. п.), клетки (ядерно-цитоплазмен­ные взаимоотношения и др.), органа и организма (гормональная регуляция, зависимость точности считывания кода белкового синтеза от температуры).

В медицинской и спортивной практике широко используются фармако­логические препараты, являющиеся индукторами синтеза белка. Называют их анаболиками. Анаболики подразделяются на экзогенные (внеклеточные) и эндогенные (внутриклеточные). Экзогенными обычно являются гормо­нальные анаболические стероиды, которые стимулируют синтез белка на уровне процесса транскрипции. Эндогенные анаболики, как правило, явля­ются продуктами метаболизма либо структурным материалом для синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот, т. е. они оказывают анаболическое дей­ствие на уровне синтеза нуклеиновых кислот. В качестве таких индукторов синтеза белка используются оротат калия, инозин, адениловая кислота.