Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ IV. МОЛЕКУЛЯРНІ МЕХАНІЗМИ СПАДКОВОСТІ ТА РЕАЛІЗАЦІЇ ГЕНЕТИЧНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

ГЛАВА 21. БІОСИНТЕЗ БІЛКІВ У РИБОСОМАХ

21.4. РЕГУЛЯЦІЯ ТРАНСЛЯЦІЇ. АНТИБІОТИКИ — ІНГІБІТОРИ ТРАНСЛЯЦІЇ

Становлячи кінцевий етап багатоступеневого процесу генної експресії, рибосомальний синтез поліпептидного ланцюга є об’єктом контролю з боку регуляторних систем клітини та впливу різних фізіологічно активних сполук.

Молекулярні механізми контролю трансляції

Механізмом контролю процесів трансляції в клітинах еукаріотів є ковалентна модифікація білкового фактора ініціації трансляції eIF-2, який може бути в дефосфорильованій (активній) та фосфорильованій (неактивній) формах.

Шляхом зворотного фосфорилювання — дефосфорилювання фактора ініціації eIF-2 за участю цАМФ-залежного регуляторного каскаду відбувається контроль синтезу в рибосомах ретикулоцитів білкової частини гемоглобіну — глобіну, залежно від адекватного постачання простетичної групи — гему.

Регуляція здійснюється за такою схемою (рис. 21.6):

Рис. 21.6. цАМФ-залежна каскадна система регуляції трансляції глобіну (а — активні, н/а — неактивні форми відповідних білків).

(1) в ініціації синтезу глобіну бере участь фактор ініціації eIF-2, який може бути в дефосфорильованій (активній) та фосфорильованій (неактивній) формах;

(2) фосфорилювання α-субодиниці фактора ініціації синтезу глобіну eIF-2 специфічною eIF-2-протеїнкіназою інактивує фактор і тим самим блокує процес ініціації трансляції;

(3) активність eIF-2-кінази, що фосфорилює фактор eIF-2, контролюється (також шляхом фосфорилювання-дефосфорилювання) іншою протеїнкіназою, яка є цАМФ-залежною;

(4) у свою чергу, каталітична активність цАМФ-залежної протеїнкінази негативно контролюється гемом, який є інгібітором цієї кінази, що блокує вивільнення її каталітичної субодиниці.

Механізм, що розглянутий, забезпечує взаємну координацію кількості гему та глобіну: в умовах високої концентрації гему активність протеїнкінази, яка фосфорилює фактор eIF-2, блокується, що призводить до накопичення дефосфорильованої, тобто активної молекулярної форми фактора ініціації і, відповідно, — стимуляції синтезу глобіну; вичерпавши внутрішньоклітинний резерв гему, рибосомальна система синтезу глобіну переходить у неактивний стан, і утворення гемоглобіну гальмується.

Вплив фізіологічно активних сполук на процеси трансляції

Процеси рибосомальної трансляції, що складають кінцевий етап багатоступеневого процесу експресії генетичної інформації, є мішенню для дії багатьох фізіологічно активних сполук, зокрема лікарських засобів і токсинів.

1. У клінічній практиці, а також в експериментальній біології і медицині, знайшли широке застосування антибіотики, що є інгібіторами біосинтезу білка у прокаріотичних та еукаріотичних організмів на різних етапах трансляції:

(1) інгібітори ініціації: стрептоміцин, ауринтрикарбоксилова кислота;

(2) інгібітори елонгації: аміцетин, хлорамфенікол, еритроміцин, циклогексимід, пуроміцин, тетрацикліни;

(3) інгібітори термінації: анізоміцин, хлорамфенікол, еритроміцин, лінкоцин, стрептоміцин.

Вплив деяких найбільш поширених антибіотиків на процес трансляції поданий в таблиці 21.2:

Антибіотики, що є інгібіторами процесів трансляції у прокаріотів, застосовуються як антибактеріальні лікарські засоби в терапії інфекційних хвороб та інших захворювань, що спричинені мікробним фактором.

Антибіотики, які інгібірують трансляцію в еукаріотичних клітинах вищих організмів, зокрема ссавців, застосовуються як протипухлинні засоби. Гальмуючи біосинтез білка в клітинах злоякісних пухлин, ці антибіотики спричиняють регресію росту пухлини.

2. Шляхом впливу на процес ініціації трансляції в еукаріотичних клітинах реалізуються захисні ефекти інтерферонів — білків, що синтезуються в організмі людини і тварин (в лімфоїдній та інших тканинах) і мають властивості противірусних антибіотиків та природних протипухлинних факторів.

Механізм антивірусної дії інтерферонів здійснюється за рахунок фосфорилювання клітинних факторів ініціації eIF-2, що, як зазначено вище, можуть бути в дефосфорильованій (активній) та фосфорильованій (неактивній) формах.

Таблиця 21.2. Властивості антибіотиків — інгібіторів трансляції

Синтез інтерферонів стимулюється вірусами, що проникають у клітини організму людини. В свою чергу, інтерферони індукують синтез протеїнкіназ, які фосфорилюють фактори ініціації трансляції eIF-2, що, за розглянутою вище схемою, гальмує біосинтез як вірусних білків, так і всіх білків клітини, в яку потрапив вірус. У результаті зазначеного спричиняється загибель клітини макроорганізму, і тим самим запобігається розмноження часточок віріонів.

Крім антивірусної дії, деякі інтерферони гальмують розмноження клітин злоякісних пухлин, у зв’язку з чим ці сполуки розглядаються як перспективні анти- пухлинні засоби.

3. Потужним інгібітором трансляції в еукаріотів є дифтерійний токсин, що виробляється клітинами Corinebacterium diphteriae і спричиняє небезпечну хворобу дітей та дорослих, яка до введення специфічної імунізації призводила до високої смертності хворих.

Токсин — це білок з молекулярною масою 61 кД, який після проникнення в організм людини розщеплюється протеолітичним шляхом на два поліпептидні ланцюги: активний А-фрагмент (м.м. 21 кД) та неактивний В-фрагмент (м.м. 40 кД).

Молекулярний механізм токсичної дії дифтерійного токсину полягає в каталітичній активності А-фрагменту, який є ферментом АДФ-рибозилтрансферазою, що переносить АДФ-рибозу з молекули НАД на фактор елонгації eEF-2:

Залишок АДФ-рибози сполучається з амінокислотним залишком дифталамідом в молекулі фактора елонгації eEF-2, що призводить до втрати останнім його властивості здійснювати процес транслокації пептидного залишку з А- на П-сайт рибосоми (див. п. 21.3). Таким чином, процес елонгації трансляції в клітині блокується, що призводить до загального припинення білкового синтезу.

А-фрагмент дифтерійного токсину є біологічним токсином з надзвичайно високою летальною дією: однієї молекули цього пептиду достатньо для загибелі цілої клітини- мішені, в яку він потрапив.