БІОХІМІЯ - Підручник - Остапченко Л. І. - 2012
Розділ 6. ОБМІН І ФУНКЦІЇ АМІНОКИСЛОТ. БІОСИНТЕЗ БІЛКА
6.10.Біосинтез білка
6.10.9. Згортання і процесинг білкових молекул
На завершальних стадіях біосинтетичного процесу поліпептиди формують вторинну й третинну конформації, підлягаючи процесингу. Цей процес, який може відбуватись як котрансляційно - одночасно із трансляцією білка в рибосомі, так і посттрансляційно - по завершенні трансляції та після відділення білка від рибосоми, включає:
✵ згортання пептидного ланцюга (фолдинг) з утворенням унікальної третинної або четвертинної структури;
✵ модифікації білкових молекул;
✵ доставку білка за місцем його майбутнього функціонування.
Згортання. На останній стадії синтезу білка відбувається згортання поліпептидного ланцюга і набуття ним нативної конформації за участі водневих, гідрофобних, вандерваальсових, іонних і ковалентних взаємодій. Цей процес може мати спонтанний характер, що було доведено у дослідах Х. Анфінсена наприкінці 50-х рр. ХХ ст.
Для ряду білків коректне згортання пептидного ланцюга (фолдинг) здійснюється під контролем спеціальних білків-ферментів фолдингу (фолдаз) і шаперонів, до яких належать насамперед білки теплового шоку Hsp (англ. heat shock protein). За рахунок зв'язування з молекулою пептиду та шляхом активації АТФ-залежних процесів шаперони забезпечують вірний фолдинг синтезованих білків, можливість часткового рефолдингу й беруть участь у ряді транспортних процесів у клітині.
Посттрансляційні модифікації. Структурні білки й ферменти можуть ковалентно і нековалентно модифікуватись як по N-, так і по С-кінцю молекули, а також за амінокислотними радикалами. До них належать: ацетилювання N-кінцевої амінокислоти в білковій молекулі; гідроксилювання радикалу проліну при переході прокола- гену в колаген; метилювання радикалів лізину й аргініну за допомогою Б-аденозил-Ь-метіоніну; приєднання олігосахаридних фрагментів до радикалів аспарагіну, серину й треоніну при біосинтезі гліко- протеїнів (глікозилювання); амідування радикалів аспарагінової та глутамінової кислоти, що пов'язують з мінливістю білків в онтогенезі, зокрема при старінні; карбоксилювання радикалів глутамінової кислоти, у результаті чого в білках виникають залишки γ-карбоксиглутамінової кислоти, необхідні, зокрема, для зв'язування Са2+; аденілювання й уридилювання радикалів тирозину. До посттрансляційних модифікацій, що мають важливе значення для регуляції метаболічної активності геному, належить фосфорилювання гістонів і негістонових білків хроматину. Вважають, що фосфорилювання за
гідроксильними групами серину, треоніну й тирозину, як і дефосфорилювання, залучено в цілий ряд метаболічних процесів. Крім того, може відбуватися модифікація амінокислотних залишків, скажімо, перетворення лізину та проліну на оксилізин і оксипролін у колагені, йодування тирозину в тиреоглобуліні тощо.
У клітинах еукаріотів багато білків синтезуються у вигляді молекул-попередників, що потребують модифікації для набуття біологічної активності. Інсулін, наприклад, синтезується у вигляді проінсуліну і є одноланцюговою молекулою. Шляхи його модифікації пов'язані з процесами протеолітичного розщеплення та формування дисульфідних зв'язків. Після видалення поліпептидного сегменту за участю специфічних протеаз інсулін перетворюється на дволанцюгову молекулу з внутрішньо- і міжланцюговими дисульфідними містками. Отже, для підтримання нативної конформації молекул велике значення мають вірно сформовані дисульфідні зв'язки. Частковому протеолізу підлягає ряд ферментів (трипсиноген, хімотрипсиноген). За участю деформілаз і специфічних амінопептидаз відбуваються модифікації N-кінця синтезованих пептидів. Приєднання простетичної групи з утворенням складних білків і об'єднання протомерів в олігомерний білок також є етапами посттрансляційних модифікацій.
Білковий сплайсинг - внутрішньомолекулярний аутокаталітичний процес, характерний для архей, бактерій і еукаріотів. Під час білкового сплайсингу видаляється певний внутрішній фрагмент (інтеїн), а два кінцеві фрагменти, що залишились (екстеїни), зшиваються з утворенням функціональної молекули білка. Цей процес не потребує ні джерел енергії, ні додаткових ферментів і кофакторів.
Спрямування білків (Protein targeting). Як уже зазначалося, частина синтезованих еукаріотичною клітиною білків, залежно від їхнього функціонального призначення, спрямовуються до своїх місць локалізації. Білки лізосом, експортні білки (секретуються клітиною) і білки плазматичних мембран синтезуються на зв'язаних з ЕПР рибосомах. Білки цитозолю синтезуються на вільних рибосомах і залишаються на місці синтезу, тоді як спрямування білків для мітохондрій, хлоропластів і ядер відбувається трьома різними шляхами. Розшифрування молекулярних механізмів показало, що означені процеси здійснюються за допомогою сигнальних послідовностей. Таке припущення вперше було висловлено в 1970 р. Г. Блобелем і Д. Сабатіні, а пізніше отримало назву "сигнальна гіпотеза Блобеля". Тепер цю гіпотезу підтверджено експериментально.
На прикладі білків, що синтезуються на рибосомах, зв'язаних з ЕПР, розглянемо процес спрямування білків (Protein targeting). Сигнальні послідовності є фрагментами поліпептидних ланцюгів (15-30 амінокислотних залишків), які синтезуються першими з N-кінця при декодуванні сигнальних кодонів, розташованих відразу після ініціаторних. У центральній частині вони містять залишки гідрофобних амінокислот, а їхні кінцеві послідовності - гідрофільні амінокислотні залишки. Така структура забезпечує, за наявності не менш як 7 гідрофобних радикалів підряд, безперешкодне проникнення сигнальних пептидів у ліпопротеїнову мембрану в зоні рецептора сигнального пептиду з наступним перенесенням білка через мембрану ендоплазматичного ретикулума або закріплення в ній. Установлено, що перенесення білків через біологічні мембрани може здійснюватися котрансляційно або посттрансляційно, і в обох випадках провідна роль належить сигнальному пептиду, який відщеплюється по завершенні процесу за участю сигнальної пептидази.
Сигнальна гіпотеза Блобеля зумовила дослідження проблеми активного транспорту макромолекул: доведено існування спеціальних білків - поринів, що забезпечують перенесення макромолекул; охарактеризовано мембранні білки, які розпізнають сигнальні пептиди, та виявлено рибонуклеопротеїнові сигнал-розпізнавальні частки - SRP (англ. Signal-Recognition Particle), котрі контролюють проходження синтезованого пептиду через мембрану.
Внутрішньоклітинний протеоліз. Білки значно відрізняються за швидкістю їхнього обміну, а саме синтезу й деградації. Показником є час напівжиття білків - період, за який деградує 50 % цих молекул. Активні протеолітичні ферменти локалізовані здебільшого в лізосомах, де містяться протеїнази, що активуються за кислих значень рН - катепсини (A, B, C, D, E). До нейтральних протеїназ, які функціонують в основному в цитоплазмі, належать кальпаїни - Са2+-залежні протеїнази, з активністю яких пов'язані як структурні, так і метаболічні перетворення в клітині. Особливу групу протеїназ, що мають оптимум у лужній області рН, становлять каллікреїни, активість яких спостерігається головним чином у крові. За дії каллікреїнів плазми крові утворюється пептид брадикінін, який забезпечує регуляцію кровотоку та проникність клітинних мембран. Останніми роками встановлено роль процесу убіквітинування як визначального в білковому обміні. Приєднання білка убіквітину (74 а. з., молекулярна маса 8,5· 103) до ε-аміногрупи лізину білка, що має деградувати, направляє його до мультисубодиничного протеолітичного комплексу протеасоми. Деструкція білкових молекул високоселективна. Розміщення на N-кінці лейцину, лізину, аргініну сприяє деградації білка, тоді як, наприклад, метіонін, аланін, серин збільшують час напіврозпаду білків. Наявність певних амінокислотних послідовностей (пролін (P), глутамінова кислота(Е), серин(Б), треонін (T)-PEST) та окиснених амінокислотних залишків у молекулі білка сприяє пришвидшенню його протеолітичної деградації.