Основы биологической химии предисловие

• Название: Основы биологической химии предисловие
• Анкор: Biokhimia.doc
• Дата: 20.05.2017
• Размер: 7.85 Mb.
• Имя файла: Biokhimia.doc
• Тип: Документы; #8022
• страница: 12 из 15

Глава 13. ОБМЕН БЕЛКОВ

13.1. Понятие об обмене белков

Обмен белков занимает самое важное место в метаболизме жи­вых организмов, так как благодаря уникальным функциям и многообра­зию превращений белков любой живой организм существует, развивает­ся и воспроизводит сам себя. Все другие виды обмена подчинены и об­служивают обмен белков как источник самой жизни.

Обмен углеводов и липидов является основным источником энергии в форме АТФ, необходимой для синтеза липидов. Углеводный обмен, кроме того, является основным источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот.

Обмен нуклеиновых кислот обеспечивает хранение и передачу информации о первичной структуре белков, обслуживая специфическое воспроизведение белковых молекул.

Минеральный обмен способствует созданию или распаду фер­ментов, катализирующих синтез белков, а также структур, при помощи которых этот синтез осуществляется.

С другой стороны, белковый обмен координирует и регулирует все виды обмена в организме, так как помимо основной пластической функции (главный строительный материал всех органов и тканей) белки могут служить источником энергии, белки выполняют уникальную ката­литическую функцию (ферменты), белки принимают участие в биосинте­зе гормонов, регулирующих процессы обмена веществ в организме.

Таким образом, белки являются незаменимыми веществами для организма, и основной их источник - это продукты питания. При незна­чительном содержании белков в пище возникает серьезное заболевание - белковая недостаточность, следствием которой является нарушение ряда важных физиологических функций организма (исключение белков из пищи на длительный срок приводит к серьезным нарушениям, а ино­гда и к необратимым патологическим явлениям).

В теле взрослого человека массой 70 килограммов содержится примерно 15-17 килограммов белков. Ежесуточно распадается на амино­кислоты 400 граммов белков и столько же синтезируется из свободных аминокислот, источниками которых служат белки пищи, белки собствен­ных тканей, а также синтез аминокислот из углеводов. Доказано, что белки нужны не только растущему организму, но и уже сформировавше­муся, так как в организме происходит постоянное обновление химическо­го состава всех органов и тканей, но с различной скоростью.

Время, в течение которого белки всего организма обновляются наполовину, называют средним временем полужизни или полупериодом распада белков. У человека он равен примерно 12 неделям. Измеряют время полужизни и отдельных белков. У человека белки печени в сред­нем обновляются наполовину за 2 недели, хотя некоторые из них - за 15-20 минут, белки мышц - за 27 недель. Самый интенсивный обмен веществ происходит в печени. Для белков кишечника полупериод распада равен нескольким дням, а для ряда, гормонов - нескольким часам или даже минутам (инсулин).

В растущем организме, а также при выздоровлении или бере­менности скорость синтеза белков превышает скорость их распада, тогда как для сформировавшегося и нормально функционирующего организма эти скорости равны. Состояние белкового обмена регулируется деятель­ностью центральной нервной системы (ЦНС) и зависит как от экзогенных факторов (характер питания, экология), так и от эндогенных (обеспечен­ность витаминами В₁, В₂,В₆,РР и др., деятельность желез внутренней сек­реции, вырабатывающих гормоны; оснащенность организма ферментами; степень усвоения белков и аминокислот пищи и др.)

Так как основная масса азота пищи (более 95 %) находится в соста­ве белков, а большинство выделяемых организмом азотистых соединений являются продуктами распада белка, то о состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Под последним понимают разницу между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выде­ляемого азота. Для здорового взрослого человека характерно состояние азотистого равновесия. Для растущего и выздоравливающего организма наблюдается положительный азотистый баланс - выводится азота мень­ше, чем поступает, общая масса белков организма увеличивается. При старении, голодании, тяжелых болезнях - азота выводится больше, чем поступает - отрицательный азотистый баланс, общая масса белков уменьшается. Для поддержания азотистого равновесия, для нормального здоровья и работоспособности взрослому человеку умственного труда с умеренной физической нагрузкой требуется 100-120 граммов белка в сутки, при тяжелой физической нагрузке - 130-160 граммов. Детям до 10-12 лет - от 55 до 80 граммов белка в сутки, после 12-13 лет - не менее 90-100 граммов в сутки.

Наибольшее содержание белков в следующих продуктах: мясо (18-22 %), рыба (17-22 %), сыр (20-36 %), горох и фасоль (24-26 %), соя (35 %), яйца (13 %), крупы (8-12 %), орехи (8-13 %), макароны (9-13 %) и в некоторых других.

Состояние белкового обмена человека зависит не только от ко­личества поступающего с пищей белка, но и от его качества. Установлено, что в организме человека и большинства животных, в отличие от растительных организмов, из 20 необходимых аминокислот синтезирует­ся только 10 и эти аминокислоты называются заменимыми. Другие 10 аминокислот, названные незаменимыми, обязательно должны поступать в организм с пищей. К ним относят триптофан, лейцин, изолейцин, валин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, аргинин (частично неза­меним) и гистидин (незаменим для детей и частично незаменим для взрослых). Следует особо подчеркнуть, что недостаток какой-либо одной незаменимой аминокислоты ведет к неполному усвоению и других ами­нокислот.

Биологическая ценность пищевого белка зависит прежде всего от степени его усвоения организмом, что определяется соответствием между аминокислотным составом белков пищи и белков тела. Кроме то­го, пищевая ценность белка высока, если он содержит все незаменимые аминокислоты или большинство из них в необходимых для человека со­отношениях. Таким требованиям отвечают многие белки животных. По­этому для человека биологически более ценны белки животного проис­хождения, которые усваиваются организмом более чем на 90%. Белки растительного происхождения перевариваются труднее и усваиваются на 60-80 %. Поэтому для оптимального удовлетворения всех потребностей организма в белках человеку нужно значительно больше растительных белков, чем животных.

Таким образом, для нормальной жизнедеятельности организма очень большое значение имеет полноценное питание, имеющее различия для разных возрастов, разных климатических условий и различных усло­вий труда.
13.2. Переваривание белков пищи и распад белков тканей

Переваривание белков

Переваривание белков пищи происходит в желудочно-кишечном тракте под действием протеолитических ферментов с субстратной спе­цифичностью действия - пептигидролаз. В результате белки распада­ются на аминокислоты. Таким путем организм получает мономеры для синтеза собственных белков.

Начинается расщепление белков в желудке. Образующаяся в клетках слизистой оболочки Желудка соляная кислота создает рН, рав­ный 1,5-2,5, благоприятное для действия фермента пепсина, и принима­ет участие в его синтезе из белка пепсиногена. Превращение пепсиногена в пепсин может происходить при действии соляной кислоты или самого пепсина, т.е. аутокаталитически:

пепсиноген _ пепсин (медленно)

пепсиноген _ пепсин (быстро)

Кроме того, HCI сама в незначительной степени гидролизует белки, а также денатурирует их, облегчая последующий гидролиз пепсином.

Пепсин (табл.14) гидролизует только пептидные связи, в обра­зовании которых участвует аминогруппа ароматической кислоты или дикарбоновой кислоты. В результате молекула белка распадается на олигопептиды.

Завершается переваривание белков в верхнем отделе тонкого кишечни­ка. При рН 7-8 в клетках поджелудочной железы происходит образова­ние трипсина и химотрипсина из белков трипсиногена и химотрипсиногена. Эти ферменты катализируют дальнейший гидролиз белков. Трипсин (см. табл.14) гидролизует пептидные связи, образованные карбоксиль­ными группами аргинина и лизина. Химотрипсин гидролизует пептидные связи, образованные карбоксильной группой ароматических аминокис­лот.

Таблица 14

Связи, расщепляемые эндопептидазами (X - любая аминокислота)

Пепсин	Химотрипсин	Трипсин
- Leu-Glu -	- Try - X -	- Arq - X -
- X - Phe -	- Phe - X -	-Lys-X-
- X - Туr -	-Туr-Х-

Таким образом, пепсин, трипсин и химотрипсин катализируют гидролиз пептидных связей, расположенных внутри цепи белка. Такие ферменты называют эндопептидазами, в результате их действия образу­ются олиголептиды, пептиды и немного аминокислот.

В клетках поджелудочной железы и кишечника содержатся также ферменты - экзопептидазы, которые катализируют гидролиз концевых пептидных связей в полипептидах и пептидах. Карбоксипептидазы гидролизуют пептидную связь, образованную С-концевым аминокислотным остатком. Карбоксипептидаза А отщепляет преимущественно С-концевые аминокислоты с гидрофобным радикалом, а карбоксипептидаза В отщеп­ляет С-концевые остатки лизина и аргинина.

Кислое желудочное содержимое в двенадцатиперстной кишке нейтрализуется соком поджелудочной железы, имеющим слабощелочную реакцию. Содержимое верхнего отдела тонкой кишки имеет рН около 8; в этой же области рН находится оптимум действия ферментов кишечни­ка.

Последний этап переваривания происходит при участии фермен­тов кишечника - аминопептидаз и дипептидаз. Аминопептидазы - это экзопептидазы, они отщепляют N-концевые аминокислоты от пептидов. Дипептидазы гидролизуют дипептиды. Последовательное действие всего набора пищеварительных пептидгидролаз обеспечивает полное расщеп­ление белков до аминокислот. В кровоток из клеток кишечника поступа­ют только аминокислоты.

Распад белков в тканях

Уже упоминалось, что за сутки расщепляется около 400 граммов тканевых белков и что скорость обновления различных белков неодина­кова. Клетки разных органов содержат большое количество протеолитических ферментов, которые и обеспечивают внутриклеточный гидролиз белков. Основная часть белков гидролизуется в лизосомах. Основные причины распада тканевых белков следующие:

- старение клеток или повреждение их внешними факторами, после чего они деполимеризуются в лизосомах;

- денатурация белков, которая происходит непрерывно с опре­деленной скоростью;

- частичный протеолиз белков в ходе пострансляционной дост­ройки;

- переваривание белков пищеварительных соков (в основном это ферменты);

- регуляция концентрации белков путем индикации и репрессии. Механизм этой регуляции связан с механизмом разрушения соответст­вующих белков (ферментов, гормонов и др.) в условиях, когда необходи­мость в них отпала.
13.3. Метаболизм аминокислот

Пути распада аминокислот до конечных продуктов можно условно разделить на три группы: 1) пути распада, связанные с превращением NH₂-гpyпп (трансаминирование и дезаминирование); 2) пути распада углеродных скелетов аминокислот; 3) декарбоксилирование α-СООН -групп аминокислот. Третий путь является частным вариантом превраще­ния углеродных скелетов аминокислот.

Трансаминирование аминокислот

Трансаминирование (переаминирование) - это реакция обмена аминогруппы и кетогруппы между α-аминокислотой и α-кетокислотой по схеме:

α-аминокислота 1

α-кетокислота 2

Кетоаналог α-аминокислоты 1

α-аминокислота 2

Реакции трансаминирования обратимы, константа равновесия близка к единице. Направление превращения зависит от скорости посту­пления субстратов в клетку или скорости удаления продуктов реакции.

Реакции трансаминирования катализируются ферментами - аминотрансферазами. Аминотрансферазы имеются во всех животных и рас­тительных клетках, а также в микроорганизмах. Уже обнаружено более 50 аминотрансфераз. Аминотрансферазы содержатся практически во всех органах, но наиболее активно реакции трансаминирования проте­кают в печени.

Функциональное значение трансаминирования в разных органах различно. Например, работающая мышца выделяет в кровь наряду с мо­лочной кислотой значительные количества аланина. Аланин образуется в мышце из пировиноградной кислоты путем трансаминирования:

Пировиноградная кислота

Глутаминовая кислота

α-кетоглутаровая кислота

Аланин

Из кровотока аланин поглощается печенью, где в результате трансами­нирования вновь превращается в пировиноградную кислоту, а последняя используется для глюконеогенеза. Этим путем осуществляется перенос из мышц в печень не только пирувата, но и азота; в печени за счет ами­ногруппы аминокислот образуется мочевина, которая выводится из орга­низма.

Дезамииирование аминокислот

В тканях организма происходит отщепление аминогруппы от аминокислот с образованием аммиака. Этот процесс называется дезаминированием. Возможны четыре типа дезаминирования:

1) восстановительное:



Жирная кислота

2) гидролитическое:



Оксикислота

3. 
   внутримолекулярное:
   

Ненасыщенная кислота

3. 
   окислительное:
   

Кетокислота

Для большинства организмов, в том числе человека и животных, характерно окислительное дезаминирование, хотя для некоторых амино­кислот, например гистидина, имеет место внутримолекулярное дезами­нирование. Процесс окислительного дезаминирования аминокислот, за исключением дезаминирования глутаминовой кислоты, является необратимым. Из глутаминовой кислоты в присутствии НАД - фермента образуется α-кетоглутаровая кислота (метаболит цитратного цикла):

Глутаминовая кислота

α-кетоглутаровая кислота

Этот процесс служит связующим звеном между метаболизмом углеводов и метаболизмом глутаминовой кислоты.

В отличие от глутаминовой кислоты аминогруппы других амино­кислот превращаются в NН₃ непрямым путем. Сначала происходит трансаминирование аминокислоты с α-кетоглутаратом и образуется глутаминовая кислота, которая затем дезаминируется глутаматдегидрогеназой (рис. 37). Обе стадии этого процесса обратимы.



Рис. 37. Общая схема реакции дезаминирования аминокислот

Другой путь непрямого дезаминирования аминокислот включает перенос их аминогруппы сначала на аспартат, затем на инозиновую ки­слоту (ИМФ) с образованием АМФ и, наконец, дезаминирование АМФ (рис. 38).

Этот сложный путь дезаминирования аминокислот особенно ак­тивно протекает в мышечной ткани, которая содержит мало глутаматдегидрогеназы, а также в мозге.



Рис.38. Дезаминирование аминокислот с участием цикла ИМФ - АМФ
Превращение углеродных скелетов аминокислот.

Реакции декарбоксилирования

Углеродные скелеты белковых аминокислот после отщепления аминогрупп в конечном итоге превращаются в пять продуктов, которые вовлекаются в цикл Кребса. Глицин, аланин, лейцин, цистеин, серии, треонин, лизин, триптофан превращаются в ацетил-КоА; фенилаланин и тирозин - в ацетил-КоА и фумарат; изолейцин - в ацетил-КоА и сукцинил-КоА; аргинин, гистидин, глутамин, глутамат, пролин - в α-кетоглутарат; аспаргин и аспартат - в оксалоацетат. Сгорая до СО₂ и Н₂О, аминокислота дает значительное количество энергии, почти такое же, как при аэробном окислении глюкозы.

Частным случаем превращений углеродных скелетов аминокис­лот является их декарбоксилирование - процесс отщепления карбок­сильной группы в виде СО₂. Не все аминокислоты подвергаются декарбоксилированию, причем у микроорганизмов и растений этому превра­щению подвергается большее количество аминокислот, чем у животных и человека. Реакции декарбоксилирования являются необратимыми. Наиболее распространено α-декарбоксилирование, протекающее по схеме:

Аминокислота

Амин

Реакция катализируется декарбоксилазами аминокислот с коферментом - пиродоксальфосфатом. Продуктами реакции являются СО₂ и амины, названные биогенными вследствие их сильного фармако­логического действия на множество физиологических функций человека и животных.
13.4. Удаление аммиака из организма. Орнитиновый цикл

Аммиак очень токсичное соединение, особенно для нервных кле­ток. При накоплении его возникает возбуждение нервной системы. По­этому концентрация аммиака в организме должна сохраняться на низком уровне. Уровень аммиака в норме в крови не превышает 1-2 мг/л (это почти в 1000 раз меньше концентрации сахара в крови). На кроликах показано, что концентрация аммиака 50 мг/л является летальной. Таким образом, аммиак должен подвергаться связыванию в тканях с образова­нием нетоксичных соединений, легко выделяемых с мочой.

Аммиак образуется в ходе следующих процессов:

- дезаминирование аминокислот;

- дезаминирование биогенных аминов;

- дезаминирование пуриновых оснований (гуанина и аденина);

- дезаминирование глутамина и аспарагина;

- распад пиримидиновых оснований (урацила, тимина, цитозина). В тканях организма существуют следующие пути обезврежива­ния аммиака:

- образование мочевины (орнитиновый цикл);

- восстановительное аминирование кетокислот;

- образование амидов аминокислот - аспарагина и глутамина;

- образование аммонийных солей.

Главный путь обезвреживания аммиака - синтез мочевины, про­исходящий в печени.

В 1933 году Кребс и Гензелейт установили, что синтез мочевины представляет собой циклический процесс, в котором каталитическую роль играет орнитин. В последующие десятилетия были раскрыты все реакции этого процесса, и он получил название орнитинового цикла, или цикла Кребса-Гензелейта (рис. 39).



Рис. 39. Орнитиновый цикл мочевинобразования

Начальной реакцией этого цикла является синтез высокоэнерге­тического соединения - карбамоилфосфата под действием фермента - карбамоилфосфатсинтетазы:



Карбамоильная группа далее переносится на орнитин с образованием цитруллина; реакцию катализирует орнитин-карбамоилтрансфераза:

Орнитин

Карбамоилфосфат

Цитруллин

Затем цитруллин- реагирует с аспарагиновой кислотой, превра­щаясь в аргининянтарную кислоту при действии аргининосукцинатсинтетазы:

Цитруллин

Аспартат

Аргининосукцинат

Аргининосукцинат под действием аргининосукциназы распадается на аргинин и фумаровую кислоту:

Аргининосукцинат

Аргинин

Фумарат

Далее аргинин гидролизуется аргиназой с образованием моче­вины и орнитина:

Аргинин

Орнитин

Мочевина

Мочевина поступает с током крови а почки и уносится из орга­низма с мочой, а орнитин возвращается в цикл. Реакции орнитинового цикла до стадии образования цитруллина происходят в митохондриях, а последующие стадии - в цитозоле клеток. Если человек в сутки получает 80-100 г белков, то образуется 25-30 г мочевины.

Важным вспомогательным путем связывания аммиака является образование аспарагина и глутамина с участием аспарагинсинтетазы и глутаминсинтетазы соответственно:

аспартат + АТФ + NH₃ = аспарагин + АМФ + Н₄Р₂О₇;

глутамат + АТФ + NH₃ = глутамин + АДФ + H₃PО₄.

Эти процессы активны в нервной и мышечной тканях, в почках, в печени.

Часть аммиака легко связывается с α-кетоглутаровой кислотой, т.е. протекает реакция, обратная окислительному дезаминированию глу­таминовой кислоты:

α-кетоглутарат + NH_{3 } глутамат + Н₂О

Но вклад этой реакции в обезвреживание аммиака невелик, так как необходимы значительные количества α-кетоглутарата.

Глутамин и в меньшей степени аспарагин считают как бы транс­портной формой аммиака, так как, образуясь в тканях, они с кровью попадают в почки, где подвергаются гидролизу под действием специфиче­ских ферментов - глутаминазы и аспарагиназы:

аспарагин + Н₂О = аспартат + NH₃;

глутамин + H₂O = глутамат + NH₃.

Освободившийся в канальцах почек аммиак нейтрализует кис­лые продукты обмена при ацидозе, защищая тем самым организм от по­тери с мочой ионов Na⁺ и К*. При этом образуются соли аммония:

NH₃ + Н⁺ + СI¯ = NH₄CI,

которые выделяются с мочой.
13.5. Синтез аминокислот

В организме может синтезироваться любая из заменимых амино­кислот. При этом исходными веществами при биосинтезе заменимых аминокислот служат метаболиты обмена углеводов.

Установлено, что в живых организмах путем реакций прямого восстановительного аминирования синтезируется три аминокислоты: аланин, аспартат и глутамат из пирувата, оксалоацетата и α-кетоглутарата соответственно:

Пируват

Аланин

Оксалоацета

Аспартат

α-кетоглутарат

Глутамат

Остальные аминокислоты, как правило, получаются в результате реакций трансаминирования вышеназванных аминокислот с соответст­вующими кетокислотами. Поэтому аланин, аспартат и глутамат часто называют первичными, а остальные аминокислоты - вторичными. Пер­вичные аминокислоты могут синтезироваться также и в результате реак­ций трансаминирования:

пируват + глутамин

аланин + α-кетоглутарат

Оксалоацета + глутамат



Аспартат + α-кетоглутарат

Глутамин и аспарагин с участием глутаминсинтетазы и аспарагинсинтетазы синтезируются по уравнениям:

аспартат + АТФ + NH₃ = аспарагин + АМФ + Н₄Р₂О₇

глутамат + АТФ + NH₃ = глутамин + АДФ + Н₃РО₄

Аспарагин синтезируется также из аспартата и глутамина, кото­рый служит донором амидной группы:

аспартат

глутамин

аспарагин

глутамат

Пролин образуется из глутаминовой кислоты:

Глутамат

γ-полуальдегид глутамата

Пролин

Из 3-фосфоглицерата образуется серин, а из серина - глицин. Поэтому общим предшественником для серина и глицина можно считать 3-фосфоглицерат:



серии + ТГФК = глицин + N⁵, N¹⁰-метилен-ТГФК.

(ТГФК - тетрагидрофолиевая кислота)

Из рибозо-5-фосфата образуется гистидин. Первоначально рибозо-5-фосфат превращается в α-5-фосфорибозил-1-дифосфат (ФРДФ)(см. главу 12), который участвует в дальнейших стадиях биосинтеза и гистидина, и пуринов:

рибозо-5-фосфат → ФРДФ → гистидин.

Однако возможности биосинтеза гистидина таким способом ог­раничены, поэтому он является полузаменимой аминокислотой.

Из незаменимой аминокислоты фенилаланина образуется заме­нимая - тирозин. Это процесс катализируется фенилаланингидроксилазой, кофактором которой является дигидробиоптерин, а восстановителем – НАД.Н+Н⁺.

Фенилаланин + НАДФ.Н + Н⁺ + О₂ = тирозин + НАДФ⁺ + Н₂О

Поскольку фенилаланин - незаменимая кислота, то возможности эндогенногосинтеза тирозина ограничены. Метионин (незаменимая ки­слота) может превращаться в цистеин.

Орнитин в животных тканях превращается в аргинин. Однако эта возможность образования аргинина невелика, так как он сам служит субстратом для синтеза мочевины. Поэтому аргинин является полузамени­мой аминокислотой.

Незаменимые аминокислоты, за исключением лизина и треони­на, участвуют в реакциях трансаминирования, следовательно, при нали­чии соответствующих α-кетокислот они тоже могли бы синтезироваться в организме. Незаменимы собственно α-кетокислоты, соответствующие незаменимым аминокислотам. Единственным источником таких α-кетокислот служат незаменимые аминокислоты пищи. Поэтому трансаминирование незаменимых аминокислот служит только этапом их катабо­лизма, а не синтеза, в отличие от заменимых аминокислот, для которых трансаминирование может быть начальной стадией катаболизма или ко­нечной стадией синтеза.
13.6. Биосинтез белков (трансляция)

Биосинтез белков в организмах осуществляется при помощи ри­босом и является матричным синтезом наряду с репликацией и транс­крипцией и носит название трансляции. Матрицей в процессе трансляции служит мРНК. Трансляция отличается от репликации и транскрипции двумя особенностями:

- нет соответствия между числом мономеров в матрице (мРНК) и в продукте реакции (белке);

- матрица (мРНК) и образующаяся на ней полипептидная цепь (белок) не комплементарны друг к другу.

Это означает, что механизм использования матрицы при транс­ляции иной, чем при репликации и транскрипции.

Первичная структура мРНК содержит в себе биологический код (информацию о первичной структуре белков), и в процессе трансляции происходит как бы декодирование этой информации и образование соот­ветствующего белка.

Установлено, что в биологическом коде кодовое число равно трем, т.е. три нуклеотидных остатка (триплет, или кодон) кодируют включение в белок одной аминокислоты. Число разных триплетов равно 4³=64 (4 - число нуклеотидных мономеров в РНК). 61 триплет использу­ется для кодирования аминокислот, а три: УАА, УАГ, УГА - являются тер­минирующими - на них обрывается дальнейшее наращивание пептидной цепи белка (табл.15).

Каждый триплет кодирует только одну аминокислоту (свойство специфичности кода); с другой стороны, одна аминокислота может коди­роваться двумя и более (до 6) триплетами (свойство вырожденности ко­да). Например, включение в белок серина кодируется шестью триплета­ми: УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ и АГЦ (см. табл. 15). Установлено, что био­логический код одинаков для всех живых организмов разной степени организации (свойство универсальности кода).

Путь информации от ДНК к белку представляется следующим образом:



Таблица 15. Биологический код



Прямое комплементарное взаимодействие между аминокислота­ми и триплетами нуклеотидов в мРНК, как уже было сказано выше, не­возможно. Взаимодействие косвенное. Роль посредника (или адаптера) в этом процессе выполняют молекулы тРНК: для каждой аминокислоты своя, что обозначается следующим образом: тРНК^Ала (аланиновая тРНК); тРНК^Вал (валиновая тРНК) и т.д. Поскольку код вырожденный, то число разных тРНК должно быть не менее 61.

Взаимодействие тРНК с аминокислотами - ферментативный процесс, идущий с поглощением энергии и приводящий к образованию ковалентной связи между аминокислотой и тРНК:

аминокистота+тРНК^{аминокислоты} + АТФ → аа-тРНК^{аминокислоты} +АМФ +Н₄Р₂О₇.

Образуется соединение называемое аминоацил-тРНК (аа-тРНК). Амино­кислота присоединяется к З'-концу нуклеотидной цепи тРНК (где имеется последовательность А-Ц-Ц, общая для всех тРНК). При этом получается сложноэфирная связь за счет карбоксильной группы аминокислоты, и гидроксильной группы концевого остатка адениловой кислоты в тРНК:



Эта связь является макроэргической, поэтому образование аа-тРНК можно рассматривать как активацию аминокислоты. Данная реак­ция катализируется ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами, обла­дающими субстратной специфичностью: каждый фермент катализирует реакцию только одной аминокислоты с соответствующей ей тРНК.

Образовавшиеся аа-тРНК взаимодействуют с мРНК за счет комплементарности соответствующему кодону мРНК триплета нуклеотидов в одной из петель клеверного листа тРНК, называемого антикодоном.

Таким образом, аа-тРНК присоединяется антикодонами к соот­ветствующим кодонам мРНК и образуется последовательность амино­кислот в соответствии с расположением кодонов в мРНК - возникает бе­лок с определенной первичной структурой.

Процесс активации аминокислот происходит в гиалоплазме клетки, а непосредственно синтез белка - на рибосомах.

Таким образом, для биосинтеза белка требуются: мРНК как ге­нетическая матрица, содержащая информацию о первичной структуре белка; аминоацил-тРНК - для чтения «текста» мРНК и как источник ами­нокислот при сборке белка; рибосомы как молекулярные машины для последовательного соединения аминокислот в полипептидную цепь в соответствии с программой мРНК. Кроме того, используется ГТФ как ис­точник энергии при синтезе белка в рибосомах; белковые «факторы», помогающие на разных фазах сборки белка в рибосомах, а также некото­рые ионы как кофакторы ферментов ( Мg²⁺, К⁺ и др.).

Устройство рибосом прокариотов и эукариотов примерно оди­наково. Отличаются они лишь молекулярной массой. У эукариотов она больше, чем у прокариотов. Состоят рибосомы из двух субчастиц - боль­шой и малой; скелет каждой из них образует рРНК, окруженная белками.

Установлено, что рибосомы активны только в полностью соб­ранном виде. Рибосомы, не участвующие в синтезе белка, легко диссо­циируют на субчастицы. Рибосомы могут свободно перемещаться в раз­личные участки клетки, что дает возможность собирать белки в клетке там, где это нужно.

Весь процесс трансляции, протекающий на рибосомах, делят на три стадии: инициация (начало), элонгация (удлинение полипелтидной цеgи) и терминация (окончание).

Инициация. Начало трансляции - наиболее медленный про­цесс. В нерабочем состоянии субчастицы рибосом разомкнуты. мРНК, поступившая из ядра в цитоплазму, связывается с малой субчастицой на поверхности, обращенной к большой субчастице. Причем присоединение идет 5'-концом РНК, так как "чтение" программы РНК всегда идет в на­правлении 5' → 3'. В пределах субчастицы умещаются только два кодона мРНК. Первым кодоном мРНК у 5'-конца является АУГ(Меt) или ГУГ(VаI). Эти кодоны называют инициирующими, так как именно с них всегда на­чинается трансляция в рибосомах. Этим кодонам соответствует антикодон метионил-тРНК^Met. Кроме того, в инициации участвуют внерибосомные белки (факторы инициации), которые облегчают связывание мРНК с малой субчастицой и ГТФ. К этому первичному комплексу (факторы ини­циации - малая субчастица- мРНК - Met-тPHK^Met -ГТФ) присоединяется большая субчастица рибосом, после чего факторы инициации удаляются из рибосом. Необходимая для смыкания субчастиц энергия получается за счет гидролиза ГТФ. Образовавшийся инициирующий комплекс (мРНК -Met-TPHK^Met - рибосома) готов к элонгации. Причем метионил - tPHK^Met своим антикодоном комплементарно спаривается с кодоном АУГ мРНК, т.е. как бы "подвешивается" на водородных связях к мРНК, а акцептор­ный конец, где находится аминокислота, прикрепляется к большой суб­частице рибосом (ее пептидильному центру).

Элонгация. Синтез полипептида всегда начинается от N-конца и заканчивается С-концом. Наращивание полипептида на одну аминокислоту осуществляется в три этапа.

1. Связывание аа-тРНК¹. К инициирующему комплексу присое­диняется аа-тРНК¹, соответствующая первому кодону мРНК (следующему за инициирующим кодоном). Эта аа-тРНК¹ взаимодействует и с мРНК (своим а тикодоном), и с определенными участками рибосомы - назовем их центр связывания. Этот процесс требует энергию одной молекулы ГТФ, а также участия в ней рибосомного белка - фактора элонгации EF1.

2. Образование пептидной связи. Остаток метионина с Met-тРНК¹ переносится на аминогруппу остатка аминокислоты в аа-тРНК¹. При этом получается дипептидил- тРНК¹, связанная с кодоном 1 и с цен­тром связывания.

3. Транслокация - перемещение рибосомы относительно мРНК и дипептидил-тРНК¹. В результате этого дипептидил-тРНК¹ оказывается в области пептидильного центра рибосомы, но по-прежнему связана с пер­вым кодоном мРНК. При этом тРНК^Met освобождается из комплекса. Транслокация требует энергию двух молегул ГТФ и внерибосомный белок - фактор элонгации EF2.

Далее эти три этапа повторяются, происходит наращивание пептидной цепи с огромной скоростью: за 1 минуту синтезируется пеп­тид, содержащий 40-60 аминокислот.

Терминация. Удлинение пептидной цепи продолжается до тех пор, пока на пути рибосомы не встретится один из терминирующих триплетов мРНК: УАА, УАГ или УГА. В области этих триплетов при уча­стии внерибосомных белков - факторов терминации - происходит гидро­литическое расщепление связи между пептидом и последней тРНК, осво­бождается готовый белок.

На включение в белок каждой аминокислоты расходуется энер­гия четырех макроэргических молекул: одной АТФ (на стадии синтеза аа-РНК) и трех ГТФ (на стадии элонгации).

Рибосома в ходе трансляции перемещается вдоль мРНК в на­правлении 5' 3' -конец. По мере освобождения 5'-конца к нему при­соединяется новая рибосома и т.д. На молекуле мРНК может поместиться несколько рибосом (каждая соответствует примерно 30 кодонам) - воз­никает полирибосома. Чех длиннее пептидная цепь кодируемого белка, тем длиннее молекула РНК и тем больше число рибосом в полирибосоме.

В процессе трансляции по мере удлинения пептидной цепи формируются сразу вторичная и третичная структуры белка. Функцио­нально активный белок образуется окончательно в ходе посттрансляционной достройки.

Регуляция биосинтеза белков. Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от условий, например, в зависимости от количества и состава пищи, в процессе онтогенеза, при введении некоторых лекарственных веществ. Это происходит в результа­те регуляции скоростей синтеза и распада белков. На рис.40 указаны процессы, от которых зависит концентрация белков в клетке и которые могут быть точками приложения регуляторных механизмов.



Рис. 40. Основные процессы, от скорости которых зависит концентрация белка в живой клетке: 1 транскрипция; 2 - созревание и транспорт мРНК из ядра в цитоплазму; 3 - трансляция; 4 - пост­трансляционная достройка белка; 5 - распад мРНК; 6 - распад белка