Постсинтетическая модификация белков в норме

Постсинтетическая модификация белков в норме

Реферат

на тему:

«Постсинтетическая модификация белков в норме»

Ижевск 2011 г.

Введение

Механизм биосинтеза белков со всем многообразием их биологической активности и видовой специфичности был одной из крупнейших проблем в истории биохимии. В течение многих лет невозможно было ответить даже на очень простые вопросы относительно белкового синтеза. Например, образуются ли белки сразу как одно целое или же создаются путем сборки из множества коротких предварительно синтезированных пептидов? Или такой вопрос: может быть, все белки клетки образуются из одного длинного полипептида-предшественника в результате специфических изменений его боковых групп?

В начале развития матричной теории биосинтеза белков существовало понятие «один ген - один белок». Ген как единица наследственности приобрел точный молекулярный образ. Последовательность аминокислот в белке определяется последовательностью нуклеотидов, входящих в состав ДНК. Однако по мере изучения проблемы биосинтез белка и понятие гена предстают более сложными явлениями и пользоваться простым определением становится некорректным. Создание элементарной функциональной единицы организма - белка, оказалось комплексным процессом, который кроме формирования кода включает в себя три категории явлений:

. Разобщение синтеза белков и функционирования нуклеиновых матриц путем введения адапторного механизма - транспортных или адапторных РНК;

. Регуляция синтеза белков на уроне гена, которая включает не только экспрессию и репрессию структурного гена (цистрона), но и его перестройку. В том числе и за счет создания специфических информационных РНК;

. Постсинтетическая модификация, проходящая как котрансляция или внерибосомальный процесс.

Сегодня мы знаем, что процесс белкового синтеза протекает в 5 основных этапов, каждый из которых требует ряда компонентов. В табл. 1 перечислены компоненты, необходимые для синтеза белка в E. Coli и других прокариотах (белковый синтез эукариот несколько отличен).

Таблица 1. Компоненты, необходимые для осуществления 5 основных этапов полипептидного синтеза в E. Coli

Биосинтез у эукариот отличается от аналогичного процесса прокариотов следующими особенностями:

. рибосома имеет большие размеры (80S);

. в процесс включено большее число инициирующих белковых факторов;

. метионил не соединен с формилом;

. наличие кэп-структуры: 7-метилгуанозил(5) 2-0-метилированного нуклеозидного остатка;

. РНК моноцистронна по своей природе.

Однако как у прокариотов, так и эукариотов в образовании инициирующего комплекса принимает участие ГТФ=ГДФ.

Сложность процесса трансляции, с одной стороны, сочетается с надежностью выполнения конкретной функции, а с другой - предоставляет большие возможности для появления аномальных пептидов и даже белков. В клетке имеются специальные системы протеаз, уничтожающие аномальные белки, что предохраняет клетку от возможных нарушений жизнедеятельности.

Первичный полипептид только в наиболее простейших случаях является уже готовой формой, а чаще пробелком, который становится функциональной единицей лишь после существенной переработки в системе постсинтетической модификации.

Описано более 100 различных посттрансляционных модификаций белков. Роль большинства этих модификаций не выяснена; некоторые из них случайны и, по-видимому, не имеют функционального значения, но есть и такие, которые важны для жизни клетки, так как они тщательно контролируются специфическими ферментами. Рассмотрим этот процесс более подробно.

1. Общие закономерности постсинтетической модификации белков

Полипептидная цепь может подвергаться структурным модификациям, либо будучи еще связанным с рибосомами, либо после завершения синтеза. Эти конформационные и структурные изменения полипептидной цепи получили название посттрансляционных. Они включают удаление части цепи, ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, приобретение белками нативной конформации.

Таким образом, постсинтетическая модификация - это процессы, приводящие к тому, что новосинтезированная цепь полипептида приобретает биологически активную конформацию. Этим термином также обозначают все сложные процессы формирования белка, которые не затрагивают его генетического кода, т.е. относятся непосредственно к самому белку, а не являются следствием изменения в нуклеиновых кислотах. Этому процессу поддаются почти все известные белки, но он проходит у всех по-разному.

Целесообразно выделить две основные группы процессов модификации белков:

) процессы, приводящие к появлению дериватов основных 20 аминокислот, т.е. модификации первичной структуры;

) процессы, не связанные с появлением новых аминокислот и ответственные главным образом за изменение конформации или размеров полипептидной цепи.

2. Процессы ковалентной модификации на уровне аминокислотных радикалов

В составе белков, кроме общеизвестных 20 основных кодируемых аминокислот (1 иминокислота), часто обнаруживаются минорные аминокислоты, которых в настоящее время насчитывается около 200. Для минорных аминокислот нет соответствующих кодонов - они химически измененные представители основных аминокислот. Отсутствие необходимых кодонов в генетическом коде делает невозможным прямое включение минорных аминокислот в полипептидную цепь. Поэтому организм использует сложные обходные пути ферментативных модификаций радикалов уже синтезированной полипептидной цепи, которые происходят на нескольких уровнях:

) на уровне аминоацил-тРНК;

) в процессе полимеризации полипептидной цепи (котрансляции);

) после завершения полимеризации первичной полипептидной цепи, внутри клеточных структур (аппарат Гольджи), во внеклеточных пространствах и в русле крови.

Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот:

в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина. Щитовидная железа синтезирует гормоны - йодированные производные тирозина (йодтиронины). Тиреоглобулин - гликопротеин с Мr = 660 кДа, содержащий 115 остатков тирозина. Гормон синтезируется в фолликулах щитовидной железы, на рибосомах шероховатого ЭР, где происходит формирование вторичной и третичной структуры, включая процессы гликозилирования. Из цистерн ЭР тиреогобулин поступает в АГ, включается в состав секреторных гранул и секретируется во внеклеточный коллоид, где происходит йодирование остатков тирозина и образование йодтиронинов. Йодирование осуществляется в несколько этапов (рис. 1).

Образование йодтиронинов происходит в несколько этапов: транспорт йода в клетки щитовидной железы; окисление йода; йодирование остатков тирозина; образование йодтиронинов: транспорт их в кровь. ДИТ - дийодтиронин; Тг - тиреоглобулин; Т₃ - трийодтиронин, Т₄ - тироксин.

Рис. 1. Схема синтеза йодтиронинов

В ферментах свертывания крови карбоксилируются остатки глутамата. Карбоксилирование осуществляет карбоксилаза, коферментом которой служит восстановленная форма витамина К (рис. 2). Этот процесс посттрансляционной модификации протекает в ЭР гепатоцитов. Остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты в FVIIa, IXa, и Xa обеспечивают взаимодействие этих ферментов посредством Са²⁺ с отрицательно заряженными фосфолипидами клеточной мембраны.

Рис. 2. Посттрансляционное карбоксилирование остатков глутаминовой кислоты

3. Процессы, не включающие образование дериватов аминокислот

постсинтетический белок аминокислота карбоксилирование

К этой группе следует отнести модификацию путем протеолиза, а также физико-химические процессы, в результате которых изменяется конформация.

Частичный протеолиз. Многие белки, секретируемые из клетки, первоначально синтезируются в виде молекул-предшественников, функционально неактивных. Удаление части полипептидной цепи специфическими эндопротеазами приводит к образованию активных молекул. Некоторые белки-предшественники расщепляются в ЭР или АГ, другие после секреции. Так, неактивные предшественники секретируемых ферментов - зимогены - образуют активный фермент после расщепления по определенным участкам молекулы.

Ковалентная модификация. Структурные белки и ферменты могут активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метильных, олигосахаридных и других. 13 кодируемых аминокислот (включая пролин) дают хотя и разнообразные, но в общем однотипные дериваты. Для других аминокислот последние в составе белков не известны, хотя и встречаются в составе пептидов. Триптофан не модифицируется. Некоторые аминокислотные остатки в большей мере подвержены модификации, например лизин, серин, треонинн, цистеин, гистидин, тирозин, другие - меньше.

Описываемые процессы можно разделить на три группы.

. Модификация обратима (например, при фосфорилировании - дефосфорилировании, лежащем в основе регуляции активности ферментов). Обычно при этом происходят локальные изменения конформации или взаимодействий между субъединицами.

. Модификация носит необратимый характер. В этих случаях лигандированные аминокислоты имеют значение либо для образования простетической группы, либо для окончательной конформации белков. Так, гидроксилирование пролина, приводящее к появлению оксипролина, как и гидроксилирование лизина, имеет решающее значение для формирования эластина и коллагена.

. Дериват появляется в составе физиологически активного полипептида или аминокислоты, возникающего в организме в результате биосинтеза белка-предшественника, который затем подвергается протеолизу.

Метилирование - один из наиболее широко распространенных процессов, связанных с биосинтезом биологически активных веществ. Он характерен почти для всех классов соединений, присутствующих в организме: изопреноидов, жирных кислот, нуклеиновых кислот, аминокислот и белков.

Физиологическое значение метилирования велико. Наиболее хорошо изучен процесс образования и роль формилметионина как инициатора биосинтеза белков у прокариотов. Доказано, что данный процесс осуществляется на уровне аминоацил-тРНК. Метилирование приводит к образованию О-β-метилпроизводных серина и треонина. О-γ-метилглутарат играет важную роль при хемотаксисе бактерий и движениях амебы.

Метилированные производные гистонов имеют большое значение для биосинтеза белков. В данном случае метилирование осуществляется по аминокислотным остаткам лизина, аргинина и концевым аминогруппам гистонов, что приводит к изменению их заряда и конформации, а это влияет на взаимодействие гистонов между собой и с ДНК. Активность ферментов, ответственных за модификации, регулируется и зависит от стадии клеточного цикла. Такая модификация делает возможным конформационные перестройки хроматина.

Области эухроматина, в которых расположены активно транскрибируемые гены, обладают следующей структурной особенностью - молекулы гистонов, связанные с ДНК в этих участках, модифицированы: ε-аминогруппа лизина метилирована или ацетилирована; метилированы некоторые остатки аргинина и гистидина в гистонах Н2А и Н2В, являющиеся коровыми белками нуклеосом. В гистоне Н1 фосфорилированы остатки серина. Результат этой серии ковалентной модификации - снижение суммарного положительного заряда гистонов и ослабление сродства нуклеосом к ДНК.

Из печени выделены три активных метилазы, метилирующих лизин в альбумине, однако в крови эти формы альбумина не обнаружены. Наличие метилирующих ферментов еще не означает, что белок в норме метилируется. Дериваты аминокислот участвуют в обеспечении разнообразных функций белка и трудно выделить какую-либо общую функцию, присущую метилированию, если не учитывать значение этого фермента для обеспечения определенной конформации белка.

Ацилирование - замещение водорода в органических соединениях остатком карбоновой кислоты, который называется ацильной группой; обычно осуществляется по ОН-группам серина, треонина и др. Этот процесс также связан с функцией, выполняемой данным белком. Наиболее изучены дериваты гистонов ядра, где они играют важную роль в организации генома. При приеме ацетилсалициловой кислоты имеет место ацилирование альбумина.

Ацилирование высшими жирными кислотами. Известны белки, которые называются протеолипидами из-за их способности растворяться в органических растворителях. Подавляющая часть изученных в настоящее время протеолипидов представляет собой белки, содержащие значительное количество жирных кислот, которые в отличие от липопротеинов связаны с апобелком ковалентными связями. Все виды живых существ содержат такие белки в мембранах, особенно много их в мембранах мозговых клеток и в миелине. Известно три типа связей белка с жирной кислотой.

. Тиоэфирная по длине полипептидной цепи

     \               O

    /                ¦

    \__CH₂ - S- C - (CH₂)n - CH₃, где n от 12 до 16

    /

    \

. Присоединение миристиновой кислоты по N-концу (глицин)

     /

    \

    /

    \NH-CO-(CH₂)n - CH₃

. Присоединение гликофосфолипидов к карбоксильному концу фосфотидиловая кислота - фосфорня кислота - инозитол - гексозы -

              /

             \

    - 0-CH 42 0- /

             \COOH

Функция этих белков еще недостаточно ясна, но есть основание предполагать, что они являются компонентами узнавания, т.к. входят в состав рецепторов трансферрина, а фосфатидил-инозитоловая структура осуществляет функцию заякоривания к поверхности клеток.

Закрепление с помощью мембранного «якоря». Роль «якоря» может выполнять ковалентно связанный с белком остаток жирной кислоты (миристиновая - С₁₄ или пальмитиновая - С₁₆). Белки, связанные с жирной кислотой, локализованы в основном на внутренней поверхности плазматической мембраны. Миристиновая кислота присоединяется к N-концевому глицину с образованием амидной связи. Пальмитиновая кислота образует тиоэфирную связь с цистеином или сложноэфирную с остатками серина и треонина.

Небольшая группа белков может взаимодействовать с наружной поверхностью клеток с помощью ковалентно присоединенного к С-концу белка фосфатидилинозитолгликана. Этот «якорь» - часто единственное связующее звено между мембраной и белком, поэтому при действии фосфолипазыС этот белок отделяется от мембраны.

Поверхностные белки или домены интегральных белков, расположенные на наружной поверхности всех мембран, почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные остатки могут быть присоединены через амидную группу аспарагина или ОН-группу серина и треонина (рис. 3). Они защищают белки от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов или адгезии.

Фосфорилирование белка осуществляется по ОН-группам серина, треонина, реже тирозина ферментами из группы протеинкиназ, тогда как дефосфорилирование катализируют гидролитические ферменты фосфопротеинфосфатазы. В числе хорошо изученных процессов фосфорилирования следует назвать метаболизм гликогена, фосфорилирование тропонина и др.

Механизмы фосфорилирования, зависимые от сАМФ, имеют важное значение в функционировании мембран, гистонов, рибосомальных белков, гормонов и др. рибосомальных систем. Влияние остатка фосфорной кислоты на конформацию чаще всего главная причина изменения ферментативных свойств такого рода ферментов.

Регуляция каталитической активности ферментов путем фосфорилирования / дефосфорилирования. Модификации подвергаются ОН-группы фермента. Фосфорилирование осуществляется ферментами протеинкиназами, которые катализируют перенос остатков фосфорной кислоты с АТФ на гидроксигруппу аминокислотных остатков белка. При этом одни ферменты при фосфорилировании активируются, другие, напротив, становятся менее активными. Гликогенфосфорилаза существует в 2 формах: фосорилированная - активная; дефосфорилированная - неактивная.

Рецепторы адреналина - β-адренорецепторы: остатки серина и треонина в области третьего внутреннего домена и С-конца адренорецептора может фосфорилироваться под действием протеинкиназы А или специфической киназой β-адренорецептора. Фосфорилирование приводит к изменению конформации рецептора и снижению сродства к G-белку или препятствует связыванию с ним.

Рецепторы с тирозиновой активностью. Тирозиновые протеинкиназы - ферменты, фосфорилирующие специфические белки по тирозину. Примером рецепторной тирозиновой протеинкиназы может служить рецептор инсулина.

Рецептор инсулина - тирозиновая протеинкиназа, фосфорилизирующая белок по ОН-группам тирозина. Присоединение инсулина к центру связывания на α-субъединицах активирует фермент, причем субстратом служит сама тирозиновая протеинкиназа (β-субъединицы), т.е. происходит фосфорилирование β-субъединиц по нескольким тирозиновым остаткам. Фосфорилирование β-субъединиц происходит по механизму межмолекулярного трансфосфорилирования, т.е. одна β-цепь фосфорилирует другую β-цепь той же молекулы рецептора. Это, в свою очередь, приводит к изменению субстратной специфичности тирозиновой протеинкиназы; теперь она способна фосфорилировать другие внеклеточные белки. Дефосфорилирование рецептора под действием тирозиновой фосфопротеинфосфатазы возвращает его в неактивное состояние.

АДФ-рибозилирование Известно, что АДФ является коферментом дегидрогеназ. Это вещество в определенных случаях является фактором АДФ-рибозилирования белков с участием ряда рибосомальных и цитоплазматических ферментов. Действие этих ферментов связано с процессами элонгации, например в случае дифтерийного токсина, или терминации.

Наиболее изученный пример - ингибирование синтеза белков в клетках слизистой оболочки зева и гортани энтеротоксином возбудителя дифтерии Corynebacterium diphteriae. Некоторые штаммы этого патогенного микроорганизма получают ген токсина от бактериального вируса, который инфицирует бактерию и индуцирует синтез токсина - одноцепочечного белка с молекулярной массой 60 кДа. В цитоплазме клеток хозяина под влиянием протеолитических ферментов токсин расщепляется на 2 фрагмента, один из которых является ферментом АДФ-рибозилтрансферазой. Этот фермент катализирует АДФ-рибозилирование и инактивацию фактора элонгации EF-2 по реакции:

EF-2 + NAD⁺ АДФ-рибозил - EF-2 + никотинамид + Н⁺

Модификация фактора EF-2 нарушает транслокацию рибосом, ведет к прекращению биосинтеза белков в инфицированных клетках и к их гибели. С действием токсина связаны основные симптомы дифтерии.

Существует два типа АДФ-рибозилированых белков - моно- и поли-АДФ-рибозилпротеины. Моно-АДФ-рибозилпротены являются N-гликозидами, в большинстве случаев это субстраты бактериальных токсинов, направленных против эукариотов. В качестве акцепторных аминокислот используются аргинин, аспарагин, лизин и дифтамин.

Поли-АДФ-рибозилтрансферазы присутствуют в ядрах клеток, и они ответственны за поли-АТФ-рибозилирование ядерных белков. В качестве акцепторных аминокислот служат глутаминовая кислота и С-концевой лизин.

Гликозилирование. Наиболее распространенная модификация белка, приводящая к появлению одной самых многочисленных групп гликопротеидов. Существует много типов гликопротеидов, отличающихся друг от друга составом моносахаридов, их количеством, а также одновременным присутствием других лигандов - липидов, металлов и пр. Большинство гетерополисахаридов в качестве основы содержат полипептидную цепь, на которую нанизаны олигосахара. Ранее считали, что в мукополисахарах белок представляет собой примесь, на самом же деле они представляют собой протеогликаны, организующей структурой которых является полипептидная цепь, богатая серином и по типу биосинтеза они являются белками.

Олигосахариды присоединяются к коровому белку ковалентной связью 3 типов:

)        О-гликозидная связь между серином и ксилозой

)        О-гликозидная связь между серином или треонином и N-ацетилгалактозамином.

3)      N-гликозиламиновая связь между амидным азотом аспарагина и N-ацетилглюкозамином

Реакции синтеза гликозаминогликанов катализируют ферменты семейства трансфераз, обладающие абсолютной субстратной специфичностью. Эти трансферазы локализованы на мембране АГ. Сюда по каналам ЭР поступает коровый белок, синтезированный на полирибосомах, к которому присоединяются моносахариды связывающей области и затем наращивается вся полисахаридная цепь. Сульфатирование углеводной части происходит здесь с помощью сульфотрансферазы, донором сульфатной группы выступает ФА ФС.

К полипептидной цепи адапторная группа присоединяется по остаткам глюкозамина, т.е. со Гликозилирование многоэтаппый процесс и может происходит не только во время трансляции. Оно отмечено в различных структурах и вместе с тем характеризуется как строго организованный процесс. Гликозилируются не только первичные аминокислоты (аспарагиновая кислота, серин, треонин, цистин), но и вторичные (гидроксипролин, цистеин и др.) Гликозилирование может также происходить и неферментативным путем.

Амидирование. Осуществляется как по боковым, так и по концевым карбоксильным группам следующих аминокислотных остатков: аспарагиновой и глутаминовой кислоты, глицина, метионина, фенилаланина, пролина, тирозина, серина, валина. Оно встречается значительно чаще в довольно коротких активных пептидах, чем в белках. В белках амидируются главным образом аминогруппы боковых цепей асапарагиновой и глутаминовой кислот.

Глутамин часто входит в состав белка: для него характерно спонтанное дезаминирование, которое зависит от ближайшей аминокислотной последовательности. Ферментативное дезаминирование осуществляется дезаминазами тканей, а также некоторыми протеазами. Концевая глутаминовая кислота за счет внутреннего амидирования в γ-пирролидоновую кислоту, например на конце иммуноглобулиновых цепей.

Частично амидирована и аспарагиновая кислота: скорость ее спонтанного дезаминирования очень мала и также зависит от соседних последовательностей. Существуют теории о том, что этот процесс лежит в основе действия биологических часов. Известна кросс-связь, образующая при реакции аспарагиновой кислоты с ε-аминогруппой лизина.

Гидроксилирование полипептидной синтезируемого коллагена эластина и кератина приводит к появлению 4- или 3-оксипролина, 5-оксилизина и более сложных производных десмозина, лантионина, лизиноаланина и т.п.

Оксипролин входит в состав множества белков. Он встречается в коллагене, эластине, в C1q-компоненте комплемента, в растительных белках и антибиотиках, например в актиномицине. Вместе с тем это вторичная аминокислота, появляющаяся в коллагене в результате гидроксилирования пролинового радикала в длинных цепях проколлагена как перед образованием тройной спирали в соответствии со схемой:

      /---------¬

СО-N<  55 0        54 0¦ + О 42 0 + альфа-кетоглутарат

 ¦    \----------

      5¦ 0  52 0       53 0             + аскорбат

      CO

     ¦                      + Fe 52+

     /---------¬ОН

СО-N<  55 0        54 0¦

¦    \----------             сукцинат + СО 42

       5¦ 0  52 0       53

     CO

     ¦

Указанный процесс осуществляется в то время, когда полипептидная цепь еще связана с рибосомой, т.е. это - котрансляция. Группа ОН включается под влиянием специфических гидролаз, содержащих большое количество кислых аминокислот с ММ 300-400 кД и состоящих из субъединиц с ММ около 65 кД.

При образовании кросс-связей оксилизина к полипептидным цепям коллагена присоединяются олигосахара.

Модификация путем присоединения металлов. Известно много металлопротеинов, имеющих важное значение в метаболизме. Остановимся только на комплексах с кальцием и железом. Из кальциевых комплексов можно назвать различные низкомолекулярные белки, обладающие сходством в строении. К ним можно отнести парвальбумин, тропонин, кальмодулин и др. Эти белки необходимы для функционирования ферментов, связанных с кальцием, например, фосфодиэстераз, циклических нуклеотидов, фосфорилазы кальциевого насоса эритроцитов, АТФ-азы. Такие белки называются кальмодулинами. Они содержат специфические рецепторные участки, связывающие кальций. В результате его присоединения внутри белка образуется кристаллическая структура, характерная для солей кальция.

Подобное строение имеют некоторые комплексы железа, играющие большую роль в окислительно-восстановительных процессах. Кроме известных гемпротеидов, существуют еще ферродоксин и рубидоксин, содержащие свободное железо. Функция этих белков связана с переносом электрона, они принимают участие в процессах внутриклеточного дыхания.

Пример структуры железосодержащего белка:

                            \

                            CO

                           /

    S-----------Fe-S-CH 42 0-CH

   /¦          /¦          \

  / ¦         / ¦           NH

 Fe-+--------S  ¦          /

 ¦  ¦        ¦  ¦

 ¦  Fe-------¦--S

 ¦ /         ¦ /

 S-----------Fe

Факторы, определяющие модификацию. В первичной структуре присутствуют центры, специфические по последовательности, которые узнаются ферментом. Доказано, что модификация радикалов имеет место в районе с характерной аминокислотной последовательностью, например, сАМФ-зависимого фосфорилирования серотонина необходима последовательность Арг-Арг-Х-Сер-Р, а для некоторых фосфорилаз требуется группа Цис-Арг-Х-Х-Сер-Р.

Известно, что модифицирующие ферменты строго локализованы в клеточных структурах. Один и тот же белок может быть модифицирован в зависимости от модифицирующей системы. Эти факты объясняются тем, что модификация тесно сопряжена с транспортом и соответствующими системами, мозаично расположенными и связанными с каким-либо определенным участком цитозоля или органеллами клетки - полисомами, эндоплазматическим ретикулумом, аппаратом Гольджи и др.