Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами

     СОДЕРЖАНИЕ 

    ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………...3

1. Биосинтез белка…………………………………………………………....4
2. Генетический код и его свойства………………………………………....5
3. Основные компоненты белоксинтезирующей системы…………………7
4. Этапы синтеза полипептидной цепи……………………………………...12
5. Полирибосомы……………………………………………………………..15
6. Регуляция синтеза белка…………………………………………………..18
7. Ингибиторы синтеза белка………………………………………………..22
8. Регуляция активности белковых посредников путем их ковалентной модификации……………………………………………………………………………24
9. Регуляция активности белковых посредников путем нековаленткого взаимодействия с эффекторами………………………………………………………...25
10. Регуляция активности белковых посредников путем пространственного разобщения и взаимодействия с мембранами………………………………………….26

     ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………….27

     СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ…………………….28 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ 

     Одной из задач современной биологии и  ее новейших разделов – молекулярной биологии, биоорганической химии, физико-химической биологии – является расшифровка  механизмов синтеза молекулы белка, содержащей сотни, а иногда и тысячи остатков аминокислот. Механизм синтеза должен обладать точной кодирующей системой, которая автоматически программирует включение каждого аминокислотного остатка в определенное место полипептидной цепи. Кодирующая система определяет первичную структуру, а вторичная и третичная структуры белковой молекулы определяются физико-химическими свойствами и химическим строением аминокислот.

     Первоначальные  представления, согласно которым синтез белка могут катализировать те же протеолитические ферменты, что и вызывающие его гидролиз, но путем обратимости химической реакции, не подтвердились. Оказалось, что синтетические и катаболические реакции протекают не только различными путями, но и в разных субклеточных фракциях. Не подтвердилась так же гипотеза  о предварительном синтезе коротких пептидов с их последующим объединением в единую полипептидную цепь. Более правильным оказалось предположение, что для синтеза белка требуются источники энергии, наличие активированных свободных аминокислот и несколько видов нуклеиновых кислот.

     В современные представления о  механизме синтеза белка большой  вклад внесли советские биохимики. Так, в лаборатории А. Е. Браунштейна  было впервые указано  на участие  АТФ в синтезе квазипептидных связей. В. Н. Ореховичем еще 50-е годы было показано, что перенос аминоцильных или пептидильных группировок на NH2 группу аминокислот может осуществляться не только с амидной или пептидной, но и со сложноэфирной связи. Как будет показано ниже, именно этот механизм лежит в основе реакции транспептидирования в 50S рибосоме в стадии элонгации синтеза белка.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Биосинтез белка

     Что в синтезе белка, протекающем в основном в цитоплазме, решающую роль играют нуклеиновые кислоты, в частности ДНК. После того как было установлено, что ДНК является носителем и хранителем наследственной информации, был поставлен вопрос о том, каким образом эта генетическая информация, записанная (зашифрованная) в химической структуре ДНК, трансформируется в фенотипические признаки и функциональные свойства живых организмов, передающиеся по наследству. В настоящее время можно дать однозначный ответ на этот вопрос: генетическая информация программирует синтез специфических белков, определяющих в свою очередь специфичность структуры и функции клеток, органов и целостного организма. В природе, как известно, существуют два типа биополимерных макромолекул, так называемые неинформативные биополимеры и информативные биополимеры, несущие первичную генетическую информацию и вторичную генетическую, точнее фенотипическую информацию. Эти общие представления могут быть выражены следующей последовательностью событий (поток информации):

     ДНК-РНК-Белок-Клетка-Организм

     Биосинтез белка, хотя непосредственно и регулируется рибонуклеиновыми кислотами, опосредованно связан с контролирующим влиянием ДНК ядра и что РНК сначала синтезируется в ядре, затем поступает в цитоплазму, где выполняет роль матрицы в синтезе белка. Полученные значительно позже экспериментальные данные подтвердили гипотезу о том, что основной функцией нуклеиновых кислот является не только хранение генетической информации, но и реализация этой информации путем программированного синтеза специфических белков.

     Однако  в этой последовательности ДНК-РНК-Белок недоставало сведений о том, каким образом происходят расшифровка наследственной информации и синтеза специфических белков, определяющие многообразие признаков живых существ. В настоящее время выяснены основные процессы, посредством которых осуществляется передача наследственной информации: они включают репликацию, т. е. синтез ДНК на матрице ДНК, транскрипцию, т. е. перевод языка и типа строения ДНК на молекулу РНК, и трансляцию – процесс, в котором генетическая информация, содержащаяся в молекуле мРНК, направляет синтез соответствующей аминокислотной последовательности в белке. Многие тонкие механизмы транскрипции окончательно не выяснены.

     Получены  экспериментальные доказательства наличия ДНК также в митохондриях. Она не гомологичная и не комплементарна ядерной ДНК. Предполагается, что митохондриальная ДНК кодирует синтез части структурных белков самих митохондрий.

     Значительный  вклад в современные представления  о месте, факторах и механизме  синтеза белка внесли исследования Т. Касперсона, П. Берга, П. Замечника, С. Очоа, А. А. Баева, А. С. Спирина и др.

2. Генетический код и его свойства

     Необходимость кодирования структуры белков линейной последовательности

       нуклеотидов мРНК и ДНК продиктованы тем, что в ходе трансляции:

• Нет соответствия между числом номеров в матрице мРНК и продукте – синтезируемом белке;
• Отсутствует структурное сходство между мономерами РНК и белка.

     Это исключает комплиментарное взаимодействие между матрицей и продуктом –  принцип, по которому осуществляется построение новых молекул ДНК и РНК, в  ходе репликации и транскрипции.

     Отсюда  становится ясно, что должен существовать «словарь», позволяющий выяснить, какая  последовательность нуклеотидов мРНК обеспечивает включение в белок  аминокислот в заданной последовательности. Этот «словарь» получил название генетического, биологического, нуклеотидного или аминокислотного кода. Он позволяет шифровать аминокислоты, входящие в состав белков, с помощью определенной последовательности нуклеотидов в ДНК и мРНК. Для него характерны определенные свойства.  

     Триплетность. Одним из основных вопросов при выяснении свойств кода был вопрос о числе нуклеотидов, которое должно определять включение  в белок одной аминокислоты. Сразу было понятно, что это число не может быть равным 1 или 2, так как в этом случае количество кодирующих элементов будет недостаточно для шифрования 20 аминокислот в белках. Число кодирующих последовательностей из четырех нуклеотидов по три равно 43=64, что более чем в 3 раза превышает минимальное количество, которое необходимо для кодирования 20 аминокислот. В дальнейшем было установлено, что кодирующими элементами в шифровании аминокислотной последовательности действительно являются тройки нуклеотидов или триплеты, которые получили название «кодоны».  

     Смысл кодонов 

     Смысл кодонов стал понятен в 60-х г. XX столетия, когда, используя безклеточную систему синтеза белков и синтетические полирибонуклеотиды и заданной последовательностью нуклеотидов в качестве матрицы, М. Ниренберг и Г. Маттей синтезировали полипептиды определенного строения. Так, на матрице поли-У, состоящей только из остатков УМФ, был получен полифенилаланин, а на матрице поли-Ц –полипролин. Из этого следовало, что триплет – UUU кодирует Фен, а триплет  - ССС – Про.

     В последующих экспериментах использовали смешанные синтетические полирибонуклеотиды с известным составом. В результате этой работы удалось установить, что из 64 кодонов включения аминокислот в синтезирующуюся полипептидную цепь шифрует 61 триплет, а 3 остальных UAA, UAG, UGA не кодируют включение в белок аминокислот и первоначально были названы бессмысленными, или нонсенкодоном. Однако в дальнейшем было показано, что эти триплеты сигнализируют о завершении трансляции, и поэтому их стали называть терминируюшими, или стоп-кодонами.

     Кодоны  мРНК и триплеты нуклеотидов в  кодирующей нити ДНК с направлением от 5¢ к 3¢ - концу имеют одинаковую последовательность азотистых оснований, за исключением того, что в ДНК вместо урацила (U), характерного для мРНК, стоит тимин (Т).  

     Специфичность

     Каждому кодону соответствует только одна определенная аминокислота. В этом смысле генетический код строго однозначен.  

     Выраженность 

     В мРНК и ДНК имеет смысл 61 триплет, каждый из которых кодирует включение  в белок одну из 20 аминокислот. Из этого следует, что в информационных молекулах включения в белок  одной и той же аминокислот определяет несколько кодонов. Это свойство биологического кода получило название вырожденности.

     У человека одним кодоном зашифрованы  только 2 аминокислоты – Мет и  Три, тогда как Лей, Сер и Арг  – шестью кодонами, а Ала, Вал, Гли, Про, Тре – четырьмя кодонами.

     Избыточность  кодирующих последовательностей –  ценнейшее свойство когда, так как  она повышает устойчивость информационного  потока к неблагоприятным воздействиям внешней и внутренней среды. При  определении природы аминокислоты, которая должна быть заключена в белок, третий нуклеотид в кодоне не имеет столь важного значения, как первые два. Для многих аминокислот замена нуклеотида третьей позиции кодона не сказывается на его смысле.  

     Линейность  записи информации

     В ходе трансляции кодоны мРНК «читаются» с фиксированной стартовой точки последовательно и не перекрываются. В записи информации отсутствуют сигналы, указывающие на конец одного кодона и начала следующего.

     Кодон AUG является инициирующим и прочитывается  только в начале, так и в других участках мРНК как Мет. Следующие за ним триплеты читаются последовательно без каких либо пропусков вплоть до стоп-кодона, на котором синтез полипептидной цепи завершается.  

     Универсальность

     До  недавнего времени считалось, что  код абсолютно универсален, т. е. смысл кодовых слов одинаков для всех изученных организмов: вирусов, бактерий, растений, земноводных, млекопитающих, включая человека. Однако позднее стало известно одно исключение, казалось, что митохондриальная МРНК содержит 4 триплета, имеющих другое значение, чем в мРНК ядерного происхождения. Так, в мРНК митохондрий триплет UGA кодирует Три, AUA –Мет, а AGA и AGG причитываются как дополнительные стоп-кодоны.  

     Колинеарность гена и продукта

     У прокариотов обнаружено линейное соответствие последовательности кодонов гена и последовательности аминокислот в белковом продукте, или, как говорят, существует колинеарность гена и продукта.

     У эукариотов последовательности оснований  в гене, колинеарные аминокислотной последовательности в белке, прерываются интронами. Поэтому в эукариотических клетках аминокислотная последовательность белка колинеарна последовательности экзонов в гене или зрелой МРНК после постранскрипционного удаления интронов.  
 

3. Основные  компоненты белоксинтезирующей системы

     Для синтеза полипептидной цепи необходимо большое количество компонентов, совместное и согласованное взаимодействие приводит к образованию белка.  

     Аминокислоты 

     Все 20 аминокислот, входящих в структуру  белков организма человека, должны присутствовать в достаточном количестве. Это требование прежде всего относится к незаменимым (т. е. не синтезирующимся в организме) аминокислотам, так как недостаточное снабжение клетки хотя бы одной незаменимой аминокислотой приводит к снижению, а иногда и полной остановке синтеза белка на кодоне, требующем включения этой аминокислоты в белок.