Клеточный цикл и его регуляция

Матричные синтезы

 

Удвоение молекулы ДНК – репликация. В результате этого и последующего деления дочерние клетки наследуют геном родителей, в котором полный набор генов, или инструкция о строении РНК и всех белков организма. Это первый поток передачи информации.

Второй поток – происходит в процессе жизнедеятельности клетки. Происходит считывание, или транскрипция, генов в форме полинуклеотидных последовательностей мРНК и использование их как матрица для синтеза соответствующих белков. Т.е. происходит перевод, или трансляция информации с мРНК на язык аминокислот. Поток информации от ДНК через РНК на белок – центральная догма биологии.

Исправление ошибок в структуре ДНК, возникающих под действием внешних и внутренних факторов, осуществляет еще один матричный синтез – репарация.

Итак, к матричным синтезам относят репликацию, транскрипцию, трансляцию и репарацию.

 

Репликация

Хромосома содержит одну непрерывную двухцепочечную молекулу ДНК. При репликации каждая цепь родительской ДНК служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Вновь образованная двойная спираль имеет одну исходную и одну вновь синтезируемую цепь. Такой механизм носит название полуконсервативная репликация.

Репликация состоит из стадий:

Инициация – образование репликативной вилки

Элонгация – синтез новых цепей

Исключение праймеров

Терминация

 

Синтез ДНК происходит в S-фазу. Инициацию репликации регулируют специфические сигнальные белки – факторы роста. Они связываются с рецепторами мембран, передающих сигнал, побуждающий клетку к началу репликации. Синтез новых одноцепочечных молекул ДНК может произойти только при расхождении родительских цепей. В определенном сайте (точка начала репликации) происходит локальная денатурация ДНК, цепи расходятся и образуются две репликативные вилки, движущиеся в противоположных направлениях. Образование репликативной вилки:

ДНК-топоизомеразы (I, II, III) обладают нуклеазной активностью. ДНК-топоизомераза I разрывает фосфоэфирную связь в одной из из цепей и ковалентно присоединяется к 5’-концу в точке разрыва.По окончании формирования репликативной вилки фермент ликвидирует разрыв и отделяется от ДНК. Разрыв водородных связей в двухцепочечной ДНК осуществляет ДНК-хеликаза. Она использует АТФ для расплетения двойной спирали. В результате происходит раскручивание участков суперспирализованной молекулы. В поддержании этого участка в раскрученном состоянии участвуют SSВ-белки. Кготорые связываются с одноцепочечной нитью. Эти белки не закрывают азотистые основания, но не дают комплементарное скручивание и образование шпилек. Они обладают большим сродством к одноцепочечным участкам.

 

 

Репликация осуществляется ДНК-полимеразами. Субстратами и источниками энергии служат дезоксирибонуклеозидфосфаты дАТФ, дГТФ, дЦТФ и дТТФ. Для их активации необходимы ионы магния, т.к. они нейтрализуют отрицательный заряд и повышают их реакционную способность. Синтез происходит в направлении 5’ → 3’ растущей цепи, т.е. очередной нуклеотид присоединяется к свободному 3’-ОН- концу предшествующего нуклеотида. Синтезируемая цепь всегда антипараллельна матричной цепи. В ходе репликации образуются 2 дочерние цепи, являющиеся копиями матричных цепей.

Существует 5 ДНК-полимераз (α, β, γ, δ, ε). Они различаются по числу суъединиц, молекулярной массе и функциональному назначению. ДНК-полимеразы α, β, δ, ε участвуют в синтезе ДНК в ядре, а γ в репликации митохондриальной ДНК.

Репликацию инициирует ДНК-полимераза α, т.к. коплементарна определенному сайту одноцепочечной ДНК. Она синтезирует небольшой фрагмент РНК – праймер, состоящий из 8-10 рибонуклеотидов. Далее она синтезирует олигонуклеотид их ≈ 60 нуклеотидных остатков. Первые 8-10 представлены рибонуклеотидами, остальные – дезоксирибонуклеотидами.

Этот олигонуклеотид, образующий небольшой двухцепочечный фрагмент с матрицей позволяет присоединиться ДНК-полимеразе δ и продолжить синтез новой цепи в направлении от 5’- к 3’- концу по ходу раскручивания репликативной вилки. В каждой репликативной вилке идет одновременно синтез двух новых цепей. Лишь для одной цепи совпадает движение с репликативной вилкой – это лидирующая цепь. Для другой цепи синтез осуществляется ДНК-полимеразой α и ε в направлении 5’- к 3’- концу, но против движения репликативной вилки. Поэтому вторая цепь синтезируется прерывисто, короткими фрагментами (фрагменты Оказаки). Эту цепь называют отстающей. Каждый фрагмент ≈ 100 нуклеотидови содержит праймер. Праймеры удаляет ДНК-полимераза β, постепенно отщепляя по одному рибонуклеотиду и присоединяет к ОН-группе на 3’- конце дезоксирибонуклеотиды. Далее ДНК-лигаза закрывает брешь и образуется непрерывная цепь ДНК.

Инициация ДНК происходит в нескольких сайтах хромосомы. Их называют сайтами репликации, или ориджинами. Последовательность ДНК, ограниченную двумя ориджинами, называют единицей репликации, или репликоном. Две репликативные вилки двигаются в противоположных направлениях до тех пор пока не встретяться.

 

После завершения репликации происходит метилирование нуклеотидных остатков вновь образованных цепей. Метильные группы присоединяются ко всем остаткам аденина в последовательности GATC с образованием

N₆-метиладенин или возможно метилирование цитозина в последовательности GC с образованием N₅-метилцитозина. Количество метилированных оснований равно ≈ 1-8%. Модификация происходит при участии ферментов. Использующих метильные группы S-аденозилметионина (SАМ). Присоединение метильных групп к остаткам аденина и цитозина не нарушает комплементарности цепей.

Наличие метильных групп в цепях ДНК необходимо для формирования структуры хромосом и для регуляции транскрипции генов.

В течение непродолжительного времени в молекуле ДНК последовательности – GATC- метилированы по аденину только в матричной цепи. Это различие используется ферментами репарации для исправления ошибок репликации.

 

На каждом конце хромосомы присутствует специфическая нуклеотидная последовательность. Она представлена многочисленными повторами (сотни или тысячи раз) олигонуклеотидов – GGGTTA-. Это сочетание называют теломерной последовательностью, или теломерной ДНК. Наличие теломер необходимо для завершения репликации концевых информативных последовательностей хромосом, т.е. для сохранения генетической информации. После завершения репликации хромосомы 5’-конца дочерних цепей ДНК недостроены, т.к. после удаления праймеров эти фрагменты оказываются недореплицированными, потому что ДНК-полимераза β, ответственная за заполнение бреши не может вести синтез цепи ДНК от

3’- к 5’- концу. Таким образом в ходе каждого цикла репликации 5’- концы синтезированных цепей укорачиваются. Эти потери не представляют опасности для генетической информации, т.к. укорочение идет за счет теломер.

Т.о. с каждым клеточным делением ДНК хромосом будут последовательно укорачиваться. Укорочении теломер в большинстве клеток по мере их старения – важный фактор, определяющий продолжительность жизни организма.

Однако в эмбриональных и других быстро делящихся клетках потери концов хромосом недопустимы. В клетках имеется фермент теломераза (нуклеотидилтрансфераза), которая восстанавливает недореплецированные

5’-концы. В ферменте в качестве простетической группы присутствует РНК. Она находится в активном центре фермента и служит матрицей при синтезе теломерных повторов хромосом, т.е. постепенно наращивает гексануклеотид – GGGTTA-. В большинстве клеток она не активна. Однако небольшая ее активность обнаруживается в лимфоцитах, стволовых клетках костного мозга. клетках эпителия, эпидермисе кожи.

 

Репарация

Процесс репарации происходит в несколько этапов.

На первом этапе выявляется нарушение комплементарности цепей ДНК

Второй этап – комплементарный нуклеотид или основание устраняется. Третий и четвертый этап – идет восстановление целостности цепи по принципу комплементарности.

Редко происходят повреждения, затрагивающие обе цепи ДНК. Такие повреждения в половых клетках не репарируются.

Спонтанные повреждения

Ошибка репликации. Если в дочернюю цепь включены некомплементарные нуклеотиды, то ДНК-полимеразы δ и ε способны сделать шаг назад и вырезать последний нуклеотид, если он не комплементарен матричной цепи. Если это не срабатывает, то по наличию метилированных остатков аденина в последовательностях

– GATC- ферменты должны успеть выявить ошибку репликации и устранить ее.

Распознавание и удаление некомплементарного нуклеотида происходит при участи специальных белков mut S, mut L, mut H. Мut S находит неправильную пару и связывается с этим фрагментом. Мut H присоединяется к метилированному участку – GATC-, расположенному вблизи некомплементарной пары. Мut L связующее звено и завершает образование активного фермента и mut H проявляет эндонуклеазную активность и удаляется некомплементарный участок, брешь застраивает ДНК-полимераза β и соединяет участки цепи ДНК-лигаза. Во всем процессе обязательно присутствие SSВ – белков.

 

 

Депуринизация

ДНК каждой клетки теряет за сутки около 5000 пуриновых остатков из-зи разрыва N-гликозидной связи между пурином и дезоксирибозой и тогда образуется участок, лишенный азотистых оснований. Он называется АП-сайт. Это повреждение устраняет ДНК-инсертаза, которая прямо вставляет комплементарные основания без разрезания цепи ДНК.

 

Дезаминирование

Реакции дезаминирования происходят значительно реже.

Цитозин – урацил, аденин – гипоксантин, гуанин – ксантин.

Исправление происходит в несколько этапов. Сначала ДНК- N-гликозилаза гидролизует связь между аномальным основанием и дезоксирибозой, обпазуется АП-сайт. Его распознает АП-эндонуклеаза – возникает разрыв в цепи и включается АП-экзонуклеаза, которая отщепляет дезоксирибозу, лишенную основания. Далее брешь в один нуклеотид Заполняет по принципу комплементарности ДНК-полимераза β, далее ДНК-лигаза закрывает брешь.

Нерепарируемо и потому очень опасно дезаминирование метилированного цитозина, т.к. продукт его спонтанного дезаминирования – тимин, нормальное для ДНК основание, которое не распознается ДНК- N-гликозилаза.

 

Индуцируемые повреждения

Возникают в результате действия мутагенных факторов радиационной и химической природы. Под действием УФО образуются димеры пиримидиновых оснований.

Удаление пиримидиновых димеров происходит под действием фотолиаз. Они расщепляют вновь образованные связи и восстанавливают первоначальную структуру. В фотолиазе есть участки, которые либо сами поглощают фотоны в синей части спектра, либо фотоны поглощаются, связываясь с кофакторами фермента.

 

 

Транскрипция

Первая стадия реализации генетической информации в клетке. Образуются молекулы мРНК, которые служат матрицей для синтеза белка, а также тРНК, рРНК и другие виды молекул РНК.

В основе транскрипции лежит также принцип комплементарности оснований в молекуле РНК: G≡C, A=U, T=A. ДНК служит только матрицей и в ходе транскрипции не меняется. ЦТФ, ГТФ, АТФ, УТФ являются субстратами и источниками энергии.

Синтез молекул РНК начинаются в определенных сайтах ДНК(промоторы) и завершается в терминирующих участках (сайты терминации). Участок ими ограниченный – транскриптон. В состав транскриптона обычно входит один ген. В каждом транскриптоне присутствует неинформативная зона. Она содержит нуклеотиды для взаимодействия с регуляторными транскрипционными факторами. Транскрипционные факторы – это белки, замедляющие или ускоряющие трпнскрипцию. Соседние транскриптоны могут отделяться друг от друга нетранскрибируемыми участками ДНК. Разделение ДНК на множество транскриптонов позволяет считывать разные гены с разной скоростью. В каждом транскриптоне транскрибируется только одна из цепей ДНК, которая называется матричной, вторая комплементарная ей – кодирующая. Матричная цепь всегда антирараллельна синтезируемой цепи. Синтез идет от от 5’- k 3’- концу. Транскрипция не связана с фазами клеточного цикла и зависит от потребностей клетки.

Биосинтез РНк осуществляется ДНК-зависимыми РНК-полимеразами. Их три. РНК-полимераза I синтезирует пре-рРНК. РНК-полимераза II синтезирует пре-мРНК. РНК-полимераза III синтезирует пре-тРНК. Это олигомерные белки, состоящие из нескольких субъединиц - 2α, β, β’, σ.

Субъединица σ выполняет регуляторную функцию.

 

Стадии транскрипции

Различают 3 стадии: инициация, элонгация и терминация.

Инициация. Активация промотора происходит с помощью белка – ТАТА- фактора. Он взаимодействует со специфической последовательностью нуклеотидов – ТАТААА-(ТАТА-бокс). Присоединение ТАТА-фактора облегчает взаимодействие промотора с РНК-полимеразой. Раскручивается один виток спирали ДНК, т.е. образуется транскрипционная вилка и матрица становится доступной для инициации синтеза цепи РНК. Синтезируется нуклеотид из 8-10 остатков, σ-субъединица отделяется от РНК-полимеразы и на ее место присоединяются факторы элонгации.

Элогнация. Факторы элонгации повышают активность РНК-полимеразы и облегчают расхождение цепей ДНК. Синтез идет от от 5’- k 3’- концу комплементарно матричной цепи ДНК. На этой стадии в области транскрипционной вилки одновременно разделены примерно 18 нуклеотидных пар ДНК. Растущий конец цепи РНК образует временную гибридную спираль из ≈ 12 пар нуклеотидных остатков ДНК. По мере продвижения РНК-полимеразы по матрице в направлении от 3’- k 5’- концу впереди происходит расхождение, а позади восстановление двойной цепи ДНК.

Терминация. Завершается синтез РНК в сайтах-иерминации. Фактор терминации облегчает отделение первичного транскрипта (пре-м-РНК), комплементарного матрице, и РНК-полимеразы от матрицы. РНК-полимераза может вступать в следующий цикл транскрипции после присоединения суъединицы σ.

Процессинг матричной РНК.

Первичные транскрипты продвергаются модификации. Это необходимо для функционирования мРНК в качестве матрицы. Модификация начинается, когда длина первичного транскрипта достигает примерно 30 нуклеотидов. На 5’-конце происходит кэпирование. Гуанилилтрансфераза гидролизует макроэргическую связь в ГТФ и присоединяет нуклеотиддифосфатный остаток 5’-фосфатной группой к 5’-концу синтезированного фрагмента РНК с образованием 5’, 5’-фосфодиэфирной связи. Далее метилирование остатка гуанина в составе ГТФ с образованием N₇-метилгуанозина и этим завершается образование кэпа.

Модифицированный 5’-конец обеспечивает инициацию трансляции, удлиняет время жизни мРНК, защищая ее от действия экзонуклеаз в цитоплазме. Кэпирование необходимо для инициации синтеза белка, т.к. инициирующие триплеты AUG и GUG распознаются рибосомой только в присутствии в присутствии кэпа. Наличие кэпы необходимо для обеспечения ферментного удаления интронов.

Модификация 3’-конца происходит под действием полиА-полимеразы. Формируется полиА-последовательность (полиА-хвост) из 100-200 остатков адениловой кислоты. Сигналом к началу полиаденирования является последовательность – ААUААА- на растущей цепи РНК. Наличие полиА-хвоста облегчает выход мРНК из ядра и замедляет ее гидролиз в цитоплазме.

Сплайсинг мРНК происходит в ядре и в цитоплазму поступает уже зрелая РНК с вырезанными интронами. Процесс вырезания интронов происходит при участии малых ядерных рибонуклеопротеинов (мяРНП). В их состав входят мяРНК. На 5’- и 3’-концах имеются специфические последовательности AGGU и GАGG, которые и обеспечивают удаление интронов из пре-мРНК.

Существует альтернативный сплайсинг, который приводит к формированию разных мРНК и соответственно к синтезу белков тканеспецифичных или к изоформам различных белков. Это происходит потому, что интроны в одном положении могут быть экзонами с соответствующими последствиями.

 

Биосинтез белков

Перевод информации мРНК в аминокислотную последовательность белка требует кодирования.

Необходимость кодирования продиктована тем, что нет соответствия между числом мономеров в матрице РНК и синтезируемом белке.

Отсутствует структурное сходство между мономерами РНК и белка.

Это исключает комплементарное взаимодействие. Существует словарь, обеспечивающий включение в белок аминокислот в определенной последовательности. Это генетический, или биологический, или нуклеотидный, или аминокислотный код.

Его характерные свойства.

Триплетность. Для шифровки используется тройка нуклеотидов, или триплеты, получившие название кодоны.

Установлено, что из 64 кодонов только 61 шифрует полипептидную цепь, а три сигнализируют о завершении трансляции и названы стоп-кодонами.

Специфичность. Каждому кодону соответствует определенная аминокислота. Генетический код строго однозначен.

Вырожденность. 61 триплет включает по одной аминокислоте, а значит кодирование одной аминокислоты определяют несколько кодонов. Это свойство называется вырожденность. Это повышает устойчивость информационного потока к неблагоприятным воздействиям внешних и внутренних факторов. При определении природы аминокислоты третий нуклеотид в кодоне не имеет важного значения, как первые два. Замена третьего нуклеотида 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 отсутствует сигнал на конец и начало следующего кодона.

Кодон AUG является инициирующим и прочитывается как в начале, так и в других участках. Следующие кодоны читаются последовательно без пропусков вплоть до стоп-кодона. На нем синтез полипептидной цепи заканчивается.

Универсальность. Считается, что код абсолютно универсален для все организмов. Однако, стало известно, что 4 триплета митохондриальной мРНК имеют другое значение, чем в мРНК ядерной.

Колинеарность. Последовательность в гене и продукте.

 

Основные компоненты белок синтезирующей системы.

Аминокислоты. Всего 20 аминокислот входят в структуру белков организма. Они должны присутствовать в достаточном количестве. Особенно это относится к незаменимым аминокислотам, т.к. недостаточное снабжение клетки хотя бы одной из них приводит к остановке синтеза белка.

мРНК. После переноса информации с ДНК на матричную РНК начинается синтез белков. Каждая зрелая мРНК несет информацию только об одной полипептидной цепи. Если клетке необходимы другие белки, то необходимо транскрибировать мРНК с иных участков ДНК.

тРНК. У человека около 60 различных тРНК включают аминокислоты в белок. Так как существует около 60 различных тРНК, то некоторым аминокислотам соответствует по две или более тРНК. Различные тРНК, присоединяющие одну аминокислоту, называют изоакцепторными.

Присоединение аминокислоты к тРНК осуществляется ферментом аминоацил-тРНК-синтетазой, имеющей специфичность одновременно к двум соединениям: какой-либо аминокислоте и соответствующей ей тРНК. Для реакции требуется две макроэргические связи АТФ. Аминокислота присоединяется к 3'-концу акцепторной петли тРНК через свою α-карбоксильную группу, и связь между аминокислотой и тРНК становится макроэргической. α-аминогруппа остается свободной. Первые два основания кодона и последние два основания антикодона образуют обычные прочные пары и вносят наибольший вклад в специфичность декодирования. Третье основание кодона и первое основание антикодона связываются слабее и поэтому некоторые тРНК могут прочитывать больше, чем один кодон. Это гипотеза качания, т.е. третье основание большинства кодонов имеет определенную степень свободы при образовании пары с соответствующим антикодоном.

Аминоацил-тРНК-синтетазы. Каждая из них узнает только одну определенную аминокислоту и те тРНК, которые способны связываться с этой аминокислотой. Т.е. в цитозоле есть 20 различных ферментов.

Рибосомы -внутриклеточных белоксинтезирующие органеллы.

Состоят из 40S (малой) и 60S (большой) субъединиц.;Каждая субъединица включает рРНК и белки. Белки выполняют структурную функцию, обеспечивая взаимодействие всех структур. Различают рибосомы двух типов. Свободные в цитоплазме и связанные с эндоплазматическим ретикулом (ЭР), последние осуществляют синтез белка на экспорт.

Источник энергии. На включение одной аминокислоты расходуется 4 макроэргических связей: 2 из АТФ и 2 ГТФ. И еще АТФ и ГТФ на инициацию и терминацию полипептидной цепи.

 

Трансляция (синтез белка)

Выделяют три основных стадии трансляции: инициация, элонгация, терминация.

Инициация

Для инициации необходимы мРНК, ГТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, три белковых фактора инициации (ИФ-1, ИФ-2, ИФ-3), метионин и тРНК для метионина.

 

В начале этой стадии формируются два тройных комплекса:

первый комплекс – мРНК + малая субъединица + ИФ-3,

второй комплекс – метионил-тРНК + ИФ-2 + ГТФ.

 

После формирования тройные комплексы объединяются с большой субъединицей рибосомы. В этом процессе активно участвуют белковые факторы инициации, источником энергии служит ГТФ. После сборки комплекса инициирующая метионил-тРНК связывается с первым кодоном АУГ матричной РНК и располагается в П-центре (пептидильный центр) большой субъединицы. А-центр (аминоацильный центр) остается свободным, он будет задействован на стадии элонгации для связывания аминоацил-тРНК.

 

Гидролиз макроэргов дает энергию для скольжения по некодирующей части мРНК. Формируются две центра рибосом П и А. В П (Р) центре оказывается AUG-кодон мРНК с присоединенной к нему Мет-тРНК_i^мет. В клетках есть две различающиеся по структуре тРНК, узнающие кодон AUG-. Инициирующий кодон узнает тРНК_i^мет, а триплеты мРНК, кодирующие включение метионина во внутренние участки белка, прочитываются другой тРНК^мет. В А-центре находится триплет. Кодирующий включение первой аминокислоты синтезируемого белка.

После присоединения большой субъединицы начинается стадия элонгации.

 

Элонгация

Для этой стадии необходимы все 20 аминокислот, тРНК для всех аминокислот, белковые факторы элонгации, ГТФ. Удлинение цепи происходит со скоростью примерно 20 аминокислот в секунду.

В ходе элонгации рибосома с помощью аа-тРНК последовательно читает мРНК в виде триплетов нуклеотидов, идущих за инициирующим кодоном в направлении от 5’- к 3’-концу, наращивает полипептидную цепочку за счет последовательного присоединения аминокислот.

Элонгация представляет собой циклический процесс. Первый цикл (и следующие циклы) элонгации включает три шага:

Присоединение аминоацил-тРНК (еще второй) к кодону мРНК (еще второму), аминокислота при этом встраивается в А-центр рибосомы. Источником энергии служит ГТФ.

Фермент пептидилтрансфераза осуществляет перенос метионина с метионил-тРНК (в П-центре) на вторую аминоацил-тРНК (в А-центре) с образованием пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. При этом уже активированная СООН-группа метионина связывается со свободной NH2-группой второй аминокислоты. Здесь источником энергии служит макроэргическая связь между аминокислотой и тРНК.

Фермент транслоказа перемещает мРНК относительно рибосомы таким образом, что первый кодон АУГ оказывается вне рибосомы, второй кодон (на рисунке) становится напротив П-центра, напротив А-центра оказывается третий кодон (на рисунке). Для этих процессов необходима затрата энергии ГТФ. Так как вместе с мРНК перемещаются закрепленные на ней тРНК, то инициирующая первая тРНК выходит из рибосомы, вторая тРНК с дипептидом помещается в П-центр.

Терминация

Синтез белка продолжается до тех пор, пока рибосома не достигнет на мРНК особых терминирующих кодонов – стоп-кодонов УАА, УАГ, УГА. Данные триплеты не кодируют ни одной из аминокислот, их также называют нонсенс-кодоны. При вхождении этих кодонов внутрь рибосомы происходит активация белковых факторов терминации, которые последовательно катализируют:

Гидролитическое отщепление полипептида от конечной тРНК.

Отделение от П-центра последней, уже пустой, тРНК.

Диссоциацию рибосомы.

Источником энергии для завершения трансляции является ГТФ.

Реакции стадии терминации

Полирибосомы

По причине того, что продолжительность жизни матричной РНК невелика, перед клеткой стоит задача использовать ее максимально эффективно, т.е. получить максимальное количество "белковых копий". Для достижения этой цели на каждой мРНК может располагаться не одна, а несколько рибосом, встающих последовательно друг за другом и синтезирующих пептидные цепи. Такие образования называются полирибосомы.

 

Посттрансляционные модификации полипептидной цепи. Новосинтезированным белкам надо "созреть"

После того как пептидная цепь отходит от рибосомы она должна принять свою биологически активную форму, т.е. свернуться определенным образом, связать какие-либо группы и т.п. Реакции превращения полипептида в активный белок называются процессинг или посттрансляционная модификация белков.

К основным реакциям процессинга относятся:

1. Удаление с N-конца метионина или даже нескольких аминокислот специфичными аминопептидазами.

2. Образование дисульфидных мостиков между остатками цистеина.

3. Частичный протеолиз – удаление части пептидной цепи, как в случае с инсулином или протеолитическими ферментами ЖКТ.

4. Присоединение химической группы к аминокислотным остаткам белковой цепи: фосфорной кислоты – например, фосфорилирование по аминокислотам серину, треонину, тирозину используется при регуляции активности ферментов или для связывания ионов кальция,

карбоксильной группы – например, при участии витамина К происходит γ-карбоксилирование глутамата в составе протромбина, проконвертина, фактора Стюарта, Кристмаса, что позволяет связывать ионы кальция при инициации свертывания крови, метильной группы – например, метилирование аргинина и лизина в составе гистонов используется для регуляции активности генома, гидроксильной группы – например, образование гидроксипролина и гидроксилизина необходимо для созревания молекул коллагена при участии витамина С, йода – например, в тиреоглобулине присоединение йода необходимо для образования предшественников тиреоидных гормонов йодтиронинов.

5. Включение простетической группы:

углеводных остатков – например, гликирование требуется при синтезе гликопротеинов.

гема – например, при синтезе гемоглобина, миоглобина, цитохромов, каталазы,

витаминных коферментов – биотина, ФАД, пиридоксальфосфата и т.п.

6. Объединение протомеров в единый олигомерный белок, например, гемоглобин, коллаген, лактатдегидрогеназа, креатинкиназа.

 

Фолдинг белков

Фолдинг – это процесс укладки вытянутой полипептидной цепи в правильную трехмерную пространственную структуру. Для обеспечения фолдинга используется группа вспомогательных белков под названием шапероны (chaperon, франц. – спутник, нянька). Они предотвращают взаимодействие новосинтезированных белков друг с другом, изолируют гидрофобные участки белков от цитоплазмы и "убирают" их внутрь молекулы, правильно располагают белковые домены. Шапероны представлены семействами, состоящими из гомологичных по строению и функциям белков, которые отличаются по характеру экспрессии и присутствию в разных компартментах клетки.

 

В целом шапероны способствуют переходу структуры белков от первичного уровня до третичного и четвертичного, но они не входят в состав конечной белковой структуры.

Новосинтезированные белки после выхода с рибосом для правильного функционирования должны укладываться в стабильные трехмерные структуры и оставаться такими на протяжении всей функциональной жизни клетки. Поддержание контроля качества структуры белка и осуществляется шаперонами, катализирующими укладку полипептидов. Сборка полипротеинов и укладка мультибелковых комплексов также осуществляется шаперонами. Шапероны связываются с гидрофобными участками неправильно уложенных белков, помогают им свернуться и достигнуть стабильной нативной структуры и, тем самым, предотвращают их включение в нерастворимые и нефункциональные агрегаты. В течение своей функциональной жизни белок может подвергаться различным стрессам и денатурации. Такие частично денатурированные белки могут стать, во-первых, мишенью протеаз, во-вторых, агрегировать и, в-третьих, укладываться в нативную структуру с помощью шаперонов. Баланс и эффективность, с которой происходят эти три процесса, определяются соотношением компонентов, участвующих в этих реакциях.

- Транспорт многих белков из одного компартмента в другой.

- Участие в сигнальных путях. Например, присутствие Hsp70 необходимо для активации фосфатазы, которая путем дефосфорилирования ингибирует протеинкиназу JNK, компонент сигнала стресс-индуцированного апоптоза, т.е. Hsp70 является частью антиапоптозного сигнального пути.

- Регуляция функций различных молекул. Например, стероидный рецептор, находящийся в цитоплазме, связан с Hsp90; лиганд, попадающий в цитоплазму, присоединяется к рецептору и вытесняет шаперон из комплекса. После этого комплекс рецептор-лиганд приобретает способность связываться с ДНК, мигрирует в ядро и осуществляет функцию транскрипционного фактора.

При нарушении функции шаперонов и отсутствии фолдинга в клетке формируются белковые отложения – развивается амилоидоз. Амилоид представляет собой гликопротеид, основным компонентом которого являются фибриллярные белки. Они образуют фибриллы, имеющие характерную улырамикроскопическую структуру. Фибриллярные белки амилоида неоднородны. Насчитывают около 15 вариантов амилоидоза.

Прио́ны

Складывается впечатление, что фолдинг с участием фолдаз и шаперонов приводит к правильной. Наиболее оптимальной в энергетическом и функциональном отношениях структкре. Однако это не так. Существует группа тяжелых неврологических болезней, обусловленных неправильным фолдингом одного, вполне определенного белка.

Известно, что PrP может существовать в двух конформациях — «здоровой» — PrPC, которую он имеет в нормальных клетках (C — от англ. cellular — «клеточный»), в которой преобладают альфа-спирали, и «патологической» — PrPSc, собственно прионной (Sc- от scrapie), для которой характерно наличие большого количества бета-тяжей.

Прионный белок, обладающий аномальной трёхмерной структурой, способен прямо катализировать структурное превращение гомологичного ему нормального клеточного белка в себе подобный (прионный), присоединяясь к белку-мишени и изменяя его конформацию. Как правило, прионное состояние белка характеризуется переходом α-спиралей белка в β-слои.

При попадании в здоровую клетку, PrPSc катализирует переход клеточного PrPC в прионную конформацию. Накопление прионного белка сопровождается его агрегацией, образованием высокоупорядоченных фибрил (амилоидов), что в конце концов приводит к гибели клетки. Высвободившийся прион, по-видимому, оказывается способен проникать в соседние клетки, также вызывая их гибель.

Функции белка PrPC в здоровой клетке — поддержание качества миелиновой оболочки, которая в отсутствие этого белка постепенно истончается. В норме белок PrPC ассоциирован с клеточной мембраной, гликозилирован остатком сиаловой кислоты. Он может совершать циклические переходы внутрь клетки и обратно на поверхность в ходе эндо- и экзоцитоза.

До конца механизм спонтанного возникновения прионных инфекций не ясен. Считается (но ещё не полностью доказано), что прионы образуются в результате ошибок в биосинтезе белков. Мутации генов, кодирующих прионный белок (PrP), ошибки трансляции, процессы протеолиза — считаются главными кандидатами на механизм возникновения прионов.

Таким образом, прио́ны — особый класс инфекционных агентов, чисто белковых, не содержащих нуклеиновых кислот, вызывающих тяжёлые заболевания центральной нервной системы у человека и ряда высших животных (т. н. «медленные инфекции»).

Есть данные, дающие основание считать, что прионы являются не только инфекционными агентами, но и имеют функции в нормальных биопроцессах. Так, например, существует гипотеза, что через прионы осуществляется механизм генетически обусловленного стохастического старения.

Прионы — единственные известные инфекционные агенты, размножение которых происходит без участия нуклеиновых кислот.

Во второй половине XX века врачи столкнулись с необычным заболеванием человека — постепенно прогрессирующим разрушением головного мозга, происходящим в результате гибели нервных клеток. Это заболевание получило название губчатой энцефалопатии. Похожие симптомы были известны давно, но наблюдались они не у человека, а у животных (скрейпи овец), и долгое время между ними не находили достаточной обоснованной связи.

Новый интерес к их изучению возник в 1996 г., когда в Великобритании появилась новая форма заболевания, обозначаемая как «новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба.

Важным событием было распространение «коровьего бешенства» в Великобритании, эпидемия которого была сначала в 1992—1993 гг, а потом и в 2001 г охватила несколько европейских государств, но тем не менее экспорт мяса во многие страны не был прекращён. Заболевание связывают с использованием «прионизированной» костной муки в кормах и премиксах, изготовленной из туш павших или заболевших животных, возможно, и не имевших явных признаков заболевания.

Пути переноса причинного фактора болезни, механизмы проникновения прионов в организм и патогенез заболевания изучены пока недостаточно.

 

Прионы млекопитающих — возбудители губчатой энцефалопатии

Скрейпи овцы и козы Прион скрейпи OvPrPSc

Трансмиссивная энцефаломиопатия норок (ТЭН) Прион ТЭН и MkPrPSc

Chronic wasting disease (CWD) олени и лоси CWD прион MDePrPSc

Губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (ГЭКРС) Коровы Прион ГЭКРС BovPrPSc

Губчатая энцефалопатия кошачьих (ГЭК) Кошки Прион ГЭК FePrPSc

Губчатая энцефалопатия экзотических копытных (EUE) Антилопы и большой куду EUE прион NyaPrPSc

Куру Люди Прион куру HuPrPSc

Болезнь Крейцфельда-Якоба (БКЯ) Люди Прион БКЯ HuPrPSc

(New) Variant Creutzfeldt-Jakob disease (vCJD, nvCJD) Люди vCJD прион HuPrPSc

Синдром Герстманна—Штройслера—Шейнкера (GSS) Люди GSS прион HuPrPSc

Фатальная семейная бессонница (ФСБ) Люди Прион ФСБ HuPrPS

Человек может заразиться прионами, содержащимися в пище, так как они не разрушаются ферментами пищеварительного тракта. Так как стенками кишечника они не адсорбируются, то могут проникать в кровь только через поврежденные ткани. В конечном итоге они попадают в центральную нервную систему. Так переносится новый вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (nvCJD), которой люди заражаются после употребления в пищу говядины, содержащей нервную ткань из голов скота, больных бычьей губчатой энцефалопатией (BSE, коровье бешенство).

 

На практике доказана возможность прионов заражать организм мышей воздушно-капельным путем.