Распад белков

В растительном организме постоянно происходят процессы синтеза и распада белков. Особенно интенсивному обмену подвергаются функционально активные белки и, прежде всего, белки-ферменты. По мере инактивации ферментных белков их молекулы гидролитически расщепляются протеолитическими ферментами. Кроме того, существуют специальные механизмы биодеградации и других функционально активных белков – регуляторных, транспортных, иммуноспецифических и др. В активно функционирующих клетках синтез белков и их деградация находятся в динамическом равновесии. Процесс восполнения белковых молекул, подвергнутых деградации, называют обновлением белка.

Процессы распада белков активизируются при старении растений, когда интенсивность синтеза в них азотистых веществ ослабляется, но усиливается расщепление белков листьев и других вегетативных органов до аминокислот, которые перемещаются в репродуктивные органы и используются в них для образования структурных, ферментных и запасных белков.

Интенсивное расщепление запасных белков происходит при прорастании семян, клубней, корнеплодов. В их тканях очень быстро нарастает активность протеолитических ферментов, под действием которых молекулы запасных белков быстро деградируют до пептидов и свободных аминокислот, необходимых для новообразования азотистых веществ в тканях проростков. Высокая протеолитическая активность обнаруживается также в дрожжах и плесневых грибах. Изменение активности протеолитических ферментов при прорастании зерна ячменя показано на рисунке.

Процессы распада белков и других веществ усиливаются при повреждении тканей растений. В неповреждённых тканях интенсивно проходит обмен веществ и процессы синтеза преобладают над распадом. Как было указано ранее, для осуществления биосинтеза белков необходимо поддержание целостности внутриклеточных структур, а при их деградации новообразование белковых молекул прекращается. Протеолитические ферменты способны функционировать в жидкой физиологической среде в растворённом состоянии. При этом для осуществления распада белков не требуется большого количества энергии, наоборот, в таких условиях свободная энергия уменьшается, что свидетельствует о возможности самопроизвольного хода указанных реакций.

Распад белков начинается со структурной деградации их молекул под действием специфических редуктаз, расщепляющих дисульфидные связи, что приводит также к разрыву части водородных связей и обеспечивает более лёгкую доступность к изменённой молекуле белка протеолитических ферментов, которые гидролизуют белковые полипептиды до свободных аминокислот. Протеолитические ферменты, или протеазы, подразделяются на две группы: протеиназы и пептидазы.

Протеиназы – однокомпонентные ферменты, катализирующие расщепление пептидных связей в белках и пептидах с образованием более низкомолекулярных полипептидных фрагментов и определённого количества свободных аминокислот. Большинство протеиназ действуют направленно, расщепляя пептидные связи, соединяющие определённые аминокислотные радикалы. Например, хорошо известная растительная протеиназа папаин подвергает гидролизу преимущественно пептидные связи, в образовании которых участвуют радикалы основных, алифатических и ароматических аминокислот. Протеиназа, выделяемая слизистой оболочкой желудка человека и называемая пепсином, избирательно катализирует гидролиз пептидных связей, соединяющих в белках и пептидах остатки тирозина и фенилаланина с другими аминокислотными радикалами.

В растениях различают два вида протеиназ, одни из них содержат в активном центре сульфгидрильную группу (НS-группу) и поэтому их называют тиоловыми протеиназами. Другие растительные протеиназы не содержат в активном центре тиоловых группировок и они по строению каталитического центра имеют сходство с протеиназами животного происхождения – пепсином и трипсином.

+2Н Ф-S-S-Ф ¾¾® Ф-SH + Ф-SH ¬¾¾ -2Н восстановленная окисленная восстановленная форма фермента форма фермента   форма фермента

Характерное свойство тиоловых протеиназ – их способность акти-вироваться цианидами и сульфгидрильными соединениями, содержащими НS-группы (цистеин, восстановленный глютатион и др.). Указанные соединения переводят окисленную форму фермента в восстановленную, которая и обладает гидролитической активностью. Схематически процесс восстановления тиоловых протеиназ можно представить следующим образом:

Под действием окислителей фермент переходит в окисленную дисульфидную форму.

Типичными представителями этих ферментов являются папаин, выделенный из сока плодов дынного дерева; бромелаин, полученный из плодов и стеблей ананаса; фицин, содержащийся в млечном соке фигового дерева. В листьях многих растений найдены протеиназы, активируемые сульфгидрильными соединениями. К тиоловым протеиназам также относятся многие протеолитические ферменты, выделяемые из пшеничного солода. Из семян и плодов многих растений выделены также нетиоловые протеиназы. К ним относятся арвенсин из семян гороха; арахаин, содержащийся в семенах арахиса; соланаин, выделенный из плодов паслёна. К этой же группе ферментов относятся протеиназы многих грибов.

Пептидазы катализируют гидролиз пептидных связей в пептидах. Существуют три разновидности этих ферментов: аминопептидазы, карбоксипептидазы и дипептидазы.

Аминопептидазы гидролитически отщепляют от молекул пептидов N-концевые аминокислотные остатки, образуя соответствующие аминокислоты:

	O H Н || | H2O | H2N–CH–C–N–CH–C–N–Rn ¾¾® H2N–CH–COOH + H2N–CH–C–N– Rn | ­ | | || | | || R1 H R2 O R1 R2 O гидроли- зуемая связь

Карбоксипептидазы отщепляют аминокислотные остатки от С-кон-цов полипептидов:

	O || H2O Rn–C–N–CH–COOH ¾¾® Rn–COOH + H2N–CH–COOH ­ | | | ½Н R R гидролизуемая связь

Дипептидазы осуществляют гидролиз пептидной связи в дипептидах:

	O || H2O H2N–CH–C–N–CH–COOH ¾¾® H2N–CH–COOH + H2N–CH–COOH | | | | | R1 H R2 R1 R2

Известны различные дипептидазы. Так, например, глицилглицинпептидаза (3.4.13.11) гидролизует дипептид глицилглицин на две молекулы глицина, а фермент пролиназа (3.4.13.8) расщепляет дипептиды, у которых в образовании пептидной связи участвует карбоксильная группа пролина.

Пептидазы в большинстве своём металлосодержащие ферменты, которые могут проявлять каталитическую активность при различных условиях физиологической среды в зависимости от места локализации в органах и тканях растений и клетках других организмов. При совместном действии всего комплекса протеолитических ферментов белки гидролизуются до свободных аминокислот, которые могут быть снова использованы для образования белковых молекул, синтеза нуклеотидов и других азотистых веществ или включаться в процессы распада по уже известным нам механизмам.

Сведения об активности протеолитических ферментов имеют важное практическое значение. Особенно они важны при оценке качества продукции зерновых культур. На ранних стадиях созревания зерновок злаковых культур в них наюлюдается высокая активность протеолитических ферментов. Однако при созревании в зерновках усиливается синтез белков – эндогенных ингибиторов протеаз, которые связывают ферментные белки в неактивные комплексы, в результате чего к моменту полного созревания зерна в нём почти не обнаруживается протеолитическая активность. Связывание протеаз в неактивные комплексы может также осуществляться запасными белками зерна и мембранными структурами клеток.

Однако при влажных условиях во время созревания зерна ослабляется синтез запасных белков и белков – ингибиторов протеаз, вследствие чего к концу созревания в зерновках остаётся повышенная протеазная активность. И если такое зерно используется для приготовления хлеба, то в процессе формирования теста под действием протеолитических ферментов происходит значительная деградация молекул запасных белков, что приводит к ослаблению клейковинного комплекса. В результате понижается газоудерживающая способность и усиливается разжижение теста, вследствие чего снижается качество выпекаемого хлеба. При использовании зерна с повышенной протеазной активностью для производства макарон и крупы также наблюдается ухудшение качества этих продуктов вследствие ослабления комплекса их клейковинных белков.

При поражении зерна клопом-черепашкой ухудшение его качества происходит в результате того, что эти насекомые вводят в созревающие зерновки активный комплекс протеолитических ферментов, вызывающих деградацию белков зерна, и прежде всего клейковинных белков. От действия протеолитических ферментов в значительной степени зависит и качество солода, которое получают из проросшего зерна.

Вопросы для повторения:

1. Какой нуклеотидный состав имеют ДНК и РНК? 2. Как установлена генетическая роль ДНК? 3. В чём состоят правила Чаргаффа? 4. Каково строение молекул ДНК? 5. В виде каких структурных образований находятся молекулы ДНК в хромосомах высших и низших организмов? 6. Каковы строение и биологическая роль рибосомной, транспортной и матричной РНК? 7. Как был расшифрован генетический код? 8. Какими основными свойствами обладает генетический код? 9. Какое биологическое значение имеет вырожденность генетического кода? 10. Каков механизм синтеза (репликации) ДНК? 11. Какие известны сведения о ферментах, катализирующих синтез ДНК? 12. Какова вероятность ошибок при синтезе ДНК и как происходит защита от этих ошибок? 13. В чём заключается механизм транскрипции ДНК? 14. Какие биохимические реакции происходят в ходе транскрипции? 15. В чём состоят особенности синтеза матричной, рибосомной и транспортной РНК? 16. Как осуществляется регуляция синтеза РНК? 17. В чём состоит механизм процессинга в ходе образования функционально активных молекул РНК? 18. Какова роль рибосомных, матричных и транспортных РНК в синтезе белковых полипептидов? 19. Как осуществляются процессы образования полипептидов с участием функционально активных рибосом? 20. По каким механизмам возможен перенос генетической информации от РНК к РНК и от РНК к ДНК? 21. Какие происходят биохимические превращения при синтезе пиримидиновых и пуриновых нуклеотидов? 22. Как происходит образование дезоксирибонуклеотидов? 23. С участием каких ферментов происходит распад нуклеиновых кислот и нуклеотидов и какие при этом образуются промежуточные и конечные продукты? 24. Какие биохимические механизмы реализуются в ходе распада белков? 25. В чём заключаются особенности действия ферментов, катализирующих распад белков? 26. Как влияют протеолитические ферменты на качество растительной продукции.

Резюме по модульной единице 10. В клетках организмов содержится два вида нуклеиновых кислот – ДНК и РНК. Молекулы нуклеиновых кислот представляют собой длинные цепочки, состоящие и нуклеотидных остатков, которые соединены через остатки ортофосфорной кислоты фосфодиэфирными связями. ДНК содержится в вирусах, клетках низших организмов (прокариот) и в ядрах клеток высших организмов (эукариот), а также в митохондриях хлоропластах высших организмов. В цитоплазме прокариот и эукариот содержатся малые кольцевые ДНК. РНК в основном локализованы в цитоплазме клеток, где они являются главными факторами, инициирующими синтез ферментов и других белков.

Молекулы ДНК содержат генетическую информацию, определяющую наследственные свойства организмов. Эта информация записана в виде набора и последовательности кодонов, каждый из которых представляет собой последовательность из трёх нуклетидных остатков и кодирует определённый аминокислотный остаток в стуктуре белкового полипептида. Уотсон Д. и Крик Ф. Установили, что молекула ДНК представляет собой двойную правозакрученную спираль, состоящую из двух полинуклеотидных цепей, которые закручены между собой и вокруг общей оси. Цепи ДНК в результате специфики образования водородных связей имеют комплементарное строение. В ядрах клеток высших организмов молекулы ДНК в комплексе с белками-гистонами упакованы в виде упорядоченных структур – нуклеосом.

В организмах синтезируется три вида РНК – рибосомная (рРНК), информационная, или матричная (мРНК), и транспортная (тРНК). Рибосомная РНК локализована в рибосомах. Она содержит информацию о структуре рибосомных белков, в комплексе с которыми формирует рибосомы цитоплазмы клеток, а также внутриклеточных органелл – митохондрий и хлоропластов. Основная функция матричной РНК – копирование нуклеотидных последовательностей ДНК, кодирующих структуру белков, и участие совместно с рибосомами и тРНК в синтезе белков. Транспортная РНК избирательно связывает аминокислоты, переносит их к рибосомам и включает в синтез белковых полипептидов.

Синтез ДНК катализируют ферменты ДНК-полимеразы, синтез РНК – РНК-полимеразы в комплесе с другими ферментами и кофакторами. В ходе синтеза ДНК, называемого репликацией, благодаря комплементарному присоединению нуклеотидных остатков образуются новые молекулы ДНК, которые идентичны ДНК родительских клеток. Синтез РНК в клетках организмов называют транскрипцией. Он регулируется специфическими белками. В процессе транскрипции осуществляется копирование определённых участков нуклеотидных последовательностей ДНК, которые комплементарны ДНК-матрице. С участием трёх видов РНК происходит синтез белковых полипептидов. Рибосомные РНК формируют структуру рибосом, с которыми связывается матричная РНК. Транспортные РНК избирательно связывают в виде активированных комплексов аминокислотные остатки и включают их в синтезируемые полипептидные цепи на основе комплементарных взаимодействий антикодонов тРНК с кодонами мРНК. Синтезируемые в ядрах клеток РНК-транскрипты подвергаются процессингу и последующему сплайсингу под действием соответствующих ферментов. В ходе процессинга из РНК-транскрипта удаляются не кодирующие белки участки – интроны, а оставшиеся кодирующие фрагменты соединяются в процессе сплайсинга и образуют зрелые молекулы РНК, участвующие в синтезе белковых полипептидов.

Синтез белковых полипептидов начинается с присоединения остатка метионина к инициаторному кодону в составе инициаторного комплекса, который включает мРНК, связанную с малой субъединицей рибосомы, и белковые факторы инициации синтеза белков. После присоединения к инициаторному комплексу большой субъединицы рибосома вступает в стадию элонгации полипептидной цепи, в ходе которой к остатку метионина последовательно присоединяются другие аминокислотные остатки с образованием пептидных связей. При этом рибосома движется вдоль полинуклеотидной цепи мРНК в направлении от 5'-конца к 3'-концу. Синтез полипептида прекращается при достижении рибосомой терминирующего кодона в цепи мРНК. В ходе синтеза белков осуществляется перенос генетической информации от ДНК к РНК и далее на белки. У большинства растительных вирусов основным генетическим материалом является не ДНК, а РНК, поэтому у них осуществляется перенос информации от РНК к РНК.

Пиримидиновые нуклеотиды синтезируются из аспарагиновой кислоты, карбамоилфосфата, рибозы и остатков фосфорной кислоты, источниками которых служат молекулы АТФ. В синтезе пуриновых нуклеотидов участвуют молекулы глутамина, аспарагиновой кислоты, глицина, СО₂, производные фолиевой кислоты. Донорами фосфатных остатков служат молекулы АТФ. Дезоксирибонуклеотиды образуются из рибонуклеотидов в результате восстановления остатков рибозы ферментом рибонуклеотидредуктазой. Распад нукленовых кислот катализируют гидролитические ферменты рибонуклеазы и дезоксирибонуклеазы. Нуклеотиды гидролизуются под действием нуклеотидаз, а образующиеся из них нуклеозиды с участием нуклезидфосфорилаз превращаются в азотистые основания и фосфаты рибозы или дезоксирибозы. При распаде пуриновых оснований важными промежуточными продуктами являются аллантоин, аллантоиновая и мочевая кислоты.

Гидролиз белковых полипептидов катализируют ферменты протеиназы, направленно расщепляющие определённые полипептидные связи с образованием полипептидов, которые далее подвергаются действию пептидаз. Дисульфидные связи в белках расщепляют специфические редуктазы с образованием восстановленных тиоловых групп. При совокупном дествии всего указанного выше набора ферментов белки расщепляются до аминокислот. Сведения об активности протеолитических ферментов используются при оценке качества растительной продукции.

Тестовые задания к лекции. Тесты № 253-283.