Регуляция биосинтеза белка

Формирование пространственной структуры белков

После окончания трансляции процесс образования белков обычно еще не завершен. Для того чтобы белок приобрел присущие ему функциональные свойства, полипептидная цепь должна определенным образом свернуться в пространстве, сформировав функционально активную («нативную») структуру. Процесс формирования пространственной структуры белка называется фолдингом.

Стадии фолдинга

Пространственная (третичная) структура белка характеризуется сочетанием элементов вторичной структуры (α-спиралей, β-слоев), а также гибких участков полипептидной цепи, называемых петлями. Процесс сворачивания полипептидной цепи имеет ступенчатый характер (рис. 43) и включает:

Рис. 43. Стадии фолдинга

1) формирование элементов вторичной структуры;

2) специфическую ассоциацию некоторых элементов вторичной структуры с образованием супервторичной структуры: это могут быть сочетания нескольких α-спиралей, β-слоев или смешанные комплексы данных элементов;

3) промежуточную стадию, связанную с формированием основных элементов третичной структуры и образованием гидрофобного ядра молекулы. Молекула приобретает пространственную структуру, близкую к структуре нативного белка. Однако она еще не обладает присущей данному белку функциональной активностью. Это состояние, получившее название «расплавленная глобула», отличается от нативного меньшей степенью упорядоченности структуры (рис. 44);

4) образование нативной третичной структуры белка.

Рис. 44. Схема структуры «расплавленной глобулы» (а) и структуры
нативного белка (б): элементы вторичной структуры представлены
двумя спиральными участками (цилиндры); заштрихованные фигуры –
неполярные группы аминокислотных остатков

Факторы фолдинга опеспечивают оптимальные условия для реализации быстрого и эффективного образования нативной пространственной структуры. Выделяют две группы факторов:

1. Фолдазы – ферменты фолдинга (белки с каталитической активностью). Как и все ферменты, фолдазы необходимы лишь в каталитических количествах, т. е. в концентрациях, на порядки меньших, чем у «обслуживаемых» ими белков.

2. Молекулярные шапероны. Требуются в количествах, близких к стехиометрическим, т. е. сравнимых по величине с концентрацией сворачиваемых белков. Как и фолдазы, не входят в состав конечных продуктов фолдинга.

Часто построенная на рибосоме полипептидная цепь не может принять окончательную биологически активную (нативную) конформацию, пока не подвергнется процессингу, или ковалентной модификации. При этом может происходить отщепление ферментами инициирующих аминокислотных остатков, введение в определенные аминокислотные остатки фосфатных, метильных, карбоксильных, олигосахаридных или простетических групп. Например, гормоны поджелудочной железы инсулин и глюкагон синтезируются в виде неактивных предшественников. Сначала из них удаляются сигнальные пептиды, в результате чего образуются прогормоны. Затем уже в секреторных гранулах прогормоны превращаются в активные гормоны.

Новообразованные белки направляются в ту часть клетки, где они выполняют свои функции: некоторые поступают в клеточный цитозоль, другие − к различным клеточным органеллам, третьи секретируются из клетки, наконец, некоторые встраиваются в ту или иную клеточную мембрану, где работают в качестве ферментов или переносчиков.

В каждой клетке синтезируются специфические белки, и с неодинаковой скоростью. Благодаря регуляции синтеза в конкретных условиях среды образуется лишь необходимое число молекул данного белка. Все соматические клетки многоклеточных организмов содержат в ДНК одинаковую генетическую информацию, однако отличаются друг от друга по составу белков. Так, клетки эритроцитов содержат большое количество гемоглобина, клетки кожи – коллагена, скелетных мышц – актина и миозина, клетки печени содержат ферменты синтеза мочевины, которые отсутствуют у всех других клеток. Таким образом, в клетках каждого типа экспрессируется только часть структурных генов.

Большая часть генома находится в неактивном, репрессированном, состоянии. Спектр функционирующих генов зависит от типа клетки, периода ее жизненного цикла, стадии индивидуального развития организма. У большинства организмов активно транскрибируются только 2-10% генов.

Гены, которые транскрибируются постоянно, не подчиняясь каким-либо регуляторным воздействиям, называются конститутивными. Обычно это гены, обеспечивающие синтез белков общего назначения (белки рибосом, гистоны, тубулины и др.), а также тРНК и рРНК. Включение и выключение других генов зависит от различных метаболитов, эти гены называются регулируемыми.