Регуляція біосинтезу білків на етапі трансляції

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Регуляція біосинтезу білків на етапі трансляції
До недавнього часу вважалося, що регулювання на рівні трансляції характерна майже виключно для еукаріотів, де існує тимчасове і просторове роз'єднання транскрипції і трансляції у зв'язку з наявністю оболонки ядра і формуванням довгоживучих, «захищених» білками іРНК інформосом, відкритих А.С. Спіріним.
Непрямим вказівкою на існування регуляції трансляції у прокаріотів є розбіжність у швидкості утворення деяких білків, що кодуються одним і тим же Регулон і транслюються із загальною Поліцистронна матриці, як, наприклад, у випадку субодиниць РНКП і деяких рибосомних білків.
Існує потенційна можливість регулювання швидкості трансляції на двох етапах: на етапі біосинтезу і складання компонентів апарату трансляції і на етапі їх функціонування.
Регулювання на етапі біосинтезу і складання компонентів апарату трансляції
Основними високомолекулярними компонентами апарату трансляції є аміноацил-тРНК-синтетази, транспортні РНК, Хвороби, інформаційні РНК, рибосомні білки та білкові фактори трансляції.
Аміноацил-тРНК-синтетази є досить великі білки, найчастіше мультімерние. Число їх видів дорівнює числу природних амінокислот. Рівень всіх або більшості АРСаз регулюється координування і пропорційний швидкості росту. Надлишок амінокислот не робить на синтез АРСаз прямого репресує дії. Значна частина АРСаз еукаріот асоційована з полірібосомамі і організована в Поліферментні комплекси. Тому щодо їх діють регуляторні механізми, характерні для управління активністю ферментних ансамблів.
Транспортні РНК становлять близько 10-15% всієї клітинної РНК і кодуються 50-60 генетичними локусами. Біосинтез тРНК проходить проміжне утворення попередників, які потім коротшають і модифікуються - явище, зване процесингом, або «дозріванням» тРНК. Наприклад, попередник тирозинових транспортної РНК у Escherichia coli містить 129 нуклеотидів, це на 44 нуклеотиду більше, ніж «зріла» форма. Такий попередник можна виділити з температурочувствительного мутанта з дефектом РНКаза. Він піддається процесингу за участю двох РНКаза: Р і PIII. Необхідно відзначити, що РНКаза Р складається з РНК і білка, причому РНК сама по собі може виконувати функції ферменту, каталізує процесинг, тоді як білок тільки стимулює її активність. Таким чином, РНКаза Р є поки не дуже численним прикладом рибозими, тобто ферменту, що представляє собою не білок, а РНК.
Наступним етапом процесингу багатьох тРНК є модифікація підстав, яка здійснюється за допомогою великої кількості ферментів, оскільки навіть одна й та ж модифікація підстави, що знаходиться в різних ділянках молекули тРНК, може здійснюватися різними ферментами.
Важливо відзначити, що в процесі еволюції кількість модифікованих компонентів у тРНК зростала. Це вказує на важливу регуляторну роль модифікованих ізоакцепторними тРНК. Далі розглянемо гіпотези, що стосуються можливих механізмів регуляції трансляції, заснованих на використанні ізоакцепторними тРНК.
Хвороби у еукаріотів представлені чотирма типами. »28S, 18S, 5,8 S і 5S, у прокаріот трьома: 23S, 16S і 5S. Крім того, в мітохондріях і хлоропластах еукаріотів містяться рибосоми, близькі за складом до прокаріотів. Геном Escherichia coli містить 6-7 Оперон, що включають локуси всіх трьох рРНК, а також різну кількість локусів тРНК. У процесі транскрипції синтезується загальний транскрипт, що піддається процесингу, який здійснюється в ході процесу транскрипції, так що загальний транскрипт довжиною 5600 нуклеотидів може бути виділений лише в системі in vitro або у мутантів з дефектом РНКаза. РНКаза III «впізнає» двунітевих ділянки, відповідні кордонів локусів транскрипційного РНК. Після дії РНКази III утворюються не «зрілі» молекули РНК, а їх попередники, які піддаються подальшому про-цессінгу. У разі рРНК він може складатися, наприклад, в метилюванні, яке зазвичай здійснюється після того, як рРНК включена до складу субчастіци рибосоми.
У деяких еукаріот процесинг 28S РНК полягає у видаленні «зайвого» фрагмента за допомогою аутосплайсінга, при якому РНК виконує роль «псевдофермента», каталізує власний процесинг під час відсутності білків-ферментів.
Східчастий процесинг дозволяє здійснити регулювання на кожному з етапів біосинтезу і збірки, а вказана організація локусів забезпечує утворення всіх рРНК в рівних співвідношеннях.
Синтез рРНК і рибосомних білків регулюється координування і визначається ефективністю роботи апарату трансляції: наприклад, при дефіциті амінокислот транскрипція локусів, які кодують рРНК та рибосомні білки, пригнічується одночасно. Докладніше про це буде розказано в розділі, присвяченому регуляції швидкості росту.
Інформаційна РНК у прокаріот, як правило, Поліцистронна, а у еукаріотів - Моноцистронна. Процесинг у еукаріотів складається у вирізуванні інтронів і в сплайсинг екзонів. Потім відбувається метилювання підстав. На кінці 5 добудовується специфічна угруповання, так званий «кеп», а на кінці 3 послідовність із залишків адениловой кислоти, куди входять до 100-400 нуклеотидів. Роль цієї послідовності залишається неясною. Надійшла в цитоплазму іРНК існує у вигляді нукл-опротеідного комплексу - інформосом і в такому вигляді може зберігатися тривалий час до настання трансляції.
Для прокаріот процесинг мРНК не характерний, хоча в деяких іРНК архей також виявлені інтрони, а у Escherichia coli Поліцистронна транскрипт локусу, що включає гени рибосомних білків LI, L7, L12 і гени, що містять від 5 до 180 залишків адениловой кислоти. Показано, що вони найбільш характерні для секретується білків.
Практично відсутні відомості про регуляцію освіти білкових факторів трансляції. У прокаріотів це фактори ініціації, елонгації, термінації. У еукаріотів їх більше, вони складніші за будовою: тільки факторів ініціації налічується понад вісім, зате фактор термінації всього один.
За отриманими за останній час відомостями, деякі з цих факторів здатні модифікуватися; наприклад, у еукаріотів може відбуватися фосфор мул ювання фактора ініціації eIF-2 і фактора елонгації EF-1, а також ADP-рибоза ювання фактора EF-2, що, безсумнівно, впливає на швидкість процесу трансляції. У випадку прокаріот виявлено метилювання фактора елонгації EF-Tu Escherichia coii, проте регуляторне значення цього процесу невідомо.
Регулювання на етапі функціонування апарату трансляції
Регуляція може здійснюватися як на етапі ініціації, так і етапі елонгації.
1. Регулювання ініціації. У прокаріотів регуляція ініціації трансляції здійснюється шляхом специфічного зв'язування регуляторних білків з ініциаторним районом іРНК, в результаті чого трансляція пригнічується. Таке регулювання існує при розвитку фага MS2, в процесі якого білок оболонки регулює трансляцію матриці РНК-реплікази. Аналогічний механізм діє при регуляції трансляції рибосомних білків Escherichia coii. Гени 52 рибосомних білків організовані в 16 Оперон, у ряді випадків вони поєднані з локусами компонентів РНКП і факторів трансляції, і для підтримки їх незалежного і координованого синтезу необхідний механізм «зворотного зв'язку», в результаті функціонування якого надлишок рибосомних білків пригнічує власну трансляцію. Іноді рибосома виявляє різне спорідненість до ініциаторним ділянок різних іРНК, завдяки цьому ініціація може також регулюватися самої рибосомою. Ця особливість буває постійною або регулюється спеціальними чинниками, в результаті забезпечується диференціальна швидкість трансляції різних локусів Поліцистронна матриці іРНК.
У деяких спеціалізованих еукаріотичних клітинах дволанцюжкова РНК інгібує трансляцію, викликаючи активацію протеїнкінази, фосфорилирует фактор ініціації eIF-1.
Описано також можливість блокування трансляції у прокаріотів шляхом приєднання до ініціаторної ділянки іРНК особливої ​​комплементарної регуляторної РНК.
Нарешті, існує потенційна можливість керування швидкістю трансляції у прокаріотів на етапі ініціації за рахунок зміни доступності ініциаторной тРНК, яка є обов'язковою для ініціації.
2. Регулювання елонгації. Створюється враження, що в біосинтезі біополімерів визначальною стадією є ініціація, а етап елонгації регулюється в меншій мірі або зовсім не регулюється. Проте існує декілька потенційних можливостей регулювання етапу елонгації в процесі трансляції. Одна з таких можливостей полягає у виборчій трансляції матриці іРНК за рахунок специфічного набору ізоакцепторними тРНК.
Для 20 природних амінокислот існує 61 значущий кодон. За правилом «неоднозначного відповідності» Кріка, для їх транслювання досить близько 30 антикодоном. Однак у клітинах значно більше тРНК, деякі з них специфічні тільки до одного з кодонів. Якщо дана амінокислота в даному білку кодується саме таким кодоном, то наявність або відсутність відповідної специфічної тРНК визначатиме можливість трансляції даної матриці. У свою чергу, в клітці набір ізоакцепторними тРНК може дуже тонко регулюватися. Показано, наприклад, що на різних фазах росту Escherichia coli або при переході від хемотрофних До фототрофних типу харчування у Rhodobacter sphaeroides спостерігається різка зміна набору тРНК. Таким чином, даний спосіб регуляції можна розглядати як ще один приклад системної регуляції.
Інший приклад стосується й розвитку фагів, в процесі якого поряд зі зміною процесу транскрипції блокується трансляція іРНК організму-господаря. У деяких випадках це пов'язано з модифікацією рибосом, перестающих «впізнавати» іРНК господаря, однак у еукаріотів це обумовлено модифікацією факторів елонгації, для чого є спеціальні ферменти, що здійснюють фосфор мул ювання або ADP-рібозілірованіе, що різко зменшує спорідненість даних білків до рибосом.
Що стосується термінації трансляції, то спеціальні механізми регуляції в цьому випадку не виявлені. Однак необхідно відзначити можливість «проскакування» рибосоми через деякі «слабкі» терминируются кодони, що, з одного боку, дозволяє рибосоме транслювати Поліцистронна-ні матриці без дисоціації від іРНК, а з іншого - забезпечує утворення невеликої кількості більш довгих поліпептидів, які можуть виконувати важливу функціональну роль.

Регуляція біосинтезу білків шляхом посттрансляційної модифікації
Посттрансляційна модифікація білків менш поширена, ніж процесинг РНК. Тим не менш відомі випадки, коли при розвитку деяких вірусів трансляція Поліцистронна матриці приводила до утворення загальної поліпептидного ланцюга, що розрізає в подальшому на індивідуальні білки специфічними протеїназ. Крім того, широко відомий процесинг ряду ферментів, що перетворює їх неактивні форми в активні.
У прокаріотів найбільш поширеним видом процесингу білків є видалення «сигнального» пептиду з молекул секре-ничих білків. Такі білки і ферменти містять на NH 2-Komje гідрофобний пептид з 15-30 амінокислот, який необхідний для транслокації білка через цитоплазму атіческую мембрану в процесі його синтезу. Після завершення транслокації «сигнальний» пептид видаляється спеціальною «сигнальною» пептидаз.
До групи процесів посттрансляційної модифікації можна віднести ферментативне приєднання коферментів до готової молекулі апофермента, а також, з деякою часткою умовності, і формування мультімерних білків з декількох поліпептидних ланцюгів за участю білків-шаперонів.
Регулювання кругообігу білків шляхом виборчого протеолізу
Кількісний та якісний склад білків у клітині може регулюватися не тільки на етапі їх біосинтезу, але й на етапі деградації. У нормально зростаючих клітинах бактерій за клітинний цикл розпадається кілька відсотків існуючих білків. Більш висока швидкість кругообігу білка характерна для термофільних організмів. В умовах голодування швидкість розпаду зростає в кілька разів. Протеоліз клітинних білків виконує дві важливі функції. По-перше, розщеплюються непотрібні в даний момент ферменти, функціонування яких могло б викликати дисбаланс метаболізму, і заповнюється ресурс амінокислот. По-друге, ліквідуються «помилкові» білки, що виникають в результаті збою в біосинтетичних процесах або за рахунок мутацій.
Протеоліз грає особливо важливу роль у процесах клітинного диференціювання, про що, наприклад, свідчить втрата здатності до спороутворення при дефекті синтезу протеїназ. Можливі два основних типи протеолізу: АТР-незалежний ІАТР-залежний. Перший активується в умовах голодування й не вимагає витрати енергії, другий діє постійно і досить вибірково. У ці системи, ймовірно, включаються різні ферменти, так як деякі інгібітори протеїназ пригнічують перший процес і не впливають на другий. АТР-залежний протеоліз, мабуть, включає стадію «пізнавання» аномального білка і введення в нього мітки, якою є спеціальний білковий агент - убіхітін, після чого мічений білок піддається деградації протенназамі.
Механізм «впізнавання» аномальних або нефункціональних білків невідомий, швидше за все, важливу роль в ньому відіграють особливості третинної структури білків, і заміна навіть однієї амінокислоти сильно знижує стійкість білка до внутрішньоклітинного протеолізу. Остання обставина може суттєво заважати отриманню мікроорганізмів-сверхпродуцентов, у яких підвищений освіта цільового продукту обумовлено мутаціями за відповідними ферментам. Такі ферменти будуть сприйматися системою впізнавання як аномальні і піддаватися протеолізу, що гальмує біосинтетичні процеси, а іноді і зростання мікроорганізму. Специфічний протеоліз може доповнювати регуляцію за механізмом катаболітной репресії. Наприклад, у деяких дріжджів глюкоза не тільки репресує синтез певних ферментів, а й стимулює їх протеолітичну деградацію, мабуть, за рахунок індукції або активації відповідної протеїнази. Вирішальну роль грає протеоліз у так званої SOS-регуляції, тобто активації SOS-Регулон, що включає близько 20 генів, які індукуються у відповідь на деякі пошкодження ДНК і утворюють продукти, що беруть участь в її репарації. Серед цих продуктів присутня білок RecA, що бере участь у ряді клітинних процесів є більш «швидкодіючим» механізмом і раніше відгукується на зміну зовнішніх умов, ніж регулювання біосинтезу цих посередників. Однак, як ми вже відзначали, обидва рівні регуляції необхідні для координованого управління біохімічними процесами в клітині. У свою чергу, процеси регуляції активності білкових посередників можна розділити на дві великі групи: регуляція активності шляхом оборотної ковалентного модифікації посередника і регуляція активності без ковалентного модифікації посередника.
Регуляція активності білкових посередників шляхом їх ковалентного модифікації
Відмінність цього механізму регулювання від посттрансляційної модифікації полягає в оборотності процесу і відсутності зміни довжини поліпептидного ланцюга. Крім того, і це особливо важливо відзначити, обидві форми - модифікована і немодифіковані - активні, хоча й різняться за величиною активності н / або з регуляторних властивостями.
У еукаріотів найпоширенішим способом модифікації є фосфоріліроеаніе. Один з найбільш вивчених прикладів - процес синтезу і розпаду глікогену.
Фосфор мул ювання ферментів, які беруть участь у синтезі і розпаді глікогену, здійснюється кіназами, які самі активуються сАМР. Як вже зазначалося, концентрація сАМР в клітині обернено пропорційна концентрації АТР. Отже, потреба в енергії призводить до фосфору-воджується зазначених ферментів, тобто до стимуляції гідролізу глікогену і гальмування його синтезу. Додаткова стимуляція гідролізу досягається за рахунок активуючого ефекту AMP, який накопичується при зниженні енергетичного заряду клітини. Навпаки, при накопиченні глюкозо-6-фосфату, що свідчить про активне протікання енергетичних процесів, гідроліз глікогену гальмується.
У прокаріотів, як показано в останній час, модифікація білків шляхом їх фосфорилювання поширена досить широко. Так, в процесі ініціації спорообразования у бацил активується транскрипція ряду генів, що кодують білки, частина яких є протеїнкінази, а частина - акцепторами фосфату. Один з останніх білків здатний зв'язуватися з ДНК і, мабуть, є регулятором транскрипції. Фосфорілірова 7 ня впливає на його регуляторні властивості. Цей же білок необхідний для розвитку у клітин Bacillus subtilis стану компетентності. Шляхом фосфорилування регулюється також активність деяких білків у Khizobium, що беруть участь у фіксації азоту, а також у транспорті ді-і трикарбонових кислот. Регуляція транспорту Сахаров шляхом фосфорилювання компонентів фосфотрансферазной системи виявлена ​​у Escherichia coli. Взагалі ж у цієї бактерії знайдено близько 170 білків, здатних фосфорилювати.
Однак найбільш вивченим прикладом регулювання шляхом ковалентного модифікації є аденілірованіе і уріділірованіе ферментів у системі регуляції активності глутамінсінтетази.
Зазначена регуляція активності ГС доповнюється регулюванням на рівні біосинтезу ферменту: модифікований білок РП через посередництво інших спеціальних білків пригнічує транскрипцію локусів ГС. У свою чергу, ці білкові регулятори можуть фосфорилювати за участю специфічних протеїнкіназ і змінювати свою регуляторну активність.
Всі ці події - яскравий приклад каскадної регуляції - найбільш ефективного механізму регулювання складних метаболічних шляхів, яким і є, зокрема, азотний метаболізм.
Регуляція активності білкових посередників шляхом нековаленткого взаємодії з ефекторами
1. Взаємодія з субстратами. Ферменти, активність яких регулюється субстратом, повинні мати кілька активних центрів, подібних за своєю природою і взаємодіючих між собою. Тут можливі два випадки:
а) приєднання перший молекули субстрату полегшує приєднання наступних молекул, і швидкість реакції зростає за експоненціальним законом. Графік залежності початкової швидкості реакції від концентрації субстрату має S-подібну форму;
б) приєднання перший молекули субстрату ускладнює приєднання наступних молекул.
Аналогічні механізми регулювання діють при трансмембранному транспорті деяких субстратів.
2. Взаємодія з продуктами та іншими ефекторами, відмінними від субстратів. Ферменти, активність яких регулюється по цьому механізму, повинні мати розрізняються за природою активні центри: каталітичний і регуляторний. Ці центри зазвичай розміщені на різних субодиниця ферменту, причому зв'язування ефектора з регуляторним центром впливає на конформацію каталітичного центру і змінює спорідненість до субстрату, яке, як правило, знижується. При цьому можливі різні обставини:
а) в анаболічних процесах кінцевий продукт метаболічного шляху, накопичуючись вище певного рівня, пригнічує свій біосинтез, інгібуючи активність першого ферменту даного шляху;
б) в катаболічних шляхах метаболізму негативними ефекторами часто служать сполуки, що є акумуляторами енергії, а інші компоненти аденілатного системи можуть виступати в якості позитивних ефекторів. Таким чином, активність даних ферментів залежить від «енергетичного заряду» клітини;
в) амфіболічні ферменти можуть регулюватися за допомогою обох механізмів;
г) у розгалужених біосинтетичних шляхах придушення одним з кінцевих продуктів активності ферменту, що каталізує початкові етапи процесу, призводило б до дефіциту інших продуктів даного шляху. Тому необхідна особлива організація регуляторних процесів. Існують дві основні можливості.
По-перше, освіта ізоферментів, каталізують початкову стадію шляху, активність кожного з яких вибірково пригнічується тільки одним з кінцевих продуктів. Прикладом може служити біосинтез ароматичних амінокислот у Escherichia coli, в якому кінцеві продукти - тирозин, триптофан і фенілаланін - придушують кожен активність однієї з альдолази, каталізують першу реакцію шляху. По-друге, використання ферментів, що мають кілька взаємодіючих регуляторних центрів, кожен з яких специфічний тільки для одного з ефекторів. Окремо вони не роблять істотного впливу на активність ферменту, а при їх спільному дії активність пригнічується. Це так зване узгоджене, або мультівалентное інгібування. Наприклад, активність аспартаткінази у Escherichia coli пригнічується тільки поєднанням лізину, метіоніну і лейцину. Для глутамінсінтетази виявлено вісім кумулятивних ефекторів: аланін, гліцин, гістидин, триптофан, ЦТР, AMP, карбамоілфосфат, глюкозамін-6-фосфат.

Регуляція активності білкових посередників шляхом просторового роз'єднання та взаємодії з мембранами
Механізми першого типу більш поширені у еукаріот у зв'язку з локалізацією ферментів в субклітинних органелах: мітохондріях, лізосомах і т.д. Однак і в клітинах прокаріотів можливі певні види компартментаціі:
а) частину ферментного апарату прокаріот локалізована в періплазматіческом просторі. Таким чином, створюється можливість регуляції активності ферментів шляхом управління швидкістю проникнення в «відсік» субстратів або виходу з нього продуктів;
б) ферменти, що каталізують серію послідовних реакцій, можуть формувати «ансамбль», локалізований або в цитоплазмі, або на цитоплазматичній мембрані. Продукти, що утворюються на попередній стадії, «підхоплюються» наступним ферментом без звільнення в середу.
Для регуляторного дії кінцевого продукту доступний тільки останній фермент, але він може передавати ефект на попередні ферменти за рахунок кооперативних взаємодій. Існує уявлення про «метаболоне», тобто комплексі ферментів, закріплених на "підкладці». Каталітичні властивості в цьому випадку виявляються всередині ансамблю, а підкладка реагує на регуляторний дію ефекторів. Наприклад, жоден з ферментів може не реагувати на даний ефектор, але в ансамблі, за рахунок конформаційних змін підкладки, вони стають до нього чутливими.
Важливу роль в регуляції активності ферментів може грати їх взаємодія з мембранами. У мембранно-зв'язаному стані фізико-хімічні властивості ферментів змінюються. Це явище називається аллотопія. Гідрофобні взаємодії мембранних ліпідів і білків можуть переводити останні в неактивний стан, а електростатичні взаємодії, навпаки, викликати активацію білків. У свою чергу, сила електростатичної взаємодії ліпідів і білків залежить від внутрішньоклітинної концентрації електролітів, а отже, від складу середовища, що оточує клітину, і від фізіологічного статусу останньої. Таким чином, для регуляції ферментів за цим механізмом існують широкі можливості, хоча конкретні механізми чинності труднопреодолімих методичних перешкод поки вивчені мало.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Біологія | Реферат
45.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Регуляція біосинтезу білків на етапі транскрипції
Процес трансляції
Технологія біосинтезу амінокислот
Частинки і колектив невиразно і симетрія Корекція статистичних сум для трансляції та ротації
Вивчення біосинтезу амінокислот штамом Вrevibacterium methylicum при зростанні на
Ідентифікація генів біосинтезу ектоіна у метилотрофних бактерій Methylarcula marina
Вивчення біосинтезу амінокислот штамом Вrevibacterium methylicum при зростанні на середовищах містять
Температура тіла та її регуляція
РЕГУЛЯЦІЯ АКТИВНОСТІ ФЕРМЕНТІВ
© Усі права захищені
написати до нас