Сборка белков в клетках: от транскрипции до функционирования.

Введение

Сборка белков внутри биологических клеток

Биосинтез белков (или синтез белков) — это основополагающий биологический процесс, происходящий внутри клеток, компенсирующий потерю клеточных белков (в результате деградации или экспорта) за счет производства новых белков. Белки выполняют ряд важнейших функций в качестве ферментов, структурных белков или гормонов. Синтез белков — очень похожий процесс как у прокариот, так и у эукариот, но существуют некоторые различия. Синтез белка можно разделить на две основные фазы: транскрипцию и трансляцию. Во время транскрипции участок ДНК, кодирующий белок, известный как ген, преобразуется в молекулу-матрицу, называемую информационной РНК (мРНК). Это преобразование осуществляют ферменты, известные как РНК-полимеразы, в ядре клетки. У эукариот эта мРНК первоначально образуется в незрелой форме (пре-мРНК), которая подвергается посттранскрипционным модификациям для получения зрелой мРНК. Зрелая мРНК экспортируется из ядра клетки через ядерные поры в цитоплазму клетки для осуществления трансляции. Во время трансляции мРНК считывается рибосомами, которые используют нуклеотидную последовательность мРНК для определения последовательности аминокислот. Рибосомы катализируют образование ковалентных пептидных связей между закодированными аминокислотами, формируя полипептидную цепь. После трансляции полипептидная цепь должна свернуться, чтобы сформировать функциональный белок; например, для функционирования в качестве фермента полипептидная цепь должна правильно свернуться, чтобы образовать функционально активный центр. Чтобы принять функциональную трехмерную форму, полипептидная цепь сначала должна сформировать серию более мелких структур, называемых вторичными структурами. Полипептидная цепь в этих вторичных структурах затем складывается, образуя общую трехмерную третичную структуру. После правильного сворачивания белок может подвергаться дальнейшей созреванию посредством различных посттрансляционных модификаций, которые могут изменить способность белка функционировать, его локализацию в клетке (например, цитоплазму или ядро) и его способность взаимодействовать с другими белками. Биосинтез белков играет ключевую роль в развитии заболеваний, поскольку изменения и ошибки в этом процессе, вызванные основными мутациями ДНК или неправильным сворачиванием белка, часто являются первопричинами болезни. Мутации ДНК изменяют последовательность мРНК, которая, в свою очередь, изменяет последовательность аминокислот, закодированных в мРНК. Мутации могут привести к укорочению полипептидной цепи путем создания стоп-кодона, вызывающего преждевременное завершение трансляции. В качестве альтернативы, мутация в последовательности мРНК изменяет конкретную аминокислоту, закодированную в данной позиции в полипептидной цепи. Это изменение аминокислоты может повлиять на способность белка функционировать или правильно сворачиваться. Неправильно свернутые белки склонны к образованию плотных белковых агрегатов, которые часто вовлечены в развитие заболеваний, особенно неврологических расстройств, таких как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.

Protein biosynthesis (or protein synthesis) is a core biological process, occurring inside cells, balancing the loss of cellular proteins (via degradation or export) through the production of new proteins. Proteins perform a number of critical functions as enzymes, structural proteins or hormones. Protein synthesis is a very similar process for both prokaryotes and eukaryotes but there are some distinct differences. Protein synthesis can be divided broadly into two phases: transcription and translation. During transcription, a section of DNA encoding a protein, known as a gene, is converted into a template molecule called messenger RNA (mRNA). This conversion is carried out by enzymes, known as RNA polymerases, in the nucleus of the cell. In eukaryotes, this mRNA is initially produced in a premature form (pre mRNA) which undergoes post transcriptional modifications to produce mature mRNA. The mature mRNA is exported from the cell nucleus via nuclear pores to the cytoplasm of the cell for translation to occur. During translation, the mRNA is read by ribosomes which use the nucleotide sequence of the mRNA to determine the sequence of amino acids. The ribosomes catalyze the formation of covalent peptide bonds between the encoded amino acids to form a polypeptide chain. Following translation the polypeptide chain must fold to form a functional protein; for example, to function as an enzyme the polypeptide chain must fold correctly to produce a functional active site. To adopt a functional three dimensional shape, the polypeptide chain must first form a series of smaller underlying structures called secondary structures. The polypeptide chain in these secondary structures then folds to produce the overall 3D tertiary structure. Once correctly folded, the protein can undergo further maturation through different post translational modifications, which can alter the protein's ability to function, its location within the cell (e. g. cytoplasm or nucleus) and its ability to interact with other proteins. Protein biosynthesis has a key role in disease as changes and errors in this process, through underlying DNA mutations or protein misfolding, are often the underlying causes of a disease. DNA mutations change the subsequent mRNA sequence, which then alters the mRNA encoded amino acid sequence. Mutations can cause the polypeptide chain to be shorter by generating a stop sequence which causes early termination of translation. Alternatively, a mutation in the mRNA sequence changes the specific amino acid encoded at that position in the polypeptide chain. This amino acid change can impact the protein's ability to function or to fold correctly. Misfolded proteins have a tendency to form dense protein clumps, which are often implicated in diseases, particularly neurological disorders including Alzheimer's and Parkinson's disease.

Транскрипция

Транскрипция происходит в ядре, используя ДНК в качестве шаблона для синтеза мРНК. У эукариотов эта молекула мРНК известна как пре-мРНК, поскольку она подвергается посттранскрипционным модификациям в ядре для получения зрелой молекулы мРНК. Однако у прокариотов посттранскрипционные модификации не требуются, поэтому зрелая молекула мРНК образуется непосредственно в процессе транскрипции. И ДНК, и РНК обладают внутренней направленностью, то есть имеют два различных конца. Это свойство направленности обусловлено асимметричным строением нуклеотидных звеньев, с фосфатной группой с одной стороны пентозного сахара и основанием – с другой. Пять атомов углерода в пентозном сахаре нумеруются от 1' (где ' означает прайм) до 5'. Следовательно, фосфодиэфирные связи, соединяющие нуклеотиды, формируются путем присоединения гидроксильной группы на 3'-углероде одного нуклеотида к фосфатной группе на 5'-углероде другого нуклеотида. Таким образом, кодирующая цепь ДНК имеет направление 5' → 3', а комплементарная, матричная цепь ДНК – противоположное направление 3' → 5'.

Перевод

Во время трансляции рибосомы синтезируют полипептидные цепи из молекул-матриц мРНК. У эукариот трансляция происходит в цитоплазме клетки, где рибосомы находятся либо в свободном состоянии, либо прикреплены к эндоплазматической сети. У прокариот, у которых нет ядра, процессы транскрипции и трансляции происходят в цитоплазме. Рибосомы – это сложные молекулярные машины, состоящие из смеси белка и рибосомной РНК, организованные в две субъединицы (большую и малую), которые окружают молекулу мРНК. Рибосома считывает молекулу мРНК в направлении 5'–3' и использует ее в качестве матрицы для определения последовательности аминокислот в полипептидной цепи. Для трансляции молекулы мРНК рибосома использует небольшие молекулы, известные как транспортные РНК (тРНК), для доставки правильных аминокислот к рибосоме. Каждая тРНК состоит из 70–80 нуклеотидов и приобретает характерную клеверолистную структуру благодаря образованию водородных связей между нуклеотидами внутри молекулы. Существует около 60 различных типов тРНК, каждая из которых связывается с определенной последовательностью из трех нуклеотидов (известных как кодон) в молекуле мРНК и доставляет соответствующую аминокислоту. Рибосома первоначально присоединяется к мРНК в стартовом кодоне (AUG) и начинает трансляцию молекулы. Последовательность нуклеотидов мРНК считывается триплетами; три соседних нуклеотида в молекуле мРНК соответствуют одному кодону. Каждая тРНК имеет открытую последовательность из трех нуклеотидов, известную как антикодон, которая комплементарна последовательности определенного кодона, присутствующего в мРНК. Например, первый встречающийся кодон – это стартовый кодон, состоящий из нуклеотидов AUG. Соответствующая тРНК с антикодоном (комплементарная 3-нуклеотидная последовательность UAC) связывается с мРНК при помощи рибосомы. Эта тРНК доставляет правильную аминокислоту, соответствующую кодону мРНК; в случае стартового кодона это аминокислота метионин. Следующий кодон (смежный со стартовым кодоном) затем связывается с соответствующей тРНК с комплементарным антикодоном, доставляя следующую аминокислоту к рибосоме. Затем рибосома использует свою пептидилтрансферазную ферментативную активность для катализа образования ковалентной пептидной связи между двумя соседними аминокислотами.

During translation, ribosomes synthesize polypeptide chains from mRNA template molecules. In eukaryotes, translation occurs in the cytoplasm of the cell, where the ribosomes are located either free floating or attached to the endoplasmic reticulum. In prokaryotes, which lack a nucleus, the processes of both transcription and translation occur in the cytoplasm. Ribosomes are complex molecular machines, made of a mixture of protein and ribosomal RNA, arranged into two subunits (a large and a small subunit), which surround the mRNA molecule. The ribosome reads the mRNA molecule in a 5' 3' direction and uses it as a template to determine the order of amino acids in the polypeptide chain. To translate the mRNA molecule, the ribosome uses small molecules, known as transfer RNAs (tRNA), to deliver the correct amino acids to the ribosome. Each tRNA is composed of 70 80 nucleotides and adopts a characteristic cloverleaf structure due to the formation of hydrogen bonds between the nucleotides within the molecule. There are around 60 different types of tRNAs, each tRNA binds to a specific sequence of three nucleotides (known as a codon) within the mRNA molecule and delivers a specific amino acid. The ribosome initially attaches to the mRNA at the start codon (AUG) and begins to translate the molecule. The mRNA nucleotide sequence is read in triplets; three adjacent nucleotides in the mRNA molecule correspond to a single codon. Each tRNA has an exposed sequence of three nucleotides, known as the anticodon, which are complementary in sequence to a specific codon that may be present in mRNA. For example, the first codon encountered is the start codon composed of the nucleotides AUG. The correct tRNA with the anticodon (complementary 3 nucleotide sequence UAC) binds to the mRNA using the ribosome. This tRNA delivers the correct amino acid corresponding to the mRNA codon, in the case of the start codon, this is the amino acid methionine. The next codon (adjacent to the start codon) is then bound by the correct tRNA with complementary anticodon, delivering the next amino acid to ribosome. The ribosome then uses its peptidyl transferase enzymatic activity to catalyze the formation of the covalent peptide bond between the two adjacent amino acids.

События после перевода

Существуют события, происходящие после биосинтеза белка, такие как протеолиз и сворачивание белка. Протеолиз – это расщепление белков протеазами и их распад на аминокислоты под действием ферментов.

Добавление химических групп

После трансляции к аминокислотам в составе зрелой белковой структуры могут быть добавлены небольшие химические группы. Примеры процессов, добавляющих химические группы к целевому белку, включают метилирование, ацетилирование и фосфорилирование. Метилирование – это обратимое добавление метильной группы к аминокислоте, катализируемое ферментами метилтрансферазами. Метилирование происходит как минимум на 9 из 20 распространенных аминокислот, однако в основном оно происходит на аминокислотах лизине и аргинине. Гистон – один из примеров белков, которые обычно метилируются. Гистоны – это белки, содержащиеся в ядре клетки. ДНК плотно обернута вокруг гистонов и удерживается на месте другими белками и взаимодействиями между отрицательными зарядами в ДНК и положительными зарядами на гистоне. Высокоспецифический паттерн метилирования аминокислот на гистонных белках определяет, какие участки ДНК плотно скручены и не могут быть транскрибированы, а какие – слабо скручены и способны к транскрипции. Регуляция транскрипции ДНК на основе гистонов также модифицируется ацетилированием. Ацетилирование – это обратимое ковалентное добавление ацетильной группы к аминокислоте лизину ферментом ацетилтрансферазой. Ацетильная группа удаляется из донорной молекулы, известной как ацетил-кофермент А, и переносится на целевой белок. Гистоны подвергаются ацетилированию на лизиновых остатках ферментами, известными как гистон ацетилтрансферазы. Эффект ацетилирования заключается в ослаблении электростатических взаимодействий между гистоном и ДНК, тем самым делая больше генов в ДНК доступными для транскрипции. Последней распространенной посттрансляционной модификацией химической группы является фосфорилирование. Фосфорилирование – это обратимое ковалентное добавление фосфатной группы к специфическим аминокислотам (серину, треонину и тирозину) в белке. Фосфатная группа удаляется из донорной молекулы АТФ протеинкиназой и переносится на гидроксильную группу целевой аминокислоты, в результате чего образуется аденозиндифосфат как побочный продукт. Этот процесс может быть обращен, и фосфатная группа удаляется ферментом протеинфосфатазой. Фосфорилирование может создавать сайт связывания на фосфорилированном белке, что позволяет ему взаимодействовать с другими белками и образовывать крупные мультибелковые комплексы. Кроме того, фосфорилирование может изменять уровень активности белка, изменяя его способность связываться с субстратом. У пациентов с серповидноклеточной анемией наблюдается миссенс-мутация или мутация замещения в гене, кодирующем полипептидную цепь β-субъединицы гемоглобина. Миссенс-мутация означает, что нуклеотидная мутация изменяет кодоновый триплет таким образом, что с новым кодоном спаривается другая аминокислота. В случае серповидноклеточной анемии наиболее распространенной миссенс-мутацией является однонуклеотидная мутация тимина в аденин в гене β-субъединицы гемоглобина. Это изменяет кодон 6 с кодирования аминокислоты глутаминовой кислоты на кодирование валина.

Following translation, small chemical groups can be added onto amino acids within the mature protein structure. Examples of processes which add chemical groups to the target protein include methylation, acetylation and phosphorylation. Methylation is the reversible addition of a methyl group onto an amino acid catalyzed by methyltransferase enzymes. Methylation occurs on at least 9 of the 20 common amino acids, however, it mainly occurs on the amino acids lysine and arginine. One example of a protein which is commonly methylated is a histone. Histones are proteins found in the nucleus of the cell. DNA is tightly wrapped round histones and held in place by other proteins and interactions between negative charges in the DNA and positive charges on the histone. A highly specific pattern of amino acid methylation on the histone proteins is used to determine which regions of DNA are tightly wound and unable to be transcribed and which regions are loosely wound and able to be transcribed. Histone based regulation of DNA transcription is also modified by acetylation. Acetylation is the reversible covalent addition of an acetyl group onto a lysine amino acid by the enzyme acetyltransferase. The acetyl group is removed from a donor molecule known as acetyl coenzyme A and transferred onto the target protein. Histones undergo acetylation on their lysine residues by enzymes known as histone acetyltransferase. The effect of acetylation is to weaken the charge interactions between the histone and DNA, thereby making more genes in the DNA accessible for transcription. The final, prevalent post translational chemical group modification is phosphorylation. Phosphorylation is the reversible, covalent addition of a phosphate group to specific amino acids (serine, threonine and tyrosine) within the protein. The phosphate group is removed from the donor molecule ATP by a protein kinase and transferred onto the hydroxyl group of the target amino acid, this produces adenosine diphosphate as a byproduct. This process can be reversed and the phosphate group removed by the enzyme protein phosphatase. Phosphorylation can create a binding site on the phosphorylated protein which enables it to interact with other proteins and generate large, multi protein complexes. Alternatively, phosphorylation can change the level of protein activity by altering the ability of the protein to bind its substrate. Patients with sickle cell anemia have a missense or substitution mutation in the gene encoding the hemoglobin B subunit polypeptide chain. A missense mutation means the nucleotide mutation alters the overall codon triplet such that a different amino acid is paired with the new codon. In the case of sickle cell anemia, the most common missense mutation is a single nucleotide mutation from thymine to adenine in the hemoglobin B subunit gene. This changes codon 6 from encoding the amino acid glutamic acid to encoding valine.

Рак

Рак развивается в результате мутаций генов, а также нарушений в трансляции белков. Помимо аномального размножения, раковые клетки подавляют экспрессию антиапоптотических или проапоптотических генов и белков. У большинства раковых клеток обнаруживается мутация в сигнальном белке Ras, который выполняет функцию переключателя "вкл/выкл" в клетках. В раковых клетках белок RAS становится постоянно активным, что стимулирует пролиферацию клеток из-за отсутствия регуляции. Кроме того, большинство раковых клеток несут две мутантные копии регуляторного гена p53, который контролирует поврежденные гены и инициирует апоптоз в злокачественных клетках. При его отсутствии клетка не может запустить апоптоз или подать сигнал другим клеткам для ее уничтожения. По мере размножения опухолевые клетки либо остаются локализованными в одном месте и называются доброкачественными, либо становятся злокачественными и мигрируют в другие части тела. Зачастую эти злокачественные клетки секретируют протеазы, разрушающие внеклеточный матрикс тканей. Это позволяет раку перейти в терминальную стадию, называемую метастазированием, когда клетки попадают в кровоток или лимфатическую систему и распространяются в новые области организма.