Содержание
Белки — это макромолекулы жизни. Они составляют 80% дегидратированной протоплазмы всей клетки и около 50% сухого веса всех наших тканей, поэтому рост, биосинтез и восстановление тканей полностью зависят от них.
Аминокислота является основной единицей белка, потому что через последовательные пептидные связи эти молекулы дают начало белковым цепям, которые мы знаем из уроков биологии. Аминокислоты состоят из углерода (C), кислорода (O), азота (N) и водорода (H), 4 из 5 биоэлементов.
Процесс синтеза белка в клетке — это сложная смесь между ДНК, РНК и ферментами.
Основы синтеза белка в клетке
Прежде всего, мы должны заложить определенные основы. Человеческое существо имеет свою генетическую информацию в ядре (не считая митохондриальной ДНК), и это имеет некоторые кодирующие последовательности для белков или РНК, называемых генами. Мы знаем, что наш вид имеет около 20 000–25 000 кодирующих генов, что составляет лишь 1,5% всей ДНК в нашем организме.
ДНК состоит из нуклеотидов, которые бывают 4 типов в зависимости от присутствующего в них азотного основания: аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T). Каждая аминокислота кодируется триплетом нуклеотидов, которые известны как «кодоны».
Все эти триплеты или кодоны взаимозаменяемо кодируют аминокислоту аланин. В любом случае они не происходят напрямую из генов, а скорее представляют собой сегменты РНК, полученные в результате транскрипции ядерной ДНК.
Таким образом, во время транскрипции информационная РНК формируется из информации, содержащейся в генах, и перемещается за пределы ядра к рибосомам, которые расположены в цитоплазме клетки. Здесь рибосомы «читают» различные кодоны и «переводят» их в цепочки аминокислот, которые одна за другой переносятся.
Каждый из этих 4 кодонов кодирует, соответственно, аминокислоты аланин, фенилаланин, серин и аргинин. Этим теоретическим примером может быть тетрапептид (олигопептид), поскольку для того, чтобы быть обычным белком, он должен содержать по крайней мере 100 из этих аминокислот. В любом случае это объяснение в общих чертах охватывает процессы транскрипции и трансляции, которые приводят к образованию белков внутри клеток.
Что такое посттрансляционная модификация?
Посттрансляционные модификации относятся к химическим изменениям, которые претерпевают белки после того, как они были синтезированы в рибосомах. Транскрипция и трансляция приводят к образованию пропептидов, которые необходимо модифицировать, чтобы в конечном итоге достичь истинной функциональности белкового агента. Эти изменения могут происходить посредством ферментативных или неферментативных механизмов.
Одна из наиболее распространенных посттрансляционных модификаций — добавление функциональной группы. В следующем списке мы приводим вам несколько примеров этого биохимического события.
- Ацилирование: состоит из добавления ацильной группы. Соединение, которое предоставляет эту группу, известно как «ацилирующая группа». Например, аспирин получают в процессе ацилирования.
- Фосфорилирование: состоит из добавления фосфатной группы. Это посттрансляционная модификация, связанная с передачей энергии на клеточном уровне.
- Метилирование: добавить метильную группу. Это эпигенетический процесс, поскольку метилирование ДНК предотвращает транскрипцию определенных генов-мишеней.
- Гидроксилирование: добавление гидроксильной группы (ОН). Например, добавление гидроксильной группы к пролину является важным этапом образования коллагена у живых существ.
- Нитрование: добавление нитрогруппы.
Существует еще много механизмов добавления функциональных групп, поскольку также было зарегистрировано нитрозилирование, гликозилирование или пренилирование. От создания лекарств до синтеза биологических тканей — все эти процессы так или иначе необходимы для выживания нашего вида.
Как мы уже говорили, геном человека содержит 25 000 генов, но протеом нашего вида (общее количество белков, экспрессируемых в клетке) составляет около миллиона белковых единиц. Помимо сплайсинга информационной РНК, посттрансляционные модификации составляют основу разнообразия белков у людей, поскольку они способны добавлять небольшие молекулы посредством ковалентных связей, которые полностью изменяют функциональность полипептида.
Помимо добавления определенных групп, существуют также модификации, которые связывают белки вместе. Примером этого является сумоилирование, при котором к белкам-мишеням добавляется миниатюрный белок (небольшой модификатор, связанный с убиквитином). Распад белка и ядерная локализация — некоторые из эффектов этого процесса.
Другим важным дополнительным посттрансляционным механизмом является убиквитинирование, которое, как следует из названия, добавляет убиквитин к белку-мишени. Одна из многих функций этого процесса — управлять рециклингом белка, поскольку убиквитин связывается с полипептидами, которые необходимо разрушить.
На сегодняшний день обнаружено около 200 различных посттрансляционных модификаций, которые влияют на многие аспекты функциональности клеток, включая такие механизмы, как метаболизм, трансдукция сигнала и стабильность самого белка. Более 60% участков белка, возникающих в результате посттрансляционных модификаций, связаны с областью белка, которая непосредственно взаимодействует с другими молекулами или, что то же самое, с его активным центром.
Посттрансляционные модификации и патологические картины
Знание этих механизмов само по себе является сокровищем для общества, но все становится еще интереснее, когда мы обнаруживаем, что посттрансляционные модификации также полезны в области медицины.
Белки, которые имеют в себе последовательность CAAX, цистеин (C) — алифатический остаток (A) — любая аминокислота (X), являются частью многих молекул с ядерными листами, важны в различных регуляторных процессах и, кроме того, они также присутствуют на поверхности цитоплазматических мембран (барьер, который отделяет внутреннюю часть клетки от внешней). Последовательность CAAX исторически была связана с развитием заболеваний, поскольку она регулирует посттрансляционные модификации белков, которые ее представляют.
Из всех данных, представленных в этих строках, мы хотим выделить одну особо важную: человеческие существа имеют около 25 000 различных генов в нашем геноме, но клеточный протеом насчитывает миллион белков. Эта цифра возможна благодаря посттрансляционным модификациям, которые добавляют функциональные группы и связывают белки между собой, чтобы придать макромолекуле специфичность.