Белковый обмен

Материал из Циклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Белковый обмен
Область использования

Биология

Белковый обмен (метаболизм белка) — это совокупность биохимических процессов, ответственных за синтез белков и аминокислот (анаболизм) и расщепление белков (катаболизм).

Описание[править]

Этапы синтеза белка включают транскрипцию, трансляцию и посттрансляционные модификации. Во время транскрипции фермент РНК-полимераза транскрибирует кодирующую область ДНК в клетке, создавая матричную РНК (мРНК). Эта последовательность мРНК содержит кодоны — последовательности из трёх нуклеотидов, каждый кодон кодирует определённую аминокислоту. Рибосомы транслируют кодоны в соответствующие им аминокислоты[1]. У человека заменимые аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов (интермедиатов) основных метаболических путей, таких как цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)[2]. Незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей, так как они производятся в других организмах. Аминокислоты соединяются пептидными связями, образуя полипептидную цепь. Затем эта полипептидная цепь подвергается посттрансляционным модификациям и иногда соединяется с другими полипептидными цепями для образования полностью функционального белка.

Сначала пищевые белки расщепляются до отдельных аминокислот под действием различных ферментов и соляной кислоты в желудочно-кишечном тракте. Эти аминокислоты всасываются в кровоток и транспортируются в печень, а оттуда — в остальные части тела. Всосавшиеся аминокислоты обычно используются для создания функциональных белков, но также могут быть использованы для получения энергии[3], кроме того они могут превращаться в глюкозу[4]. Эта глюкоза затем может быть преобразована в триглицериды и запасена в жировых клетках[5].

Белки могут расщепляться ферментами, называемыми пептидазами, или разрушаться в результате процесса денатурации. Белки могут денатурировать в условиях окружающей среды, для которых эти белки не предназначены[6].

Синтез белка[править]

 → Protein biosynthesis

Белковый анаболизм — это процесс, в ходе которого белки образуются из аминокислот. Он включает пять этапов: синтез аминокислот, транскрипцию, трансляцию, посттрансляционные модификации и укладку белка (фолдинг). Белки строятся из аминокислот. У человека некоторые аминокислоты могут синтезироваться из уже имеющихся промежуточных продуктов, эти аминокислоты называются заменимыми. Для синтеза незаменимых аминокислот требуются промежуточные соединения, которые в организме человека отсутствуют. Эти соединения должны поступать извне, в основном с пищей (при поедании других организмов)[6].

Синтез аминокислот[править]

Пути синтеза аминокислот[7]
Аминокислота Радикал‡ Путь*
Глицин Серин + ТГФ (тетрагидрофолат) → Глицин (гидроксиметилтрансфераза)
Аланин Пируват → Аланин (аминотрансфераза)
Валин§ Гидроксиэтил-ТПФ (тиаминпирофосфат) + Пируват → α-ацетолактат → Валин
Лейцин§ Гидроксиэтил-ТПФ + Пируват → α-кетобутират → Лейцин
Изолейцин§ Гидроксиэтил-ТПФ + Пируват → α-ацетолактат → Изолейцин
Метионин§ Гомоцистеин → Метионин (метионинсинтаза)
Пролин Глутаминовая кислота → Глутамат-5-полуальдегид → Пролин (γ-глутамилкиназа)
Фенилаланин§ Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезокси-арабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризмат → Фенилаланин
Триптофан§ Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезокси-арабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризмат → Триптофан
Тирозин Фенилаланин → Тирозин (фенилаланингидроксилаза)
Серин 3-фосфоглицерат → 3-фосфогидроксипируват (3-фосфоглицератдегидрогеназа) → 3-фосфосерин (аминотрансфераза) → Серин (фосфосеринфосфатаза)
Треонин§ Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин → Треонин
Цистеин Серин → Цистатионин → α-кетобутират → Цистеин
Аспарагин Аспарагиновая кислота → Аспарагин (аспарагинсинтетаза)
Глутамин Глутаминовая кислота → Глутамин (глутаминсинтетаза)
Аргинин Глутамат → Глутамат-5-полуальдегид (γ-глутамилкиназа) → Аргинин
Гистидин§ Глюкоза → Глюкозо-6-фосфат → Рибозо-5-фосфат → Гистидин
Лизин§ Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин + лизин
Аспарагиновая кислота Оксалоацетат → Аспарагиновая кислота (аминотрансфераза)
Глутаминовая кислота α-кетоглутарат → Глутаминовая кислота (аминотрансфераза)
‡Указано для физиологических условий.

*Комплексы, выделенные курсивом, являются ферментами.

§Не могут синтезироваться в организме человека.

Синтез полипептидов[править]

Транскрипция[править]

ДНК транскрибируется в мРНК, которая транслируется в аминокислоты

При транскрипции РНК-полимераза считывает последовательность ДНК и синтезирует цепь мРНК, которая затем транслируется в цепь аминокислот. Чтобы началась транскрипция, сегмент ДНК, подлежащий транскрипции, должен быть неплотно упакован. Как только сегмент ДНК становится доступным, РНК-полимераза может начать транскрибировать кодирующую цепь ДНК. Во время начальной фазы транскрипции РНК-полимераза ищет промоторную область на матричной цепи ДНК. После того как РНК-полимераза связывается с этой областью, она начинает «считывать» матричную цепь ДНК в направлении от 3'- к 5'-концу[8]. РНК-полимераза соединяет азотистые основания, комплементарные матричной цепи ДНК (вместо тимина в РНК используется урацил), синтезируя мРНК. Новые нуклеотиды соединяются друг с другом ковалентными связями[9], мРНК синтезируется в направлении от 5'- к 3'-концу[10]. Как только РНК-полимераза достигает терминирующей последовательности, она отделяется от матричной цепи ДНК, и синтез цепи мРНК завершается.

Транскрипция регулируется в клетке с помощью транскрипционных факторов. Транскрипционные факторы — это белки, которые связываются с регуляторными последовательностями в цепи ДНК, такими как промоторные области или области оператора. Белки, связанные с этими областями, могут либо непосредственно останавливать РНК-полимеразу или разрешать ей считывать цепь ДНК, либо подавать сигнал другим белкам, чтобы они остановили РНК-полимеразу или разрешили ей считывание[11].

Трансляция[править]

Образование дипептида посредством пептидной связи.

В процессе трансляции рибосомы преобразуют последовательность мРНК (матричной РНК) в последовательность аминокислот. Каждый сегмент мРНК длиной в три азотистых основания представляет собой кодон, который соответствует одной аминокислоте или стоп-кодону[12]. Одна аминокислота может кодироваться несколькими различными кодонами. Рибосомы не присоединяют аминокислоты напрямую к кодонам мРНК, для этого им необходимы тРНК (транспортные РНК). Транспортные РНК содержат антикодон, который может образовывать водородные связи с кодоном мРНК[13]. тРНК способны связываться с аминокислотами и транспортировать их к месту синтеза белка. Процесс присоединения аминокислоты к тРНК называется активированием тРНК. На этом этапе фермент аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует две реакции. В первой реакции она присоединяет молекулу АМФ (образующуюся при расщеплении АТФ) к аминокислоте. Во второй реакции происходит расщепление образовавшегося аминоацил-АМФ и высвобождение энергии для присоединения аминокислоты к молекуле тРНК[14].

Рибосомы состоят из двух субъединиц — большой и малой, эти субъединицы окружают цепь мРНК. Большая субъединица содержит три участка связывания: А (аминоацильный), Р (пептидильный) и Е (участок выхода). После инициации трансляции (которая различается у прокариот и эукариот) начинается фаза элонгации, которая представляет собой повторяющийся цикл. Сначала в А-участок входит тРНК с соответствующей аминокислотой. Затем рибосома переносит пептид с тРНК, находящейся в Р-участке, на новую аминокислоту, связанную с тРНК в А-участке. тРНК из Р-участка перемещается в Е-участок, откуда выбрасывается. Этот процесс непрерывно повторяется, пока рибосома не достигнет стоп-кодона или не получит сигнал к остановке[13]. Пептидная связь образуется между аминокислотой, присоединённой к тРНК в Р-участке, и аминокислотой, присоединённой к тРНК в А-участке. Образование пептидной связи происходит с затратой энергии. Реагирующими молекулами являются альфа-аминогруппа одной аминокислоты и альфа-карбоксильная группа другой. Побочным продуктом этой реакции является выделение воды (аминогруппа отдаёт протон, а карбоксильная группа — гидроксильную группу)[2].

Трансляция может быть подавлена с помощью микроРНК (miRNA). Эти молекулы РНК способны расщеплять комплементарные им цепи мРНК, тем самым останавливая трансляцию[15]. Трансляция также может регулироваться с помощью вспомогательных белков. Например, белок под названием фактор инициации эукариот 2 (eIF-2) может связываться с малой субъединицей рибосомы, запуская трансляцию. Когда eIF-2 фосфорилируется, он теряет способность связываться с рибосомой, и трансляция останавливается[16].

Посттрансляционные модификации[править]

Ошибка создания миниатюры:
Метилирование лизина (аминокислоты)

После того как заканчивается синтез пептидной цепи, начинается её модификация. Посттрансляционные модификации могут происходить как до, так и после укладки белка (фолдинг). К распространённым биохимическим способам модификации пептидных цепей после трансляции относятся метилирование, фосфорилирование и образование дисульфидных связей.

Метилирование чаще всего происходит по аргинину или лизину и заключается в присоединении метильной группы к атому азота (с заменой атома водорода). R-группы этих аминокислот могут метилироваться многократно при условии, что число связей с азотом не превышает четырёх. Метилирование снижает способность этих аминокислот образовывать водородные связи, поэтому метилированные аргинин и лизин обладают иными свойствами по сравнению со своими немодифицированными аналогами.

Фосфорилирование чаще всего происходит по серину, треонину и тирозину и заключается в замене атома водорода в спиртовой группе на конце R-цепи на фосфатную группу. Это придаёт R-группам отрицательный заряд и, таким образом, изменяет поведение этих аминокислот по сравнению с их нефосфорилированными аналогами.

Образование дисульфидных связей — это создание дисульфидных мостиков (ковалентных связей) между двумя остатками цистеина в цепи, что придаёт укладке белка дополнительную стабильность[17].

Фолдинг белков[править]

Полипептидная цепь в клетке не обязательно остаётся линейной, она может разветвляться или сворачиваться. Полипептидные цепи сворачиваются определённым образом в зависимости от того, в каком растворе они находятся. Основной причиной укладки белков является то, что все аминокислоты содержат R-группы с разными свойствами.

  • В гидрофильной среде, такой как цитозоль, гидрофобные аминокислоты концентрируются в ядре белка, тогда как гидрофильные аминокислоты оказываются на его поверхности. Это выгодно с точки зрения энтропии, поскольку молекулы воды могут двигаться гораздо свободнее вокруг гидрофильных аминокислот, чем вокруг гидрофобных.
  • В гидрофобной среде гидрофильные аминокислоты, наоборот, концентрируются в ядре белка, а гидрофобные — на его поверхности. Поскольку новые связи между гидрофильными аминокислотами прочнее, чем гидрофильно-гидрофобные взаимодействия, это выгодно с точки зрения энтальпии[18].

Когда полипептидная цепь полностью свёрнута, она называется белком. Часто множество субъединиц отдельных белков объединяются, чтобы образовать полностью функциональный белок, хотя существуют и нативные белки, содержащие только одну полипептидную цепь. Белки также могут включать в себя другие молекулы, например гемовую группу в гемоглобине — белке, отвечающем за перенос кислорода в крови[19].

Расщепление белков[править]

 → Proteolysis

Катаболизм белков — это процесс, в ходе которого белки расщепляются на составляющие их аминокислоты. Этот процесс также называется протеолизом и может сопровождаться дальнейшим распадом аминокислот.

Катаболизм белков с помощью ферментов[править]

Протеазы[править]

Изначально считалось, что протеазы (также известные как пептидазы) только нарушают ферментативные реакции, однако на самом деле они способствуют расщеплению белков путём разрезания и созданию новых белков, которых ранее не существовало. Протеазы также помогают регулировать метаболические пути. Например, они расщепляют ферменты в тех путях, которые не должны работать в данный момент (например, глюконеогенез при высоком уровне глюкозы в крови). Это помогает максимально экономить энергию и избегать бесполезных (холостых) биохимических циклов. Бесполезные циклы возникают, когда катаболические и анаболические пути одновременно действуют с одинаковой скоростью для одной и той же реакции. Поскольку создаваемые промежуточные продукты тут же потребляются, организм не получает чистого выигрыша. Энергия в таких циклах теряется. Протеазы предотвращают возникновение этого цикла, изменяя скорость одного из путей или расщепляя ключевой фермент, тем самым останавливая один из путей. Протеазы неспецифичны при связывании с субстратом, что обеспечивает большое разнообразие образующихся пептидов и различных белковых фрагментов внутри клеток, поскольку белки расщепляются легко и энергоэффективно[20].

Возможный механизм расщепления пептидной связи аспартильной протеазой. Показаны только пептидная связь и активный центр.

Поскольку многие протеазы неспецифичны, их работа строго регулируется в клетке. Без регуляции протеазы будут разрушать множество белков, необходимых для физиологических процессов. Один из способов регуляции протеаз в организме — с помощью ингибиторов протеаз. Ингибиторы протеаз могут представлять собой белки, небольшие пептиды или молекулы. Существует два типа ингибиторов протеаз: обратимые и необратимые. Обратимые ингибиторы протеаз образуют с протеазой нековалентные связи, ограничивая её функциональность. Они могут быть конкурентными, бесконкурентными и неконкурентными ингибиторами. Конкурентные ингибиторы конкурируют с пептидом за связывание с активным центром протеазы. Бесконкурентные ингибиторы связываются с протеазой, когда пептид уже присоединён, но не дают протеазе расщепить пептидную связь. Неконкурентные ингибиторы могут действовать и тем, и тем способом. Необратимые ингибиторы протеаз ковалентно модифицируют активный центр протеазы так, что она не может расщеплять пептиды[21].

Экзопептидазы[править]

Экзопептидазы — это ферменты, которые могут отщеплять аминокислоты с конца боковой цепи, главным образом путём присоединения молекулы воды[6]. Ферменты экзопептидазы присутствуют в тонком кишечнике. Эти ферменты делятся на два класса: аминопептидазы (ферменты щёточной каймы) и карбоксипептидазы (ферменты поджелудочной железы).

Аминопептидазы — это ферменты, удаляющие аминокислоты с амино-конца белка. Они присутствуют во всех формах жизни и необходимы для выживания, поскольку выполняют множество внутриклеточных задач для поддержания гомеостаза. Этот тип пептидаз относится к цинк-металлоферментам и ингибируется молекулой-аналогом переходного состояния. Такой аналог похож на истинное переходное состояние, поэтому он может заставить фермент связаться с собой вместо реального переходного состояния, предотвращая тем самым связывание субстрата и снижая скорость реакции[22].

Карбоксипептидазы отщепляют аминокислоты с карбоксильного конца белка. Хотя они могут участвовать в катаболизме белков, чаще они используются в посттрансляционных модификациях[23].

Эндопептидазы[править]

Эндопептидазы — это ферменты, которые присоединяют воду к внутренней пептидной связи в полипептидной цепи и разрывают эту связь[6]. Три распространённые эндопептидазы, вырабатываемые поджелудочной железой — это пепсин, трипсин и химотрипсин.

Химотрипсин осуществляет реакцию гидролиза, расщепляя связь, располагающуюся сразу после ароматических аминокислотых остатков. Основными участвующими аминокислотами являются серин, гистидин и аспарагиновая кислота. Все они играют роль в расщеплении пептидной связи. Эти три аминокислоты образуют так называемую каталитическую триаду, что означает необходимость присутствия всех трёх аминокислот для правильного функционирования фермента[6]. Трипсин расщепляет связь после длинных положительно заряженных остатков и имеет отрицательно заряженную полость связывания в активном центре. Оба фермента (трипсин и химотрипсин) вырабатываются в форме зимогенов, то есть изначально находятся в неактивном состоянии и активируются после расщепления в ходе реакции гидролиза[2].

Нековалентные взаимодействия, такие как водородные связи между пептидным остовом и каталитической триадой, способствуют увеличению скорости реакции, позволяя пептидазам эффективно расщеплять множество пептидов[6].

Катаболизм белков под влиянием изменений среды[править]

pH[править]

Клеточные белки находятся в условиях относительно постоянного pH, чтобы предотвратить изменения в состоянии протонирования аминокислот[24]. Если pH снижается, некоторые аминокислоты в полипептидной цепи могут протонироваться при условии, что pKa их R-групп выше нового значения pH. Протонирование может изменить заряд этих R-групп. Если pH повышается, некоторые аминокислоты в цепи могут депротонироваться (если pKa R-группы ниже нового значения pH), это также изменяет заряд R-группы. Поскольку многие аминокислоты взаимодействуют с другими аминокислотами на основе электростатического притяжения, изменение заряда может разрушить эти взаимодействия. Утрата этих взаимодействий изменяет структуру белка, но самое главное — это изменяет его функцию, что может быть как полезным, так и вредным. Значительное изменение pH может нарушить множество взаимодействий, в которые вступают аминокислоты, и вызвать денатурацию белка[24].

Температура[править]

По мере повышения температуры окружающей среды молекулы движутся быстрее. Водородные связи и гидрофобные взаимодействия являются важными стабилизирующими силами в белках. Если температура повышается и молекулы, участвующие в этих взаимодействиях, движутся слишком быстро, эти взаимодействия нарушаются или даже разрываются. При высоких температурах эти взаимодействия не могут сформироваться, и функциональный белок денатурирует[25]. Однако этот процесс зависит от двух факторов: типа белка и количества подведённого тепла. Количество подведённого тепла определяет, является ли это изменение белка необратимым или белок можно будет вернуть в исходную форму[26].

Примечания[править]

  1. ↑ Transcription, Translation and Replication. www.atdbio.com. Проверено 12 февраля 2019.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 Berg Jeremy M, Tymoczko John L Biochemistry. — 5th. — W.H. Freeman. — ISBN 978-0-7167-3051-4.
  3. ↑ Protein Metabolism. Encyclopedia.com (7 October 2020).
  4. ↑ (May 2013) «Dietary protein and the blood glucose concentration». Diabetes 62 (5): 1371–2. DOI:10.2337/db12-1829. PMID 23613553.
  5. ↑ Foufelle F., Ferré P. Mechanism of Storage and Synthesis of Fatty Acids and Triglycerides in White Adipocytes // Physiology and Physiopathology of Adipose Tissue. — Springer. — P. 101–121. — ISBN 978-2-8178-0343-2.
  6. ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 Voet Donald, Pratt Charlotte W Fundamentals of biochemistry : life at the molecular level. — 4th. — Wiley, 2013. — P. 712–765. — ISBN 978-0-470-54784-7.
  7. ↑ Amino Acid Synthesis. homepages.rpi.edu. Проверено 20 февраля 2019.
  8. ↑ Genomes. — 2nd. — Oxford: Bios. — ISBN 978-1-85996-228-2.
  9. ↑ Chemistry for Biologists: Nucleic acids. www.rsc.org. Проверено 20 февраля 2019.
  10. ↑ Griffiths Anthony J F An introduction to genetic analysis. — 7th. — W.H. Freeman. — ISBN 978-0-7167-3520-5.
  11. ↑ Alberts Bruce, Johnson Alexander Molecular biology of the cell. — 4th. — ISBN 978-0-8153-3218-3.
  12. ↑ National Human Genome Research Institute (NHGRI)en-US. National Human Genome Research Institute (NHGRI). Проверено 20 февраля 2019.
  13. ↑ 13,0 13,1 Cooper Godffrey M The Cell: A Molecular Approach. — 2nd. — ASM Press. — ISBN 978-0-87893-119-4.
  14. ↑ MolGenT - tRNA Charging. halo.umbc.edu. Проверено 22 марта 2019.
  15. ↑ miRNA (microRNA) Introductionангл.. Sigma-Aldrich. Проверено 22 марта 2019.
  16. ↑ (January 1999) «Eukaryotic initiation factor eIF2». The International Journal of Biochemistry & Cell Biology 31 (1): 25–9. DOI:10.1016/S1357-2725(98)00128-9. PMID 10216940.
  17. ↑ Green Keith D., Garneau-Tsodikova Sylvie Posttranslational Modification of Proteins // Comprehensive Natural Products II. — Elsevier. — Т. 5. — P. 433–468. — ISBN 978-0-08-045382-8.
  18. ↑ Lodish Harvey F Molecular cell biology. — 4th. — W.H. Freeman. — ISBN 978-0-7167-3136-8.
  19. ↑ Heme. PubChem. Проверено 20 февраля 2019.
  20. ↑ (November 2008) «Proteases: multifunctional enzymes in life and disease». The Journal of Biological Chemistry 283 (45): 30433–7. DOI:10.1074/jbc.R800035200. PMID 18650443.
  21. ↑ Geretti Anna Maria Antiretroviral resistance in clinical practice. — Mediscript. — ISBN 978-0-9551669-0-7.
  22. ↑ (February 1993) «Aminopeptidases: structure and function». FASEB Journal 7 (2): 290–8. DOI:10.1096/fasebj.7.2.8440407. PMID 8440407.
  23. ↑ Carboxypeptidase. www.chemistry.wustl.edu. Проверено 23 марта 2019.
  24. ↑ 24,0 24,1 Nelson David L, Cox Michael M Lehninger principles of biochemistry. — 6th. — New York: W.H. Freeman and Company.
  25. ↑ Denaturation Protein. chemistry.elmhurst.edu. Проверено 20 февраля 2019.
  26. ↑ (2008) «Temperature effects on the nucleation mechanism of protein folding and on the barrierless thermal denaturation of a native protein». Physical Chemistry Chemical Physics 10 (41): 6281–300. DOI:10.1039/b807399f. ISSN 1463-9076. PMID 18936853. Bibcode: 2008PCCP...10.6281D.
 
Метаболизм, катаболизм, анаболизм
↑
[+]
Общий
Энергетический
обмен
Аэробное дыхание
Анаэробное дыхание
  • Акцепторы электронов, отличные от кислорода
Брожение
Конкретные
пути
Белковый обмен
Углеводный обмен
(Катаболизм
и Анаболизм )
Человек
Нечеловеческий
Липидный обмен
(Липолиз , Липогенез)
Метаболизм жирных кислот
Остальное
Аминокислоты
Метаболизм нуклеотидов
Обмен тетрапироллов (гем)
Остальное
Рувики

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Белковый обмен», расположенная по адресу:

—«https://ru.ruwiki.ru/wiki/Белковый_обмен»

Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий.

Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».

Источник — http://cyclowiki.org/w/index.php?title=Белковый_обмен&oldid=2583760