Регуляция биосинтеза белка

Живые клетки имеют точно запрограмированные механизмы, регулирующие синтез различных белков таким образом, что в любой клетке присутствует определенное количество молекул каждого белка, позволяющее ей осуществлять свои метаболические процессы плавно и с максимальной эффективностью.

В клетке существует 7 процессов, которые определяют концентрацию белков и каждый из этих процессов подвергается регуляции:

1. Синтез первичного РНК транскрипта.

2. Посттранскрипционный процессинг

3. Разрушение мРНК.

4. Синтез белка (трансляция).

5. Посттрансляционная модификация белка.

6. Разрушение белка.

7. Транспорт белка.

Основным механизмом регуляции биосинтеза белка является регуляции инициации транскрипции.

Гены для белков, которые требуются постоянно, экспрессируются на относительно постоянном уровне в каждой клетке организма. Гены ферментов основных метаболических путей (например, цикла трикарбоновых кислот) относятся к этой категории генов и называются конституитивными генами. Неизменная экспрессия генов называется конституитивной экспрессией генов. Внутриклеточный уровень некоторых белков повышается или снижается под действием различных сигналов. Белки, концентрация которых повышается, называются индуцибельными. Процесс повышения экспрессии генов называется индукцией. Например, экспрессия генов, кодирующих ферменты репарации ДНК, индуцируется при повреждении ДНК. Белки, концентрация которых снижается в ответ на молекулярные сигналы, называются репрессибельными, а процесс подавления экспрессии генов – репрессия. Например, достаточное поступление триптофана приводит к подавлению генов для ферментов, которые участвуют в синтезе триптофана у бактерий.

Скорость и объем синтеза белка определяется концентрацией аминокислоты, присутствующей в наименьшем количестве.

9.7.1. Фолдинг и разрушение полипептидной цепи. Оценим характеристики биосинтеза белков в клетках кишечной палочки (E. сoli). Для удвоения числа клеток за 40 мин при 37 ºС требуется синтез примерно 1000 полипептидов со средней молекулярной массой 40 кДа за секунду. Эти полипептиды локализуются в минимальном объеме цитоплазмы, менее чем 1мкм³. Общая концентрация макромолекул в цитозоле клеток E. сoli достигает 340 г/л (напомним, что в сыворотке крови человека концентрация общего белка не превышает 85 г/л). Таким образом, синтезированная полипептидная цепь оказывается в пространстве, заполненном белками и другими макромолекулами при наличии протеолитических ферментов, способных ее гидролизовать. Возможны три негативных варианта судьбы полипептидной цепи: 1) протеолитическая деградация; 2) преципитация со снижением растворимости белка и 3) неправильное складывание полипептидной цепи. Все вышесказанное позволяет утверждать, что в процессе эволюции должны были отобраться механизмы, способные 1) сформировать правильную третичную (нативную) структуру белковой молекулы и 2) гидролизовать белки с неправильной конформацией полипептидной цепи. Для реализации таких механизмов используются белки шапероны, которые относятся к белкам теплового шока (hsp60, hsp70, hsp90, hsp100). Свое название эти белки получили потому, что их синтез возрастает при повышении температуры и других формах стресса. Параллельно они выполняют функцию защиты белков клетки от денатурации. Шапероны участвуют в трех процессах: 1) hsp60, hsp70, hsp90 определяют зависимое от АТФ правильное формирование третичной структуры белковой молекулы; 2) hsp70 и hsp100 определяют процессы агрегации-дезагрегации полипептидных цепей и 3) hsp70 обеспечивает разрушение неправильных полипептидов после мечения их убиквитином в протеасомах.