Белковый обмен
Белковый обмен обозначает различные биохимические процессы, ответственные за синтез белков и аминокислот (анаболизм), а также распад белков путем катаболизма .
Этапы синтеза белка включают транскрипцию, трансляцию и посттрансляционные модификации. Во время транскрипции РНК-полимераза транскрибирует кодирующую область ДНК в клетке, производя последовательность РНК, в частности информационную РНК (мРНК). Эта последовательность мРНК содержит кодоны: сегменты длиной 3 нуклеотида, которые кодируют определенную аминокислоту. Рибосомы переводят кодоны в соответствующие аминокислоты. [1] У людей заменимые аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов основных метаболических путей, таких как цикл лимонной кислоты . [2] Незаменимые аминокислоты должны потребляться и вырабатываться в других организмах. Аминокислоты соединены пептидными связями, образующими полипептидную цепь. Эта полипептидная цепь затем претерпевает посттрансляционные модификации и иногда соединяется с другими полипептидными цепями, образуя полностью функциональный белок.
Пищевые белки сначала расщепляются до отдельных аминокислот различными ферментами и соляной кислотой , присутствующей в желудочно-кишечном тракте. Эти аминокислоты всасываются в кровоток и транспортируются в печень и далее в остальные части тела. Поглощенные аминокислоты обычно используются для создания функциональных белков, но также могут использоваться для производства энергии. [3] Они также могут превращаться в глюкозу. [4] Эта глюкоза затем может быть преобразована в триглицериды и сохранена в жировых клетках. [5]
Белки могут расщепляться ферментами, известными как пептидазы , или разрушаться в результате денатурации . Белки могут денатурировать в условиях окружающей среды, для которых белок не предназначен. [6]
Синтез белка
[ редактировать ]Белковый анаболизм – это процесс образования белков из аминокислот. Он основан на пяти процессах: синтезе аминокислот , транскрипции , трансляции , посттрансляционных модификациях и сворачивании белка . Белки состоят из аминокислот. У человека некоторые аминокислоты могут быть синтезированы с использованием уже существующих промежуточных продуктов. Эти аминокислоты известны как незаменимые аминокислоты. Незаменимые аминокислоты требуют промежуточных продуктов, которых нет в организме человека. Эти промежуточные продукты должны поступать в организм, в основном при поедании других организмов. [6]
Синтез аминокислот
[ редактировать ]Аминокислота | Р-группа ‡ | Путь * |
Глицин | Н- | Серин + ТГФ → Глицин ( гидроксиметилтрансфераза ) |
Аланин | Ч 3 – | Пируват → Аланин ( аминотрансфераза ) |
Валин § | (СН 3 ) 2 -СН- | Гидроксиэтил-ТФП + Пируват → α-ацетолактат → Валин |
Лейцин § | (СН 3 ) 2 -СН-СН 2 - | Гидроксиэтил-ТФП + Пируват → α-кетобутират → Лейцин |
изолейцин § | СН 3 -СН 2 -СН(СН 3 )- | Гидроксиэтил-ТФП + Пируват → α-ацетолактат → Изолейцин |
Метионин § | СН 3 -S-(СН 2 ) 2 - | Гомоцистеин → Метионин ( метионинсинтаза ) |
Пролин | −(СН 2 ) 3 − | Глутаминовая кислота → Глутамат-5-полуальдегид → Пролин ( γ-глутамилкиназа) |
Фенилаланин § | Ф-СН 2 - | Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезокси арабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризмат → Фенилаланин |
Триптофан § | Ph-NH-CH=C-CH 2 - | Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезокси арабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризмат → Триптофан |
Тирозин | НО-Ф-СН 2 - | Фенилаланин → Тирозин ( фенилаланингидроксилаза ) |
Серин | НО-СН 2 - | 3-фосфоглицерат → 3-фосфогидроксипируват ( 3-фосфоглицератдегидрогеназа ) → 3-фосфосерин ( аминотрансфераза ) → Серин ( фосфосеринфосфатаза ) |
Треонин § | СН 3 -СН(ОН)- | Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин → Треонин |
Цистеин | HS-CH 2 - | Серин → Цистатионин → α-кетобутират → Цистеин |
Аспарагин | H 2 N-CO-CH 2 - | Аспарагиновая кислота → Аспарагин ( аспарагинсинтетаза ) |
Глютамин | ЧАС 2 N-CO-(СН 2 ) 2 - | Глутаминовая кислота → Глютамин ( глутаминсинтетаза ) |
Аргинин | + ЧАС 2 N=C(NH 2 )-NH-(CH 2 ) 3 - | Глутамат → Глутамат-5-полуальдегид ( γ-глутамилкиназа) → Аргинин |
Гистидин § | NH-CH=N-CH=C-CH 2 - | Глюкоза → Глюкозо-6-фосфат → Рибозо-5-фосфат → Гистидин |
Лизин § | + ЧАС 3 N-(СН 2 ) 4 - | Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин + лизин |
Аспарагиновая кислота | − ООС-СН 2 - | Оксалоацетат → Аспарагиновая кислота ( аминотрансфераза ) |
Глутаминовая кислота | − ООС-(СН 2 ) 2 - | α-кетоглутарат → Глутаминовая кислота ( аминотрансфераза ) |
‡ Показан при физиологических состояниях. *Комплексы, выделенные курсивом, представляют собой ферменты. § Не может быть синтезирован в организме человека. |
Синтез полипептидов
[ редактировать ]Транскрипция
[ редактировать ]
При транскрипции считывает РНК-полимераза цепь ДНК и производит цепь мРНК , которую можно далее транслировать. Чтобы инициировать транскрипцию, сегмент ДНК, который должен транскрибироваться, должен быть доступным (т.е. он не может быть плотно упакован). Как только сегмент ДНК становится доступным, РНК-полимераза может начать транскрипцию кодирующей цепи ДНК путем спаривания нуклеотидов РНК с цепью матричной ДНК. Во время начальной фазы транскрипции РНК-полимераза ищет промоторную область на цепи матрицы ДНК. Как только РНК-полимераза связывается с этой областью, она начинает «читать» цепь ДНК-матрицы в направлении от 3’ к 5’. [8] РНК-полимераза присоединяет основания РНК, комплементарные матричной цепи ДНК ( будет использоваться урацил вместо тимина ). Новые нуклеотидные основания связаны друг с другом ковалентно. [9] Новые основания в конечном итоге отделяются от оснований ДНК, но остаются связанными друг с другом, образуя новую цепь мРНК. Эта цепь мРНК синтезируется в направлении от 5’ к 3’. [10] Как только РНК достигает терминаторной последовательности , она диссоциирует от цепи матрицы ДНК и также терминирует последовательность мРНК.
Транскрипция регулируется в клетке с помощью факторов транскрипции. Факторы транскрипции — это белки, которые связываются с регуляторными последовательностями в цепи ДНК, такими как промоторные или операторные области. Белки, связанные с этими областями, могут либо напрямую останавливать или разрешать РНК-полимеразе читать цепь ДНК, либо могут сигнализировать другим белкам о необходимости остановки или разрешения считывания РНК-полимеразы. [11]
Перевод
[ редактировать ]
Во время трансляции рибосомы преобразуют последовательность мРНК (информационная РНК ) в аминокислотную последовательность. Каждый сегмент мРНК длиной 3 пары оснований представляет собой кодон , который соответствует одной аминокислоте или стоп-сигналу. [12] Аминокислоты могут иметь несколько соответствующих им кодонов. Рибосомы не присоединяют аминокислоты напрямую к кодонам мРНК. Они должны использовать тРНК также (транспортные РНК). Транспортные РНК могут связываться с аминокислотами и содержать антикодон, который может связываться водородом с кодоном мРНК. [13] Процесс связывания аминокислоты с тРНК известен как зарядка тРНК. Здесь фермент аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует две реакции. В первом случае он присоединяет к аминокислоте молекулу АМФ (отщеплённую от АТФ). Вторая реакция расщепляет аминоацил-АМФ, производя энергию для присоединения аминокислоты к молекуле тРНК. [14]
Рибосомы состоят из двух субъединиц : большой и маленькой. Эти субъединицы окружают цепь мРНК. Более крупная субъединица содержит три сайта связывания: A (аминоацил), P (пептидил) и E (выход). различается После инициации трансляции (которая у прокариот и эукариот ) рибосома вступает в период элонгации, который следует за повторяющимся циклом. Сначала тРНК с правильной аминокислотой попадает в сайт А. Рибосома переносит пептид с тРНК в участке Р на новую аминокислоту тРНК в участке А. ТРНК из сайта P переместится в сайт E, откуда она будет выброшена. Это происходит постоянно, пока рибосома не достигнет стоп-кодона или не получит сигнал остановиться. [13] Пептидная связь образуется между аминокислотой, присоединенной к тРНК в участке Р, и аминокислотой, присоединенной к тРНК в участке А. Образование пептидной связи требует затрат энергии. Две реагирующие молекулы представляют собой альфа-аминогруппу одной аминокислоты и альфа-карбоксильную группу других аминокислот. Побочным продуктом образования этой связи является высвобождение воды (аминогруппа отдает протон, а карбоксильная группа отдает гидроксил). [2]
может подавляться микроРНК Трансляция (микроРНК). Эти цепи РНК могут расщеплять цепи мРНК, которым они комплементарны , и, таким образом, останавливают трансляцию. [15] Трансляцию также можно регулировать с помощью хелперных белков. Например, белок, называемый эукариотическим фактором инициации-2 ( eIF-2 ), может связываться с меньшей субъединицей рибосомы, запуская трансляцию. Когда elF-2 фосфорилируется , он не может связываться с рибосомой и трансляция останавливается. [16]
Посттрансляционные модификации
[ редактировать ]
После того как пептидная цепь синтезирована, ее все равно необходимо модифицировать. Посттрансляционные модификации могут происходить до сворачивания белка или после него. Общие биологические методы модификации пептидных цепей после трансляции включают метилирование , фосфорилирование и образование дисульфидных связей . Метилирование часто происходит с аргинином или лизином и включает добавление метильной группы к азоту (замена водорода ). Группы R в этих аминокислотах могут быть метилированы несколько раз, если число связей с азотом не превышает 4. Метилирование снижает способность этих аминокислот образовывать водородные связи, поэтому метилированные аргинин и лизин имеют свойства, отличные от их стандартных аналогов. . Фосфорилирование часто происходит с серином , треонином и тирозином и включает замену водорода в спиртовой группе на конце группы R на фосфатную группу . Это добавляет отрицательный заряд группам R и, таким образом, изменяет поведение аминокислот по сравнению с их стандартными аналогами. Образование дисульфидной связи — это создание дисульфидных мостиков ( ковалентных связей ) между двумя цистеина в цепи, что придает стабильность складчатой структуре. аминокислотами [17]
Складывание белка
[ редактировать ]Полипептидная цепь в клетке не обязательно должна оставаться линейной; он может стать разветвленным или сложиться сам по себе. Полипептидные цепи сворачиваются определенным образом в зависимости от раствора, в котором они находятся. Тот факт, что все аминокислоты содержат R-группы с разными свойствами, является основной причиной сворачивания белков. В гидрофильной среде, такой как цитозоль , гидрофобные аминокислоты концентрируются в ядре белка, а гидрофильные аминокислоты - снаружи. Это энтропийно выгодно , поскольку молекулы воды могут гораздо свободнее перемещаться вокруг гидрофильных аминокислот, чем гидрофобных аминокислот. В гидрофобной среде гидрофильные аминокислоты концентрируются в ядре белка, а гидрофобные аминокислоты - снаружи. Поскольку новые взаимодействия между гидрофильными аминокислотами сильнее, чем гидрофобно-гидрофильные взаимодействия, это энтальпийно выгодно . [18] Когда полипептидная цепь полностью свернута, она называется белком. Часто многие субъединицы объединяются, образуя полностью функциональный белок, хотя существуют физиологические белки, содержащие только одну полипептидную цепь. Белки могут также включать в себя другие молекулы, такие как гемовая группа в гемоглобине — белке, ответственном за перенос кислорода в крови. [19]
Распад белка
[ редактировать ]Катаболизм белков – это процесс, при котором белки расщепляются до аминокислот . Это также называется протеолизом и может сопровождаться дальнейшей деградацией аминокислот .
Катаболизм белков посредством ферментов
[ редактировать ]Протеазы
[ редактировать ]Первоначально считалось, что ) только нарушают ферментативные реакции , но протеазы (также известные как пептидазы на самом деле помогают катаболизировать белки посредством расщепления и создания новых белков, которых раньше не было. Протеазы также помогают регулировать метаболические пути . Один из способов сделать это — расщепить ферменты в путях, которые не нуждаются в работе (т. е. глюконеогенез при глюкозы высоких концентрациях в крови). Это помогает сохранить как можно больше энергии и избежать бесполезных циклов . Бесполезные циклы возникают, когда катаболический и анаболический пути действуют одновременно и имеют одну и ту же скорость для одной и той же реакции. Поскольку создаваемые промежуточные продукты потребляются, организм не получает чистой выгоды. Энергия теряется из-за бесполезных циклов. Протеазы предотвращают возникновение этого цикла, изменяя скорость одного из путей или расщепляя ключевой фермент, они могут остановить один из путей. Протеазы также неспецифичны при связывании с субстратом , что обеспечивает большое разнообразие внутри клеток и других белков, поскольку их гораздо легче расщеплять энергоэффективным способом. [20]

Поскольку многие протеазы неспецифичны, их активность в клетке строго регулируется. Без регулирования протеазы разрушают многие белки, необходимые для физиологических процессов. Одним из способов регулирования протеаз в организме является использование ингибиторов протеаз . Ингибиторами протеазы могут быть другие белки, небольшие пептиды или молекулы. Существует два типа ингибиторов протеазы: обратимые и необратимые. Обратимые ингибиторы протеаз образуют нековалентные взаимодействия с протеазой, ограничивающие ее функциональность. Они могут быть конкурентными ингибиторами , неконкурентными ингибиторами и неконкурентными ингибиторами . Конкурентные ингибиторы конкурируют с пептидом за связывание с активным центром протеазы. Неконкурентные ингибиторы связываются с протеазой, пока связан пептид, но не позволяют протеазе расщеплять пептидную связь. Неконкурентные ингибиторы могут делать и то, и другое. Необратимые ингибиторы протеазы ковалентно модифицируют активный сайт протеазы, поэтому она не может расщеплять пептиды. [21]
экзопептидазы
[ редактировать ]Экзопептидазы — это ферменты, которые могут расщеплять конец боковой цепи аминокислоты главным образом за счет добавления воды. [6] Ферменты экзопептидазы существуют в тонком кишечнике. Эти ферменты делятся на два класса: аминопептидазы (фермент щеточной каймы) и карбоксипептидазы, вырабатываемые поджелудочной железой. Аминопептидазы – это ферменты, удаляющие аминокислоты с аминоконца белка. Они присутствуют во всех формах жизни и имеют решающее значение для выживания, поскольку выполняют множество клеточных задач для поддержания стабильности. Эта форма пептидазы представляет собой металлофермент цинка и ингибируется аналогом переходного состояния . Этот аналог аналогичен фактическому переходному состоянию , поэтому он может заставить фермент связываться с ним вместо фактического переходного состояния, тем самым предотвращая связывание субстрата и снижая скорость реакции. [22] Карбоксипептидазы расщепляют карбоксильный конец белка. Хотя они могут катаболизировать белки, они чаще используются в посттранскрипционных модификациях . [23]
Эндопептидазы
[ редактировать ]Эндопептидазы — это ферменты, которые добавляют воду к внутренней пептидной связи в пептидной цепи и разрывают эту связь. [6] Тремя распространенными эндопептидазами, которые происходят из поджелудочной железы, являются пепсин , трипсин и химотрипсин . Химотрипсин осуществляет реакцию гидролиза , которая отщепляет ароматические остатки. Основными аминокислотами являются серин , гистидин и аспарагиновая кислота . Все они играют роль в расщеплении пептидной связи. Эти три аминокислоты известны как каталитическая триада , что означает, что все эти три аминокислоты должны присутствовать для правильного функционирования. [6] Трипсин расщепляется после длинных положительно заряженных остатков и имеет отрицательно заряженный карман связывания в активном центре . Оба производятся как зимогены , то есть первоначально они находятся в неактивном состоянии, а после расщепления в результате реакции гидролиза становятся активированными. [2] Нековалентные взаимодействия, такие как водородные связи между основной цепью пептида и каталитической триадой, помогают увеличить скорость реакции, позволяя этим пептидазам эффективно расщеплять многие пептиды. [6]
Катаболизм белков вследствие изменений окружающей среды
[ редактировать ]рН
[ редактировать ]Клеточные белки поддерживаются при относительно постоянном pH, чтобы предотвратить изменения состояния протонирования аминокислот. [24] Если pH падает, некоторые аминокислоты в полипептидной цепи могут стать протонированными , если pka их R-групп выше нового pH. Протонирование может изменить заряд этих R-групп. Если pH повышается, некоторые аминокислоты в цепи могут депротонироваться (если pka группы R ниже нового pH). Это также меняет заряд группы R. Поскольку многие аминокислоты взаимодействуют с другими аминокислотами на основе электростатического притяжения , изменение заряда может нарушить эти взаимодействия. Утрата этих взаимодействий изменяет структуру белков , но, что наиболее важно, она меняет функцию белков, что может быть как полезным, так и вредным. Значительное изменение pH может даже нарушить многие взаимодействия аминокислот и денатурировать (развернуть) белок. [24]
Температура
[ редактировать ]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, содержащие эти взаимодействия, движутся слишком быстро, взаимодействия нарушаются или даже разрываются. При высоких температурах эти взаимодействия не могут образоваться, и функциональный белок денатурируется . [25] Однако это зависит от двух факторов; тип используемого белка и количество применяемого тепла. Количество приложенного тепла определяет, будет ли это изменение в белке постоянным или его можно будет преобразовать обратно в исходную форму. [26]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Транскрипция, трансляция и репликация» . www.atdbio.com . Проверено 12 февраля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-3051-4 . OCLC 48055706 .
- ^ «Белковый обмен» . Энциклопедия.com . 7 октября 2020 г.
- ^ Nuttall FQ, Gannon MC (май 2013 г.). «Пищевой белок и концентрация глюкозы в крови» . Диабет . 62 (5): 1371–2. дои : 10.2337/db12-1829 . ПМЦ 3636610 . ПМИД 23613553 .
- ^ Фуфель, Ф.; Ферре, П. (2013). «Механизм хранения и синтеза жирных кислот и триглицеридов в белых адипоцитах» . В Бастарде, Япония; Фев, Б. (ред.). Физиология и физиопатология жировой ткани . Спрингер. стр. 101–121. дои : 10.1007/978-2-8178-0343-2_8 . ISBN 978-2-8178-0343-2 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Воет Д., Пратт К.В., Воет Дж.Г. (2013) [2012]. Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (4-е изд.). Уайли. стр. 712–765. ISBN 978-0-470-54784-7 . OCLC 782934336 .
- ^ «Синтез аминокислот» . homepages.rpi.edu . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Браун Т.А. (2002). Геномы (2-е изд.). Оксфорд: Биос. ISBN 978-1-85996-228-2 . OCLC 50331286 .
- ^ «Химия для биологов: Нуклеиновые кислоты» . www.rsc.org . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Гриффитс Эй Джей (2000). Введение в генетический анализ (7-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-3520-5 . OCLC 42049331 .
- ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. Молекулярная биология клетки (4-е изд.). ISBN 978-0-8153-3218-3 . OCLC 48122761 .
- ^ «Национальный институт исследования генома человека (NHGRI)» . Национальный институт исследования генома человека (NHGRI) . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Купер GM (2000). Клетка: молекулярный подход (2-е изд.). АСМ Пресс. ISBN 978-0-87893-119-4 . OCLC 43708665 .
- ^ «МолГенТ – Зарядка тРНК» . halo.umbc.edu . Проверено 22 марта 2019 г.
- ^ «Введение микроРНК (микроРНК)» . Сигма-Олдрич . Проверено 22 марта 2019 г.
- ^ Кимбалл С.Р. (январь 1999 г.). «Фактор инициации эукариот eIF2». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 31 (1): 25–9. дои : 10.1016/S1357-2725(98)00128-9 . ПМИД 10216940 .
- ^ Грин К.Д., Гарно-Цодикова С (2010). «Посттрансляционная модификация белков». Комплексные натуральные продукты II . Справочный модуль по химии, молекулярным наукам и химической инженерии. Том. 5. Эльзевир. стр. 433–468. дои : 10.1016/b978-008045382-8.00662-6 . ISBN 978-0-08-045382-8 .
- ^ Лодиш Х.Ф. (2000). Молекулярно-клеточная биология (4-е изд.). У. Х. Фриман. ISBN 978-0-7167-3136-8 . OCLC 41266312 .
- ^ «Гема» . ПабХим . 26945 . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Лопес-Отин С., Bond JS (ноябрь 2008 г.). «Протеазы: многофункциональные ферменты в жизни и болезни» . Журнал биологической химии . 283 (45): 30433–7. дои : 10.1074/jbc.R800035200 . ПМЦ 2576539 . ПМИД 18650443 .
- ^ Геретти А.М. (2006). Антиретровирусная резистентность в клинической практике . Медискрипт. ISBN 978-0-9551669-0-7 . OCLC 77517389 .
- ^ Тейлор А. (февраль 1993 г.). «Аминопептидазы: строение и функции» . Журнал ФАСЭБ . 7 (2): 290–8. дои : 10.1096/fasebj.7.2.8440407 . ПМИД 8440407 . S2CID 23354720 .
- ^ «Карбоксипептидаза» . www.chemistry.wustl.edu . Проверено 23 марта 2019 г.
- ^ Перейти обратно: а б Нельсон Д.Л., Кокс М.М., Ленинджер А.Л. (2013). Ленингерские принципы биохимии (6-е изд.). Нью-Йорк: WH Freeman and Company. OCLC 824794893 .
- ^ «Денатурационный белок» . chemistry.elmhurst.edu . Проверено 20 февраля 2019 г.
- ^ Джикаев Ю.С.; Рукенштейн, Эли (2008). «Влияние температуры на механизм нуклеации сворачивания белка и на безбарьерную термическую денатурацию нативного белка». Физическая химия Химическая физика . 10 (41): 6281–300. Бибкод : 2008PCCP...10.6281D . дои : 10.1039/b807399f . ISSN 1463-9076 . ПМИД 18936853 .