Метаболизм белков обозначает различные биохимические процессы, отвечающие за синтез белков и аминокислот (анаболизм), а также за расщепление 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, матричную РНК (мРНК). Эта последовательность мРНК содержит кодоны: сегменты длиной 3 нуклеотида, которые кодируют определенную аминокислоту. Рибосомы транслируют кодоны в соответствующие им аминокислоты. [1] У людей заменимые аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов в основных метаболических путях, таких как цикл лимонной кислоты . [2] Незаменимые аминокислоты должны потребляться и вырабатываться в других организмах. Аминокислоты соединяются пептидными связями, образуя полипептидную цепь. Затем эта полипептидная цепь проходит посттрансляционные модификации и иногда соединяется с другими полипептидными цепями, образуя полностью функциональный белок.
Пищевые белки сначала расщепляются на отдельные аминокислоты различными ферментами и соляной кислотой , присутствующей в желудочно-кишечном тракте. Эти аминокислоты всасываются в кровоток, чтобы транспортироваться в печень и далее в остальную часть тела. Всасываемые аминокислоты обычно используются для создания функциональных белков, но также могут использоваться для создания энергии. [3] Они также могут быть преобразованы в глюкозу. [4] Затем эта глюкоза может быть преобразована в триглицериды и храниться в жировых клетках. [5]
Белки могут расщепляться ферментами, известными как пептидазы , или могут расщепляться в результате денатурации . Белки могут денатурировать в условиях окружающей среды, для которых они не созданы. [6]
Анаболизм белков — это процесс, посредством которого белки образуются из аминокислот. Он основан на пяти процессах: синтезе аминокислот , транскрипции , трансляции , посттрансляционных модификациях и сворачивании белков . Белки производятся из аминокислот. У людей некоторые аминокислоты могут синтезироваться с использованием уже существующих промежуточных продуктов. Эти аминокислоты известны как заменимые аминокислоты. Для незаменимых аминокислот требуются промежуточные продукты, которых нет в организме человека. Эти промежуточные продукты должны поступать в организм, в основном из других организмов. [6]
В транскрипции РНК -полимераза считывает цепь ДНК и производит цепь мРНК , которая может быть далее транслирована. Для того чтобы инициировать транскрипцию, сегмент ДНК, который должен быть транскрибирован, должен быть доступен (т. е. он не может быть плотно упакован). Как только сегмент ДНК становится доступным, РНК-полимераза может начать транскрибировать кодирующую цепь ДНК, спаривая нуклеотиды РНК с цепью ДНК-матрицы. Во время начальной фазы транскрипции РНК-полимераза ищет промоторную область на цепи ДНК-матрицы. Как только РНК-полимераза связывается с этой областью, она начинает «считывать» цепь ДНК-матрицы в направлении от 3' до 5'. [8] РНК-полимераза присоединяет основания РНК, комплементарные цепи ДНК-матрицы ( вместо тимина будет использоваться урацил ). Новые нуклеотидные основания ковалентно связаны друг с другом. [9] Новые основания в конечном итоге диссоциируют 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 отделяется от цепи ДНК-матрицы и также завершает последовательность мРНК.
Транскрипция регулируется в клетке с помощью факторов транскрипции. Факторы транскрипции — это белки, которые связываются с регуляторными последовательностями в цепи ДНК, такими как области промотора или операторные области. Белки, связанные с этими областями, могут либо напрямую останавливать, либо позволять РНК-полимеразе считывать цепь ДНК, либо могут сигнализировать другим белкам останавливать или позволять РНК-полимеразе считывать. [11]
Во время трансляции рибосомы преобразуют последовательность мРНК (информационной РНК) в последовательность аминокислот. Каждый сегмент мРНК длиной в 3 пары оснований представляет собой кодон , который соответствует одной аминокислоте или стоп-сигналу. [12] Аминокислоты могут иметь несколько кодонов, которые им соответствуют. Рибосомы не присоединяют аминокислоты напрямую к кодонам мРНК. Они также должны использовать тРНК (транспортные РНК). Транспортные РНК могут связываться с аминокислотами и содержать антикодон, который может водородно связываться с кодоном мРНК. [13] Процесс связывания аминокислоты с тРНК известен как зарядка тРНК. Здесь фермент аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует две реакции. В первой он присоединяет молекулу АМФ (отщепленную от АТФ) к аминокислоте. Вторая реакция расщепляет аминоацил-АМФ, вырабатывая энергию для присоединения аминокислоты к молекуле тРНК. [14]
Рибосомы имеют две субъединицы , одну большую и одну малую. Эти субъединицы окружают цепь мРНК. Большая субъединица содержит три сайта связывания: A (аминоацил), P (пептидил) и E (выход). После инициации трансляции (которая отличается у прокариот и эукариот ) рибосома входит в период элонгации, который следует за повторяющимся циклом. Сначала тРНК с правильной аминокислотой входит в сайт A. Рибосома переносит пептид из тРНК в сайте P на новую аминокислоту на тРНК в сайте A. ТРНК из сайта P будет смещена в сайт E, где она будет выброшена. Это происходит непрерывно, пока рибосома не достигнет стоп-кодона или не получит сигнал остановиться. [13] Пептидная связь образуется между аминокислотой, прикрепленной к тРНК в сайте P, и аминокислотой, прикрепленной к тРНК в сайте A. Образование пептидной связи требует ввода энергии. Две реагирующие молекулы — это альфа-аминогруппа одной аминокислоты и альфа-карбоксильная группа другой аминокислоты. Побочным продуктом образования этой связи является высвобождение воды (аминогруппа отдает протон, а карбоксильная группа отдает гидроксил). [2]
Трансляция может быть подавлена miRNA (микроРНК). Эти нити РНК могут расщеплять нити мРНК, которым они комплементарны , и таким образом останавливать трансляцию. [15] Трансляция также может регулироваться вспомогательными белками. Например, белок, называемый эукариотическим фактором инициации-2 ( eIF-2 ), может связываться с меньшей субъединицей рибосомы, начиная трансляцию. Когда elF-2 фосфорилируется , он не может связываться с рибосомой, и трансляция останавливается. [16]
После того, как пептидная цепь синтезирована, ее все равно необходимо модифицировать. Посттрансляционные модификации могут происходить до сворачивания белка или после. Обычные 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 на этих аминокислотах могут быть метилированы несколько раз, пока число связей с азотом не превышает 4. Метилирование снижает способность этих аминокислот образовывать водородные связи, поэтому метилированные аргинин и лизин имеют свойства, отличные от свойств 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 к группам R и, таким образом, изменяет поведение аминокислот по сравнению со своими стандартными аналогами. Образование дисульфидных связей представляет собой создание дисульфидных мостиков ( ковалентных связей ) между двумя аминокислотами цистеина в цепи, что добавляет стабильности складчатой структуре. [17]
Полипептидная цепь в клетке не обязательно должна оставаться линейной; она может стать разветвленной или сворачиваться сама на себя. Полипептидные цепи сворачиваются определенным образом в зависимости от раствора, в котором они находятся. Тот факт, что все аминокислоты содержат группы R с разными свойствами, является основной причиной сворачивания белков. В гидрофильной среде, такой как цитозоль , гидрофобные аминокислоты будут концентрироваться в ядре белка, в то время как гидрофильные аминокислоты будут находиться снаружи. Это энтропийно выгодно, поскольку молекулы воды могут гораздо свободнее перемещаться вокруг гидрофильных аминокислот, чем вокруг гидрофобных аминокислот. В гидрофобной среде гидрофильные аминокислоты будут концентрироваться в ядре белка, в то время как гидрофобные аминокислоты будут находиться снаружи. Поскольку новые взаимодействия между гидрофильными аминокислотами сильнее, чем гидрофобно-гидрофильные взаимодействия, это энтальпийно выгодно . [18] Как только полипептидная цепь полностью свернута, она называется белком. Часто многие субъединицы объединяются, чтобы создать полностью функциональный белок, хотя существуют физиологические белки, которые содержат только одну полипептидную цепь. Белки могут также включать другие молекулы, такие как гемовая группа в гемоглобине , белке, ответственном за перенос кислорода в крови. [19]
Катаболизм белков — это процесс, при котором белки расщепляются до аминокислот . Это также называется протеолизом и может сопровождаться дальнейшей деградацией аминокислот .
Первоначально считалось, что они 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, которым они это делают, — это расщепление ферментов в путях, которые не должны работать (например, глюконеогенез , когда концентрация глюкозы в крови высока). Это помогает сохранить как можно больше энергии и избежать бесполезных циклов . Бесполезные циклы возникают, когда катаболические и анаболические пути действуют одновременно и с одинаковой скоростью для одной и той же реакции. Поскольку создаваемые промежуточные продукты расходуются, организм не получает чистой выгоды. Энергия теряется через бесполезные циклы. 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 можно расщеплять гораздо легче и с меньшими затратами энергии. [20]
Поскольку многие протеазы неспецифичны, они строго регулируются в клетке. Без регулирования протеазы разрушат многие белки, которые необходимы для физиологических процессов. Один из способов, которым организм регулирует протеазы, — это ингибиторы протеазы . Ингибиторами протеазы могут быть другие белки, небольшие пептиды или молекулы. Существует два типа ингибиторов протеазы: обратимые и необратимые. Обратимые ингибиторы протеазы образуют нековалентные взаимодействия с протеазой, ограничивая ее функциональность. Они могут быть конкурентными ингибиторами , неконкурентными ингибиторами и неконкурентными ингибиторами . Конкурентные ингибиторы конкурируют с пептидом за связывание с активным сайтом протеазы. Неконкурентные ингибиторы связываются с протеазой, пока пептид связан, но не позволяют протеазе расщеплять пептидную связь. Неконкурентные ингибиторы могут делать и то, и другое. Необратимые ингибиторы протеазы ковалентно модифицируют активный сайт протеазы, так что она не может расщеплять пептиды. [21]
Экзопептидазы — это ферменты, которые могут расщеплять конец боковой цепи аминокислоты в основном путем добавления воды. [6] Ферменты экзопептидазы существуют в тонком кишечнике. Эти ферменты делятся на два класса: аминопептидазы — ферменты щеточной каемки и карбоксипептидазы , которые происходят из поджелудочной железы. Аминопептидазы — это ферменты, которые удаляют 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 — это цинковый металлофермент, и она ингибируется аналогом переходного состояния . Этот аналог похож на фактическое переходное состояние , 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 — это ферменты, которые добавляют воду к внутренней пептидной связи в пептидной цепи и разрывают эту связь. [6] Три распространенных эндопептидазы, которые поступают из поджелудочной железы, — это пепсин , трипсин и химотрипсин . Химотрипсин выполняет реакцию гидролиза , которая расщепляет после ароматических остатков. Основными задействованными 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 они должны присутствовать для правильного функционирования. [6] Трипсин расщепляет после длинных положительно заряженных остатков и имеет отрицательно заряженный связывающий карман в активном центре . Оба вырабатываются как зимогены , то есть они изначально находятся в своем неактивном состоянии, а после расщепления посредством реакции гидролиза они становятся активированными. [2] Нековалентные взаимодействия, такие как водородные связи между пептидным остовом и каталитической триадой, помогают увеличить скорость реакции, позволяя этим пептидазам эффективно расщеплять многие пептиды. [6]
Клеточные белки поддерживаются в относительно постоянном pH, чтобы предотвратить изменения в состоянии 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 стать депротонированными (если pka R-группы ниже нового pH). Это также изменяет заряд R-группы. Поскольку многие аминокислоты взаимодействуют с другими аминокислотами на основе электростатического притяжения , изменение заряда может нарушить эти взаимодействия. Потеря этих взаимодействий изменяет структуру белков , но, что наиболее важно, она изменяет функцию белков, что может быть как полезным, так и вредным. Значительное изменение pH может даже нарушить многие взаимодействия, которые создают аминокислоты, и денатурировать (разворачивать) белок. [24]
По мере повышения температуры окружающей среды молекулы движутся быстрее. Водородные связи и гидрофобные взаимодействия являются важными стабилизирующими силами в белках. Если температура повышается, а молекулы, содержащие эти взаимодействия, движутся слишком быстро, взаимодействия становятся скомпрометированными или даже разрываются. При высоких температурах эти взаимодействия не могут образоваться, и функциональный белок денатурируется . [ 25] Однако это зависит от двух факторов: типа используемого белка и количества применяемого тепла. Количество применяемого тепла определяет, является ли это изменение в белке постоянным или его можно преобразовать обратно в исходную форму. [26]