Биосинтез и превращение белков

Белки характеризуют любую живую систему. Проблема белка имеет большое значение для теоретического понимания жизни, практического вмешательства в процессы жизнедеятельности организмов.

Протеины в растительном организме являются запасными белками, а сложные белки — протеиды — основными компонентами цитоплазмы и играют важную роль в организации клеточных структур. Из протеидов в жизнедеятельности организмов первостепенное значение имеют нуклеопротеиды. Семена растений содержат как протеины, так и протеиды. В прорастающих семенах белковые вещества подвергаются гидролитическому распаду, который катализируется специальными ферментами пептидгидролазами, действующими на пептидные связи, и ферментами, влияющими на С—N-связи. Примером действия пептидгидролазы (пепсин, папаин) может быть гидролитическое расщепление полипептидов на отдельные аминокислоты:

где R и R-остатки ди-, или полипептидов, или аминокислот.

Другая группа ферментов — амидазы — катализирует гидролиз амидов, например карбамидгидролаза (уреаза) расщепляет мочевину на аммиак и углекислый газ: $$\ce{H2N - CO - NH2 + H2O -> CO2 + 2NH3}$$

Ферменты аспарагиназа и глутаминаза катализируют превращения амидов дикарбоновых кислот (аспарагина, глутамина): $$\ce{H2NOCCH2CHNH2COOH + HOH ->[\Large аспаргиназа][] \underset{\large \text{аспаргинвоая кислота}}{COOHCH2CHNH2COOH + NH3}}$$

Свободные аминокислоты подвергаются дезаминированию. Существует три вида дезаминирования — окислительное, восстановительное и гидролитическое. Во всех случаях образуются органические кислоты и аммиак. У высших растений основным является окислительное дезаминирование, включающее две стадии с образованием сначала аминокислоты и в итоге соответствующей кетокислоты и аммиака: $$1)\ce{COOHCH2CHNH2COOH ->[\large -2H][\Large ФАД \curvearrowright\, ФАДН_2]\underset{\large \text{иминокислота}}{COOHCH2C = NHCOOH}}$$ $$2)\ce{COOHCH2C = HNHCOOH ->[\large +H2O][]\underset{\large \text{щавелеуксусная кислота}}{COOHCH2COCOOH + NH3}}$$

Окислительное дезаминирование проходит при участии оксидаз аминокислот, имеющих в качестве кофермента флавинадениндинуклеотид. В результате восстановительного дезаминирования из аминокислоты получаются аммиак и соответствующая жирная кислота: $$\ce{\underset{\large аминокислота}{RCHNH2COOH} + 2H+ -> \underset{\large \text{жирная кислота}}{RCH2COOH} + NH3}$$

При гидролитическом дезаминировании из аминокислоты и воды образуются соответствующая кетокислота и аммиак: $$\ce{COOHCH2CHNH2COOH + HOH ->[\large \omega-амидаза][] \underset{\large \text{щавелеуксусная кислота}}{HOOCCOCH2COOH + NH3 + 2H}}.$$

Таким образом, под влиянием пептидгидролаз и амидаз белки распадаются до аминокислот и аммиака. По данным А. Н. Баха и А. И. Опарина, активность пептидгидролазы на третий день прорастания семян была в 6 раз выше, чем у непроросших семян, на шестой день — в 30, на восьмой день — в 45 раз.

Физиологическое значение расщепления белков при прорастании семени заключается в том, что они должны перейти в легкоподвижную форму и переместиться из эндосперма или семядоли к растущим частям зародыша. Запасные белки малорастворимы или совсем нерастворимы в воде; даже в растворенном виде благодаря малой дисперсности они не способны пройти через клеточные оболочки. Таким образом, белки при гидролизе расщепляются до аминокислот и становятся более подвижными.

Не менее важным результатом распада белковых веществ до аминокислот является утеря ими специфических свойств. Каждый белок характеризуется свойственной только ему комбинацией аминокислот, поэтому один белок невозможно непосредственно превратить в другой. Для такого превращения необходимо сначала разложить его на простейшие составные части (аминокислоты) и потом снова скомбинировать их в новую молекулу. Это достигается глубоким распадом белковой молекулы до конечных продуктов гидролиза. При построении новых белковых молекул из продуктов расщепления запасных белков часть аминокислот, образовавшихся при этом, не находит себе непосредственного применения вследствие указанного различия в составе белков. Эти «лишние» аминокислоты при участии ферментов амидаз расщепляются далее на аммиак и безазотистые соединения. Как было сказано выше, основным путем дезаминирования аминокислот у высших растений является окислительное дезаминирование, при котором образуются соответствующая кетокислота и аммиак. Однако аммиак в растении никогда не накапливается в значительном количестве, поскольку вслед за распадом начинаются процессы синтеза.

В прорастающем семени, особенно у содержащих много запасных белков бобовых растений, накапливается большое количество аспарагина (неполный амид аспарагиновой или ами- ноянтарной кислоты) — СО(NH₂)СН₂СН(NH₂)СООН, который и связывает аммиак. В результате распада белка содержание аспарагина, накапливающегося в проростках, может составлять 50-60% всего количества белков, имевшихся в семени до прорастания, тогда как наибольшее количество аспарагиновой кислоты в них не превышает 20-25%. Не во всех семенах одинаково легко осуществляется этот синтез. Он успешно проходит в семенах с высоким содержанием безазотистых веществ, углеводов или жиров, например в семенах злаков или тыквенных. В семенах бобовых растений, в которых много запасных белков, а запас углеводов относительно невелик, аспарагин может синтезироваться за счет аммиачных солей в присутствии углекислого кальция, связывающего свободную щавелевую кислоту (рис. 64).

Как видно из приведенной схемы, во всех звеньях процесса превращений азотистых веществ присутствует аммиак. При созревании семян биохимические превращения направлены в противоположную сторону — синтеза высокомолекулярных соединений. Этот синтез осуществляется за счет простых мономерных соединений. При синтезе белковых веществ аммиак поглощенный растениями в виде аммонийных солей или образовавшийся в них в результате восстановления нитратов, вступает в реакцию с кетокислотами и образует аминокислоты.

В биосинтезе белков большую роль играют нуклеиновые кислоты — полимерные соединения биологического происхождения, состоящие из нуклеотидов, в которые входят фосфорная кислота, пентозы и азотистые органические основания (пуриновые или пиримидиновые). К пуриновым основаниям относятся аденин и гуанин:

Пиримидиновыми основаниями являются производные пиримидина цитозин, урацил и тимин:

К нуклеиновым кислотам относятся рибонуклеиновая кислота (РНК), которая содержит сахар рибозу, аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), урацил (У) и фосфорную кислоту, и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), состоящая из дезоксирибозы, аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц), тимина (Т) и фосфорной кислоты:

Молекулярная масса РНК достигает 1-2 млн, а ДНК — 4-8 млн, а так называемые транспортные (растворимые) РНК имеют молекулярную массу 25000-30000. Рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая кислоты находятся во всех клетках живого организма. Синтез ДНК и РНК катализируют ферменты ДНК-полимераза и РНК-полимераза. Фермент рибонуклеаза, являющийся фосфодиэстеразой, гидролизует все известные РНК. Растительные рибонуклеазы относятся к неспецифическим рибонуклеазам. Под влиянием фермента расщепление межнуклеотидных связей РНК происходит в два этапа: внутримолекулярное перефосфорилирование и последующий гидролиз.

Изучение макроструктуры РНК начато в 1956-1957 гг. в лабораториях Г. Шрама (ФРГ) и Г. Френкель-Конрата (США), когда впервые были выделены биологически активные макромолекулы высокополимерной рибонуклеиновой кислоты из вируса мозаики табака. За последние годы достигнуты большие успехи в изучении биосинтеза белка. Установлено, что РНК является основным веществом в белковом синтезе в клетке, ДНК сосредоточена в ядре, а митохондрии и хлоропласты имеют еще и собственный генетический материал; процессы биосинтеза белка локализованы в мельчайших структурных элементах цитоплазмы — рибосомах или микросомах — субмикроскопических образованиях размером 20-30 мкм. Рибосомы состоят из белка и нуклеиновых кислот с молекулярной массой от 0,5 до 1,4 млн, содержащихся в них в равных количествах.

Синтез белков из отдельных аминокислот — процесс эндэргонический, т. е. нуждается в поступлении энергии извне. Для образования белковых пептидных связей ...HN—СО... необходимо активирование аминокислот. В организме этот процесс осуществляется с помощью аденозинтрифосфориой кислоты (АТФ) и фермента аминоацил-тРНК-синтетазы; образуется соединение аминоациладенилат, содержащий аденозинмонофосфорный остаток ~Р—А:

В этом и заключается процесс активирования аминокислот при биосинтезе белка. Каждая аминокислота имеет свой активирующий фермент. После активирования она переносится с аминоациладенилата на растворенную в цитоплазме транспортную РНК. Связь аминокислоты с остатком аденозинмонофосфата заменяется связью с транспортной РНК также с помощью фермента аминоацил-тРНК-синтетазы. Установлено, что каждой из 20 аминокислот соответствует транспортная РНК определенного строения. Роль транспортной РНК заключается в том, чтобы донести активированную аминокислоту к месту синтеза белка — рибосомам, содержащим большое количество высокомолекулярной, нерастворимой информационной РНК (иРНК) (рис. 65). Однако роль их этим не ограничивается. Транспортная РНК находит место на иРНК для аминокислоты благодаря наличию в своей молекуле особого адапторного участка, или антикодона. Доказано, что тРНК, несущая аминокислоту, присоединяется лишь к участку цепи иРНК, который комплементарен антикодону тРНК по содержащимся в нуклеотидах основаниям.

Советским ученым А. С. Спириным с сотрудниками в 1964 г. в цитоплазме зародышей рыб, растительных клетках, клетках насекомых и млекопитающих были обнаружены частицы информосомы, состоящие из высокомолекулярной (нерибосомной) нуклеиновой кислоты (РНК) и особого белка.

Информосомы в цитоплазме представлены смесыо частиц разных размеров и молекулярной массой 500 тыс. — 50 млн и больше. Отношение РНК к массе белка в информосомах постоянно (1:4) и одинаково у всех частиц независимо от их размера.

Рис. 65. Общая схема биосинтеза белка в рибосоме (по А. С. Спирину).

В информосомах содержится, по-видимому, информационная РНК. Белок служит, вероятно, для переноса иРНК из ядра в цитоплазму, а также для защиты иРНК от разрушения и регуляции скорости белкового синтеза. Роль иРНК сравнивают с ролью матрицы в печатном деле и называют ее обычно матричной РНК (мРНК). Именно на этой РНК в рибосоме и происходит образование полипептидиой цепочки — синтез белка. Каждая отдельная транспортная РНК, несущая аминокислоту, может связываться лишь с определенным участком матрицы. Когда все соответствующие участки оказываются занятыми, фермент РНК-полимераза связывает аминокислоты друг с другом и «снимает» их с матрицы в виде полипептидиой цепи (белка) соответствующего строения. Включение каждой аминокислоты обусловливается (кодируется) определенными группами из трех нуклеотидных остатков (триплетов).

Таким образом, РНК, состоящая из большого количества разнообразно соединенных четырех нуклеотидов, выполняет роль кода, т. е. определяет первичную структуру (аминокислотный состав и последовательность), а следовательно, вторичную и третичную структуры синтезируемого белка, а кодоном называют участок ДНК или иРНК, состоящий из трех последовательно расположенных нуклеотидов, кодирующих одну аминокислоту или детерминацию полипептидиой цепи. В таблице 23 приведено сочетание нуклеотидов, отвечающих определенным аминокислотам, — нуклеотидно-аминокислотный (генетический) код.

Из таблицы видно, что каждая аминокислота (кроме триптофана и метионина) имеет более чем один кодон. Например, аспарагиновая кислота, гистидин заключаются в полипептидную цепь двумя кодонами, а серин, аргинин — шестью. Это дает возможность более надежно хранить и передавать генетическую информацию.

Первичным фактором, определяющим строение белков, является ДНК, находящаяся в хромосомах ядра клетки, где синтезируется иРНК. Таким образом, в зависимости от того, из каких нуклеотидов состоит молекула иРНК, поступающая в рибосому, и будут синтезироваться соответствующие полипептидная цепочка, белок или фермент.