Метаболизм белков - Protein metabolism

Метаболизм белков обозначает различные биохимический процессы, ответственные за синтез белки и аминокислоты (анаболизм) и расщепление белков катаболизм.

Этапы синтеза белка включают транскрипцию, трансляцию и посттрансляционные модификации. Во время транскрипции РНК-полимераза транскрибирует кодирующую область ДНК в клетке, продуцирующей последовательность РНК, в частности информационная РНК (мРНК). Эта последовательность мРНК содержит кодоны: сегменты длиной 3 нуклеотида, которые кодируют определенную аминокислоту. Рибосомы переводят кодоны в соответствующие им аминокислоты.[1] В людях, заменимые аминокислоты синтезируются из промежуточных продуктов в основных метаболических путях, таких как Цикл лимонной кислоты.[2] Незаменимые аминокислоты должны потребляться и производятся другими организмами. Аминокислоты соединены пептидными связями, образуя полипептидную цепь. Эта полипептидная цепь затем подвергается посттрансляционным модификациям и иногда соединяется с другими полипептидными цепями с образованием полностью функционального белка.

Диетические белки сначала расщепляются на отдельные аминокислоты различными ферментами и соляная кислота присутствует в желудочно-кишечном тракте. Эти аминокислоты всасываются в кровоток и транспортируются в печень и далее в остальной организм. Поглощенные аминокислоты обычно используются для создания функциональных белков, но могут также использоваться для создания энергии.[3]

Белки могут расщепляться ферментами, известными как пептидазы, или могут расщепляться в результате денатурация. Белки могут денатурировать в условиях окружающей среды, для которых белок не создан.[4]

Синтез белка

Основная статья: Биосинтез белков

Белковый анаболизм это процесс, при котором белки образуются из аминокислот. Он основан на пяти процессах: аминокислота синтез, транскрипция, перевод, пост-трансляционные модификации, и сворачивание белка. Белки состоят из аминокислот. У человека некоторые аминокислоты могут быть синтезированный используя уже существующие промежуточные звенья. Эти аминокислоты известны как заменимые аминокислоты. Незаменимые аминокислоты требуются промежуточные продукты, отсутствующие в организме человека. Эти промежуточные продукты необходимо принимать внутрь, в основном, в результате поедания других организмов.[4]  

Синтез аминокислот

Пути образования каждой аминокислоты[5]
АминокислотаR-группа‡Путь *
ГлицинЧАС-Серин + THF → Глицин (гидроксиметилтрансфераза )
АланинCH3-Пируват → Аланин (аминотрансфераза )
Валин§(CH3)2-CH-Гидроксиэтил-TPP + Пируват → α-ацетолактат → Валин
Лейцин§(CH3)2-CH-CH2-Гидроксиэтил-TPP + Пируват → α-кетобутират → Лейцин
Изолейцин§CH3-CH2-CH (CH3)-Гидроксиэтил-TPP + Пируват → α-ацетолактат → Изолейцин
Метионин§CH3-S- (CH2)2-Гомоцистеин → Метионин (метионинсинтаза )
Пролин- (CH2)3-Глютаминовая кислота → Глутамат-5-полуальдегид → Пролин (γ-глутамилкиназа)
Фенилаланин§Ph-CH2-Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезоксиарабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризм → Фенилаланин
Триптофан§Ph-NH-CH = C-CH2-Фосфоенолпируват → 2-кето-3-дезоксиарабиногептулозонат-7-фосфат → Хоризм → Триптофан
ТирозинHO-Ph-CH2-Фенилаланин → Тирозин (фенилаланин гидроксилаза )
СеринHO-CH2-3-фосфоглицерат → 3-фосфогидроксипируват (3-фосфоглицератдегидрогеназа ) → 3-фосфосерин (аминотрансфераза ) → Серин (фосфосерин фосфатаза )
Треонин§CH3-СН (ОН) -Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин → Треонин
ЦистеинHS-CH2-Серин → Цистатионин → α-кетобутират → Цистеин
АспарагинЧАС2N-CO-CH2-Аспарагиновая кислота → Аспарагин (аспарагинсинтетаза )
ГлутаминЧАС2N-CO- (CH2)2-Глютаминовая кислота → Глутамин (глютамин синтетаза )
Аргинин+ЧАС2N = C (NH2) -NH- (CH2)3-Глутамат → Глутамат-5-полуальдегид (γ-глутамилкиназа) → Аргинин
Гистидин§NH-CH = N-CH = C-CH2-Глюкоза → Глюкозо-6-фосфат → Рибозо-5-фосфат → Гистидин
Лизин§+ЧАС3N- (CH2)4-Аспартат → β-аспартат-полуальдегид → Гомосерин + лизин
Аспарагиновая кислота−OOC-CH2-Оксалоацетат → Аспарагиновая кислота (аминотрансфераза )
Глютаминовая кислота−OOC- (CH2)2-α-кетоглутарат → Глютаминовая кислота (аминотрансфераза )
‡Показано при физиологических условиях.

* Курсивом выделены комплексы ферменты.

§Не может быть синтезирован в организме человека.

Синтез полипептидов

Транскрипция

ДНК транскрибируется в мРНК, которая транслируется в аминокислоты.

В транскрипция, РНК-полимераза считывает нить ДНК и производит мРНК прядь, которая может быть переведена дальше. 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 путем спаривания нуклеотидов РНК с цепью матричной ДНК. Во время начальной фазы транскрипции РНК-полимераза ищет промоутер регион на цепи матрицы ДНК. Как только РНК-полимераза связывается с этой областью, она начинает «считывать» цепочку ДНК-матрицы в направлении от 3 ’к 5’.[6] РНК-полимераза присоединяет основания РНК, комплементарные цепи ДНК-матрицы (Урацил будет использоваться вместо Тимин ). Новый нуклеотидные основания связаны друг с другом ковалентно.[7] 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’.[8] Как только РНК достигает последовательность терминатора, он отделяется от цепи матрицы ДНК и также обрывает последовательность мРНК.

Транскрипция регулируется в клетке с помощью факторов транскрипции. Факторы транскрипции представляют собой белки, которые связываются с регуляторными последовательностями в цепи ДНК, такими как промоторные области или операторные области. Белки, связанные с этими областями, могут либо непосредственно останавливать, либо позволять РНК-полимеразе считывать цепь ДНК, либо могут сигнализировать другим белкам о прекращении или разрешении считывания РНК-полимеразы.[9]

Перевод

Образование дипептида через пептидную связь.

В течение перевод, рибосомы преобразовать последовательность мРНК (информационная РНК) в аминокислотную последовательность. Каждый сегмент мРНК длиной 3 пары оснований представляет собой кодон что соответствует одному аминокислота или стоп-сигнал.[10] Аминокислоты могут иметь несколько соответствующих им кодонов. Рибосомы не присоединяют аминокислоты напрямую к кодонам мРНК. Они должны использовать тРНК (перенос РНК). РНК-переносчики могут связываться с аминокислотами и содержать антикодон, который может связывать водород с кодоном мРНК.[11] Процесс связывания аминокислоты с тРНК известен как заряд тРНК. Здесь фермент аминоацил-тРНК-синтетаза катализирует две реакции. В первом он присоединяет молекулу АМФ (отщепленную от АТФ) к аминокислоте. Вторая реакция расщепляет аминоацил-АМФ, производя энергию для присоединения аминокислоты к молекуле тРНК.[12]

У рибосом два подразделения, один большой и один маленький. Эти субъединицы окружают цепь мРНК. Более крупная субъединица содержит три сайта связывания: A (аминоацил), P (пептидил) и E (выход). После инициации трансляции (которая отличается в прокариоты и эукариоты ), рибосома вступает в период элонгации, который следует за повторяющимся циклом. Сначала в сайт А входит тРНК с правильной аминокислотой. Рибосома переносит пептид с тРНК в сайте P на новую аминокислоту на тРНК в сайте A. ТРНК из сайта P будет перемещена в сайт E, откуда она будет выброшена. Это происходит постоянно, пока рибосома не достигнет стоп-кодон или получает сигнал остановиться.[11] А пептидная связь образуется между аминокислотой, присоединенной к тРНК в сайте P, и аминокислотой, присоединенной к тРНК в сайте A. Для образования пептидной связи требуется подвод 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]

Перевод может быть подавленный от миРНК (микроРНК). Эти нити РНК могут расщеплять нити мРНК, которыми они являются. дополнительный к и, таким образом, остановит перевод.[13] Трансляция также может регулироваться с помощью вспомогательных белков. Например, белок под названием фактор инициации эукариот-2 (eIF-2 ) может связываться с меньшей субъединицей рибосомы, начиная трансляцию. Когда elF-2 фосфорилированный, он не может связываться с рибосомой, и трансляция останавливается.[14]

Посттрансляционные модификации

Метилирование лизина (аминокислоты)

Однажды пептидная цепь синтезируется, его еще нужно модифицировать. Посттрансляционные модификации может происходить до или после сворачивания белка. Общие биологические методы модификации пептидных цепей после трансляции включают: метилирование, фосфорилирование, и образование дисульфидной связи. Метилирование часто происходит аргинин или лизин и включает добавление метильная группа к азот (заменяя водород ). В R группы на эти аминокислоты можно метилированный в несколько раз, пока связи с азотом не превышают 4. Метилирование снижает способность этих аминокислот образовывать водородные связи, поэтому метилированные аргинин и лизин имеют свойства, отличные от их стандартных аналогов. Фосфорилирование часто случается с серин, треонин, и тирозин и включает замену водорода на алкогольная группа на конце группы R с фосфатная группа. Это добавляет отрицательный заряд R-группам и, таким образом, изменяет поведение аминокислот по сравнению с их стандартными аналогами. Образование дисульфидной связи создание дисульфидных мостиков (ковалентные связи ) между двумя цистеин аминокислоты в цепи, которая добавляет стабильности складчатой ​​структуре.[15]

Сворачивание белков

Полипептидная цепь в клетке не обязательно должна оставаться линейной; он может разветвляться или складываться сам по себе. Полипептидные цепи сворачиваются особым 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 гидрофильный среда, такая как цитозоль, то гидрофобный аминокислоты будут концентрироваться в ядре белка, а гидрофильные аминокислоты будут находиться на внешней стороне. Это энтропийно благоприятный поскольку молекулы воды могут гораздо более свободно перемещаться вокруг гидрофильных аминокислот, чем гидрофобных аминокислот. В гидрофобной среде гидрофильные аминокислоты будут концентрироваться в сердцевине белка, а гидрофобные аминокислоты будут на внешней стороне. Поскольку новые взаимодействия между гидрофильными аминокислотами сильнее, чем гидрофобно-гидрофильные взаимодействия, это энтальпийно благоприятный.[16] Когда полипептидная цепь полностью свернута, она называется белком. Часто многие субъединицы объединяются в полностью функциональный белок, хотя существуют физиологические белки, содержащие только одну полипептидную цепь. Белки могут также включать другие молекулы, такие как гемовая группа в гемоглобин, белок, отвечающий за перенос кислорода в кровь.[17]

Расщепление белков

Основная статья: Протеолиз

Катаболизм белков это процесс, посредством которого белки разбиты на их аминокислоты. Это также называется протеолиз и может сопровождаться дальнейшим деградация аминокислот.

Катаболизм белков с помощью ферментов

Протеазы

Первоначально думали только нарушить ферментативные реакции, протеазы (также известен как пептидазы ) действительно помогает катаболизировать белки за счет расщепления и создавать новые белки, которых раньше не было. Протеазы также помогают регулировать метаболические пути. Один из способов, которым они это делают, - расщепление ферментов в путях, которые не должны работать (т.е. глюконеогенез когда кровь глюкоза концентрации высокие). Это помогает сэкономить как можно больше энергии и избежать бесполезные циклы. Бесполезные циклы возникают, когда катаболические и анаболические пути действуют одновременно и имеют одинаковую скорость для одной и той же реакции. Поскольку создаваемые промежуточные продукты потребляются, организм не получает чистой прибыли. 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 субстрат, что обеспечивает большое разнообразие внутри клеток и других белков, так как их гораздо легче расщеплять энергоэффективным способом.[18]

Возможный механизм расщепления пептидной связи аспартил-протеазой. Показаны только пептидная связь и активный сайт.

Поскольку многие протеазы неспецифичны, они в высокой степени регулируются в клетке. Без регуляции протеазы разрушают многие важные для физиологических процессов белки. Один из способов, которым организм регулирует протеазы, - это ингибиторы протеазы. Ингибиторы протеаз могут быть другими белками, небольшими пептидами или молекулами. Ингибиторы протеаз бывают двух типов: обратимые и необратимые. Форма обратимых ингибиторов протеаз нековалентные взаимодействия с протеазой, ограничивающей его функциональность. Они могут быть конкурентные ингибиторы, неконкурентоспособные ингибиторы, и неконкурентные ингибиторы. Конкурентные ингибиторы конкурируют с пептидом за связывание с активным сайтом протеазы. Неконкурентные ингибиторы связываются с протеазой, в то время как пептид связан, но не позволяют протеазе расщеплять пептидную связь. Неконкурентные ингибиторы могут действовать одновременно. Необратимые ингибиторы протеаз ковалентно изменить активный сайт протеазы, чтобы она не могла расщеплять пептиды.[19]

Экзопептидазы

Экзопептидазы представляют собой ферменты, которые могут расщеплять конец боковой цепи аминокислоты в основном за счет добавления воды.[4] Ферменты экзопептидазы существуют в тонком кишечнике. Эти ферменты делятся на два класса: аминопептидазы являются ферментом щеточной каймы и карбоксипептидазы который из поджелудочной железы. Аминопептидазы - это ферменты, которые удаляют аминокислоты из амино-конец 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 аналог переходного состояния. Этот аналог похож на реальный переходное состояние, поэтому он может заставить фермент связываться с ним вместо фактического переходного состояния, тем самым предотвращая связывание субстрата и снижая скорость реакции.[20] Карбоксипептидазы расщепляются на карбоксил конец белка. Пока они могут катаболизировать белки, они чаще используются в посттранскрипционные модификации.[21]

Эндопептидазы

Эндопептидазы ферменты, которые добавляют воду во внутреннее пептидная связь в пептидная цепь и разорвать эту связь.[4] Три распространенных эндопептидазы, которые происходят из поджелудочной железы: пепсин, трипсин, и химотрипсин. Химотрипсин выполняет реакция гидролиза что рассекает после ароматный остатки. Основные задействованные аминокислоты: серин, гистидин, и аспарагиновая кислота. Все они играют роль в расщеплении пептидной связи. Эти три аминокислоты известны как каталитическая триада Это означает, что все эти три должны присутствовать для правильного функционирования.[4] Трипсин расщепляется после длинных положительно заряженных остатков и имеет отрицательно заряженный связывающий карман на активный сайт. Оба производятся как зимогены, что означает, что они изначально находятся в неактивном состоянии и после расщепления в результате реакции гидролиза активируются.[2] Нековалентные взаимодействия такие как водородная связь между пептидным остовом и каталитической триадой помогают увеличить скорость реакции, позволяя этим пептидазам эффективно расщеплять многие пептиды.[4]

Катаболизм белков через изменения окружающей среды

pH

Клеточные белки поддерживаются при относительно постоянном pH, чтобы предотвратить изменения в состоянии протонирования аминокислот.[22] Если pH капли, некоторые аминокислоты в полипептидной цепи могут стать протонированный если pka от их R группы выше нового pH. Протонирование может изменить заряд этих R-групп. Если pH повышается, некоторые аминокислоты в цепи могут стать депротонированный (если pka группы R ниже нового значения pH). Это также изменяет групповой заряд R. Поскольку многие аминокислоты взаимодействуют с другими аминокислотами на основе электростатическое притяжение изменение заряда может нарушить эти взаимодействия. Утрата этих взаимодействий изменяет структура белков, но, что наиболее важно, он изменяет функцию белков, что может быть полезным или вредным. Существенное изменение pH может даже нарушить многие взаимодействия аминокислот и денатурировать (развернуть) белок.[22]

Температура

Поскольку температура в среде увеличивается, 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 прерываются. При высоких температурах эти взаимодействия не могут образовываться, и функциональный белок денатурированный.[23] Однако это зависит от двух факторов; тип используемого протеина и количество приложенного тепла. Количество приложенного тепла определяет, будет ли это изменение белка постоянным или его можно преобразовать обратно в исходную форму.[24]

использованная литература

  1. ^ «Транскрипция, перевод и тиражирование». www.atdbio.com. Получено 2019-02-12.
  2. ^ а б c Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Страйер Л. (2002). Биохимия (5-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  978-0716730514. OCLC  48055706.
  3. ^ «Белковый метаболизм». Encyclopedia.com. 7 октября 2020.
  4. ^ а б c d е ж Воет Д., Пратт К. В., Воет Дж. Г. (2013) [2012]. Основы биохимии: жизнь на молекулярном уровне (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. С. 712–765. ISBN  9780470547847. OCLC  782934336.
  5. ^ «Синтез аминокислот». homepages.rpi.edu. Получено 2019-02-20.
  6. ^ Браун Т.А. (2002). Геномы (2-е изд.). Оксфорд: Биос. ISBN  978-1859962282. OCLC  50331286.
  7. ^ «Химия для биологов: нуклеиновые кислоты». www.rsc.org. Получено 2019-02-20.
  8. ^ Гриффитс AJ (2000). Введение в генетический анализ (7-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  978-0716735205. OCLC  42049331.
  9. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк. ISBN  978-0815332183. OCLC  48122761.
  10. ^ «Национальный институт исследования генома человека (NHGRI)». Национальный институт исследования генома человека (NHGRI). Получено 2019-02-20.
  11. ^ а б Купер GM (2000). Клетка: молекулярный подход (2-е изд.). Вашингтон, округ Колумбия: ASM Press. ISBN  978-0878931194. OCLC  43708665.
  12. ^ «MolGenT - зарядка тРНК». halo.umbc.edu. Получено 2019-03-22.
  13. ^ «Введение миРНК (микроРНК)». Сигма-Олдрич. Получено 2019-03-22.
  14. ^ Kimball SR (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. PMID  10216940.
  15. ^ Грин К.Д., Гарно-Цодикова С. (2010). «Посттрансляционная модификация белков». Комплексные натуральные продукты II. Справочный модуль по химии, молекулярным наукам и химической инженерии. 5. Эльзевир. С. 433–468. Дои:10.1016 / b978-008045382-8.00662-6. ISBN  9780080453828.
  16. ^ Лодиш HF (2000). Молекулярная клеточная биология (4-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  978-0716731368. OCLC  41266312.
  17. ^ «Гем». PubChem. Получено 2019-02-20.
  18. ^ Лопес-Отин С., Bond JS (ноябрь 2008 г.). «Протеазы: многофункциональные ферменты в жизни и болезнях». Журнал биологической химии. 283 (45): 30433–7. Дои:10.1074 / jbc.R800035200. ЧВК  2576539. PMID  18650443.
  19. ^ Геретти AM (2006). Устойчивость к антиретровирусным препаратам в клинической практике. Лондон, Англия: Mediscript Ltd. ISBN  978-0955166907. OCLC  77517389.
  20. ^ Тейлор А. (февраль 1993 г.). «Аминопептидазы: структура и функции». Журнал FASEB. 7 (2): 290–8. Дои:10.1096 / fasebj.7.2.8440407. PMID  8440407.
  21. ^ «Карбоксипептидаза». www.chemistry.wustl.edu. Получено 2019-03-23.
  22. ^ а б Нельсон Д.Л., Кокс М.М., Ленингер А.Л. (2013). Принципы биохимии Ленингера (6-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен и компания. OCLC  824794893.
  23. ^ «Денатурационный белок». chemistry.elmhurst.edu. Получено 2019-02-20.
  24. ^ Джикаев, Ю. С .; Рукенштейн, Эли (2008). «Влияние температуры на механизм зародышеобразования при сворачивании белка и на безбарьерную термическую денатурацию нативного белка». Физическая химия Химическая физика. 10 (41): 6281–300. Дои:10.1039 / b807399f. ISSN  1463-9076. PMID  18936853.