В данной главе, в связи с попыткой выяснить имеется ли прямая связь "ген-признак", я продолжу свое исследование вопроса, как современная молекулярная биология решает вопрос о понятии гена. Я расскажу о том, какой сложный путь проходят белки, подвергаясь химическим изменениям и приобретая правильную пространственную упаковку, уже после синтеза аминокислотной цепи, прежде чем приобрести возможность выполнять свои функции в полном объеме.

 

5.1. ПОСТРАНСЛЯЦИОННОЕ МОДИФИЦИРОВАНИЕ БЕЛКОВ

Синтез аминокислотной цепочки знаменует только начало всей истории получения конечного продукта. Существенными моментами экспрессии генов (проявления информации, записанной в гене, в виде ее конечного продукта ― зрелого белка) являются не только посттранскрипционные модификации мРНК, но и пострансляционные (то есть происходящие уже после синтеза цепи аминокислот, постсинтетические) модификации белков. Посттрансляционные модификации белков необходимы для их полноценного функционирования. При этом осуществляются эти модификации с участием множества других белков, а значит, и кодирующих их генов (в обычном понимании слова) а они тоже могут иметь разный уровень экспрессии и могут подвергаться мутациям. Следовательно, модификации изменения РНК и белков не могут быть осуществлены без участия генома в целом.

Одни белки после синтеза остаются в цитоплазме. Белки могут полностью переноситься в просвет эндоплазматической сети и терять связь с мембраной. Эти белки называются растворимыми, то есть не связанными напрямую с липидной мембраной. Далее растворимые белки могут либо оставаться в просвете эндоплазматической сети, либо транспортироваться до соответствующих органелл по ходу секреторного транспортного пути (промежуточные органеллы, пластинчатый комплекс Гольджи, органеллы, расположенные между комплексом Гольджи и плазматической мембраной, эндосомы, лизосомы), либо доставляться к плазматической мембране для последующего выделения (секреции) во внеклеточную среду.

Белки, могут быть предназначены для выведения во внешнюю среду или для доставки в лизосомы, пластинчатый комплекс или они могут оставаться в эндоплазматическая сеть. Эти белки называются секретируемыми. Небольшая часть растворимых белков, оказывающихся в просвете эндоплазматическая сеть, являются лизосомными ферментами, они предназначены для доставки в лизосомы. Наконец, есть белки, которые остаются в просвете эндоплазматической сети. К ним относятся некоторые шапероны, белки, ответственные за правильную трехмерную упаковку белковых молекул, а также участники специализированных для эндоплазматической сети белковых агрегатов, контролирующих выход секретируемых белков и лизосомных ферментов из эндоплазматической сети.

В гранулярной эндоплазматической сети происходит и синтез экспортируемых белков, которые, встраиваясь в мембрану эндоплазматической сети, становятся интегральными (то есть встроенными в липидной бислой) мембранными белками.

Мембранные белки могут быть следующих типов. Одни переносятся на митохондрии, другие остаются в эндоплазматическая сеть или транспортируются в органеллы-пероксисомы. Наконец, третья часть белков транспортируется в сторону АГ и проходит через него, направляясь либо на плазмалемму, либо в эндосомы, либо в лизосомы. Сходный путь проходят липиды, продуцируемые на цитоплазматической стороне мембран эндоплазматической сети.

Превращение линейной немодифицированной пептидной (аминокислотной) цепи в полноценный функциональный белок (созревание) осуществляется в результате многостадийного процесса, который начинается сразу же после начала трансляции и протекает либо в цитоплазме, либо в просветах эндоплазматической сети, пластинчатого комплекса Гольджи, эндосом и лизосом. Поэтому все процессы пострансляционной модификации могут быть разделены на те, что обеспечиваются белками, связанными в секреторным транспортным путем, и белками, расположенными в цитоплазме.

 

5.2. ПОСТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ БЕЛКОВ ВНУТРИ ОРГАНЕЛЛ СЕКРЕТОРНОГО ТРАНСПОРТНОГО ПУТИ

В просвете органелл секреторного транспортного пути происходят следующие модификации белков: 1) отрезание небольших участков аминокислотной цепи, 2) образование дисульфидных мостиков и последующая пространственная упаковка цепочки аминокислот, 3) присоединение линкера (молекулы, которая склеивается с просветными белками) GPI (ДЖИПиАй) и других подобных соединений, 4) присоединение моносахаров с формированием полисахаридных цепочек.

1. Отрезание кусков аминокислотной цепочки является одним из наиболее общих способов посттрансляционной модификации белков. К таким участкам относятся сам сигнальный пептид, который отрезается от аминокислотной цепи растворимых белков, попавших в просвет эндоплазматической сети. Сюда же относятся пропептиды (небольшие кусочки, отрезаемые в процессе транспорта от лизосомальных ферментов и белков, секретируемых при возникновении соответствующего сигнала) у ферментов лизосом и пропептиды белков, подвергающихся секретированию под воздействием сигналов из внешней среды, а также N и С концы у проколлагенов… Зачем клетке нужно удалять тот или иной пептид на концах аминокислотной цепи? Для того, чтобы увеличить эффективность транспорта белка (см. Приложение V) или для того, чтобы увеличить эффективность его каталитической функции.

2. Свертывание белка в определенную пространственную форму имеет важнейшее значение для его функционирования.

Свертывание происходит в просвете эндоплазматической сети и в цитоплазме. Правильному свертыванию помогает образование дисульфидных связей. Образование дисульфидных мостиков происходит в просвете эндоплазматической сети. Путём окисления боковых цепей цистеина образуются дисульфидные мостики, правильность положения которых контролируется протеиндисульфид-изомеразой. Пептидилпролил-изомераза контролирует в синтезируемом пептиде реакцию так называемой цис-транс-изомеризации между пролином и другими аминокислотами.

Кроме того, для того чтобы растущая полипептидная цепь могла свернуться необходимым образом, с еще линейным участком цепи временно связываются шапероны. Белки-шапероны участвуют в формировании трехмерной структуры цепочки аминокислот данного белка. Эти белки направляют процесс свертывания цепи путем подавления нежелательных побочных взаимодействий.

Когда вновь образованный белок приобретает правильную вторичную и третичную структуру он проверяется на правильность упаковки. Этот процесс реализуется также шаперонами. Например, если после начального этапа гликозилирования на концевых остатках полисахаридных цепей нет глюкозы, то шаперон не присоединяется к данному экспортируемому белку и наш белок выпускается из эндоплазматической сети.

После этого белки начинают концентрироваться в специальных местах на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме. эти места называют выходными сайтами или выходными дверями из эндоплазматической сети. Их строение очень специфично. Они представляют собой ветвящиеся в пространстве сплетения, состоявшие из коротких трубочек и мембранных почек. Эти трубчатые сплетения содержат повышенные концентрации белков-СНАРЕ и здесь же происходит концентрация мембранных белков, идущих на экспорт вдоль секреторного пути (см. Приложение V).

3. Пришивание GPI (ДЖИПиАй) к одной из аминокислот нужно для того, чтобы потом белок связывался с определенной липидной молекулой и функционировал почти как мембранный белок. Это происходит в просвете эндоплазматической сети или пластинчатого комплекса Гольджи.

В эндоплазматической сети происходят следующие химические модификации белков: соответствующая пептидаза отщепляет сигнальный пептид. Фермент узнает точку расщепления в составе специфической N-концевой последовательности белка. Путем окисления боковых цепей цистеина образуются дисульфидные мостики, правильность положения которых контролируется протеиндисульфид-изомеразой. Специальный фермент пептидилпролил-изомераза контролирует цис-транс-изомеризацию Х-Рго-связей в синтезируемом пептиде. Трансгликозидазы переносят олигосахариды в блоке с долихолом (длинноцепочечным изопреноидом) на определенные остатки аспарагиновой кислоты в белке, тем самым осуществляя N-гликозилирование белка. Гликозидазы "подстригают" олигосахариды, отщепляя избыточные остатки глюкозы и маннозы. Для того чтобы растущая полипептидная цепь могла свернуться необходимым образом, с еще линейным участком цепи временно связываются шапероны. Эти белки направляют процесс свертывания цепи путем подавления нежелательных побочных взаимодействий. Наиболее важным шапероном, присутствующим в просвете ШЭР, является белок связывания (45).

Когда вновь образованный белок приобретает правильную вторичную и третичную структуру и остатки глюкозы удалены полностью, он перемещается в аппарат Гольджи.

В аппарате Гольджи осуществляются следующие ферментативные стадии модификации белка: фосфорилирование и отщепление с последующим переносом (перегруппировка) остатков сахаров с помощью гликозидаз и гликозилтрансфераз. Эта модификация имеет целью образование специфической олигосахаридной структуры в гликопротеинах. Наконец, в секреторных гранулах отщепляется еще один пептид, прежде чем содержимое секретируется посредством экзоцитоза. Это отщепление, катализируемое специфичными пептидазами, выполняет функцию активации секретируемого белка. Например, отщепление С-пептида (очень короткой цепочки аминокислот) от неактивного проинсулина приводит к образованию активного гормона инсулина.

 

5.3. ГЛИКОЗИЛИРОВАНИЕ БЕЛКОВ И ЛИПИДОВ

В просвете мембранных органелл секреторного транспортного пути мембранные белки, также, липиды, как и растворимые, могут подвергаться различным модификациям. Наиболее характерной из них для эндоплазматической сети является первичное гликозилирование ― ковалентное связывание белковой цепи со сложным олигосахаридом. В результате этого синтезирующийся белок становится гликопротеидом. Процесс присоединение моносахаров с формированием полисахаридных цепочек носит название гликозилирования белков. Гликозилирование белков обычно происходит в просвете органелл секреторного транспортного пути и редко бывает в цитоплазме.

Ферменты транс-гликозидазы переносят олигосахариды в блоке с долихолом (длинноцепочечным изопреноидом) на определенные остатки аспарагиновой кислоты в белке, тем самым осуществляя N-гликозилирование белка. Гликозидазы правильно "подстригают" олигосахариды, отщепляя избыточные остатки глюкозы и маннозы.

Растворимые и мембранные белки, попавшие в эндоплазматическую сеть подвергаются так называемому гликозилированию, то есть процессу, в результате которого к полипептидных цепочкам присоединяются цепочки полисахаридов. Эту работу совершают специальные ферменты гликозидазы и гликозилтрансферазы. Они вместе с мембранными переносчиками моносахаров, перемещающими моносахара из цитоплазмы через липидный бислой в просвет цистерн аппарата Гольджи, составляют основу белкового состава аппарата Гольджи. Олигосахаридное ядро, состоящее из 14 мономеров моносахаров, присоединяется к той части мембранного белка, которая расположена в просвете эндоплазматической сети и также ко многим гликозилируемым белкам. Ферментов гликозилирования в АГ около 200 штук (200).

Но вначале белки должны быть правильно свернуты в пространстве. Эту задачу решают специальные белки шапероны, которые в условиях высокого восстановительного или редокс-потенциала среды, созданного в просвете эндоплазматической сети, правильно свертывают белки и закрепляют свертывание путем образования двойных соединений остатков серы.

После того, как сигнальный пептид оказывается внутри просвета эндоплазматической сети он отрезается от полипептидной цепочки, следующей за сигнальным пептидом, и эта цепочка, после завершения синтеза белка на информационной РНК, оказывается свободно диффундирующей внутри просвета эндоплазматической сети. Для того, чтобы она была правильно упакована в трехмерном пространстве, существуют специальные белковые машины, так называемые шапероны (или формообразователи). Они связываются с неправильно или неполностью свернутыми в пространстве белками и не выпускают тем самым их из эндоплазматической сети, поскольку они сами взаимодействуют с резидентными, то есть постоянно расположенными в эндоплазматической сети белками. Как только секретируемый белок свертывается правильно, шаперон уже не может к нему прикрепиться, так как локусы, ответственные за это прикрепление, оказываются внутри свернутой цепочки, будучи недоступными для шаперона. Тем самым секретируемый белок оказывается доступным для других белковых машин, ответственных за выход из эндоплазматической сети.

Большинство белков, синтезированных в гранулярной эндоплазматической сети, относится к гликопротеидам. Связывание синтезирующейся белковой цепи с олигосахаридами происходит в процессе синтеза аминокислотной цепи. При этом на белковую молекулу переносится готовый блок олигосахаридов, который связывается с аспарагиновыми остатками белковой молекулы. Этот олигосахаридный комплекс содержит 2 молекулы N-ацетилгликозамина, 9 молекул маннозы и 3 молекулы глюкозы и связан со специальным липидом долихолом на внутренней поверхности мембраны эндоплазматической сети. По мере транслокации (переноса) белковой цепи во время ее синтеза, каждый аспарагиновый остаток связывается с олигосахаридным комплексом, с помощью фермента, являющегося интегральным белком мембран эндоплазматической сети. Первичной модификации, гликозилированию, подвергаются как растворимые, так и мембранные белки, синтезирующиеся в эндоплазматической сети.

В процессе О-гликозилирования происходит присоединение одного-двух углеводных остатков преимущественно к аминокислотам серину и триптофану, но иногда и по другим аминокислотным остаткам (например, по гидроперину, как это происходит в растительных белках интенсинах). В одной молекуле полипептида может быть множество участков так называемого

О-гликозилирования. О-гликозилирование происходит без участия мембрано-связанного посредника. Существуют данные о том, что процесс О-гликозилирования начинается очень скоро после покидания белком эндоплазматического ретикулума, возможно, уже в промежуточных органеллах, то есть органеллах, которые располагаются на пути из эндоплазматической сети к аппарату Гольджи и продолжается, вероятно, вероятно, в нескольких отделах аппарата Гольджи.

N-гликозилирование осуществляется путем присоединения полисахаридной цепи к аминокислоте аспарагину, расположенному через один аминокислотный остаток от триптофана, и происходит постадийно. Процесс этот имеет следующие стадии.

1. Находясь в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, белок взаимодействует с мембрано-связанным донором олигосахаридов долихол- фосфатом, переносящим на белок слаборазветвленную олигосахаридную цепочку, состоящую из девяти остатков маннозы и трех остатков глюкозы. Эта цепочка прикрепляется к белку через два остатка N-ацетилглюкозамина.

2. В эндоплазматическом ретикулуме работают также глюкозидаза I и глюкозидаза II, которые затем удаляют остатки глюкозы от получившегося гликопротеина. Локализованный в цис-отделе аппарата Гольджи фермент маннозидаза I удаляет четыре остатка маннозы. В так называемом медиальном Гольджи работают ферменты N-ацетилглюкозамин-трансфераза-! маннозидаза II и N-ацетилглюкозамин-трансфераза-II.

3. На транс стороне аппарата Гольджи располагаются и активно функционируют ферменты фукозилтрансфераза, галактозилтрансфераза и сиалилтрансфераза. Они завершают модификацию сахарозной цепочки, соответственно присоединяя к получившемуся гликозилированному белку моносахарид фукозу и три остатка сиаловой кислоты, то есть гликозного кольца с окисленным атомом углерода.

Важнейшее значение в регуляции посттрансляционной модификации секретируемых и мембранных белков имеют так называемые белки ферменты гликозилирования, расположенные в эндоплазматической сети и в области пластинчатого комплекса. Эти белки относятся к мембранным белкам 2 типа. Они имеют очень короткий хвост, выступающий в цитоплазму и большой участок, расположенный в просвете эндоплазматической сети и пластинчатого комплекса. Этот участок имеет ферментативную активность и именно этот свернутый в глобулу участок переносит моносахарид на цепи сахаров, прикрепленных к одной из аминокислот на цепи молекулы белка.

В аппарате Гольджи осуществляются следующие ферментативные стадии модификации белка: фосфорилирование и отщепление с последующим переносом (перегруппировка) остатков сахаров с помощью гликозидаз и гликозилтрансфераз. Эта модификация имеет целью образование специфической олигосахаридной структуры в гликопротеинах. Наконец, в мембранной тубулярной сети, расположенной на уровне транс-Гольджи отщепляется еще один пептид, прежде чем содержимое секретируется посредством экзоцитоза. Это отщепление, катализируемое специфичными пептидазами, выполняет функцию активации секретируемого белка. Например, отщепление С-пептида от неактивного про-инсулина приводит к образованию активного гормона инсулина.

Если убрать ферменты гликозилирования с помощью лекарств или с помощью модификации внешней среды, то какая-то полисахаридная цепочка будет или ингибирована или будет сверхэксперсироваться.

Если обратиться снова к аналогиям, которые я уже использовал в данной книге, то можно сказать, что во время прохода белков по транспортному внутриклеточному пути часть участков узкой магнитофонной ленты обрезается, с другой стороны, к узкой магнитофонной ленте приклеиваются куски широкой магнитофонной ленты, то есть формируется цепь, состоящая из моносахаров. Более подробное описание того, как функционирует внутриклеточный транспорт, заинтересованный читатель найдет в Приложении V.

 

5.4. ПОСТРАНСЛЯЦИОННЫЕ МОДИФИКАЦИИ БЕЛКОВ В ЦИТОПЛАЗМЕ

В цитоплазме белки подвергаются следующим модификациям (изменениям белковых цепей): 1) свертывание в трехмерную структуру, 2) липидизация, то есть присоединение одной или нескольких жирных кислот к аминокислотам пептидной цепи, 3) присоединение убиквинона.

1. Образование трехмерной упаковки белка в цитоплазме совершается с участием особых белков шаперонов.

2. Присоединение жирных кислот к какой-либо аминокислоте. После этого белок приобретает способность обратимо встраиваться в бислой липидов. Если таких жирных кислот пришито к белку две, то такое встраивание становится практически необратимым.

 

5.5. УДАЛЕНИЕ НЕИСПОЛЬЗУЕМЫХ БЕЛКОВ

Убиквитин ― небольшой белок, состоящий из 76 аминокислот. Присоединение убиквитина маркирует белок, который должна разрушить протеосома ― особый комплекс белков. Если белок не участвует в биохимических реакциях и не взаимодействует с другими белками, то его находит и метит специальный фермент, пришивая к нему короткий полипептид, называемый убиквитином. После присоединения нескольких таких остатков к нашему белку, данный белок захватывается протеосомой и разрезается.

Если продолжить поиск аналогий, то дело можно представить так. Если белок не используется в составе белкового комплекса, то он часто оказывается в цитоплазме один. Внутрицитоплазматическая милиция регулярно проводит рейды по отлавливанию таких одиночных белков-тунеядцев. Если внутриклеточная милиция встретит такие белки и увидит белок вне комплекса (помните рейды КГБ по магазинам при Андропове? Почему не на работе?), то ее сотрудники ― ферменты, ответственные за пришивание убиквитина, приклеиваются к данному одиночному белку и совершают акт убиквитинирования. Они как бы приклеивает к тунеядцу узенькую короткую узкую магнитную ленточку убиквитина. Если таких штрафов-ленточек набирается несколько, то к белку подходит протеосома и бросает в крематорий или машину для приготовления фарша мясорубку, где его разрезают.

Недавно показано, что присоединение убиквитина к белкам митохондрий ведет к их быстрому захвату в аутофагосомы, органеллы, ответственные за переваривание других органелл,(183). Аутофагосомы являются структурами, в которые клетка сбрасывает ненужные ей или поврежденные органеллы. Эти органеллы сначала отделяются от остальной массы цитоплазмы с помощью особой мембраны, а затем полученная структура сливается с лизосомами, ферменты которых и разрушают захваченные в аутофагосомы органеллы и химические соединения. Протеосома представляет собой специализированный комплекс-агрегат из нескольких белков.

Он имеет форму трубы, куда заходит меченный убиквитином белок и режется на части: на фрагменты и аминокислоты.

Итак, клетка быстро распознает те белки, которые не используются. Если белки работают, то они большую часть времени проводят в составе белковых комплексов, если белки не работают, то их, после маркирования специальной меткой, разрушает система протеосом. Если ненужные белки не убирать, то эффект будет такой же, как внедрение в геном добавочного гена или убирание одного гена из генома. Как видим, и здесь для реализации функции отдельно взятого гена требуется координированное участие сотен и тысяч других генов.

Если в качестве аналогии генома брать оркестр в целом, а в качестве аналогии белка ― звуковые фразы, то посттрансляционная модификация белка аналогична прохождению звука через усилители.

Таким образом, сама по себе информация, записанная в генах (термин используется условно) не несет полной информации даже о самом белке. Она становится полной только в рамках всего генома, после обработки синтезированной полипептидной цепи другими белками и переноса полученного белка с помощью других белков в нужное для его функционирования место.

 

5.6. ГЕНОТИП И ФУНКЦИЯ БЕЛКОВ

Имеется разрыв между пониманием, зачастую до мелких деталей, молекулярных механизмов работы белковых машин и общим пониманием физиологии процесса наследования, процессов транспорта. За последние несколько лет они расшифровали полные последовательности ДНК геномов множества организмов. В 2009 году список живых существ, генетический паспорт которых появился у ученых, пополнили лошадь, корова, сорго, картофель и кукуруза. Само по себе клонирование и идентификация нового белка ничего не даёт. Нужно установить его функцию.

После того, как ученые расшифровали геном, то есть полную последовательность нуклеотидов во всей ДНК человека и ряда других организмов, встал вопрос, а что делать дальше. Думалось, что наличие данной информации резко ускорит развитие молекулярной биологии. На самом деле этого не произошло. А дело в том, что пока никто не знает точных механизмов работы даже отдельно взятой клетки, не говоря уже о том, как развивается во время эмбриогенеза сложнейший многоклеточный организм. Наверное, единственный крупный результат программы по расшифровке ДНК у человека ― это тот факт, что теперь достаточно легко идентифицируются белки, задействованные в различных заболеваниях и при различных экспериментальных воздействиях.

Хотя геном человека в целом и расшифрован, но ещё остаётся несколько регионов, которые считаются незаконченными. Прежде всего, это центральные регионы каждой хромосомы, известные как центромеры, которые содержат большое количество повторяющихся последовательностей ДНК. Центромеры имеют длину миллионы (возможно десятки миллионов) пар нуклеотидов их сложно секвенировать (расшифровывать последовательность нуклеотидов) при помощи современных технологий. Последовательность нуклеотидов на концах линейных хромосом (в теломерах) также состоящие из повторяющихся последовательностей, и по этой причине в большинстве из 46 человеческих хромосом их расшифровка не завершена. Существующие технологические ограничения препятствуют их секвенированию. Кроме того, в геноме каждого индивидуума есть несколько локусов, которые содержат много семейств множественных генов, которые также сложно расшифровать с помощью основного на сегодняшний день метода фрагментирования ДНК. В частности, эти семейства кодируют белки, важные для иммунной системы. Кроме перечисленных регионов, остаётся ещё несколько брешей, разбросанных по всему геному, некоторые из которых довольно крупные, но есть надежда, что все они будут закрыты в ближайшие годы.

Далее, думалось, что наличие генотипа позволит быстренько найти ингибиторы белков, ответственные за развитие наследственных болезней человека и человечество получит горы лекарств от всех болезней. Но и эти мечты не сбылись. Да, белки идентифицированы, но чтобы сделать лекарство, надо знать все о том, как этот белок транспортируется и как работает в клетке, а здесь снова обнаружились проблемы. Как и в случае формальной генетики, исследователи столкнулись с догмами. Например, до сих пор любая статья о транспорте белков в клетке начинается с фразы, "как известно, белки транспортируются с помощью везикул". Но уже давно установлено, что это не верно, но ничего не меняется. Без знания механизмов транспорта и способов образования органелл в разных клетках организма создать эффективных лекарств не удастся.

Кроме того в результате расшифровки генома человека, идентифицировано несколько новых белков с неизвестной ранее функцией (156). Их быстро клонировали, то есть идентифицировали последовательность их нуклеотидов и стали изучать их функциональную роль. Но результат данного направления минимален. Каких-то прорывных открытий сделать не удалось. Следующим важным эффектом после расшифровки полного генотипа человека стало взрывное развитие такого направления в молекулярной и клеточной биологии, как поиск белков, взаимодействующих с данным исследуемым белком. Появились целые схемы таких взаимодействий. Однако пока практической и научной пользы от всех этих расшифровок мало.

Обычно под взаимодействием имеют в виду обычное электростатическое или гидрофобное склеивание белков. С помощью специальных методов были получены огромные карты схемы взаимодействия белков. И тут исследователей даже на уровне клетки ждал новый тупик. Предположим, что наш белок взаимодействует с 400 другими различными белками. Как, например, в случае с белком, ответственным за развитие муковисцидоза (см. Приложение Х). О чем это говорит? Да ни о чем, если нет точного представления о том, как работает клетка. А вот с этим сейчас большие проблемы.

 

5.7. ВИДЫ БЕЛКОВ С ТОЧКИ ЗРЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ И КЛЕТОЧНОЙ БИОЛОГИИ

Белки состоят из несколько активных функциональных единиц, соединенных цепями аминокислот, вставками, которые часто имеют значение для адекватной трехмерной упаковки белка или цепочками, которые определяют вид и совместимость наборов генов, но которые почти никак не изменяют свойства белка, если в этих участках белка заменять аминокислоты.

Белки могут быть классифицированы на основе такого признака, место их синтеза (цитоплазма или эндоплазматическая сеть), по тому, где место их основной функции (ЭР, АГ, цитоплазма, протеосомы, лизосомы…) как они синтезируются и куда потом доставляются транспортной системой клетки

Как я уже писал выше, белки синтезируются для разных целей.

1. На цитоплазматических рибосомах и полисомах синтезируются белки для нужд цитоплазмы и ядра.

2. На эндоплазматической сети синтезируются мембранные белки для внутренних нужд и для реализации связи между клетками. Там же существует синтез внутрипросветных резидентных белков для эндоплазматического сети, для аппарата Гольджи, лизосом, а также синтез и секреция белков ферментов и их помощников, синтез и секреция структурных белков матрикса и сигнальных белков

Многие белки могут быть сгруппированы в семейства ― коллагены, глобины, эластины, актины, сериновые протеазы… Белки одного семейства близки как по своей функции, так и по аминокислотной последовательности. Они произошли в результате удвоения и дивергенции одного гена. Они используются разными тканями, где их функция наиболее оптимальна. Белки одного и того же типа, взятые от разных организмов, замещать друг друга. Если пересадить белок Сек13 из дрожжей человеку, то человеческие клетки будут работать нормально, конечно, если при этом не произойдет значимых гибридизационных осложнений.

Имеются белки с двойными функциями, например, белок БАРС, — повторюсь- который регулирует и интенсивность считывания генетической информации и участвует в разрушении шеек мембранных почек, что ведет к появлению мелких (52 нм в диаметре) мембранных пузырьков (233). Белки могут выполнять другую, обычно параллельную первой функцию, если субстрат другой, похожий. Или другой ионный состав цитоплазмы, то специфика действия фермента может быть изменена.

Белки могут быть классифицированы по разным параметрам.

1. Белки, ответственные за состояние многоклеточности.

А. Развитие организма.

Б. Тканевый гомеостаз, в том числе контроль за клеточным делением.

В клетке белки могут быть ответственны за следующие функции.

1. Клеточное деление

2. Синтез белков и их посттрансляционная модификация.

3. Транспорт белков

4. Цитоскелет

5. Преобразование энергии.

6. Синтез разных веществ. Белков, Липидов, сахаров, полисахаридов.

Белки могут выполнять следующие функции.

1. Белки, обеспечивающие функцию одиночных клеток

2. Белки, нужные для строительства и функционирования многоклеточного организма

1а. Белки, химически изменяющие простые, органические вещества.

1б. Белки, управляющие белками ферментами

1в. Белки, переносящие через мембрану ионы и небольшие органические ионизированные молекулы.

1г. Белки, полимеризующиеся и деполимеризующиеся (цитоскелет)

1д. Белки, синтезирующие биополимеры.

1е. Белки, режущие биополимеры.

1ё. Матриксные белки, образующие матрикс.

Как правило, вся информация о всех свойствах и поведении белка в стандартной клетке записана в последовательности его аминокислот. В последовательности аминокислот могут быть зашифрованы следующие сигналы

1. Сигнальный пептид.

2. Сигнал для входа в ядро через ядерную пору.

3. Сигнал выхода из эндоплазматической сети.

4. Сигнал форфорилирования

5. Сигнал гликозилирования (Н и О).

6. Сигнал присоединения жирной кислоты пальмитиновой и т. д. ДжиПиАй

7. Сигнал присоединения маннозо-6-фосфата.

8. Сигнал убиквитирования

9. Сигналы присоединения коатомера и клатрина.

10. Сигнал, определяющий место гидролиза ферментом протеазой.

11. Сигналы, регулирующие выход белка из эндоплазматической сети и из аппарата Гольджи.

Так вход белка в эндоплазматический ретикулум и попадание в пул секретируемых белков определяется наличием специального сигнального пептида. Позицию белков в эндоплазматической сети определяет длина трансмембранного участка и некоторые последовательности аминокислот. Так, последовательность из 4 аминокислот (лизин, аспаргиновая кислота, глутаминовая кислота и лейцин), имеющаяся на конце аминокислотной цепи белков, которые находятся в просвете эндоплазматической сети, определяет их взаимодействие с КДЕЛ рецептором и их возврат назад из аппарата Гольджи в случае их попадания в просвет цистерн аппарата Гольджи.

Последовательность из других четырех аминокислот (лизин, лизин, и две любые аминокислоты на С-конце цитоплазматического домена мембранных белков на С-конце цепи (это конец, который оканчивается атомом углерода) ККХХ определяет взаимодействие белков с белковым покрытием мембран под названием коатомер-1 и вызывает блокирование их выхода из эндоплазматической сети. Позиция белков на в аппарате Гольджи определяется длиной и строением участка их аминокислотной цепи, расположенного внутри липидного бислоя, и взаимодействием с другими ферментами гликозилирования, по типу олигомеризации, то есть, образования коротких полимеров. Позиция ферментов лизосом определяется наличием специальной последовательности аминокислот, к которой присоединяется остаток маннозо-6 фосфата. Наличие такого остатка в полисахаридной цепочке ведет к взаимодействию этого белка с рецептором маннозо-6-фосфата, который локализован в мембранной сети, расположенной после аппарата Гольджи, и затем перемешается сначала в поздние эндосомы, а потом после отщепления там от рецептора в лизосомы (см. Приложение V).

Кроме того белки могут классифицироваться с точки зрения молекулярной биологии и "проявляемости" мутаций (см. раздел 6.4). По этой классификации белки могут быть разделены на следующие группы.

1. Изогены. Тот геном, который мы имеем расшифрованным в базах данных, это геном одного какого-то человека. За счет наличия изогенов один и тот же фенотип человека может кодироваться миллионами генотипов. Возникают вопросы. Почему в базах данных белки, последовательности нуклеотидов даны в одном варианте, а не в миллионах возможных? Почему в базах данных мы практически всегда имеем дело не с миллионами вариантов последовательностей нуклеотидов, а с одной? Поэтому там не приведены миллионы возможных изогенов? Ответ прост. Миллионы лет эволюции привели к тому, что природа подобрала такие сочетания генов, которые ни в одном даже самом небольшом участке при синтезе незрелой и зрелой мРНК не дают комплементарных цепей, способных к склеиванию.

Аллельные (то есть образующие пару генов в парных хромосомах — один от отца, другой от матери) гены, кодирующие белки, можно разделить на несколько групп с точки зрения того, насколько их функция отличается друг от друга. Как я уже писал, один и тот же белок может кодироваться тысячами, а может миллионами разных генов. Это число можно подсчитывать для каждого отдельного белка. Это связано с тем, что одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами нуклеотидов. Двумя исключениями из данного правила являются метионин и триптофан. Метионин всегда начинает аминокислотную последовательность любого белка, а тирозин обладает уникальным среди аминокислот боковой группой, имеющей форму восьмерки, которая состоит из бензольного кольца и пятичленного гетерокольца, содержащего азот. Следовательно, семейство генов, кодирующих данную цепь аминокислот, может быть представлено как связка пучков последовательностей нуклеотидов, которые сходятся в точках, где в белке расположены метионин и триптофан. Такая ситуация требует для своего обозначения специального термина. Назовем последовательности нуклеотидов, дающие при синтезе абсолютно одинаковые белки, изологичными генами или изогенами.

Тот же самый человек в других соматических клетках может иметь изогены того же самого белка, поскольку не во всех клетках синтезируются все гены. Те, которые могли бы быть подвергнуты гибридизации, могут не экспрессироваться, не синтезироваться, будучи заблокированными на уровне гетерохроматина. Поэтому, если для клонирования человека берется соматическая клетка, то очень велика вероятность того, что она будет страдать от гибридизационных осложнений транскрипции. Наличие возможной межмолекулярной гибридизации может маскироваться низким уровнем синтеза белков, которые могли бы давать феномен гибридизации с изогеном, полученным в результате мутации. Получается, что у одного и того же человека может быть миллион близнецов, которые существенно отличаются по генотипу, но абсолютно одинаковы по фенотипу.

2. Гомогены. Если мы учтем, что большинство аминокислот имеют гомологичные аминокислоты, видимо, опять за исключением метионина и триптофана, то пучки нуклеотидных последовательностей, расположенных между метионинами и триптофанами или между метионином и триптофаном будут ещё гуще. Последовательности нуклеотидов, дающие при синтезе белки, которые практически не отличаются по своей функции из-за того, что там аминокислоты заменены на свои гомологичные, гомологичными генами или гомогенами. А белки, которые получаются при синтезе из гомологичным генов или гомогенов, гомологичными белками. Другими словами, изологичные последовательности дают совершенно одинаковый белок. Гомологичные последовательности дают белки почти совершенно одинаковые по функции.

3. Дублируемые белки. Изоформы белков (232). Изоформы белков и должны быть гомоформы. Отличие в том, что это мутации с той же самой рамки считывания сплайсинга. Изоформы меняется рамка сплайсинга.

4. Незаменимые белки. Число их невелико. Так на моей памяти это белки коатомера номер один и два. После их удаления клетки обязательно гибнут.

5. Заменяемые или функционально параллельные белки ― белки, которые находятся в аллельной паре, но имеют разное строение главных функциональных групп, мы назовем функционально различными изоформами, в случае, если при их образовании используется альтернативный сплайсинг, и негативнодоминантными белками, если имеется замена консервативной аминокислоты на негомологичную, что ведет к изменению функции данного белка.

5. Белки с двойной функцией. Обычно в тех, частях белков, которые выполняют определенную биологическую функцию, наиболее важные для этой функции аминокислоты оказываются очень консервативными в течение эволюции. Это обстоятельство легко распознается современными компьютерными программами, ориентированными на сравнение последовательностей нуклеотидов и аминокислот.

6. Повреждающие мутантные белки, которые блокируют функцию нормального белка.

7. Выбитые белки вследствие сдвига рамки считывания или мутаций в начальном кодоне данной рамки считывания…

8. Гибридизирующие белки (а точнее гены) ― это гены, транскрипция с которых ведёт к внутримолекулярной или межмолекулярная гибридизация.

Сейчас, у нынешних организмов подавляющее большинство преобразований основаны на "приклеивании" одного белка к другому или к небольшой молекуле. При склеивании изменяется метаболическая активность белка, его каталитические (энзиматические) свойства. Обычно взаимодействия белков основаны на следующих феноменах.

1. Электростатическое склеивание.

2. Гидрофобное склеивание (минимизация свободной энергии).

3. Белки могут погружать в мембрану свои гидрофобные участки и закон минимизации свободной энергии не позволяет им отклеиться от мембраны, если там имеется гидрофобный участок.

 

5.8. НЕНУЖНЫЕ ГЕНЫ ИЛИ ЧТО ПОКАЗАЛИ ЭКСПЕРИМЕНТЫ С УДАЛЕНИЕМ ГЕНОВ?

В последние годы проведена масса экспериментов по удалению того или иного гена или блокирования функции данного гена. И оказалось, что имеется огромное число случаев, когда удаление или мутация отдельного гена не влияет на фенотип (182).

Из 6000 генов дрожжей только 1200 необходимо для жизни. Большинство из остальных 4800 при полном удалении не дают почти никакого фенотипа. После их удаления по отдельности клетка выживает. То есть, они могут быть компенсированы почти полностью. Как при остром воздействии ― не ясно. Таких ситуаций особенно много встречается при изучении мышей. По мышам даже хотят основать специальный журнал, где можно было бы публиковать генные нокауты, то есть описания мышей, у которых с помощью генной инженерии удален тот или иной ген, но никаких проявлений отсутствия гена не обнаруживается, то есть без фенотипа (185).

Основной урок из экспериментов с удалением того или иного гена состоит в том, что нет незаменимых генов, кроме самых древних и общих, например, коатомер для животных клеток.

Исходя из данных опытов все гены (а точнее белки) могут быть разделены на следующие группы:

1. Абсолютно незаменимые ― без этих генов после удаления клетки немедленно погибают или подвергаются апоптозу, самоубийству клетки. Мышиные эмбрионы после удаления данных генов гибнут. Клетки гибнут после удаление функции генов с помощью интерферирования РНК. Имеются существенные изменения после блокирования функции с помощью микроинъекции в клетку ингибирующих блокирующих антител или других подобных воздействий. Примерами могут служить коатомер-1 ― у животных, коатомер-2 ― у растений и дрожжей. Сар 1 п входит в состав белкового комплекса, который является почти не заменимым для дрожжей и растений, но заменим для животных.

2. Почти не заменимые ― мышиные эмбрионы без этих генов живут эмбрионы, но плохо. Повреждения заметны после экспериментов с интерференцией РНК.

3. Частично заменимые ― эмбрионы после удаления таких генов не страдают. После РНК-интерференции изменения слабые, а после микроинъекции антител ― чуть заметные изменения.

4. Заменимые. Эмбрионы живут. Эффекта интерференции РНК почти нет. После антител почти нет эффекта.

Удаление кавеолина-2 у мышей вообще не влияет почти ни на что. Некоторые отклонения можно обнаружить только при сверхнагрузке. Мыши, у которых был из генотипа удален белок кавеолин-1 (это белок, который обусловливает образование мелких мембранных пузырьков на плазматической мембране синтезирующих его клеток), обнаруживали также резкое снижение концентрации другого сходного белка кавеолина-2, хотя уровень его транскрипции был не изменен. Оказалось, что кавеолин-1 и кавеолин-2 образуют комплекс друг с другом. Кавеолин-2 деградирует за счет его разрушения в протеосомах, так как ингибирование функции протеосом возвращает исходный уровень кавеолина-2 (190).

Удаление у мышей гена, кодирующего так называемый белок Прион, также не дает четко идентифицируемого фенотипа. Имеется очень небольшое изменение некоторых, казалось бы, абсолютно не связанных признаков. Например, увеличение чувствительности к гипоксии и ишемии. Напротив, если у рыбы-зебры удалить тот же ген, кодирующий белок Прион, то возникает резкое нарушение ее эмбрионального развития (143).

 

5.9. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БЕЛКОВ

Белки можно представить в виде структур, состоящих из 2 частей. Для одной части, активной головки, природа отобрала все возможные комбинации из аминокислот, обладающие ферментной активностью для химических реакций или для стимуляции подобных реакций другими белками. Вторая часть ― хвост не имеет определенной ферментной структуры. Хвосты определяют упаковку и подбор белков по видам. Хвосты определяют, подходят ли белки данному виду Активные части одинаковы почти у всех животных. Белки я предлагаю представить в виде клубков из склеенных узких магнитных лент для магнитофонов. К ним приклеены более широкие магнитные ленты для видеомагнитофонов. Это полисахаридные цепи. Магнитная лента, свернутая в клубок ― это полипептидная цепь.

Большинство белков может осуществлять свою функцию только при взаимодействии с другими белками (204). При взаимодействии белки обычно приклеиваются друг к другу с помощью различных механизмов. Приклеивание к данному белку другого белка часто дает видимый эффект в виде изменения трехмерной организации изменения функциональной активности белка.

Для выполнения своей специфической функции белок нуждается во множестве партнеров. Выполнение большинства функций белки осуществляет в составе белковых комплексов, то есть они взаимодействуют с другими белками. Эти взаимодействия могут быть специфическими и неспецифическими. Кроме специфических в клетках имеется множество неспецифических взаимодействий. Например, белок СФТР, мутации в котором ведут к развитию муковисцидоза (см. Приложение Х) имеет 400 партнеров, с которыми он взаимодействует (а проще говоря, может приклеиваться).

Белки часто взаимодействуют друг с другом вроде бы случайным образом. Результатом такого взаимодействия может быть 1) образование химического соединения, 2) электростатические взаимодействия, 3) взаимодействия, которые после склеивания белков друг с другом ведут к уменьшению площади гидрофобной зоны, обращенной в водный раствор, 4) взаимодействия, ведущие к снижению энтропии.

Взаимодействия между белками довольно консервативны в эволюции и эти взаимодействия имеют функциональное значение (174). Какова функциональная роль этих взаимодействий? По сути, сейчас клеточная биология в тупике. Она не способна объяснить функциональный смысл миллионов взаимодействий белков, обнаруженных в ходе экспериментов. Тем самым, видимо, проявляется ещё один уровень "буферирования" генома (см. раздел 12.10).

Итак, посттрансляционная модификация белков вовлекает в процесс другие белки, а значит, другие гены. Идея шариков-генов не верна ― есть программа развития. Без взаимодействия с другими белками информация, записанная в гене, реализована быть не может, что свидетельствует о правоте Лысенко и его последователей.