Химическая модификация белков осуществляется с помощью кислотного или щелочного гидролиза, стабилизации белков путем солеобразования, ацилирования, пластеиновой реакции.
Щелочной и кислотный гидролиз. Эти способы модификации белков широко применяются для солюбилизации белков рыбы в процессе получения рыбных белковых концентратов, в результате чего повышается растворимость, эмульгирующая и пенообразующая способности белков.
Глубина гидролиза зависит от вида и концентрации щелочи или кислоты, соотношения субстрата и реагента, температуры, продолжительности обработки. Для достижения определенного результата процесс должен быть оптимизирован для конкретного белка конкретного сырья.
При полном гидролизе белков образуется смесь аминокислот. Это используется в новейших технологиях. Степень гидролиза можно контролировать и корректировать. Но необходимо учитывать, что наряду с положительными последствиями гидролиза, возникают и отрицательные. Например, образование рацематов кислот - пептидов с горьким вкусом.
Одним из примеров подобной модификации является деструкция характерного для бобовых культур, в частности сои, 11-S-глобулина, имеющего глобулярную форму молекулы. Причем четвертичная структура его характеризуется тем, что несколько субъединиц объединяются в глобулу с помощью межмолекулярных связей. Такие структуры не способны к гелеобразованию, а также к имитации мясоподобных систем. Контролируемый гидролиз позволяет получить белок со свойствами студнеобразователя, что более характерно для ряда фибриллярных белков, например, желатина.
Этот принцип модификации свойств белка нашел широкое применение в технологическом процессе получения структурированных продуктов способом прядения.
Подобным образом можно изменить структуру белка и с помощью нагрева. Распад белка на субъединицы, их частичное разрушение и агрегация приводят к образованию белковых студней. Стабильность полученных гелей зависит от образования дисульфидных мостиков между полипептидными цепями.
Солюбилизация белков путем солеобразования. Возможность такой модификации вытекает из основного свойства белков, как полимерных амфолитов, способных к взаимодействию и с катионами, и с анионами. Возможны два вида взаимодействия: образование солевых мостиков и специфичная сорбция ионов на поверхности белка. При этом образуются протеинаты, которые отличаются большей растворимостью по сравнению с нативными белками.
Образование протеинатов широко используется при выделении белков из сои (соевые протеинаты) и из молока (казеинат и копреципитат натрия).
Наиболее широко из солей-модификаторов используются хлористый натрий и неорганические фосфаты. Так, регулируя способность мясорецептурных композиций удерживать воду используют хлористый натрий, пиро- или триполифосфат натрия, которые повышают растворимость миофибриллярных белков. Одновременно известно, что полифосфаты в отношении белков характеризуются антиденатурационными, антисептическими, антиокислительными свойствами.
С каждым годом использование протеинатов в пищевой промышленности и общественном питании расширяется.
Ацилирование. Ацилирование с помощью уксусного или янтарного ангидридов является одним из широко применяемых приёмов химической модификации белков. Результатом такой модификации является сдвиг изоэлектрической точки белка в более кислую зону. Под действием янтарного ангидрида этот процесс проходит в большей степени. Это дает возможность даже при низкой степени модификации значительно улучшить такие технологические характеристики как растворимость, эмульгирующая и пенообразующая способности.
Введение ацильных остатков (типа R-COO-) способствует развертыванию и, в конечном итоге, разрушению белковой глобулы, что приводит к изменению электростатического равновесия, характерного для нативного белка, за счет блокировки положительно заряженных аминогрупп в глобулинах и повышения роли электростатического отталкивания одноименно заряженных групп. Следствием этого является изменение конформации белка и его диссоциация. Одновременно достигаются такие технологические эффекты, как способность к студнеобразованию.
На практике доказано, что путем ацилирования удается получить модифицированные растительные белки с улучшенной студнеобразующей способностью, причем эта способность и структурно-механические характеристики получаемых гелей зависят от степени ацилирования. Так, при очень высокой степени его избыток отрицательных зарядов вызывает настолько сильное отталкивание полипептидных цепей, что необходимая для студнеобразования агрегация окажется невозможной. То есть, степень ацилирования выступает в роли показателя функциональных свойств белка, а само ацилирование является методом регулирования этих свойств.
Ацилированный казеин молока используется как эмульгатор и стабилизатор эмульсий, загуститель напитков, соусов, плодовых и овощных пюре. Рыбные белки используются как эмульгаторы, связующие вещества, как вещества, образующие желе при термообработке.
Ферментативная модификация белков. Используя ферменты, можно целенаправленно изменять структуру белка в самых разных направлениях. Благодаря частичному гидролизу белка можно обеспечить повышение растворимости, эмульгирующей активности, пенообразующей способности, стабилизации пен и эмульсий. Специфичность ферментов позволяет воздействовать только на определенные участки или группы белковой молекулы. Важно и то, что большинство ферментативных процессов проходит в водной среде и, как правило, в условиях, близких к физиологическим. Однако не все ферментативные изменения белков имеют значение для пищевых технологий.
Так, в последнее время используется частичный гидролиз протеазами белков соединительной ткани, тендеризация мяса для повышения его качественных показателей. У белков рыбы под действием ферментов микробного происхождения амилосубтилина, протосубтилина, бромелина при pH 6,5-7,0 и температуре около 30° С возрастает эмульгирующая активность в 1,5 раза, растворимость повышается на 20%.
Особый эффект достигается при сочетании ферментативного процесса и химической модификации, например, при сукцинации. Так, продукты ферменативного гидролиза рыбных белков, которые характеризуются высокой пенообразующей способностью, в результате сукцинации теряют характерный рыбный вкус, что позволяет использовать их в производстве кондитерской продукции, мороженого, напитков.
Очень хорошие перспективы дает недавно открытая пластеиновая реакция - процесс, обратный ферментативному расщеплению, когда под действием ферментов заново образуются пептидные связи. С помощью этой реакции можно из продуктов гидролиза белка создать полипептидные цепи с молекулярной массой около 3 000 Дальтон. Благодаря тому, что отдельные аминокислоты, в том числе и незаменимые, способны реагировать в форме эфиров, их можно целенаправленно встраивать в полипептиды и белки. Встраивая триптофан, лизин и метионин в зеин кукурузы удалось получить пластеин с хорошей биологической ценностью.
Биологическая ценность белков сои низка из-за незначительного содержания в них серусодержащих аминокислот. Путем частичного гидролиза соевого белка пепсином, смешивания его с таким же гидролизатом кератина шерсти, содержащим много серусодержащих аминокислот, и последующей пластеиновой реакции под действием нагаразы (протеаза Bacilus subtilis) получают пластеин с пищевой ценностью близкой к казеину.
Очень хорошими свойствами обладают пластеины, полученные путем включения в белки глутаминовых кислот, полученных из соевых белков. Во-первых, эти глутаминовые кислоты растворимы при любых значениях pH и стойки к термической коагуляции. Во- вторых, они обладают выраженным вкусом термообработанного мяса.
Огромные перспективы пластеиновая реакция имеет для извлечения из белков нежелательных аминокислот. К последним можно отнести фенилаланин, присутствие которого вызывает тяжкие последствия у больных фенилокетонурией. Частичный ферментативный гидролиз пепсином, извлечение фенилаланиновых пептидов гель-фильтрацией и последующий пластеиновый синтез в присутствии этиловых эфиров тирозина и триптофана под действием растительной протеазы папаина приводит к получению пластеинов, свободных от фенилаланина, но сбалансированных по остальным аминокислотам.
Физико-химические методы модификации. Физико-химические методы воздействия на белковые системы объединяют следующие приемы: комплексообразование с природными полимерами (белками, полисахаридами, др.), а также с мономерами (углеводами, жирами), механические воздействия разного рода, термическую обработку и др.
Комплексообразование по типу белок-белковое взаимодействие нашло практическое применение еще раньше, но теперь появилось научное толкование этого явления. Так было установлено, что совместная сушка белков разной природы - рыбных и зерновых - не только приводит к получению ценных белковых смесей, но и сохраняет функциональные свойства исходных белков. В качестве зерновых добавок к рыбному фаршу могут быть использованы пшеничная, рисовая или другая мука в количестве от 10% до 30%.
Добавка растительных белков к мясным полуфабрикатам, благодаря комплексообразованию обеспечивает минимальное снижение влагоудерживающей способности в процессе термообработки.
Высокими функциональными свойствами характеризуются конъюгаты белков и углеводов, что традиционно используется в технологических процессах. Так, способность сахарозы повышать температуру коагуляции белков яиц широко используется в технологии сладких блюд, кондитерских изделий. Известна способность углеводов стабилизировать белки животного происхождения к действию низко- и высокотемпературной денатурации.
При совместном высушивании рыбных белков с моносахаридами образуются высокорастворимые комплексы, растворимость которых зависит от природы сахаров и их концентрации в рыбном фарше. По влиянию на растворимость получаемого продукта наибольшей эффективностью характеризуется глюкоза, меньшей - сахароза и фруктоза. Аналогично стабилизируют рыбные белки глицерин и модифицированный крахмал. Но следует иметь в виду, что в этом случае создаются условия для протекания реакции Майара, что приведет к снижению пищевой ценности белков.
Добавка глюконо-дельта-лактона стабилизирует мясные фарши.
Известны также методы «укрепления» клейковины муки при образовании ее комплексов с кислыми полисахаридами, такими как производные пектина, а также в присутствии микробного полисахарида ксантана в количестве 0,1-0,5%.
Повышают устойчивость белков к денатурации и липиды, которые тоже способны образовывать комплексы с первыми. Природа этого явления достаточно не выяснена, но все же оно используется в производстве фаршевых колбасных изделий, полуфабрикатом которых являются белково-жировые эмульсии.
Физические методы воздействия также играют определенную роль в модификации свойств белковых веществ. Так, интенсивность, способ и степень помола являются ключевыми при прочих равных условиях в формировании качества пшеничной муки. Устанавливая определенные температурные режимы, регулируют влагоудерживающую способность, нежность, сочность мясных систем. Температурой и продолжительностью обработки регулируют показатели качества молочного творога. Одновременное механическое перемешивание массы приводит к образованию «казеинового зерна», которое существенно отличается по органолептическим показателям от творога, полученного термокислотной коагуляцией, но без перемешивания.
Высокая степень измельчения мясных и рыбных фаршей, особенно на коллоидных мельницах, приводит к механической деградации саркомеров миофибрилл, следствием чего является повышение водоудерживающей способности и растворимости белков.
Частичная термическая коагуляция рыбных белков или заваривание муки, в результате чего происходит денатурация клейковинных белков, изменяют когезию, позволяют регулировать способность к формованию и органолептические свойства систем.
(от
позднелат. modificatio-изменение) биогенная, происходит после завершения трансляции
матричной рибонуклеиновой к-ты, или мРНК, (синтез белка на мРНК-матрице)
или до ее завершения. В первом случае М.б. наз. п о с т т р а н с л я ц и о
н н о й, во втором
-к o т р а н c л я ц и о н н о й. Осуществляется благодаря
реакциям разл. функциональная группаминокислотных остатков, а также пептидных связей
и обусловливает конечную форму белковой молекулы, ее физиологический активность, стабильность,
перемещения внутри клетки.
Внеклеточные (секретируемые)
белки, а также мн. белки цитоплазматич. мембраны и разл. внутриклеточных ком-партментов
(обособленных участков клетки) подвергаются гликозилированию, в результате к-рого
образуются глико-протеины.
Наиб. сложно организованы маннозосодержащие
цепи, присоединенные к полипептидам N-гликозидной связью. Начальная стадия формирования
таких цепей протекает котрансляционно по схеме:
Dol-долихол (полипренол),
Dol-Р-Р-долихолпирофосфат, Glc-глюкоза, GlсNАс-N-ацетил-D-глюкозамин, Маn-манноза
Послед. стадии осуществляются
посттрансляционно с участием неск. ферментов, локализованных в разных субклеточных
компартментах. Так, для G-белка вируса везикулярного стоматита, гликозидные
цепи к-рого построены из 15 углеводных остатков, установлена такая последовательность
событий. Сначала в эндоплазматич. ретикулуме происходит в две стадии отделение
терминальных остатков глюкозы с участием двух разных глюкозидаз. Затем ман-нозидазы
(I и II) удаляют 6 остатков маннозы, а N-ацетил-D-глюкозаминтрансфераза осуществляет
присоединение трех остатков GlcNAc к остаткам маннозы гликопротеина. Наконец,
в комплексе Гольджи с этими остатками связываются с участием соответствующих
трансфераз остатки фукозы, галактозы и сиаловой к-ты. Моносахаридные остатки
могут подвергаться фосфорилированию, сульфированию и др. модификациям.
Гликозилированию секретируемых
белков предшествует протеолитич. процессинг - отделение от N-конца поли-пептидной
цепи "сигнальной" последовательности аминокислот. В эукариотич.
клетках (клетки всех организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей)
этот процесс осуществляется контрансляционно, в прокариотич. клетках (клетки
бактерий и синезеленых водорослей) он может протекать посттрансляционно. Наиб.
распространенные сигнальные последовательности включают 23 аминокислотных остатка.
Характерные особенности этих последовательностей -наличие на конце короткого
положительно заряженного участка, за к-рым следует гидрофобный участок, содержащий
от 7 до 14 аминокислотных остатков. Сигнальные последовательности завершаются
консервативным по длине (5-7 остатков) гидрофильным участком, на С-конце к-рого
чаще всего находятся остатки аланина, глицина, серина, треонина, цистeина или
глутамина.
Почти все функцион. классы
внеклеточных белков (ферменты, гормоны, иммуноглобулины и др.) содержат ди-сульфидные
связи. Они образуются из групп SH цистенна в ходе многостадийного процесса с
участием фермента ди-сульфидизомеразы. На его ранних стадиях появляется значит.
кол-во "неправильных" дисульфидных мостиков, к-рые ликвидируются
в результате тиол-дисульфидного обмена, в к-ром, по-видимому, участвует цистамин
(H 2 NCH 2 CH 2 S) 2 . Предполагают, что
такой "перебор" связей происходит до тех пор, пока не возникает
наиб. стабильная третичная структура, в к-рой дисульфидные мостики "захоронены"
и вследствие этого недоступны реагентам.
К наиб. распространенным
модификациям внутриклеточных белков относятся фосфорилированис и дефосфорилиро-вание
по группе ОН остатков серина, тирозина и треонина, к-рые осуществляются с участием
ферментов протеинкиназ и фосфатаз по схеме:
АТФ - аденозинтрифосфат,
АДФ - аденозиндифосфат, Р -фосфорная к-та или ее остаток
Фосфорилирование сопровождается
активацией или инактивацией ферментов, напр. гликозилтрансфераз, а также изменением
физико-химический св-в неферментных белков. Обратимое фосфорилирование белков контролирует,
напр., такие важные процессы, как транскрипция и трансляция, метаболизм липидов,
глюконеогенез, мышечное сокращение.
Белки митохондрий и хлоропластов,
кодируемые ядерными ДНК, имеют на N-конце избыточные аминокислотные последовательности,
к-рые избирательно направляют полипептидные
цепи в определенные компартменты органелл, после чего отщепляются в результате
протеолиза с участием специфич. эндопептидаз. Избыточные последовательности
предшественников митохондриальных белков существенно различаются по кол-ву аминокислотных
остатков; их может быть от 22 до 80. Короткие последовательности характеризуются
высоким (20-25%) содержанием положительно заряженных аминокислотных остатков,
равномерно расположенных по полипептидной цепи. Длинные последовательности включают
дополнительно участок, состоящий из гидрофобных аминокислот, к-рый "заякоревает"
предшественник в липидном бислое митохондриальных мембран.
Известны предшественники
для ряда гормонов (напр., для гастрина, глюкагона и инсулина), к-рые переходят
в активную форму посредством расщепления полипептидной цепи в участках, содержащих
два последовательно расположенных остатка основных аминокислот (аргинин и лизин).
Расщепление осуществляется с участием специфич. эндопептидазы, действующей в
ансамбле со вторым ферментом, имеющим карбоксипептидазную активность. Последний
удаляет остатки концевых основных аминокислот, завершая превращ. пептида в активный
гормон. К белкам, подвергающимся протеолитич. активации, относятся также протеиназы
(пепсин, трипсин, химотрипсин), альбумины, проколлаген, белки системы свертывания
крови и др. В нек-рых случаях неактивные формы ферментов (зимогены) необходимы
для временной "консервации" ферментов. Так, зимогены трипсина и
химотрипсина (соотв. трипсиноген и химотрипсиноген) синтезируются в поджелудочной
железе, секретируются в тонкий кишечник и только там под действием специфич.
ферментов превращ. в активную форму.
Широкий круг белков (гистоны,
миозин, актин, рибо-сомальные белки и др.) метилируются посттрансляционно по
остаткам лизина, аргинина и гистидина (N-метилирова-ние), а также по остаткам
глутаминовой и аспарагиновой к-т (О-метилирование). В качестве метилирующего
агента обычно выступает S-аденозилметионин .
В нек-рых эукариотич. клетках
более половины р-римых белков ацетилированы по N-концу. Этот процесс может осуществляться
ко- и посттрансляционно (на схеме обозначено соотв. К. Т. и П. Т.), напр.:
HSCoA-кофермент А, АсСоА
- ацетилкофермент A, Met-метионин, Asp - аспарагиновая к-та
Для пептидов, содержащих
от 3 до 64 аминокислотных остатков и секретируемых в разл. органы(гастрин, секретин,
холецистокинин и др.), обнаружено посттрансляц. амидиро-вание остатка С-концевой
аминокислоты (за исключением концевых остатков аргинина и аспарагина).
Нек-рые типы модификаций
характерны для отдельных белков или небольших групп белков. В частности, в коллагене
и неск. др. белках со сходными аминокислотными последовательностями обнаружены
4- и 3-гидроксипролин, а также 5-гидроксилизин. Гидроксилирование остатков про-лина
и лизина протекает котрансляционно и имеет важное значение для формирования
уникальной структуры коллагена. Гидроксилизин участвует в образовании ковалент-ных
сшивок между полипептидными цепями коллагена по схеме:
Ядерные белки (гистоны,
негистоновые белки) подвергаются аденозиндифосфатрибозилированию и полиаденозин-дифосфатрибозилированию,
в ходе к-рого аденозиндифос-фатрибозильные остатки переносятся от кофермента
ни-котинамидадениндинуклеотида (НАД) к акцепторным белкам:
Эти две р-ции различны
во мн. аспектах. В частности, полиаденозиндифосфатрибозилирование протекает
в при-сут. ДНК. Большинство аденозиндифосфатрибозильных групп присоединяется
к белкам посредством эфирной связи, образованной группой ОН в положении 5" остатка
рибозы и группой СООН С-концевой аминокислоты или глутаминовой к-ты, находящейся
внутри полипептидной цепи.
Большое значение имеет
карбоксилирование остатков глутаминовой к-ты с образованием g-карбоксиглутаминовой
к-ты в предшественнике протромбина. Эта реакция катализируется витамин К-зависимой
карбоксилазой, локализованной в мембранах эндоплазматич. ретикулума. Аналогичная
реакция протекает при созревании нек-рых др. факторов свертывания крови.
Лит.: Основы биохимии, пер. с англ., т. 1, М., 1981, с. 277-80; Общая органическая химия, пер. с англ., т. 10, М., 1986, с. 543-70; The enzymology of post-translational modification of proteins, v. 1, L.-N. Y., 1980; The biochemistry of glycpproteins and proteoglycans, N. Y.-L., 1980; Cell biology. A comprehensive treatise, v. 4-Translation and the behavior of proteins, N. Y., 1980; Methods in enzymology, v. 106, N.Y., 1984; Hurt E.G., Loon A.P.G.M. van, "Trends in Biochem. Sci.", 1986, v. 11, № 5. n. 204-07. В. Н. Лузиков.
МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ
(от позднелат. modificatio-изменение) биогенная, происходит после завершения трансляции
матричной рибонуклеиновой к-ты, или мРНК, (синтез белка на мРНК-матрице) или до ее завершения. В первом случае М. б. наз. п о с т т р а н с л я ц и о н н о й, во втором -к o т р а н c л я ц и о н н о й. Осуществляется благодаря р-циям разл. функц. групп аминокислотных остатков, а также пептидных связей и обусловливает конечную форму белковой молекулы, ее физиол. , стабильность, перемещения внутри клетки.
Внеклеточные (секретируемые) , а также мн. белки цитоплазматич. мембраны и разл. внутриклеточных ком-партментов (обособленных участков клетки) подвергаются гликозилированию, в результате к-рого образуются глико-протеины.
Наиб. сложно организованы маннозосодержащие цепи, присоединенные к полипептидам N-гликозидной связью. Начальная стадия формирования таких цепей протекает котрансляционно по схеме:
Dol-долихол (полипренол), DolЧРЧР-долихолпирофосфат, Glc-глюкоза, GlсNАс-N-ацетил-D-глюкозамин, Маn-манноза
Послед. стадии осуществляются посттрансляционно с участием неск. ферментов, локализованных в разных субклеточных компартментах. Так, для G-белка вируса везикулярного стоматита, гликозидные цепи к-рого построены из 15 углеводных остатков, установлена такая последовательность событий. Сначала в эндоплазматич. ретикулуме происходит в две стадии отделение терминальных остатков глюкозы с участием двух разных глюкозидаз. Затем ман-нозидазы (I и II) удаляют 6 остатков маннозы, а N-ацетил-D-глюкозаминтрансфераза осуществляет присоединение трех остатков GlcNAc к остаткам маннозы гликопротеина. Наконец, в комплексе Гольджи с этими остатками связываются с участием соответствующих трансфераз остатки фукозы, галактозы и сиаловой к-ты.
Моносахаридные остатки могут подвергаться фосфорилированию, сульфированию и др. модификациям.
Гликозилированию секретируемых белков предшествует протеолитич. процессинг - отделение от N-конца поли-пептидной цепи "сигнальной" последовательности аминокислот. В эукариотич. клетках (клетки всех организмов, за исключением бактерий и синезеленых водорослей) этот процесс осуществляется контрансляционно, в прокариотич. клетках (клетки бактерий и синезеленых водорослей) он может протекать посттрансляционно. Наиб. распространенные сигнальные последовательности включают 23 аминокислотных остатка. Характерные особенности этих последовательностей -наличие на конце короткого положительно заряженного участка, за к-рым следует гидрофобный участок, содержащий от 7 до 14 аминокислотных остатков. Сигнальные последовательности завершаются консервативным по длине (5-7 остатков) гидрофильным участком, на С-конце к-рого чаще всего находятся остатки аланина, глицина, серина, треонина, цистeина или глутамина.
Почти все функцион. классы внеклеточных белков ( , гормоны, и др.) содержат ди-сульфидные связи. Они образуются из групп SH цистенна в ходе многостадийного процесса с участием фермента ди-сульфидизомеразы. На его ранних стадиях появляется значит. кол-во "неправильных" дисульфидных мостиков, к-рые ликвидируются в результате тиол-дисульфидного обмена, в к-ром, по-видимому, участвует цистамин (H 2 NCH 2 CH 2 S) 2 . Предполагают, что такой "перебор" связей происходит до тех пор, пока не возникает наиб. стабильная третичная структура, в к-рой дисульфидные мостики "захоронены" и вследствие этого недоступны реагентам.
К наиб. распространенным модификациям внутриклеточных белков относятся фосфорилированис и дефосфорилиро-вание по группе ОН остатков серина, тирозина и треонина, к-рые осуществляются с участием ферментов протеинкиназ и фосфатаз по схеме:
АТФ - аденозинтрифосфат, АДФ - аденозиндифосфат, Р -фосфорная к-та или ее остаток
Фосфорилирование сопровождается активацией или инактивацией ферментов, напр. гликозилтрансфераз, а также изменением физ.-хим. св-в неферментных белков. Обратимое белков контролирует, напр., такие важные процессы, как и трансляция, липидов, глюконеогенез, мышечное сокращение.
Белки митохондрий и хлоропластов, кодируемые ядерными ДНК, имеют на N-конце избыточные аминокислотные последовательности, к-рые избирательно направляют полипептидные цепи в определенные компартменты органелл, после чего отщепляются в результате протеолиза с участием специфич. эндопептидаз. Избыточные последовательности предшественников митохондриальных белков существенно различаются по кол-ву аминокислотных остатков; их может быть от 22 до 80. Короткие последовательности характеризуются высоким (20-25%) содержанием положительно заряженных аминокислотных остатков, равномерно расположенных по полипептидной цепи. Длинные последовательности включают дополнительно участок, состоящий из гидрофобных аминокислот, к-рый "заякоревает" предшественник в липидном бислое митохондриальных мембран.
Известны предшественники для ряда гормонов (напр., для гастрина, глюкагона и инсулина), к-рые переходят в активную форму посредством расщепления полипептидной цепи в участках, содержащих два последовательно расположенных остатка основных аминокислот ( и лизин). Расщепление осуществляется с участием специфич. эндопептидазы, действующей в ансамбле со вторым ферментом, имеющим карбоксипептидазную . Последний удаляет остатки концевых основных аминокислот, завершая превращ. пептида в активный гормон. К белкам, подвергающимся протеолитич. активации, относятся также протеиназы ( , трипсин, ), проколлаген, белки системы свертывания крови и др. В нек-рых случаях неактивные формы ферментов (зимогены) необходимы для временной "консервации" ферментов. Так, зимогены трипсина и химотрипсина (соотв. трипсиноген и химотрипсиноген) синтезируются в поджелудочной железе, секретируются в тонкий кишечник и только там под действием специфич. ферментов превращ. в активную форму.
Широкий круг белков ( , миозин, актин, рибо-сомальные белки и др.) метилируются посттрансляционно по остаткам лизина, аргинина и гистидина (N-метилирова-ние), а также по остаткам глутаминовой и аспарагиновой к-т (О-метилирование). В качестве метилирующего агента обычно выступает S-аденозилметионин.
В нек-рых эукариотич. клетках более половины р-римых белков ацетилированы по N-концу. Этот процесс может осуществляться ко- и посттрансляционно (на схеме обозначено соотв. К. Т. и П. Т.), напр.:
HSCoA-кофермент А, АсСоА - ацетилкофермент A, Met-метионин, Asp - аспарагиновая к-та
Для пептидов, содержащих от 3 до 64 аминокислотных остатков и секретируемых в разл. органы( , секретин, и др.), обнаружено посттрансляц. амидиро-вание остатка С-концевой (за исключением концевых остатков аргинина и аспарагина).
Нек-рые типы модификаций характерны для отдельных белков или небольших групп белков. В частности, в коллагене и неск. др. белках со сходными аминокислотными последовательностями обнаружены 4- и 3-гидроксипролин, а также 5-гидроксилизин. Гидроксилирование остатков про-лина и лизина протекает котрансляционно и имеет важное значение для формирования уникальной структуры коллагена. Гидроксилизин участвует в образовании ковалент-ных сшивок между полипептидными цепями коллагена по схеме:
Ядерные белки (гистоны, негистоновые белки) подвергаются аденозиндифосфатрибозилированию и полиаденозин-дифосфатрибозилированию, в ходе к-рого аденозиндифос-фатрибозильные остатки переносятся от кофермента ни-котинамидадениндинуклеотида (НАД) к акцепторным белкам:
Эти две р-ции различны во мн. аспектах. В частности, полиаденозиндифосфатрибозилирование протекает в при-сут. ДНК. Большинство аденозиндифосфатрибозильных групп присоединяется к белкам посредством эфирной связи, образованной группой ОН в положении 5" остатка рибозы и группой СООН С-концевой аминокислоты или глутаминовой к-ты, находящейся внутри полипептидной цепи.
Большое значение имеет остатков глутаминовой к-ты с образованием g-карбоксиглутаминовой к-ты в предшественнике протромбина. Эта р-ция катализируется К-зависимой карбоксилазой, локализованной в мембранах эндоплазматич. ретикулума. Аналогичная р-ция протекает при созревании нек-рых др. факторов свертывания крови.
Лит.:
Основы биохимии, пер. с англ., т. 1, М., 1981, с. 277-80; Общая , пер. с англ., т. 10, М., 1986, с. 543-70; The enzymology of post-translational modification of proteins, v. 1, L.-N. Y., 1980; The biochemistry of glycpproteins and proteoglycans, N. Y.-L., 1980; Cell biology. A comprehensive treatise, v. 4-Translation and the behavior of proteins, N. Y., 1980; Methods in enzymology, v. 106, N.Y., 1984; Hurt E.G., Loon A.P.G.M. van, "Trends in Biochem. Sci.", 1986, v. 11, № 5. n. 204-07. В. Н. Лузиков.
Химическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . Под ред. И. Л. Кнунянца . 1988 .
Смотреть что такое "МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ" в других словарях:
- (позднелат. modificatio установление меры, от лат. modus мера, вид, образ, преходящее свойство и лат. facio делать), преобразование, усовершенствование, видоизменение чего либо с приобретением новых свойств. Модификации качественно … Википедия
Посттрансляционная модификация это ковалентная химическая модификация белка после его синтеза на рибосоме. Для многих белков посттрансляционная модификация оказывается завершающим этапом биосинтеза, который является частью процесса… … Википедия
Эндонуклеаза EcoRV в комплексе с расщепленным фрагментом ДНК. Система рестрикции модификации ферментативная система бактерий, разрушающая попавшую в клетку чужеродную ДНК. Основная её функция защита клетки от чужеродного генетического материала … Википедия
У этого термина существуют и другие значения, см. Белки (значения). Белки (протеины, полипептиды) высокомолекулярные органические вещества, состоящие из соединённых в цепочку пептидной связью альфа аминокислот. В живых организмах… … Википедия
Кристаллы различных белков, выращенные на космической станции «Мир» и во время полётов шаттлов НАСА. Высокоочищенные белки при низкой температуре образуют кристаллы, которые используют для получения модели данного белка. Белки (протеины,… … Википедия
И другие мембранные органеллы эукариотической клетки Аппарат (комплекс) Гольджи мембранная структура э … Википедия
Аппарат Гольджи и другие мембранные органеллы эукариотической клетки Аппарат Гольджи (комплекс Гольджи) мембранная структура эукариотической клетки, органелла, в основном предназначенная для выведения веществ, синтезированных в эндоплазматическом … Википедия
Лот; мн. (ед. аминокислота, ы; ж.). Органические вещества, сочетающие свойства кислот и оснований (являются основным элементом построения всех белков животных и растительных организмов). * * * аминокислоты класс органических соединений,… … Энциклопедический словарь
Во многих случаях белки синтезируются в виде предшественников – биологически неактивных молекул.Их функциональная активность проявляется в результате превращений, называемых постсинтетической или посттрансляционной модификацией (процессинг) .
Примеры посттрансляционной модификации белков:
Протеолитическое отщепление N-концевого формилметионина или метионина;
Отщепление сигнальных пептидов;
Частичный протеолиз;
- посттрансляционная модификация белков по аминокислотным радикалам: ковалентное присоединение простетической группы, метилирование радикалов лизина и аргинина, ацетилирование N-концевой аминокислоты, фосфорилирование гистонов и негистоновых белков хроматина, гидроксилирование радикала пролина; присоединение олигосахаридных фрагментов (гликозилирование) к радикалам аспарагина, серина и треонина и т.д.
Выбор правильной структуры белка происходи при участии белков шаперонов . Гидрофобные участки на поверхности глобулы шаперонов-70 взаимодействуют с гидрофобными участками синтезированной цепи, защищая ее от неравильных взаимодействий с другими белками цитозоля. Шапероны-60 участвуют в исправлении пространственной структуры неправильно свернутой или поврежденной цепи.
Мутации в шапероне, входящем в состав хрусталика глаза, приводят к помутнению хрусталика из-за агрегации белков и развитию катаракты.
Транспорт синтезированных белков через мембраны
Синтезированный белок поступает из рибосомы в цитозоль. Если он не используется для нужд самой клетки, т.е. относится к экспортируемым (секретируемым) белкам , то он переносится через мембрану при помощи низкомолекулярных пептидов (15-30 аминокислотных остатков), содержащих гидрофобные радикалы. Это сигнальные пептиды . В мембране формируется канал, через который сигнальный пептид проникает внутрь цистерны эндоплазматического ретикулума, и протаскивает за собой синтезируемую молекулу белка. Под действием сигнальной пептидазы N-концевая сигнальная последовательность отщепляется, а белок через аппарат Гольджи выходит из клетки в форме секреторного пузырька.
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА БЕЛКА
Концентрация многих белков в клетке непостоянна и изменяется в зависимости от состояния клетки и внешних условий. Это происходит в результате регуляции скоростей синтеза и распада белков.
В клетках млекопитающих существуют два вида регуляции биосинтеза белков :
- кратковременная , обеспечивающая адаптацию организма к изменениям окружающей среды;
- длительная, стабильная , определяющая дифференцировку клеток и разный белковый состав органов и тканей.
Наиболее распространенным механизм регуляции синтеза белков является регуляция на уровне транскрипции (образования первичного транскрипта).
Синтез в базальном состоянии называют конститутивным синтезом .
Различают две формы регуляции – индукция синтеза (положительная регуляция) и репрессия синтеза (отрицательная регуляция). Понятия индукции и репрессии предполагают изменение скорости синтеза белка по отношению к исходному (базальному) уровню . Если скорость конститутивного синтеза белка высока, то белок регулируется по механизму репрессии синтеза, и, наоборот – при низкой базальной скорости наблюдается индукция синтеза.
Согласно теории Ф. Жакоба и Ж. Моне, в генетическом аппарате бактериальной клетки существуют опероны – отрезки ДНК, содержащие структурные гены определенных белков (цистроны ), и регуляторные участки.
Считывание генетического кода начинается с промотора , расположенного рядом с геном-оператором . Ген-оператор расположен на крайнем отрезке структурного гена. Он либо запрещает, либо разрешает репликацию мРНК на ДНК.
Деятельность оперона контролирует ген-регулятор . Белок-репрессор осуществляет связь опероном и геном-регулятором. Репрессор образуется в рибосомах ядра на мРНК, синтезированной на гене-регуляторе. Он образует комплекс с геном-оператором и блокирует синтез мРНК, а, следовательно, и белка. Репрессор может связываться с низкомолекулярными веществами – индукторами, или эффекторами. После этого он теряет способность связываться с геном-оператором, ген-оператор выходит из-под контроля гена-регулятора, и начинается синтез мРНК. Это индукция синтеза (рис. 14).
У эукариот механизмы регуляции синтеза белка более сложные. Преобладают положительные регуляторные механизмы. Основной регуляторной точкой является стадия инициации транскрипции. Регуляторные элементы, стимулирующие транскрипцию, называют энхансерами , а подавляющие ее – сайленсерами . Они могут располагаться как рядом с промотором, так и на удалении от него, и избирательно соединяться с белками-регуляторами : энхансеры – с белками-индукторами , сайленсеры – с белками-репрессорами . Процесс взаимодействия регуляторных элементов с белками-регуляторами регулируется сигнальными молекулами – гормонами, некоторыми метаболитами.
Знание особенностей структуры и функционирования рибосом прокариот и эукариот позволило разработать новые типы антибиотиков. Синтез нуклеиновых кислот и белков является ключевым процессом, необходимым для поддержания жизнедеятельности клетки. Если его каким-либо образом выключить - клетка погибнет. Существуют лекарственные препараты, нарушающие синтез пуриновых оснований и аминокислот, синтез нуклеиновых кислот (рис. 16), синтез белка на различных уровнях только в клетках бактерий (таблица 4).
Рис 16. Препараты, нарушающие синтез нуклеиновых кислот
Таблица 4
Средства, угнетающие синтез белков бактериальной клетки
ГЕННАЯ ИНЖЕНЕРИЯ
Генная инженерия - система экспериментальных приемов, позволяющих конструировать лабораторным путем (в пробирке) искусственные генетические структуры в виде так называемых рекомбинантных или гибридных молекул ДНК.
Технология рекомбинантных ДНК использует следующие методы:
1. Специфическое расщепление ДНК рестриктазами. В качестве мишеней рестриктаз часто выступают палиндромы из 4-6 пар оснований - сайты рестрикции. Одни рестриктазы вносят разрывы по оси симметрии, образуются так называемые "тупые" концы. Другие - со сдвигом, образуются "липкие" концы, то есть фрагменты имеют на своих концах однонитевые взаимно комплементарные участки длиной в четыре нуклеотида. Такие фрагменты особенно удобны для создания рекомбинантных ДНК.
2. Секвенирование нуклеотидов. С помощью электрофореза фрагменты ДНК, различающиеся по размеру, можно разделить, а затем исследовать каждый фрагмент отдельно. Это позволяет построить рестрикционную карту , на которой указано положение каждого сайта рестрикции относительно других участков.
3. Конструирование рекомбинантной ДНК:
Для получения рекомбинантной ДНК плазмиды выделяют из Е. coli и удаляют из них часть кольцевой молекулы ДНК с помощью рестриктазы. Комплементарные цепи молекулы ДНК разрезаются в разных местах, в результате чего образуются «липкие» концы. На фрагменте ДНК, выбранном для пересадки, создают «липкие» концы, используя ту же рестриктазу. Если смешать фрагмент ДНК (ген) и плазмиду, то они соединятся «липкими» концами. Затем с помощью лигазы вновь получают кольцевую молекулу ДНК, но теперь она вместе с плазмидной ДНК содержит ген, выбранный для пересадки. Это и есть рекомбинантная ДНК .
Возможны:
- сшивка по одноименным "липким" концам (рестриктазно лигазный метод). Комплементарные друг другу участки имеют тенденцию к ассоциации за счет спаривания оснований. Для восстановления разрывов используют фермент ДНК-лигазу.
- сшивка по "тупым" концам (коннекторный метод). Тупые концы могут быть соединены ДНК-лигазой. Эффективность реакции ниже, чем при сшивке по липким концам.
- сшивка фрагментов с разноименными липкими концами. Применяют линкеры - химически синтезированные олигонуклеотиды, представляющие собой сайты рестрикции или их комбинацию. Существуют линкеры "тупой конец - липкий конец".
Описанная выше процедура сложна и позволяет получать лишь очень небольшие количества рекомбинантной ДНК.
4. Клонирование (размножение) рекомбинантной ДНК:
- клонирование ДНК in vivo .
Если к культуре Е. coli добавить рекомбинантные плазмиды, то они могут включаться в бактериальные клетки - получаются рекомбинантные бактерии. Плазмиды в клетке начинают реплицироваться. При размножении бактерий вновь образующиеся бактериальные клетки тоже содержат эти плазмиды. Из рекомбинантных бактерий можно выделить клонированные рекомбинантные плазмиды, а из них - исследуемый фрагмент ДНК. Таким путем можно выделить ген или любой другой фрагмент ДНК в количествах, достаточных для исследовательских целей.
- аплификация (увеличение числа копий)ДНК in vitro.
В 1985 году К. Мюллис с сотрудниками разработали метод клонирования последовательностей ДНК in vitro, который получил название полимеразной цепной реакции (ПЦР). К анализируемому образцу ДНК добавляют в избытке 2 синтетических праймера. Праймеры ориентированы таким образом, что синтез с помощью полимеразы протекает только между ними, удваивая количество копий этого участка ДНК. Амплифицированный участок называют ампликоном . Амплификация заключается в повторяющихся циклах, представляющих собой трехступенчатый процесс: I - денатурация ДНК при 95 °С; II - отжиг праймеров с комплементарными последовательностями (40-60 °С); III - последующая достройка полинуклеотидных цепей от праймеров с помощью ДНК-полимеразы при температуре 70-75 °С (рис. 17).
Продолжительность одного цикла менее 3 мин. Таким образом, за 2 ч можно получить около миллиарда копий определяемой последовательности ДНК. Размноженный in vitro фрагмент получают в количествах, достаточных для его прямого секвенирования. ПЦР называют бесклеточным молекулярным клонированием (cell-free molecular cloning).
С использованием ПЦР разработаны новые диагностические тесты на генетические и инфекционные заболевания. Метод используют для ранней диагностики наличия в организме вируса иммунодефицита человека (ВИЧ). Метод анализа индивидуальных сперматозоидов нашел практическое применение в судебной медицине. С помощью ПЦР удалось амплифицировать и клонировать фрагменты митохондриальной ДНК из ископаемых останков мозга человека возраста 7 тысяч лет.
5. Введение гена в клетку. Ген нужно ввести в клетку таким образом, чтобы он не был разрушен клеточными нуклеазами, а интегрировался с геномом клетки. Используют 2 способа.
Трансдукция.
Вектор - молекула ДНК или РНК, состоящая из двух компонентов: векторной части (носителя) и клонируемого чужеродного гена. Задача вектора – донести выбранную ДНК в клетку-рецепиент и встроить ее в геном.
В состав вектора должен входить маркерный ген , позволяющий селектировать измененные клетки. Можно выделить 2 группы маркерных генов:
- селективные гены, отвечающие за устойчивость к антибиотикам или гербицидам;
- репортерные гены , кодирующие нейтральные для клеток белки, наличие которых в тканях может быть легко тестировано.
За способность гена к экспрессии отвечают регуляторные последовательности , которые также необходимо встроить в векторную молекулу.
Типы векторов:
- бактериальные плазмиды. Одна их наиболее часто употребляемых плазмид для клонирования pBR 322 создана на основе плазмид, выделенных из E. coli;
- вирусы. Есть вирусы, которые не ведут к гибели клетки, но встраиваются в геном клетки-хозяина и размножаются вместе с ней, либо вызывают ее неконтролируемый рост, т.е. превращают в раковую;
- гибридные векторы , содержащие ДНК фага и плазмиды - космиды и фазмиды.
2. Прямое введение гена в клетку – трансформация. Ее виды:
Трансфекция. ДНК адсорбируется на кристаллах фосфата кальция. Они поглощаются клеткой путем фагоцитоза.
Микроинъекция ДНК с помощью микропипеток диаметром 0,1-0,5 микрона и микроманипулятора.
Электропорация основана на том, что импульсы высокого напряжения обратимо увеличивают проницаемость биомембран.
«Мини-клетки» получают путем блокирования донорных клеток в митозе колцемидом . Вокруг каждой хромосомы формируется новая ядерная мембрана. Затем их обрабатывают цитохалазином В и центрифугируют. Образуются мини-клетки - микроядра, инкапсулированные в цитоплазматическую мембрану. Для их слияния подбирают специальные мягкие условия.
Упаковка в липосомы используется для защиты экзогенного генетического материала от разрушающего действия рестриктаз.
Метод биологической баллистики является одним из самых эффективных на сегодняшний день методов трансформации растений. На мельчайшие частички вольфрама напыляется ДНК вектора. Они помещаются внутрь биолистической пушки, откуда с огромной скоростью выбрасываются и, разрывая клеточные стенки, входят в цитоплазму и ядро клеток.
С развитием генной инженерии появилась возможность заставить микроорганизмы синтезировать вещества, которые получить другими методами сложно - интерферон, инсулин, соматостатин, соматотропин, фермент урокиназу, некоторые факторы свертывания крови и др. Все эти белки применяются для лечения болезней.
Плазмиды можно ввести и в клетки эукариот. Генетическая транформация соматических клеток млекопитающих позволяет изучать тонкие механизмы регуляции экспрессии генов и целенаправленно модифицировать генетический аппарат клетки, что имеет огромное значение для медицинской генетики.
