Посттрансляционные изменения белка реферат

Обновлено: 02.07.2024

Многие белки синтезируются в неактивном виде (предшественники) и после схождения с рибосом подвергаются постсинтетическим структурным модификациям. Эти конформационные и структурные изменения полипептидных цепей получили название посттрансляционных изменений. Они включают удаление части полипептидной цепи (частичный протеолиз), ковалентное присоединение одного или нескольких низкомолекулярных лигандов, связывание между собой субъединиц олигомерного белка, приобретение белком нативной конформации (фолдинг).

При частичном протеолизе, например, неактивные предшественники секретируемых ферментов – зимогены – образуют активный фермент после расщепления по определенным участкам молекулы. Наглядным примером последовательного протеолиза служит и образование активных форм инсулина или глюкагона из препрогормонов.

В ходе ковалентных модификаций структурные белки и ферменты могут активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метильных, олигосахаридных и др. Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот: в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина, в факторах свертывания крови карбоксилируются остатки глутамата, в цепях тропоколлагена гидроксилируются остатки пролина и лизина.

У некоторых белков на N-конце имеются короткие последовательности гидрофобных аминокислотных остатков, которые называют сигнальными последовательностями. Эти участки играют важную роль в транспорте белков через мембраны. В процессе переноса через мембрану сигнальная последовательность отщепляется сигнальной пептидазой. В итоге белок приобретает функциональную активность, оказавшись в соответствующей органелле или вне клетки.

Существование посттрансляционной модификации расширяет возможности клеток в регуляции метаболизма. Изменения количества или активности ферментов, участвующих в модификации белков, приводят к снижению или увеличению концентрации последних, что отражается на скорости соответствующих процессов.

Регуляция синтеза белка

Соматические клетки всех тканей и органов многоклеточного организма содержат одинаковую генетическую информацию, но отличаются друг от друга по содержанию тех или иных белков. Для эритроцитов, например, характерно высокое содержание гемоглобина, для клеток соединительной ткани – коллагена, клетки поджелудочной железы вырабатывают много ферментов. В отдельных клетках, тканях и органах содержание разных белков меняется онтогенез. Все это свидетельствует о том, что в живых организмах существуют механизмы, регулирующие белковый синтез. Они функционируют под действием внутренних и внешних факторов на каждой из стадий сложного процесса синтеза белка. Количество протеинов может изменяться в результате увеличения числа некоторых генов, регуляции на стадии транскрипции, процессинга мРНК. Скорость белкового синтеза определяется также и временем жизни мРНК, регуляцией синтеза на уровне трансляции и посттрансляционной модификации белков.

Регуляция на самых ранних этапах (на уровне экспрессии генов) является наиболее выгодной и поэтому широко встречается у эукариотических организмов. На экспрессию генов у эукариот влияет целый ряд факторов.

Организация хроматина и доступность генов: в ядрах дифференцированных клеток хроматин имеет такую укладку, что только небольшое число генов доступно для транскрипции. Различают участки гетерохроматина, в которых ДНК упакована очень компактно и для транскрипции недоступна, и участки эухроматина, имеющие более рыхлую укладку и способные связывать РНК-полимеразу. В разных типах клеток в область эухроматина попадают разные гены. Это ведет к тому, что в разных тканях транскрибируются разные участки хроматина.

Изменение количества генов: амплификация (увеличение числа) генов при необходимости увеличения синтеза определенного генного продукта; утрата генетического материала (процесс, происходящий при созревании некоторых типов клеток, например, эритроцитов).

Перестройка генов или генетичесая рекомбинация: перемещение генов между хромосомами или внутри одной хромосомы, объединение генов с образованием измененной хромосомы, которая после таких изменений способна к репликации и транскрипции.

Регуляция транскрипции (см. лекцию № 6).

Существенное значение в обеспечении разнообразия белков играет посттранскрипционный процессинг РНК. Основные способы такой регуляции – альтернативный сплайсинг и изменение стабильности РНК.

Известны и некоторые случаи регуляции количества и разнообразия белков путем изменения скорости процесса их трансляции. Наиболее изученный пример – синтез белков в ретикулоцитах. Известно, что на этом уровне дифференцировки кроветворные клетки лишены ядра, а следовательно и ДНК. Регуляция синтеза белка-глобина осуществляется только на уровне трансляции и зависит от содержания гема в клетке.

В ходе ковалентных модификацийструктурные белки и ферменты могут активироваться или инактивироваться в результате присоединения различных химических групп: фосфатных, ацильных, метильных, олигосахаридных и др. Многочисленным модификациям подвергаются боковые радикалы некоторых аминокислот: в тиреоглобулине йодируются остатки тирозина, в факторах свертывания крови карбоксилируются остатки глутамата, в цепях тропоколлагена гидроксилируются остатки пролина и лизина.

Регуляция транскрипции (см. лекцию № 6).

Ростовский НИИ акушерства и педиатрии

Посттрансляционная модификация и дифференциальная экспрессия белков при плацентарной недостаточности

Журнал: Проблемы репродукции. 2016;22(6): 115-119

Ростовский НИИ акушерства и педиатрии

Цель исследования — идентифицировать дифференциально-экспрессирующиеся белки и изучить посттрансляционные изменения белков плаценты при плацентарной недостаточности (ПН). Материал и методы. В исследование вошли 28 женщин, в том числе у 15 беременность осложнилась ПН, у 13 — беременность протекала без осложнений. Посттрансляционные изменения белков плаценты (амидирование, аминирование, карбонилирование) оценивали спектрофотометрическими методами. Дифференциально-экспрессирующиеся белки выявляли и идентифицировали с помощью двухмерного электрофореза и времяпролетной масс-спектрометрии. Результаты. ПН сопровождается посттрансляционными изменениями белков плаценты. Снижается количество аминных групп, а также легко- и особенно трудногидролизируемых (прочносвязанных) амидных групп, что приводит к перераспределению водородных и электростатических взаимодействий в белках, вследствие чего понижается их устойчивость к воздействующим факторам. Обратная направленность изменений характерна для интенсивности карбонилирования: уровень карбонильных производных (окисленных аминокислотных остатков белков) при ПН повышается. Выявленная посттрансляционная модификация белков плаценты отражается на их протеомном спектре. При ПН идентифицировано 8 белков, экспрессия которых в плаценте резко снижена или отсутствует. Среди них белки, являющиеся шаперонами, участвующими в восстановлении правильной структуры полипептидной цепи; белки, контролирующие процессы транскрипции, клеточной пролиферации, цитокенеза, генерации энергии, формирования цитоскелета, внутри- и межклеточного транспорта. Экспрессия 4 белков повышена. Изменение их продукции, с одной стороны, может оказывать негативное действие на состояние метаболических процессов в ткани плаценты, с другой — иметь компенсаторное значение, способствуя предотвращению развития декомпенсированной ПН. Выводы. Формирование ПН сопровождается посттрансляционными повреждениями белковых молекул плаценты, проявляющимися разнонаправленными изменениями в содержании их активных функциональных групп, а также модификацией экспрессии мультифункциональных белков, что может явиться одним из первичных звеньев в нарушении белкового баланса плаценты при данном осложнении беременности.

Ростовский НИИ акушерства и педиатрии

В настоящее время не вызывает сомнения, что характер репродуктивных процессов в значительной степени зависит от состояния белкового баланса в организме женщины, особенно в период гестации, когда усиливается интенсивность метаболических процессов, в связи с необходимостью обеспечения потребностей не только матери, но и развивающегося плода. В то же время особенности синтеза белков и их последующих постгеномных изменений при физиологической и осложненной беременности во многом остаются невыясненными. Значительные успехи в этом направлении могут быть достигнуты с использованием современных технологий молекулярной медицины, к числу которых относится протеомный анализ, с помощью которого определяются дифференциально-экспрессирующиеся белки, а также методы оценки посттрансляционных реакций [1, 2]. Информативным объектом изучения данных процессов в биологической системе мать—плод является плацента, обеспечивающая взаимосвязь между ними и снабжающая плод необходимыми для его развития трофическими и другими компонентами. В связи с этим функциональная и метаболическая дисфункция плаценты, связанная с модификацией белоксинтезирующих систем и повреждением нормального спектра и свойств белков, может служить важной причиной высокой перинатальной заболеваемости и смертности при плацентарной недостаточности (ПН).

Цель настоящей работы — выявить и идентифицировать дифференциально-экспрессирующиеся белки, а также изучить посттрансляционные изменения белков плаценты при ПН.

Материал и методы

В исследование вошли 28 беременных в возрасте 24—32 лет (средний возраст 27,5 года). Контрольную группу составили 13 практически здоровых женщин с неосложненным течением беременности и родов. Основная группа включала 15 женщин, беременность которых осложнялась ПН, верифицированной после родов. Все обследованные дали информированное согласие на расширенный алгоритм исследования, утвержденный этическим комитетом Ростовского НИИ акушерства и педиатрии. По возрасту, индексу массы тела, соматическому и акушерско-гинекологическому анамнезу, паритету беременности и родов женщины обеих групп были сопоставимы. Из исследования исключались пациентки с инфекционными заболеваниями, декомпенсированными формами соматических заболеваний, многоплодной беременностью, аутоиммунной патологией, признаками преэклампсии. Критериями при постановке диагноза (и для включения в исследование) являлись снижение фето- и маточно-плацентарного кровотока при допплерометрии, биофизический профиль плода, гипоксия плода при проведении кардиотокографии, снижение активности специфических плацентарных изоферментов — термостабильной щелочной фосфатазы и глутаматдегидрогеназы.

Материалом исследования служили плаценты, взятые после родов при соблюдении холодового режима (4 °С). Посттрансляционные изменения белков (амидирование, аминирование, карбонилирование) оценивали по количеству амидных, аминных групп и карбонильных производных водорастворимых белков плаценты, которые экстрагировали из 10% гомогенатов ткани в течение 20 ч при температуре 4 °C и отделяли от нерастворимых белков центрифугированием при 9000 g в течение 30 мин в рефрижераторной центрифуге Sigma Laborzentrifugen (Германия).

Количество амидных групп определяли по уровню аммиака, отщепившегося после 10-минутного и 2-часового гидролиза белков в 1 н. H₂SO₄, с помощью реакции несслеризации [3]. Содержание белковых аминогрупп оценивали по разности между концентрацией общего аминоазота в экстракте белков и остаточного аминоазота в нейтрализованных экстрактах после осаждения белков раствором 20% трихлоруксусной кислоты. Метод основан на взаимодействии аминогрупп с суспензией фосфорнокислой меди и образовании цветного соединения в результате реакции между растворимым медным комплексом и диэтилдитиокарбаматом, интенсивность окраски которого оценивали спектрометрически при 410 нм [4].

О степени карбонилирования белков судили по образованию 2,4-динитрофенилгидразонов в реакции карбонильных производных с 2,4-дифенилгидразином. Оптическую плотность образованных соединений регистрировали спектрометрически при длине волны 363 нм и рассчитывали их величины, используя коэффициент молярной экстинкции, равный 22∙10 3 М –1 см –1 [5]. Содержание белка в пробах определяли по молярной экстинкции при 280 нм.

Наряду с модификацией амидированности белков плаценты изменяется и содержание в них аминогрупп. Степень аминированности белков при ПН снижена на 23,5% относительно аналогичной величины у женщин контрольной группы. Уменьшение количества аминогрупп также сопровождается утратой устойчивости белков к действию факторов, нарушающих их структуру.

Противоположная динамика наблюдается для интенсивности карбонилирования. Уровень карбонильных производных, представляющих собой окисленные аминокислотные остатки белков, повышается на 32,0% в плаценте при П.Н. Этот факт свидетельствует о важной роли свободнорадикальной составляющей в постгеномном повреждении структуры белков при ПН, течение которой сопровождается нарастанием внутриутробной гипоксии и кислородной недостаточности плода. Усиление окислительной деструкции белков приводит к нарушению различных уровней белковой структуры, в том числе не только боковых цепей аминокислотных остатков, но и с окислением более глубоких участков белковой молекулы [5]. Выявленная посттрансляционная модификация белков плаценты может отражаться на их протеомном спектре.

Полученные нами результаты подтверждают эту возможность и свидетельствуют об изменении протеомного профиля плаценты при ПН (табл. 2). Следует отметить, что помимо списка дифференциально-экспрессирующихся белков в работе приведена совокупность генов, обеспечивающих экспрессию этих белков (см. табл. 2), которая позволяет составить генетическую карту предрасположенности к нарушению функционально-метаболической полноценности плаценты и к формированию изучаемой патологии гестации.

Таблица 2. Дифференциально-экспрессирующиеся белки плаценты при физиологической беременности и ПН Примечание. ↑ — повышение экспрессии белка; ↓ — снижение экспрессии белка; pI — изоэлектрическая точка.

К числу белков, экспрессия которых практически отсутствует или значительно снижена при осложненной беременности, относятся представители семейства кальций- и фофолипидсвязывающих белков, в частности аннексины А2 и А4, выполняющие важные функции в клеточном метаболизме. Аннексин А2, локализованный как в цитоплазме, так и на плазматической мембране, контролирует связи между ними, тем самым влияя на внутри- и межклеточный транспорт биосубстратов, также известна его роль в формировании цитоскелета, в том числе и апоптозных клеток [6].

Что касается аннексина А4, способного регулировать образование белковых конгломератов на поверхности клетки и модулировать трансмембранный переход белков, то уменьшение его экспрессии нарушает выполнение этих функций [7]. Кроме того, поскольку аннексин А4 способен взаимодействовать с субъединицей p50 транскрипционного фактора NF-κB [8], снижение продукции данного белка изменяет внутриклеточные функции указанного фактора.

При беременности, осложненной ПН, обнаруживается отсутствие таких дифференциально-экспрессирующихся белков, как цитоплазматические актины-1 и -2. Эти изоформы актина в виде микрофиламентов принимают участие в проведении внутриклеточных сигналов и через ряд промежуточных процессов (транспорт мРНК, транскрипция и др.) в конечном счете регулируют экспрессию определенных генов [9]. Модификация экспрессии этих генов, в результате снижения (отсутствия) продукции актинов в свою очередь может явиться одной из причин изменения уровня тех белков, синтез которых обеспечивается репрессированными генами.

Нарушение экспрессии характерно еще для одного белка — α-тропомиозина, который, связываясь с актиновыми филаментами, обеспечивает миграцию клеток, цитокенез, процессы пролиферации. Уменьшение его продукции, очевидно, оказывает отрицательное действие на процессы, находящиеся в сфере влияния данного белка [10].

Изучаемая акушерская патология сопровождается также уменьшением в плаценте содержания эндоплазматического ретикулярного белка — ERp29, являющегося ключевым фактором в фолдинге (сворачивании полипептидной цепи в пространственную структуру) эндогенных секреторных белков. Известно, что снижение его экспрессии приводит к нарушению функции протеасом и изменению степени клеточной пролиферации [11], высокая интенсивность которой характерна для плацентарной ткани.

Сниженная экспрессия регистрируется для прохибитина, являющегося шапероном — белком, участвующим в восстановлении правильной структуры полипептидной цепи белков митохондрий, в которых он регулирует клеточный цикл [12]. Уменьшение продукции этого белка ухудшает функционирование митохондриальных структур плаценты, что сопровождается снижением в них генерации энергии и, как следствие, развитием внутриклеточной гипоксии, а в дальнейшем — окислительного стресса.

Как указывалось выше, снижение содержания некоторых дифференциально-экспрессирующихся белков ухудшает процессы транскрипции, одновременно при ПН нарушаются и процессы трансляции. Последнему способствует снижение экспрессии кислого рибосомального белка 60S [13]. Изменение процессов трансляции, очевидно, вносит существенный вклад в развитие выявленных нами посттрансляционных модификаций белков плаценты при ПН. В то же время, по принципу обратной связи, последние отражаются на спектре плацентарных белков.

Негативное действие на состояние метаболических процессов в ткани плаценты оказывает повышение продукции α-актинина-4, который участвует в передаче клеточных сигналов из цитоплазмы в ядро, способствуя увеличению экспрессии генов, усиливающих апоптоз [9]. Повышенно экспрессируются при ПН белки цитоскелета — виментин, β-тропомиозин и белок эндоплазматического ретикулума — эндоплазмин. Увеличение их продукции может иметь компенсаторное значение, поскольку первые два принимают участие в формировании клеточной структуры и функционировании цитоскелета [11, 14], а эндоплазмин, как молекулярный шаперон, играет важную роль в эндоплазматическом ретикулуме при ядерной сигнализации и секреции ряда регуляторных белков [15]. Очевидно, что такая направленность динамики этих белков способствует предотвращению развития декомпенсированной ПН и донашиванию патологической беременности. Однако усиление экспрессии вышеперечисленных протеинов не компенсирует отрицательные последствия подавления продукции большого количества мультифункциональных белков, что создает условия для развития ПН и перинатальных осложнений.

В ранее проведенных нами исследованиях протеомный дисбаланс установлен и в околоплодных водах, что предполагает системный характер модификации экспрессии белков при ПН [16].

Таким образом, результаты настоящей работы свидетельствуют о том, что при ПН происходят значительные отклонения в экспрессии белков плаценты и посттрансляционные изменения, охватывающие различные уровни белковой структуры. Данные изменения, с учетом того факта, что они происходят на геномной и постгеномной стадиях, могут служить первичными звеньями в цепи нарушений метаболизма плаценты и фетоплацентарного комплекса в целом при ПН.

Дано определение процессинга (посттрансляционной модификации) белков в мышечных волокнах. Описана последовательность процессинга в шероховатой эндоплазматической цепи и комплексе Гольджи. Дана характеристика функций шаперонов.

Процессинг (посттрансляционная модификация) белков в мышечных волокнах

В настоящее время установлено, что синтез белков не заканчивается на рибосомах, после этого начинается следующая стадия превращения белков – процессинг. После того как пептидная (белковая) цепь отходит от рибосомы, она принимает свою биологически активную форму, т.е. сворачивается определенным образом. Однако, часто это невозможно до тех пор, пока новообразованная полипептидная цепь не подвергнется процессингу или посттрансляционной модификации.

Определение

Процессинг (посттрансляционная модификация) – это химическая модификация (изменение) белка после его синтеза на рибосоме. Для многих белков процессинг является завершающим этапом его биосинтеза.

Где протекает

Суть процессинга

Модификация в шероховатой эндоплазматической сети

В результате процессинга в шероховатой эндоплазматической сети от полипептидной цепи удаляются или, наоборот, к ней присоединяются определенные химические группы. Это приводит к тому, что синтезированный белок приобретает определенную пространственную вторичную, а затем и третичную структуры. Для образования правильной трехмерной структуры с ещё не свернувшейся пептидной цепью связываются особые белки – шапероны. Процесс сворачивания посредством шаперонов (рис.1) называется фолдингом. Связывание пептидной цепи с шаперонами защищает её от контактов с другими белками, и тем самым создает условия для нормального сворачивания растущего пептида. Наиболее важным шапероном является белок связывания (binding protein). Когда вновь образованный белок приобретает правильную вторичную и третичную структуру, он с помощью транспортных везикул (пузырьков) перемещается из шероховатой эндоплазматической сети в аппарат Гольджи.

Рис.1. Шаперон

Модификация в комплексе Гольджи

В комплексе Гольджи также осуществляются ферментативные модификации белка. После этого зрелый белок в комплексе Гольджи заключается в капсулу в виде пузырька. Иногда в секреторной капсуле также происходят модификации. Например, отщепление С-пептида от неактивного проинсулина приводит к образованию активного гормона инсулина. После этого белок экспортируется к месту своего назначения.

Процессинг сократительных и структурных белков мышечного волокна

Аналогичным образом осуществляется синтез молекул основных сократительных (миозина, актина, тропонина, тропомиозина), а также ряда структурных белков (дистрофина, спектрина, десмина) мышечного волокна.

Затраты энергии на синтез белка

Следует отметить, что синтез белка требует огромных затрат энергии. Так, только для присоединения одной аминокислоты к полипептидной цепи синтезируемого белка используется по меньшей мере пять молекул АТФ, поэтому процесс синтеза белка во многом зависит от скорости восстановления уровня АТФ в мышечных волокнах. Большие затраты энергии при синтезе белка диктуют необходимость превышения калорийностью питания атлетов энергетических затрат в период набора мышечной массы.

Посттрансляционные изменения белка реферат

Регуляция синтеза белка

Материал и методы

Процессинг (посттрансляционная модификация) белков в мышечных волокнах

Определение

Где протекает

Суть процессинга

Модификация в шероховатой эндоплазматической сети

Модификация в комплексе Гольджи

Процессинг сократительных и структурных белков мышечного волокна

Затраты энергии на синтез белка

Похожие записи:

Тест времени реакции на сигнал

Саркоплазматическая гипертрофия мышц

Классификация типов конституции человека М.В. Черноруцкого

Типы гипертрофии скелетных мышц человека

Миомейкер: Мембранный активатор слияния миобластов и образования мышц

Срочные гормональные ответы у элитных тяжелоатлетов-юниоров

Срочные ответы тестостерона и кортизола на высокоинтенсивные силовые упражнения

Катехоламины, гормон роста, кортизол, инсулин и половые гормоны в аэробных и анаэробных упражнениях