Синтез и модификация белков

Синтез и модификация белков — это клеточный путь, который преобразует генетическую информацию, переносимую матричной РНК, в функциональные белки. Он охватывает трансляцию мРНК на рибосомах, сворачивание образующегося полипептида в его трехмерную форму (часто при участии молекулярных шаперонов), ковалентные химические изменения, которые диверсифицируют функцию белка после синтеза, и системы контроля качества, которые определяют, будет ли белок сохранен или деградирован. В совокупности эти этапы определяют, сколько каждого белка производит клетка и какую форму он принимает.

Definition

Синтез и модификация белков обозначает интегрированный набор процессов, посредством которых рибосомы транслируют мРНК в полипептиды, а эти полипептиды впоследствии сворачиваются, химически модифицируются, проходят проверку качества и либо сохраняются как функциональные белки, либо направляются на деградацию.

Scope

Эта область ориентирует читателя на весь путь от кодирующей РНК до зрелого, функционального или в конечном итоге разрушенного белка. Она объединяет четыре темы: рибосомы и трансляция; сворачивание белков и молекулярные шапероны; посттрансляционные модификации; и контроль качества и деградация белков. Это структурный и молекулярный справочник по клеточной биологии, который не содержит советов по клиническому ведению.

Sub-topics

• Посттрансляционные модификации
• Фолдинг белков и молекулярные шапероны
• Контроль качества и деградация белков
• Рибосомы и трансляция

Core questions

• Как нуклеотидная последовательность мРНК считывается и преобразуется в аминокислотную последовательность?
• Как линейный полипептид надежно достигает своего функционального свернутого состояния внутри переполненной клетки?
• Как ковалентные модификации расширяют функциональный репертуар фиксированного набора генных продуктов?
• Как клетка отличает правильно синтезированные белки от дефектных и удаляет последние?

Key concepts

• Трансляция мРНК на рибосомах
• Рибосома как рибозим (пептидилтрансферазная активность)
• Ко-трансляционное и посттрансляционное сворачивание
• Молекулярные шапероны
• Посттрансляционная модификация
• Контроль качества белков
• Протеостаз

Key theories

Термодинамическая гипотеза Анфинсена

Нативная трехмерная структура белка определяется его аминокислотной последовательностью и соответствует в физиологических условиях конформации с наименьшей свободной энергией, что подразумевает, что информация о сворачивании закодирована в самой последовательности.

Концепция сети протеостаза

Белковый гомеостаз поддерживается интегрированной сетью механизмов синтеза, сворачивания, транспорта и деградации, баланс которых может быть адаптирован, и нарушение которых лежит в основе ряда конформационных заболеваний.

Mechanisms

Рибосомы считывают кодоны мРНК и, используя аминоацил-тРНК, катализируют образование пептидных связей через свой РНК-зависимый пептидилтрансферазный центр, таким образом, рибосома по существу является рибозимом. По мере выхода цепи она начинает сворачиваться, часто при помощи молекулярных шаперонов, которые предотвращают агрегацию и способствуют нативному состоянию, предсказанному ландшафтом свободной энергии последовательности. Многие белки затем химически изменяются посредством посттрансляционных модификаций, таких как фосфорилирование, гликозилирование и убиквитинирование, которые регулируют активность, локализацию и стабильность. На протяжении всего процесса системы контроля качества отслеживают точность сворачивания и направляют неправильно свернутые или ненужные белки на деградацию, поддерживая баланс протеома.

Clinical relevance

Нарушения на любом этапе этого пути связаны с заболеваниями: неправильное сворачивание и агрегация характерны для нейродегенеративных состояний, а нарушение деградации или шаперонной способности способствует развитию других расстройств. Понимание нормального пути обеспечивает концептуальную основу для интерпретации таких состояний и для исследований, направленных на протеостаз; эта статья описывает механизмы и не дает указаний по индивидуальной диагностике или лечению.

History

Признание того, что рибосомы синтезируют белки, что генетический код считывается кодон за кодоном и что последовательность определяет сворачивание (Анфинсен, 1973), заложило основу этой области в середине двадцатого века. Более поздние структурные работы выявили каталитическое РНК-ядро рибосомы (Nissen et al., 2000), в то время как концепции шаперонов и протеостаза (Hartl et al., 2011; Balch et al., 2008) и систематическая химия модификаций (Walsh et al., 2005) расширили картину от синтеза до пожизненного, регулируемого жизненного цикла белка.

Key figures

• Christian Anfinsen
• Thomas Steitz
• F. Ulrich Hartl
• Christopher Walsh

Seminal works

• anfinsen-1973
• nissen-2000
• hartl-2011
• walsh-2005

Frequently asked questions

Является ли синтез белка тем же самым, что и экспрессия генов?

Это часть экспрессии генов на уровне белка. Экспрессия генов также включает транскрипцию ДНК в РНК; синтез и модификация белков охватывают то, что происходит от матричной РНК и далее, заканчиваясь зрелым или деградированным белком.

Почему белку требуется модификация после его синтеза?

Трансляция производит цепь аминокислот, но сворачивание, химические модификации и контроль качества определяют, станет ли эта цепь стабильным, правильно локализованным и активным белком, значительно расширяя возможности фиксированного генома.