ость в зоне промотора, обогащенную тимидиловыми и адениловыми дезоксирибо-нуклеотидами (TATAAT—блок Прибнова у прокариот, TATA—блок Гольдбер-га—Хогнесса у эукариот), другие обеспечивают нуклеотидилтрансферазную реакцию при наращивании цепи РНК, третьи—взаимодействуют с многочисленными транскрипционными белковыми факторами (их насчитывают уже несколько десятков), регулирующими биосинтез соответствующих РНК путем контакта с энхансерными (усиливающими) и сайленсерными (ослабляющими) полинуклеотидными зонами ДНК или путем аткивирования протеинкиназ, фосфорилирующих как белковый кор РНК-полимераз, так и регуляторные белки. Транскрипционный процесс завершается либо факторнезависимым способом (в составе синтезируемой РНК поблизости от ее конца появляются две короткие последовательности, дающие шпильку, что выводит РНК из транскрипционной вилки), либо при посредстве белкового фактора р (М=46094 Да, первичная структура выяснена, существует в виде гексамера в количестве 1000 молекул на клетку), который присоединяется к транскрипционному центру, распаривает ДНК—РНКовый комплекс и высвобождает РНК. Для РНК-полимеразы I, осуществляющей транскрипцию рРНК, сигналом для ее завершения служит присоединение белкового фактора (М=130 кДа) к 18-звенному терминатору в составе копируемого гена рДНК млекопитающих.

РНК-полимераза преимущественно связывается с тяжелой цепью ДНК и обладает способностью расплетать биспиральную структуру ДНК на ее ограниченном протяжении. Перемещение РНК-полимеразы вдоль цепи РНК происходит под воздействием присоединяемого в процессе синтеза РНК нуклеотида. Биосинтез РНК регулируется при посредстве механизма, показанного на рис. 87.

Синтезированные РНК представляют собой РНК-предшественники функционально-активных рибонуклеиновых кислот, так как наряду с информативными зонами содержат неинформативные участки. Впервые это явление было открыто в начале 60-х годов Г. П. Гёоргиевым и О. П. Самариной, а сами эти гигантские транскрипты названы ими дРНК (т.е. ДНК-подобными РНК). В дальнейшем происходит процесс их видоизменения, сопровождающийся разрушением неинформативных зон. Он носит название процессинга или созревания РНК. При процессинге РНК метилируется (с помощью РНК-метилаз), в результате чего она обогащается минорными основаниями (особенно в случае тРНК); в случае мРНК к ней присоединяются кэп и полиаденилатный фрагмент. Процессинг идет при участии разнообразных ферментов. Именно при изучении процессинга предшественников РНК было открыто удивительное явление: способность некоторых низкомолекулярных РНК осуществлять каталитическую функцию.

Наиболее отчетливо это выявилось при работе с РНКовой компонентой рибонуклеазы Р—фермента, катализирующего процессинг 5'-концов предшественников тРНК: будучи отделена от белковой, части, РНК оказалась способной одна ускорять реакцию распада фосфодиэфирной связи по гуаниловому остатку при переходе предшественника в зрелую тРНК (рис. 88, А), вследствие чего получила название рибозима. Механизм каталитического акта пока не ясен, но зафиксировано образование рибозим-субстратного комплекса и полное подчинение процесса ферментативной кинетике. Возможен и а'утосплайсинг предшественников (рис. 88, Б), где тоже решающую роль играют гуанозинОвые остатки. В последние годы предприняты попытки по замене рибонуклеотидов в составе рибозимов на дезоксирибонуклеотиды, что привело к созданию химерных рибозимов (нуклеозимов) с повышенной стабильностью и активностью, а также

258

по синтезу рибозимов и нукле-озимов с меньшим числом нуклеотидных звеньев в их составе (минизимов). Все это позволило создать концепцию, согласно которой именно рибонуклеиновые кислоты занимали центральное место в химических процессах, связанных с происхождением жизни на Земле, лишь потом к ним добавились ДНК и белки, и постепенно возникла более прогрессивная система хранения и передачи информации при новообразовании биополимеров, обеспечивающая передачу из поколения в поколение структурных особенностей и функций биологических макромолекул.

Выяснилось далее, что аналогичной способностью обладают многие малые ядерные РНК, существующие в виде комплексов с белками. Все они содержат много остатков уридиловой кислоты и получили поэтому шифр Ul, U2 и т. д. РНК. Их изучено более десятка, и большинство из них принимают участие в каталитическом ускорении созревания мРНК и рРНК, обеспечивая выщепление неинформативных фрагментов из их предшественников и соединение (сплайсирова-ние) биологически значимых последовательностей с образованием зрелых молекул. Они же, по-видимому, ведут альтернативный сплайсинг предшественников мРНК, при котором из одной пре-мРНК образуется несколько функционально значимых мРНК за счет разного расположения информативных зон в их составе. Внутриядерные комплексы низкомолекулярных ядерных РНК с белковыми факторами, необходимыми для их сборки и функционирования, получили название сплайсосом; именно они осуществляютспецифический сплайсинг при созревании пре-мРНК и пре-рРНК. Сейчас на первый план при оценке функций малых ядерных РНК выступает их ведущая роль в регуляции обмена веществ в клетке: открыт новый класс их, представители которого комплементарны коротким диспергированным повторам в ДНК, вследствие чего они могут контролировать репликацию ДНК и ее транскрипцию в качестве транс-регуляторных элементов, взаимодействующих с знхансерами и сайленсерами промоторной зоны.

Осуществлены подсчеты скорости синтеза РНК. Так, в случае биосинтеза в клетках печени крысы мРНК для сывороточного альбумина она равна 90—100 н. о./с. Исходя из того, что в печеночной клетке содержится около 40000 молекул этой мРНК, а время ее жизни составляет 3 ч, при указанной скорости биосинтеза достаточно 3—4 активных генов для того, чтобы полностью обеспечить наработку ее необходимого количества.

Изучение закономерностей биосинтеза нуклеиновых кислот привело к открытию важнейшего механизма воспроизведения специфичности при их новообразовании. Механизм этот сводится к взаимодействию комплементарных оснований полинуклеотидной матрицы (на которой идет специфический синтез) и нуклеозидтрифосфатов, из которых указанный синтез осуществляется. Таким образом, принцип комплементарности оказался ведущим не только в строении нуклеиновых кислот, но и в их биосинтезе. Как будет показано

РНК-палимераза

т

РНК

Промотор/ Акцептору

Белок-активатор

\ Цистрон Оператор

Белок-репрессор

ерминатор

Белок-терминатор (р-фактор)

Рис. 87. Регуляция биосинтеза РНК

Биосинтез РНК начинается с зоны молекулы ДНК, называемой промотором и «узнаваемой» сг-фактором, между промотором и информативной последовательностью нуклеотидных остатков (цистрон) в ДНК располагается зона оператора. Если она свободна, т. е. не занята белком-репрес-сором (его структура детально изучена), РН К-полимеразная реакция осуществляется беспрепятственно. Сначала транскрибируется зона оператора, затем зона цистрона, содержащего информацию о последовательности аминокислотных остатков в одном или нескольких метаболически связанных белках. Если промотор блокирован белком-репрессором, синтез РНК не происходит; зона связывания (энхансер) белка-активатора (тоже полностью охарактеризован) может располагаться ие только вблизи, но н в отдалении от зовы промотора

259

Предшественник тРНК

Зрелая тРНК

.УрА

*Ргон

-УрУ

+ *рГрА«

Зрелая рРНК

-УрА^——j ног'

•рГрА-~

15-ти членный олигонуклеотид

'он

Циклический олигонуклеотид

Рис. 88. Процессинг пре-РНК:

А—пре-тРНК при участии рибозима; Б—пре-рРНК: путем аутосплайсинта (сплошная линия—функциональная зона; волнистая—неинформативный фрагмент; рГм гуанозии) Остальные пояснения в тексте

ниже, этот принцип имеет огромное значение при специфическом воспроизведении первичной структуры белковых молекул. Взаимодействие комплементарных структур, обеспечивающее воспроизведение специфического строения макромолекул при их биосинтезе,— один из важнейших законов, сформулированных в биохимической науке за последние годы. Вместе с тем матричный, комплементарный механизм биосинтеза макромолекул, с полным правом, можно отнести к элементарным, фундаментальным свойствам живой материи. Матричный принцип биосинтеза—это специфика химизма живого. Так, молекулярная биология и биохимия пришли к крупнейшему обобщению, которое конкретно характеризует специфику живого, отличие живого от неживого на молекулярном уровне.

ГЛАВА VII

ОБМЕН БЕЛКОВ

ЗНАЧЕНИЕ БЕЛКОВОГО ОБМЕНА

Белковый обмен—стержневой процесс среди многообразных превращений веществ, свойственных живой материи. С точки зрения материалистической диалектики само явление жизни в определенной степени представляет собой «способ существования белковых тел», которые непрерывно самообновляются, непрерывно строят себя из веществ окружающей среды. Поэтому в живой природе весь ход обмена веществ подчинен главной цели—воспроизведению белковых тел.

Все другие виды обмена—углеводный, липидный, нуклеиновый, минеральный и пр.— обслуживают обмен белков, специфический биосинтез белка. Одни группы процессов, как, например, углеводный обмен, являются в основном источником углеродных цепей в биосинтезе аминокислот—исходных соединений для новообразования белков. Другие, как, например, обмен жиров, главным образом поставляют вещества, при окислении которых в макроэргических связях АТФ запасается энергия, необходимая для образования пептидных связей. Третьи (обмен нуклеиновых кислот) обеспечивают хранение и передачу информации о расположении аминокислотных остатков во вновь синтезируемых белковых молекулах, обслуживая специфическое воспроизведение уникальной структуры протеинов. Четвертые (минеральный обмен) способствуют становлению или распаду ферментных систем, при посредстве которых идет синтез белка, или созданию и разрушению субклеточных частиц и структур, на которых этот синтез осуществляется. Таким образом, многочисленные, разнообразные и часто очень сложные процессы превращения веществ и трансформации энергии в живом веществе обслуживают главным образом обмен белковых тел. Последний, в свою очередь, так регулирует упомянутые превращения, что создает оптимальные условия для своего собственного осуществления.

Важнейший вопрос при изучении белкового обмена—выяснение механизма специфического воспроизведения первичной структуры белковых веществ в процессе их биосинтеза. Как было отмечено ранее, первичная структура белка предопределяет характер третичной структуры белковых молекул, с которой связана та или иная функциональная их активность. Именно эта сторона белкового обмена имеет исключительное значение для жизнедеятельности организмов; именно она создает специфику обмена веществ у организмов разной степени сложности или уровня развития, именно со специфичностью белковых тел связана в первую очередь видовая специфичность организмов. Таким образом, специфическое воспроизведение белковых тел в природе представляет основу, фундамент всего процесса обмена веществ, характерного для того или иного растительного или животного вида.

Проникновение в тончайшие детали белкового обмена, особенно выяснение закономерностей новообразования специфических белков (ферменты,

261

гормоны белковой и пептидной природы и т. п.), дает в руки исследователя ключ к разгадке многих тайн природы, позволяет наметить новые пути управления обменом веществ, а следовательно, найти способы управления развитием организмов, их наследственностью, патологическими процессами в них и т. п. Все это свидетельствует о том, что нет в биохимии и биологии в целом более важной и более сложной проблемы, чем проблема обмена белков.

РАСПАД БЕЛКОВ И АМИНОКИСЛОТ

Пути распада белков. Главный, но возможно не единственный путь распада белков в организме—гидролиз. Гидролитический распад белков протекает в любой клетке организма в основном в специальных субклеточных элементах—лизосомах, где сосредоточены гидролитические ферменты и где осуществляется деструкция высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных метаболитов. Вместе с тем определенная часть ферментов, ускоряющих распад белков, есть в цитозоле клетки, а некоторые из них секретируются, обеспечивая внеклеточное переваривание белков. В ряде органов и тканей (пищеварительная система животных, запасающие органы растений и т. п.) гидролиз белков осуществляется с огромной интенсивностью и в большом масштабе. Так, в печени крысы ежедневно распадается около 40% белков, а время полужизни белков важнейших субклеточных структур (ядро, рибосомы, митохондрии) и цитозоля составляет около 5 суток, хотя есть и более короткоживущие (сутки и менее) и более длительно существующие (до двух-трех месяцев) белки и ферменты.

В последние годы выяснено, что время полужизни белка в клетке детерминировано природой его N-концевой аминокислоты. Если она легко соединяется с небольшим (М = 8500 Да, 74 аминокислотных остатка, первичная структура установлена) белком—убиквитином по АТФ-зависимой реакции, то такой убиквитинированный белок атакуется протеиназами и разрушается. Наиболее подвержены убиквитинированию (перечислены в порядке убывания) арг, лиз, асп, асн, три, лей, фен, гис, глу, тир, глн, иле. N-концевые аминокислоты, менее подверженные реакции с убиквитином (мет, сер, ала, тре, вал, гли, цис), относят к стабилизирующим гидролитический распад белков. Подсчитано, например, что время полужизни цитоплазматических белков, имеющих в качестве N-концевой аминокислоты арг, составляет 2 мин, асп, лиз, лей и фен—3 мин, про—7 мин, глн и тир—10 мин, глу и иле—30 мин, гли, ала, сер, вал, тре и мет—20 ч.

Гидролиз белков может быть частичным (до пептидов) и полным (до аминокислот). При частичном (неполном) гидролизе в белковой молекуле распадаются лишь некоторые пептидные связи, как правило, по соседству со строго определенными аминокислотными радикалами. Этот процесс ускоряется специфическими ферментами—протеиназами (пептидил-пептидгидрола-зами). В свою очередь, пептиды гидролизуются до аминокислот, что происходит при участии ряда пептидаз. И химизм процесса гидролиза белков, и соответствующие ферменты, его ускоряющие, охарактеризованы ранее (см. гл. III).

Таким образом, в результате деятельности разнообразных пептидгидролаз (протеиназы и пептидазы) из белков в процессе их гидролиза сначала образуются сложные смеси различных пептидов, а затем смесь свободных белковых аминокислот. Последние являются конечным продуктом гидролиза белков. Механизм действия пептидгидролаз в ряде случаев изучен детально. Это. касается, например, механизма действия химотрипсина, упрощенная схема которого представлена на рис. 89.

262

Роль протеиназ в организме не сводится лишь к фрагментированию белковых молекул до пептидов для обеспечения дальнейшего гидролиза последних до свободных аминокислот. В последнее время все большее значение придают именно способности протеиназ селективно расщеплять полипептидные цепи, в результате чего из белковых предшественников возникают функционально активные белки и многие биологически активные пептиды, в том числе гормоны, рилизинг-факторы, психотропные пептиды и т. п. Это имеет огромное