Таблица 13.1 – Скорость обновления и время полужизни белков тканей и органов у свиньи, ж.м. 70 кг
| Ткани и органы | Обновление - % заменяемого белка в день от общей массы | Время полужизни белка, дн. |
|---|---|---|
| Печень | 23,3 | 4,29 |
| Почка: корковый слой | 24,5 | 4,08 |
| мозговой слой | 15,6 | 6,41 |
| Головной мозг | 8,3 | 12,10 |
| Мускулы: скелетные | 4,2 | 23,8 |
| сердечные | 6,8 | 14,7 |
13.2. Баланс аминокислот – фактор стабильности мРНК
Матричная РНК является важнейшим компонентом как переноса генетической информации из ядра в цитоплазму, так и белоксинтезирующей системы, осуществляющей реализацию этой информации путем экспрессии гена. Синтез белка зависит от уровня мРНК. В свою очередь уровни матричных РНК представляют собой баланс между скоростями их синтеза в ядре клетки, экспорта в цитоплазму и скоростью деградации. Исследования последних десятилетий показали, что наиболее лабильным фактором регуляции экспрессии генов является стабильность мРНК, или время ее полужизни в цитоплазме. В клетках млекопитающих количество разных мРНК может изменяться многократно в результате изменения полужизни мРНК без каких-либо изменений в скорости транскрипции.
Одним из факторов, влияющих на скорость распада мРНК, является их собственная структура. Молекулы мРНК различаются по размерам, но устроены они в принципе одинаково (рис. 11.4)
Поли (А)-хвост молекулы мРНК является ее единственной структурой, которая весьма оперативно изменяется в зависимости от внешних и внутренних условий. Удаление этой последовательности из состава молекул мРНК делало их нестабильными, неустойчивыми к действию РНК-аз. Предполагается, что изначальная длина поли (А)-сегмента определяет время жизни мРНК. В каждый цикл трансляции от поли (А)хвоста отцепляется 10-15 адениловых остатков. После нескольких циклов мРНК лишается всего поли(А) сегмента, становится доступной действию РНК-аз и разрушается. Таким образом, деградация мРНК является полинуклеотид-зависимой.
Стабильность мРНК зависит как от гена, копией которого она является, так и от условий окружающей среды. Индивидуальные мРНК значительно различаются по времени жизни, которое варьирует от нескольких минут до нескольких недель. Примером РНК с умеренной продолжительностью жизни является мРНК синтеза кератина пера. Синтез этого белка начинается с 13-го, интенсивно происходит уже на 15-й день развития цыплят при инкубации. После актиномициновой блокады (актиномицин Д ингибирует синтез РНК) в конце 13 дня синтез
белка в коже зародыша полностью прекращается в пределах 24 часов. Однако синтез кератинов продолжается до 15 дня. Эти данные показывают, что мРНК, кодирующая синтез кератина в 15-дневном зародыше, синтезировалась ранее и хранилась в клетках кожи, что свидетельствует о ее высокой стабильности. Другим примером роли стабильности мРНК может служить глобиновая мРНК, составляющая 90% суммарной мРНК ретикулоцитов у млекопитающих. После потери ядра и отсутствии транскрипции генов, происходящей во время созревания ретикулоцитов, они длительное время (до 3-х суток) сохраняют гемоглобиновые мРНК и синтез гемоглобина. Запасенная в ретикулоцитах гемоглобиновая мРНК постепенно разрушается, и в зрелых эритроцитах синтез гемоглобина не происходит.
Имеется весьма тесная корреляция между временем полужизни белков и транслируемых их мРНК. Структурные белки обычно обладают большей продолжительностью жизни (миозин, актин, эластин, коллаген), регуляторные белки, как правило, быстро распадаются. К ним относится большинство ферментов, киназы, кинины и другие. Так, полужизнь ферментов печени крыс: орнитин декарбоксилазы – 11 мин., РНК - полимеразы I – 1,3 ч, тирозин-аминотрансферазы – 1,5 ч, триптофан-оксигеназы – 2 ч, ацетил-СоА карбоксилазы – 2 дн; мускульные белки кролика: α-актинин – 20-25 дн., миозин – 30 дн., актинин > 50 дн.
Стабильность мРНК может определяться разными молекулярными механизмами. Наиболее вероятным молекулярным механизмом в случае имбаланса аминокислот в питании животных является изменение длины поли-(А)-последовательности на 3'-конце молекулы мРНК, т.е. степень её полиаденилирования. Важно подчеркнуть, что степень полиаденилирования определяет и трансляционную активность мРНК: чем длиннее поли-(А)-хвост, тем продолжительнее время полужизни и эффективнее трансляция матрицы, т.е. терминальная поли-(А)последовательность является цис-фактором стабильности мРНК и энхансером (усилителем) трансляции.
Таблица 13.2 – Влияние имбаланса лизина и триптофана в рационах на степень полиаденилирования мРНК печени, среднесуточный прирост поросят (В. Г. Рядчиков, В.К. Плотников, С. Л. Полежаев, 2013 г.)
| Показатели | Основная | Имбаланс лизина | Имбаланс триптофана | Скорректиро- ванная |
|---|---|---|---|---|
| Относительно короткие поли-(А)- хвосты (А)n35⁰С | 9,8±0,7 | 10,8 | 10,0±0,6 | 11,6±0,8 |
| Относительно длинные поли-(А)- хвосты (А)n65⁰С | 8,0±0,4 | 5,1±0,3 | 3,1±0,2 | 11,7±0,6 |
| (А)n65⁰/(А)n35⁰ | 0,85 | 0,47 | 0,31 | 1,01 |
| Среднесуточный прирост поросят, г | 221±11 | 180±12 | 80±13 | 580±23 |
| Потребление корма, кг/гол/день | 1,14±0,1 | 1,04±0,02 | 0,89±0,06 | 1,28±0,06 |
В экспериментах на поросятах методом ступенчатой термальной элюции поли-(А)-содержащей мРНК печени с колонки поли-(У)-
сефарозы было установлено, что имбаланс по лизину и триптофану негативно повлиял на стабильность мРНК. Соотношение фракций мРНК, элюируемых с колонки при температуре 65о С (длиннохвостовые молекулы) и при температуре 35о С (короткохвостовые молекулы), характеризующее стабильность мРНК, сотавляло для 1-й группы на основной диете 0,85, для 2-й и 3-й при имбалансе лизина и триптофана значительно меньше – 0,47 и 0,31, соответственно, самая высокая стабильность была в 4-ой группе – 1,04 на скорректированной диете (табл. 13.2).
Разная стабильность отразилась на показателях роста поросят. При имбалансе они росли в несколько раз хуже по сравнению с ростом поросят на скорректированном по всем незаменимым аминокислотам рационе (Рядчиков В. Г. и др. 2013).
13.3. Аминокислоты как сигнальные вещества экспрессии
генов
Регуляция экспрессии генов у животных отличается по ряду аспектов от таковой у бактерии и дрожжей в том, что включает комплекс взаимодействий нервных, гормональных и пищевых факторов. Пищевые сигналы играют важную роль у млекопитающих в регуляции экспрессии генов. Установлено, что значимые (углеводы, жирные кислоты, стеролы) и микроколичества (минеральные вещества и витамины) рационов участвуют в регуляции экспрессии генов. В настоящее время есть все основания рассматривать аминокислоты, как сигнальные вещества, наподобие гормонов, нейропептидов и трансмиттеров. Принцип действия сигнальных веществ состоит в том, что они способны возбуждать рецепторы либо на поверхности клеточных мембран (для гидрофильных веществ), либо в цитозоле или ядре (для гидрофобных веществ). После связывания с рецептором в процесс вступают внутриклеточные медиаторы – вещества, проводящие сигнал от плазмолеммы к специальным регуляторным белкам (протеинкиназам). В качестве посредников выступают такие вещества, как циклические аденозин монофосфат (цАМФ), гуанозинмонофосфат (цГМФ), оксид азота (NO), простагландины, Ras-белок и другие.
Протеинкиназы – это регуляторные ферменты, способные фосфорилировать (за счет фосфатных групп) строго определенные белки по аминокислотным остаткам серина, треонина или тирозина.В регуляторной цепочке, чаще всего, участвует не одна, а каскад из нескольких протеинкиназ. Ключевыми завершающими объектами протеинкиназ являются факторы транскрипции, трансляции и, как следствие, изменение их активности, получение того конечного эффекта через активацию соответствующих мРНК, который требовал от клетки действующий на нее сигнал.
Реакция клеток млекопитающих на аминокислоты заключается в обнаружении их баланса или дефицита и организации ответа на него. Отсутствие или недостаток любой из незаменимых аминокислот ини-
