биосинтез белка по-новому

Формат документа: doc
Размер документа: 2.47 Мб




Прямая ссылка будет доступна
примерно через: 45 сек.



  • Сообщить о нарушении / Abuse
    Все документы на сайте взяты из открытых источников, которые размещаются пользователями. Приносим свои глубочайшие извинения, если Ваш документ был опубликован без Вашего на то согласия.

Биосинтез белка
Вся информация о жизнедеятельности клетки находится в молекуле ДНК. Специфичность каждой клетки определяется имеющимся в ней набором белков. Информация о первичной структуре белка записана в виде нуклеотидной последовательности ДНК и находится в ядре. Центральным вопросом молекулярной биологии в 50-х годах 20 столетия стал вопрос о том, как клетка осуществляет перевод последовательности нуклеотидов ДНК в последовательность АМК в молекуле белка.
В молекулах ДНК находятся гены. В генах закодирована информация о строении и свойствах каждой клетки и организма в целом.
Ген – это участок молекулы ДНК, несущий информацию о первичной структуре молекулы одного белка и ответственный за ее синтез.
Многочисленная наследственная информация записана в ДНК в виде линейной последовательности четырех типов нуклеотидов – А, Т, Г, Ц.
Систему перевода последовательности нуклеотидов в нуклеиновой кислоте в аминокислотную последовательность белка называют генетическим кодом. Была расшифрована в 60-х годах 20 столетия.
Каждая АМК кодируется тремя нуклеотидами. Последовательность из трех нуклеотидов называют кодоном или триплетом. Количество кодонов (триплетов) 43=64, хватает с избытком для 20 АМК. Следовательно, одна АМК кодируется не одним, а, несколькими кодонами.

Генетический код обладает следующими свойствами:
код триплетен – каждой АМК соответствует сочетание из трех нуклеотидов; всего таких сочетаний – 64; из них 61 кодон смысловой, т. е. соответствует 20 АМК, а три кодона – стоп-кодоны, или нонсенс-кодоны, которые не соответствуют АМК, заполняют промежутки между генами и сигнализируют об окончании одного гена;
код однозначен – каждый кодон соответствует только одной АМК;
код вырожден (избыточен) – АМК кодируют более чем одним кодоном; например, глицин кодируется четырьмя кодонами: ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ; чаще АМК кодируются 2-3 кодонами;
код универсален – все организмы, живущие на земле имеют один и тот же генетический код, т. е. одинаковые АМК кодируются у разных организмов одними и теми же кодонами;
код непрерывен – между кодонами нет промежутков;
код неперекрываем – конечный нуклеотид одного кодона не может служить началом другого.

Собственно синтез белка происходит в цитоплазме клетки на рибосомах, а информация о структуре белка хранится в виде ДНК в ядре. Следовательно, необходим посредник для переноса генетической информации от ДНК к месту синтеза белка. Таким посредником является информационная или матричная РНК (иРНК).
Синтез белка состоит из двух этапов – транскрипция и трансляции.


Транскрипция – процесс биосинтеза РНК на ДНК (протекает в ядре). ДНК служит матрицей для синтеза всех нуклеиновых кислот. Эти процессы носят название реакций матричного синтеза (в клетках протекают три типа таких реакций: синтез РНК, синтез белка, репликация ДНК). Синтезируется 20 разновидностей тРНК, иРНК, рРНК. Затем иРНК и тРНК выходят в цитоплазму, рРНК встраивается в субъединицы рибосом, которые также выходят в цитоплазму.
Процесс транскрипции протекает в три этапа:
Инициация - начало реакции. Синтез РНК-копий катализируется ферментом РНК-полимеразой. Фермент соединяется с определенной зоной на ДНК, которая называется промотором. Эта зона содержит определенный набор нуклеотидов, который является старт-сигналом. С них начинается синтез РНК. Под действием специальных белков раскручивается участок спирали ДНК, при этом разрушаются водородные связи между двумя ее цепями. Одна из них служит матрицей для синтеза РНК.







Элонгация – основная часть реакции. Фермент РНК-полимераза, продвигаясь по цепи ДНК в направлении 3I – 5I , по принципу комплементарности синтезирует РНК-копию. Процесс удлинения РНК продолжается до стоп-сигнала – одного из трех стоп-кодонов, который прекращает движение фермента и синтез РНК.
Терминация – стадия окончания синтеза иРНК. Фермент РНК-полимераза отделяется от ДНК. Одновременно освобождается и синтезированная молекула РНК-копия, а ДНК восстанавливает двойную спираль. Синтез завершен.

После транскрипции молекула иРНК эукариотных клеток подвергается перестройке, т. е. из нее специальными ферментами вырезаются нуклеотидные последовательности, которые не несут информации о данном белке. Этот процесс называется сплайсингом. В зависимости от типа клетки и стадии ее развития удаляются разные участки молекулы РНК. Следовательно, на одном участке ДНК могут синтезироваться разные иРНК, которые несут информацию о различных белках. Это обеспечивает передачу генетической информации с одного гена, а также облегчает генетическую рекомбинацию.

Условия биосинтеза белка (трансляция). Для непосредственно биосинтеза белка необходимы следующие компоненты:
иРНК – переносчик информации от ДНК к месту синтеза белковой молекулы;
рибосомы – органоиды, где происходит собственно синтез белка;
набор АМК в цитоплазме клетки, из которых собирается белковая молекула;
тРНК, которые переносят АМК к месту синтеза белка (на рибосомы);
макроэргические вещества (АТФ), обеспечивающие энергией процесс биосинтеза белка.


Строение тРНК и кодирование АМК. тРНК – небольшие молекулы (70-90 нуклеотидов). Функция тРНК зависит от ее строения. Структура тРНК имеет сложную пространственную конфигурацию, названную клеверным листом. В молекуле выделяются петли и спиральные участки. Наиболее важной является центральная петля, в которой находится антикодон – нуклеотидный триплет, соответствующий кодону определенной АМК. Специальный фермент опознает тРНК и присоединяет к черешку листа (акцепторный конец) аминокислоту АМК. Акцепторный конец тРНК (3I) – триплет ЦЦА, а 5I конец тРНК – оканчивается нуклеотидом Г (гуанин).


На образование ковалентной связи между тРНК и своей АМК затрачивается энергия одной молекулы АТФ. Так происходит активирование и кодирование АМК.
Каждая тРНК переносит только одну АМК. Только трем стоп-кодонам молекулы иРНК не соответствует ни одна тРНК.







Трансляция – процесс синтеза полипептидной цепи, осуществляемый на рибосоме.
Процесс трансляции проходит в три этапа:
Инициация – синтезированная в процессе транскрипции иРНК выходит из ядра и направляется в цитоплазму к месту синтеза белка – к рибосоме. На ее 5I конце имеется инициирующий кодон (АУГ), который обеспечивает соединение иРНК и двух субъединиц рибосомы, т. е. образуется функциональный центр рибосомы (ФЦР). В нем всегда находится два триплета (шесть нуклеотидов) и РНК, образующих два активных центра: А (аминокислотный, или аминоацильный) – центр узнавания АМК и П (пептидный, или пептидильный) – центр присоединения АМК к пептидной цепочке. Прежде чем рибосома начнет синтез полипептидной цепи, к ней должна присоединиться особая молекула тРНК с определенной АМК – инициаторная тРНК. С нее и начинается синтез белка. По принципу комплементарности инициаторная тРНК своим антикодоном соединяется с первым кодоном на иРНК и входит в рибосому. Этот кодон на иРНК называется старт-кодоном. Образуется комплекс:
Рибосома – иРНК - инициаторная тРНК - аминокислота.

Элонгация – процесс роста полипептидной цепи. Первая тРНК с аминокислотой передвигается из аминоацильного центра в пептидильный центр, а вторая тРНК с АМК присоединается к иРНК в аминоацильном центре. Аминокислоты сближаются друг с другом, между ними возникает пептидная связь, и образуется дипептид. При этом первая тРНК освобождается и, покидая рибосому, тянет за собой иРНК, которая продвигается ровно на один триплет. Вторая тРНК с дипептидом перемещается в пептидильный центр, а в рибосому входит третья тРНК с АМК. Весь процесс повторяется вновь и вновь: иРНК, последовательно продвигаясь через рибосому, каждый раз вносит новую тРНК с АМК и выносит освободившуюся тРНК. Происходит постепенное наращивание полипептидной цепи. Весь процесс синтеза полипептидной цепи обеспечивается деятельностью ферментов и энергией макроэргических связей молекул АТФ.
Терминация – окончание биосинтеза белка. Как только в аминоацильный центр попадает один из стоп-кодонов, синтез прекращается. Место тРНК занимает в этом случае специфический белок-фермент, который осуществляет разрыв связи между последней тРНК и синтезированным белком. Рибосома снимается с иРНК и распадается на две субъединицы, последняя тРНК также освобождается и вновь попадает в цитоплазму. Синтезированная молекула белка поступает в ЭПС или цитоплазму, где приобретает соответствующие структуры.


Процесс трансляции в клетке обычно осуществляется многократно. Одна иРНК может соединиться с несколькими рибосомами, образуя полирибосому (полисому), где одновременно идет синтез нескольких молекул одного белка.

Биосинтез белка протекает как в цитоплазме, так и на гранулярной ЭПС. Весь процесс синтеза одной молекулы длится в среднем от 20 до 500 с и зависит от длины собираемого полипептида. Например, в рибосоме кишечной палочки белок из 300 АМК синтезируется всего лишь за 15-20 с.









Механизм регуляции синтеза белка у прокариот

Оперон—единица считывания информации у прокариот, это группа структурных генов, управляемая одним геном-оператором. В состав оперона входят структурные гены и функциональные – промотор, инициатор, оператор, терминатор. На расстоянии от оперона располагается ген-регулятор.

Название структуры
Функции

Структурные гены
Дают информацию о последовательности АМК в полипептидах и нуклеотидов в различных видах РНК

Функциональные гены
Регулируют работу структурных генов

А) гены-операторы
Позволяют или не позволяют считывать информацию со структурных генов

Б) гены-регуляторы
Дают информацию о синтезе белка-репрессора, способного блокировать ген-оператор (считывание информации с оперона не идет)

В) промотор
Место первичного прикрепления фермента РНК-полимеразы – фермента, катализирующего реакции ДНК-зависимого синтеза иРНК

Г) Инициатор
Последовательность нуклеотидов ДНК, с которой начинается транскрипция (синтез иРНК)

Д) Терминатор
Определенная последовательность нуклеотидов, отсоединяющая РНК-полимеразу от ДНК (прекращающая считывание информации)



Приведем конкретный пример регуляции синтеза белка у прокариот. Предположим, что в бактериальную клетку проникло пищевое вещество Х, которое должно быть разрушено на более мелкие части ферментом Ф, который закодирован в структурном гене оперона, но не синтезируется, т. к. оператор этого оперона заблокирован репрессором. В этом случае одна из молекул вещества Х, проникшего в клетку, связывается с молекулой репрессора. При этом комплекс Х-репрессор теряет способность удерживаться на операторе, и РНК-полимераза тут же начинает синтез иРНК, на которой рибосомы синтезируют фермент Ф. Этот фермент начинает работать, разрушая молекулы вещества Х, в том числе и те, которые входят в состав комплекса Х-репрессор. Когда все молекулы вещества Х будут разрушены, репрессор снова сможет связаться с оператором, следовательно, синтез новых молекул фермента Ф будет прекращен, так как прекратится синтез его иРНК. А так как любая иРНК имеет ограниченный (и достаточно короткий) срок жизни в цитоплазме, по окончании которого она будет разрушена специальным ферментом, то вскоре прекратится синтез фермента Ф и на уже синтезированных молекулах иРНК.


Механизм регуляции синтеза белка у эукариот

Транскриптон – единица считывания информации у эукариот. Он состоит из информативной и неинформативной зон. Неинформатиная зона включает промотор с инициатором и несколько генов-операторов. Информативная зона представлена одним структурным геном, в конце которого располагается терминатор транскрипции. Структурные гены имеют вставки из неинформативных участков ДНК – интронов. Информативные участки структурных генов называют экзонами. На некотором расстоянии от транскриптона находится несколько генов-регуляторов.
Регуляция работы генов у эукариот, особенно если речь идет о многоклеточном организме, гораздо сложнее. Во-первых, белки, необходимые для обеспечения какой-либо функции, могут быть закодированы в генах различных хромосом (напомним, что у прокариот ДНК в клетке представлена одной единственной молекулой). Во-вторых, у эукариот сами гены устроены сложнее, чем у прокариот; у них имеются молчащие участки, с которых не считывается иРНК, но способные регулировать работу соседних участков ДНК. В-третьих, в многоклеточном организме необходимо точно регулировать и координировать работу генов в клетках разных тканей. Эта координация осуществляется на уровне целого организма и главным образом при помощи гормонов. Они вырабатываются как в клетках желез внутренней секреции, так и в клетках многих других тканей, например нервной. Эти гормоны связываются с особыми рецепторами, расположенными или на клеточной мембране, или внутри клетки. В результате взаимодействия рецептора с гормоном в клетке активируются или, наоборот, репрессируются те или иные гены, и синтез белков в данной клетки меняет свой характер.




Название этапа
Характеристика

1
Включение транскриптона
Поступившее в клетку вещество (индуктор) связывает белки-репрессоры, освобождая гены-операторы

2
Транскрипция
На кодирующей цепочке ДНК всего транскриптона по правилу комплементарности синтезируется проинформационная РНК. Считывание информации идет в направлении 3I - 5I.

3
Процессинг
Разрушение неинформативной части проинформационной РНК и расщепление информативной ее части на фрагменты, соответствующие экзонам

4
Сплайсинг
Сплавление отдельных информативных фрагментов, соответствующих экзонам. Образование молекулы зрелой иРНК и выход ее из ядра в цитоплазму клетки

5
Инициация
Инициирующий кодон 5I конца иРНК соединяет субъединицы рибосом, и происходит присоединение первой АМК

6
Элонгация
Включает реакции от образования первой пептидной связи до присоединения последней АМК к полипептиду

7
Терминация
А
Прекращение синтеза полипептида; происходит отделение иРНК от рибосомы


Б
Белок-фермент разлагает индуктор


В
Освобождаются белки-репрессеры и блокируют гены-операторы


Г
Считывание информации прекращается; транскриптон не работает


X