Биосинтез белков

Формат документа: docx
Размер документа: 0.08 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.


Лекция: «Обмен веществ и энергии. Ген. Генетический код.
Биосинтез белков»
Биосинтез белков является важнейшим процессом анаболизма. Все признаки, свойства и функции клеток и организмов определяются в конечном итоге белками. Белки недолговечны, время их существования ограничено. В каждой клетке постоянно синтезируются тысячи различных белковых молекул. С особенной энергией идет биосинтез белков в период роста и развития клеток. В это время активно синтезируются белки для построения клеточных органоидов, мембран. Синтезируются ферменты и белки. Биосинтез белков идет интенсивно и у многих взрослых, т. е. закончивших рост и развитие клеток, например у клеток пищеварительных желез, синтезирующих белки-ферменты (пепсин, трипсин) или у клеток желез с внутренней секрецией, синтезирующих белки-гормоны (инсулин, тироксин). Способность к синтезу белков присуща, впрочем, не только растущим или секреторным клеткам: любая клетка в течение всей жизни постоянно синтезирует белки, так как в ходе нормальной жизнедеятельности молекулы белков постепенно изнашиваются, структура и функции их нарушаются. Такие пришедшие в негодность молекулы белков удаляются из клетки. Взамен синтезируются новые полноценные молекулы, состав и деятельность клетки не нарушаются.
В начале 50-х гг. ХХ в. Ф. Крик сформулировал центральную догму молекулярной биологии: ДНК → РНК → белок. Согласно этой догме способность клетки синтезировать определенные белки закреплена наследственно, информация о последовательности аминокислот в белковой молекуле закодирована в виде последовательности нуклеотидов ДНК. Участок ДНК, несущий информацию о первичной структуре конкретного белка, называется геном. Гены не только хранят информацию о последовательности аминокислот в полипептидной цепочке, но и кодируют некоторые виды РНК: р-РНК, входящие в состав рибосом, и т-РНК, отвечающие за транспорт аминокислот. В процессе биосинтеза белка выделяют два основных этапа: транскрипция - синтез и-РНК на матрице ДНК (гена) - и трансляция - перевод последовательности нуклеотидов и-РНК в последовательность аминокислот и синтез полипептидной цепи.
Генетический код и его свойства
Генетический код - система записи информации о последовательности аминокислот в полипептиде последовательностью нуклеотидов ДНК или РНК. В настоящее время эта система записи считается расшифрованной.
Свойства генетического кода:
триплетность: каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (триплетом, кодоном);
однозначность (специфичность): триплет соответствует только одной аминокислоте;
вырожденность (избыточность): аминокислоты могут кодироваться несколькими (до шести) кодонами;
универсальность: система кодирования аминокислот одинакова у всех организмов Земли;
неперекрываемость: последовательность нуклеотидов имеет рамку считывания по 3 нуклеотида, один и тот же нуклеотид не может быть в составе двух триплетов;
из 64 кодовых триплетов 61 - кодирующие, кодируют аминокислоты, а 3 - бессмысленные (в РНК - УАА, УГА, УАГ), не кодируют аминокислоты. Они называются кодонами-терминаторами, поскольку блокируют синтез полипептида во время трансляции. Кроме того, есть кодон-инициатор (в РНК - АУГ), с которого трансляция начинается.
Таблица генетического кода
 
Первоеоснование Второе основание Третьеоснование
У(А) Ц(Г) А(Т) Г(Ц) У(А) ФенФенЛейЛей СерСерСерСер ТирТир—— ЦисЦис—Три У(А)Ц(Г)А(Т)Г(Ц)
Ц(Г) ЛейЛейЛейЛей ПроПроПроПро ГисГисГлнГлн АргАргАргАрг У(А)Ц(Г)А(Т)Г(Ц)
А(Т) ИлеИлеИлеМет ТреТреТреТре АснАснЛизЛиз СерСерАргАрг У(А)Ц(Г)А(Т)Г(Ц)
Г(Ц) ВалВалВалВал АлаАлаАлаАла АспАспГлуГлу ГлиГлиГлиГли У(А)Ц(Г)А(Т)Г(Ц)
* Первый нуклеотид в триплете - один из четырех левого вертикального ряда, второй — один из верхнего горизонтального ряда, третий - из правого вертикального.
Реакции матричного синтеза
Это особая категория химических реакций, происходящих в клетках живых организмов. Во время этих реакций происходит синтез полимерных молекул по плану, заложенному в структуре других полимерных молекул-матриц. Термином «матрица» в технике обозначают форму, употребляемую для отливки монет, медалей, типографского шрифта: затвердевший металл в точности воспроизводит все детали формы, служившей для отливки. Матричный синтез напоминает отливку на матрице: новые молекулы синтезируются в точном соответствии с планом, заложенным в структуре уже существующих молекул. На одной матрице может быть синтезировано неограниченное количество молекул-копий. Синтез сложных молекул на основе матричного принципа осуществляется быстро и точно.
Роль матрицы в матричных реакциях играют макромолекулы нуклеиновых кислот - ДНК или РНК. Матричный тип реакций - специфическая особенность химизма живых систем. Они являются основой фундаментального свойства всего живого - его способности к воспроизведению себе подобного.
К этой категории реакций относятся репликация, транскрипция, трансляция и обратная транскрипция. Кроме живой клетки, матричный тип реакций нигде в природе обнаружен не был.
Название реакцииматричного синтеза Характеристика процесса Основные компоненты
Репликация Синтез ДНК на матрице ДНК Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Транскрипция Синтез РНК на матрице ДНК Участок ДНК, рибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Трансляция Синтез полипептида на матрице РНК Рибосомы, иРНК, аминокислоты, тРНК, АТФ, ГТФ, ферменты
Обратная транскрипция Синтез ДНК на матрице РНК Дезоксирибонуклеозидтрифосфаты, ферменты
Строение гена эукариот
Ген - участок молекулы ДНК, кодирующий первичную последовательность аминокислот в полипептиде или последовательность нуклеотидов в молекулах транспортных и рибосомных РНК. ДНК одной хромосомы может содержать несколько тысяч генов, которые располагаются в линейном порядке. Место гена в определенном участке хромосомы называется локусом. Особенностями строения гена эукариот являются:
наличие достаточно большого количества регуляторных блоков;
мозаичность (чередование кодирующих участков с некодирующими).
Экзоны (Э) - участки гена, несущие информацию о строении полипептида. Интроны (И) - участки гена, не несущие информацию о строении полипептида. Число экзонов и интронов различных генов разное; экзоны чередуются с интронами, общая длина последних может превышать длину экзонов в два и более раз. Перед первым экзоном и после последнего экзона находятся нуклеотидные последовательности, называемые соответственно лидерной (ЛП) и трейлерной последовательностью (ТП). Лидерная и трейлерная последовательности, экзоны и интроны образуют единицу транскрипции. Промотор (П) - участок гена, к которому присоединяется фермент РНК-полимераза, представляет собой особое сочетание нуклеотидов. Перед единицей транскрипции, после нее, иногда в интронах находятся регуляторные элементы (РЭ), к которым относятся энхансеры и сайленсеры. Энхансеры ускоряют транскрипцию, сайленсеры тормозят ее.

Транскрипция у эукариот
Транскрипция - синтез и-РНК на матрице ДНК. Осуществляется ферментом РНК-полимеразой. РНК-полимераза может присоединиться только к промотору, который находится на 3'-конце матричной цепи ДНК, и двигаться только от 3'- к 5'-концу этой матричной цепи ДНК. Синтез РНК происходит на одной из двух цепочек ДНК в соответствии с принципами комплементарности и антипараллельности. Строительным материалом и источником энергии для транскрипции являются рибонуклеозидтрифосфаты (АТФ, УТФ, ГТФ, ЦТФ).
В результате транскрипции образуется «незрелая» и-РНК (про-и-РНК), которая проходит стадию созревания или процессинга. Процессинг включает в себя:
КЭПирование 5'-конца
полиаденилирование 3'-конца (присоединение нескольких десятков адениловых нуклеотидов)
сплайсинг (вырезание интронов и сшивание экзонов).

В зрелой и-РНК выделяют КЭП, транслируемую область (сшитые в одно целое экзоны), нетранслируемые области (НТО) и полиадениловый «хвост».

Транслируемая область начинается кодоном-инициатором, заканчивается кодонами-терминаторами. НТО содержат информацию, определяющую поведение РНК в клетке: срок «жизни», активность, локализацию.
Транскрипция и процессинг происходят в клеточном ядре. Зрелая и-РНК приобретает определенную пространственную конформацию, окружается белками и в таком виде через ядерные поры транспортируется к рибосомам; и-РНК эукариот, как правило, моноцистронны (кодируют только одну полипептидную цепь).
Трансляция
Трансляция - синтез полипептидной цепи на матрице и-РНК. Органоиды, обеспечивающие трансляцию, - рибосомы. У эукариот рибосомы находятся в некоторых органоидах - митохондриях и пластидах (70S-рибосомы), в свободном виде в цитоплазме (80S-рибосомы) и на мембранах эндоплазматической сети (80S-рибосомы). Таким образом, синтез белковых молекул может происходить в цитоплазме, на шероховатой эндоплазматической сети, в митохондриях и пластидах. В цитоплазме синтезируются белки для собственных нужд клетки; белки, синтезируемые на ЭПС, транспортируются по ее каналам в комплекс Гольджи и выводятся из клетки.
В рибосоме выделяют малую и большую субъединицы. Малая субъединица рибосомы отвечает за генетические, декодирующие функции; большая - за биохимические, ферментативные. В малой субъединице рибосомы расположен функциональный центр (ФЦР) с двумя участками - пептидильным (Р-участок) и аминоацильным (А-участок). В ФЦР может находиться шесть нуклеотидов иРНК, три - в пептидильном и три - в аминоацильном участках.
Для транспорта аминокислот к рибосомам используются транспортные РНК, т-РНК Длина т-РНК от 75 до 95 нуклеотидных остатков. Они имеют третичную структуру, по форме напоминающую лист клевера. В т-РНК различают антикодоновую петлю и акцепторный участок. В антикодоновой петле РНК имеется антикодон, комплементарный кодовому триплету определенной аминокислоты, а акцепторный участок на 3'-конце способен с помощью фермента аминоацил-т-РНК-синтетазы присоединять именно эту аминокислоту (с затратой АТФ). Таким образом, у каждой аминокислоты есть свои т-РНК и свои ферменты, присоединяющие аминокислоту к т-РНК.
 
антикодон;
участок, связывающий связывающий аминокислоту.   Транспорт аминокислот к рибосомам:1 - фермент; 2 - тРНК; 3 - аминокислота.
Двадцать видов аминокислот кодируются 61 кодоном, теоретически может быть 61 вид т-РНК с соответствующими антикодонами. Но кодируемых аминокислот всего 20 видов, значит, у одной аминокислоты может быть несколько т-РНК. Установлено существование нескольких
т-РНК, способных связываться с одним и тем же кодоном (последний нуклеотид в антикодоне
т-РНК не всегда важен), поэтому в клетке обнаружено всего около 40 различных т-РНК.

Синтез белка начинается с того момента, когда к 5'-концу иРНК присоединяется малая субъединица рибосомы, в Р-участок которой заходит метиониновая тРНК (транспортирующая аминокислоту метионин). Следует отметить, что любая полипептидная цепь на N-конце сначала имеет метионин, который в дальнейшем чаще всего отщепляется. Синтез полипептида идет от N-конца к С-концу, то есть пептидная связь образуется между карбоксильной группой первой и аминогруппой второй аминокислот.
Затем происходит присоединение большой субъединицы рибосомы, и в А-участок поступает вторая т-РНК, чей антикодон комплементарно соединяется с кодоном и-РНК, находящимся в А-участке.
Пептидилтрансферазный центр большой субъединицы катализирует образование пептидной связи между метионином и второй аминокислотой. Отдельного фермента, катализирующего образование пептидных связей, не существует. Энергия для образования пептидной связи поставляется за счет гидролиза ГТФ.
Как только образовалась пептидная связь, метиониновая т-РНК отсоединяется от метионина, а рибосома передвигается на следующий кодовый триплет и-РНК, который оказывается в А-участке рибосомы, а метиониновая т-РНК выталкивается в цитоплазму. На один цикл расходуется 2 молекулы ГТФ. В А-участок заходит третья т-РНК, и образуется пептидная связь между второй и третьей аминокислотами.

Трансляция идет до тех пор, пока в А-участок не попадает кодон-терминатор (УАА, УАГ или УГА), с которым связывается особый белковый фактор освобождения. Полипептидная цепь отделяется от т-РНК и покидает рибосому. Происходит диссоциация, разъединение субъединиц рибосомы.

Скорость передвижения рибосомы по и-РНК - 5-6 триплетов в секунду, на синтез белковой молекулы, состоящей из сотен аминокислотных остатков, клетке требуется несколько минут. Первым белком, синтезированным искусственно, был инсулин, состоящий из 51 аминокислотного остатка. Потребовалось провести 5000 операций, в работе в течение трех лет принимали участие 10 человек.

В трансляции можно выделить три стадии:
инициации (образование иницаторного комплекса);
элонгации (непосредственно «конвейер», соединение аминокислот друг с другом);
терминации (образование терминирующего комплекса).
Транскрипция и трансляция у прокариот
«Механизмы» сборки полинуклеотидных и полипептидных цепочек у прокариот и эукариот не различаются. Но в связи с тем, что гены прокариот не имеют экзонов и интронов (исключение - гены архебактерий), располагаются группами, и на эту группу генов приходится один промотор, появляются следующие особенности транскрипции и трансляции у прокариот:
В результате транскрипции образуется полицистронная и-РНК, кодирующая несколько белков, совместно обеспечивающих определенную группу реакций.
И-РНК имеет несколько центров инициации трансляции, терминации трансляции и НТО.
Не происходят КЭПирование, полиаденилирование и сплайсинг и-РНК.
Трансляция начинается еще до завершения транскрипции; эти процессы не разделены во времени и пространстве, как это имеет место у эукариот.

1 - ДНК; 2 - РНК-полимераза; 3 - Нуклеозидтрифосфаты ГТФ, ЦТФ, АТФ, УТФ.
Можно добавить, что срок «жизни» прокариотических и-РНК — несколько минут (у эукариот - часы и даже сутки).
X