Что осуществляет синтез белков в клетке. Синтез белков в клетке - описание, функции процесса. Роль РНК и ДНК в процессе
Главным вопросом генетики является вопрос о синтезе белка. Обобщив данные по строению и синтезу ДНК и РНК, Крик в 1960г. предложил матричную теорию синтеза белков, основанную на 3–х положениях:
1. Комплементарность азотистых оснований ДНК и РНК.
2. Линейная последовательность расположения генов в молекуле ДНК.
3. Передача наследственной информации может происходить только с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую или на белок.
С белка на белок передача наследственной информации невозможна. Таким образом матрицей для синтеза белка могут быть только нуклеиновые кислоты.
Для синтеза белка необходимы:
1. ДНК (гены) на которых синтезируются молекулы.
2. РНК – (и-РНК) или (м-РНК), р-РНК, т-РНК
В процессе синтеза белка различают этапы: транскрипции и трансляции.
Транскрипция – перепись (переписывание) информации о нуклеиновом строении с ДНК на РНК (т-РНК, и РНК, р-РНК).
Считывание наследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотором. Промотор расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов.
На наружной цепи молекулы ДНК синтезируется и-РНК (промежуточная) служащая матрицей для синтеза белков и поэтому называется матричной. Она является точной копией последовательности нуклеотидов на цепи ДНК.
В ДНК имеются участки, которые не содержат генетической информации (интроны). Участки ДНК содержащие информацию называются экзонами.
В ядре имеются специальные ферменты, вырезающие интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке в общую нить, этот процесс называется «сплайсингом». В процессе сплайсинга образуется зрелая м-РНК, содержащая информацию, необходимую для синтеза белка. Зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через поры ядерной мембраны и поступает в каналы эндоплазматической сети (цитоплазму) и здесь соединяется с рибосомами.
Трансляция – последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК, переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.
Процесс трансляции включает 2 этапа: активирование аминокислот и непосредственно синтез белковой молекулы.
Одна молекула м-РНК соединяется с 5-6 рибосомами, образуя полисомы. Синтез белка происходит на молекуле м-РНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее. В этот период находящиеся в цитоплазме аминокислоты активируются специальными ферментами, выделяемыми ферментами, выделяемыми митохондриями причем каждая из них своим специфическим ферментом.
Почти моментально аминокислоты связываются с другим видом РНК – низкомолекулярной растворимой, выполняющий функции переносчика аминокислот к молекуле м-РНК и получившей название транспортной (т-РНК). т-РНК переносит аминокислоты к рибосомам на определенное место, где к этому времени оказывается молекула м-РНК. Затем аминокислоты соединяются между собой пептидными связями и образуется белковая молекула. К концу синтеза белка молекула постепенно сходит с м-РНК.
На одной молекуле м-РНК образуется 10-20 молекул белка, а в некоторых случаях и много больше.
Наиболее неясным в синтезе белков вопрос о том, как т-РНК находит соответствующий участок м-РНК, к которому должна быть присоединена приносимая ею аминокислота.
Последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, определяющая размещение аминокислот в синтезируемом белке – генетический код.
Поскольку одна и та же наследственная информация «записана» в нуклеиновых кислотах четырьмя знаками (азотистыми основаниями), а в белках – двадцатью (аминокислотами). Проблема генетического кода сводится к установлению соответствия между ними. Большую роль в расшифровке генетического кода сыграли генетики, физики, химики.
Для расшифровки генетического кода прежде всего необходимо было выяснить какое минимальное число нуклеотидов может определять (кодировать) образование одной аминокислоты. Если бы каждая из 20 аминокислот кодировалась одним основанием, то ДНК должна была бы иметь 20 различных оснований, фактически же их только 4. Очевидно, сочетание двух нуклеотидов также недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Оно может кодировать лишь 16 аминокислот 4 2 = 16.
Тогда было предложено, что код включает 3 нуклеотида 4 3 = 64 комбинации и следовательно, способно кодировать более чем достаточное число аминокислот для образования любых белков. Такое сочетание трех нуклеотидов называется триплетным кодом.
Код имеет следующие свойства:
1.Генетический код триплетный (каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами).
2.Вырожденность – одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, исключение составляет триптофан и метионин.
3.В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида одинаковы, а третий изменяется.
4.Неперекрывающийся – триплеты не перекрывают друг друга. Один триплет не может входить в состав другого, каждый из них самостоятельно кодирует свою аминокислоту. Поэтому в полипептидной цепи рядом могут находиться любые две аминокислоты и возможны какие угодно их сочетания, т.е. в последовательности оснований ABCDEFGHI, первые три основания кодируют 1 аминокислоту (ABC-1), (DEF-2) и т.д.
5.Универсален, т.е. у всех организмов для определенных аминокислот кодоны одинаковы (от ромашки до человека). Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на земле.
6.Коленеарность – совпадение расположения кодонов в и-РНК с порядком расположения аминокислот в синтезирующийся полипептидной цепи.
Кодон – триплет нуклеотидов, кодирующий 1 аминокислоту.
7.Бессмысленный – он не кодирует никакой аминокислоты. Синтез белка на этом месте прерывается.
В последние годы выяснилось, что в митохондриях нарушается универсальность генетического кода, четыре кодона в митохондриях изменили свой смысл, например, кодон УГА – отвечает триптофану вместо «СТОП» - прекращение синтеза белка. АУА – соответствует метионину – вместо «изолейцина».
Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал, и что он не сразу стал таким.
Пусть наследственной информации от гена к молекуле белка можно выразить схематически.
ДНК – РНК – белок
Изучение химического состава клеток показал, что различные ткани одного и того же организма содержат различный набор белковых молекул, хотя они имеют и одинаковое количество хромосом, и одинаковую генетическую наследственную информацию.
Отметим такое обстоятельство: несмотря на наличие в каждой клетке всех генов целого организма, в отдельной клетке работают очень немногие гены – от десятых долей до нескольких процентов от общего числа. Остальные же участки «молчат», они заблокированы специальными белками. Это и понятно, зачем, например, генам гемоглобина работать в нервной клетке? То как клетка диктует, каким генам молчать, а каким работать, следует предполагать, что в клетке имеется какой-то совершенный механизм, регулирующий активность генов определяющий, какие гены в данный момент должны быть активными и каким следует находиться в неактивном (репрессивном) состоянии. Такой механизм по данным французских ученых Ф. Жакобо и Ж. Моно получил название индукции и репрессии.
Индукция – возбуждение белкового синтеза.
Репрессия – подавление белкового синтеза.
Индукция обеспечивает работу тех генов, которые синтезируют белок или фермент, и который необходим на данном этапе жизнедеятельности клетки.
У животных важную роль в процессе регуляции генов играют гормоны клеточные мембраны; у растений – условия внешней среды и другие высокоспециализированные индукторы.
Пример: при добавлении гормона щитовидной железы в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек.
Для нормальной жизнедеятельности бактерии Е (Coli) необходим молочный сахар (лактоза). Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены находятся в репрессивном состоянии (т.е. они не функционируют). Внесенная в среду лактоза является индуктором, включающим в работу гены, отвечающих за синтез ферментов. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Таким образом, роль репрессора может выполнять вещество, которое синтезируется в клетке, и если его содержание превышает норму или оно израсходовано.
В синтезе белка или ферментов участвуют различные типы генов.
Все гены находятся в молекуле ДНК.
По своим функциям они не одинаковы:
- структурные – гены, влияющие на синтез какого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза или еще можно сказать структурные гены – это гены, которые несут информацию о последовательности аминокислот.
- акцепторные – гены не несут наследственной информации о строении белка, они регулируют работу структурных генов.
Перед группой структурных генов расположен общий для них ген – оператор, а перед ним – промотор . В целом эта функциональная группа называется опереном.
Вся группа генов одного оперона включается в процесс синтеза и выключается из него одновременно. Включение и выключение структурных генов составляет сущность всего процесса регуляции.
Функцию включения и выключения выполняет особый участок молекулы ДНК – ген оператор. Ген оператор является начальной точкой синтеза белка или как говорят «считывания» генетической информации. дальше в той же молекуле на некотором расстоянии расположен ген – регулятор, под контролем которого вырабатывается белок называемый репрессором.
Из всего сказанного видно, что синтез белка происходит очень сложно. Генетическая система клетки, используя механизмы репрессии и индукции, может принимать сигналы о необходимости начала и окончания синтеза того или иного фермента и осуществлять этот процесс с заданной скоростью.
Проблема регуляции действия генов у высших организмов имеет большое практическое значение в животноводстве и медицине. Установление факторов, регулирующих синтез белка, раскрыло бы широкие возможности управления онтогенезом, создания высокопродуктивных животных, а также устойчивых животных к наследственным заболеваниям.
1.Назовите свойства генов.
2.Что такое ген?
3.Назовите каково биологическое значение ДНК, РНК.
4.Назовите этапы синтеза белка
5.Перечислите свойства генетического кода.
Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.
Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.
Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.
Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.
Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :
В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:
1.Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).
2.На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.
3.Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.
4.На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.
Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.
Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.
В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.
Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.
Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.
Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.
У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.
В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.
присущих ей белков.Каждая клетка содержит тысячи белков, в том числе и присущих только данному виду клеток. Так как в процессе жизнедеятельности все белки рано или поздно разрушаются, клетка должна непрерывно синтезировать белки для восстановления своих мембран
, органоидов и т. п. Кроме того, многие клетки «изготовляют» белки для нужд всего организма, например клетки желез внутренней секреции, выделяющие в кровь белковые гормоны. В таких клетках синтез белка идет особенно интенсивно.
Синтез белка требует больших затрат энергии.
Источником этой энергии, как и для всех клеточных процессов, является АТФ
. Многообразие функций белков определяется их первичной структурой, т.е. последовательностью аминокислот в их молекуле. В свою очередь наследственная информация
о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется геном. В одной хромосоме находится информация о структуре многих сотен белков.
Генетический код.
Каждой аминокислоте белка в ДНК соответствует последовательность из трех расположенных друг за другом нуклеотидов - триплет. К настоящему времени составлена карта генетического кода, т. е. известно, какие триплетные сочетания нуклеотидов ДНК соответствуют той или иной из 20 аминокислот, входящих в состав белков (рис. 33). Как известно, в состав ДНК могут входить четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Число сочетаний из 4 по 3 составляет: 43 = 64, т. е. можно закодировать 64 различных аминокислоты, тогда как кодируется только 20 аминокислот. Оказалось, что многим аминокислотам соответствует не один, а несколько различных триплетов - кодонов.
Предполагается, что такое свойство генетического кода повышает надежность хранения и передачи генетической информации при делении клеток. Например, аминокислоте аланину соответствуют 4 кодона: ЦГА, ЦГГ, ЦГТ, ЦГЦ, и получается, что случайная ошибка в третьем нуклеотиде не может отразиться на структуре белка - все равно это будет кодон аланина.
Так как в молекуле ДНК содержатся сотни генов, то в ее состав обязательно входят триплеты, являющиеся «знаками препинания» и обозначающие начало и конец того или иного гена.
Очень важное свойство генетического кода - специфичность, т. е. один триплет всегда обозначает только одну- единственную аминокислоту. Генетический код универсален для всех живых организмов от бактерий до человека.
Транскрипция. Носителем всей генетической информации является ДНК, расположенная в клетки. Сам же синтез белка происходит в цитоплазме клетки, на рибосомах. Из ядра в цитоплазму информация о структуре белка поступает в виде информационной РНК (и-РНК). Для того чтобы синтезировать и-РНК, участок ДНК «разматывается», деспирализуется, а затем по принципу комплементарности на одной из цепочек ДНК с помощью ферментов синтезируются молекулы РНК (рис. 34). Это происходит следующим образом: против, например, гуанина молекулы ДНК становится цитозин молекулы РНК, против аденина молекулы ДНК - урацил РНК (вспомните, что в РНК в нук- леотиды вместо тимина включен урацил), напротив тимина ДНК - аденин РНК и напротив цитозина ДНК - гуанин РНК. Таким образом, формируется цепочка и-РНК, представляющая собой точную копию второй цепи ДНК (только тимин заменен на урацил). Таким образом, информация о последовательности нуклеотидов какого-либо гена ДНК «переписывается» в последовательность нуклеотидов и-РНК. Этот процесс получил название транскрипции. У прокариот синтезированные молекулы и-РНК сразу жмогут взаимодействовать с рибосомами, и начинается синтез белка. У эукариот и-РНК взаимодействует в ядре со специальными белками и переносится через ядерную оболочку в цитоплазму.
В цитоплазме обязательно должен быть набор аминокислот, необходимых для синтеза белка. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления пищевых белков. Кроме того, та или иная аминокислота может попасть к месту непосредственного синтеза белка, т. е. в рибосому, только прикрепившись к специальной транспортной РНК (т-РНК).
Транспортные РНК.
Для переноса каждого вида аминокислот в рибосомы нужен отдельный вид т-РНК. Так как в состав белков входят около 20 аминокислот, существует столько же видов т-РНК. Строение всех т-РНК сходно (рис. 35). Их молекулы образуют своеобразные структуры, напоминающие по форме лист клевера. Виды т-РНК обязательно различаются по триплету нуклеотидов, расположенному «на верхушке». Этот триплет, получивший название антикодон, по генетическому коду соответствует той аминокислоте, которую предстоит переносить этой Т-РНК. К «черешку листа» специальный фермент прикрепляет обязательно ту аминокислоту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону.
Трансляция.
В цитоплазме происходит последний этап синтеза белка - трансляция. На тот конец и-РНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома (рис. 36). Рибосома перемещается по молекуле и-РНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно 0,2 с. За это мгновение одна т-РНК из многих способна «опознать» своим антикодоном триплет, на ко-тором находится рибосома. И если антикодон комплементарен этому триплету и-РНК, аминокислота отсоединяется от «черешка листа» и присоединяется пептидной связью к растущей белковой цепочке (рис. 37). В этот момент рибосома сдвигается по и-РНК на следующий триплет, кодирующий очередную аминокислоту синтезируемого белка, а очередная т-РНК «подносит» необходимую аминокислоту, наращивающую растущую цепочку белка. Эта операция повторяется столько раз, сколько аминокислот должен содержать строящийся» белок. Когда же в рибосоме оказывается один лз триплетов, являющийся «стоп-сигналом» между генами, то ни одна т-РНК к такому триплету присоединиться не може:т, так как антикодонов к ним у т-РНК не бывает. В этот момент синтез белка заканчивается. Все описываемые реакции происходят за очень маленькие промежутки времени. Подсчитано, что на синтез довольно крупной молекулы белка уходит всего около двух минут.
Клетке необходима не одна, а много молекул каждого белка. Поэтому как только рибосома, первой начавшая синтез белка на и-РНК, продвинется вперед, за ней на ту же и-РНК нанизывается вторая рибосома, синтезирующая тот же белок. Затем на и-РНК последовательно нанизываются третья, четвертая рибосомы и т. д. Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной и-РНК, называются полисомой.
Когда синтез белка окончен, рибосома может найти другую и-РНК и начать синтезировать тот белок, структура которого закодирована в новой и-РНК.
Таким образом, трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы и-РНК в последовательность аминокислот синтезируемого белка.
Подсчитано, что все белки организма млекопитающего могут быть закодированы всего двумя процентами ДНК, содержащимися в его клетках. А для чего же нужны остальные 98% ДНК? Оказывается, каждый ген устроен гораздо сложнее, чем считали раньше, и содержит не только тот участок, в котором закодирована структура какого-либо белка, но и специальные участки, способные «включать» или «выключать» работу каждого гена. Вот почему все клетки, например человеческого организма, имеющие одинаковый набор хромосом, способны синтезировать различные белки: в одних клетках синтез белков идет с помощью одних генов, а в других - задействованы совсем иные гены. Итак, в каждой клетке реализуется только часть генетической информации, содержащейся в ее генах.
Синтез белка требует участия большого числа ферментов. И для каждой отдельной реакции белкового синтеза требуются специализированные ферменты.
Ген. Генетический код. Триплет. Кодон. Транскрипция. Антикодон. Трансляция. Полисома.
1. Что такое транскрипция?
2. Что такое трансляция?
3. Где происходят транскрипция и трансляция?
4. Что такое полисома?
5. Почему в различных клетках какого-либо организма «работает» только часть генов?
6. Может ли существовать клетка, не способная к самостоятельному синтезу вещест.
Каменский А. А., Криксунов Е. В., Пасечник В. В. Биология 9 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
Воспроизведение и действие генов связаны с матричными процессами - синтезом макромолекул: ДНК, РНК, белков. Выше уже рассматривалась репликация как процесс, обеспечивающий воспроизведение генетической информации. Современная теория гена - достижение молекулярной генетики - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. И напротив, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые сами находятся под генетическим контролем. Действие гена обеспечивает транскрипцию , или синтез РНК, и трансляцию , или синтез белка (рис. 5.23).
Рис. 5.23. Схема процесса транскрипции ДНК РНК-полимеразой и трансляции: а - общая схема транскрипции. Стрелка показывает направление, в котором ДНК-матрица движется через молекулу РНК-полимеразы; б - два этапа: транскрипция и трансляция
Процесс синтеза белка начинается с транскрипции ДНК (как рассматривалось выше). Следующий процесс - трансляция мРНК.
Трансляция мРНК - это синтез белка на рибосомах, направляемый матрицей мРНК. При этом информация переводится с четырехбуквенного алфавита нуклеиновых кислот на двадцатибуквенный алфавит аминокислотных последовательностей полипептидных цепей.
В этом процессе различают три стадии:
- 1. Активация свободных аминокислот - образование аминоациладе- нилатов в результате взаимодействия аминокислот с АТФ под контролем ферментов, специфичных для каждой аминокислоты. Эти ферменты - ами- ноацил-тРНК-синтетазы - участвуют и в следующей стадии.
- 2. Аминоацилирование тРНК - присоединение аминокислотных остатков к тРНК путем взаимодействия тРНК и комплекса аминоацил-тРНК- синтетазы с аминоациладенилатами. При этом каждый аминокислотный остаток присоединяется к своему специфическому классу тРНК.
- 3. Собственно трансляция, или полимеризация аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.
Таким образом, при трансляции последовательность расположения нуклеотидов в мРНК переводится в соответствующую, строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.
Сигналом инициации трансляции у про- и эукариот служит кодон АУГ, если он расположен в начале мРНК. В этом случае его «узнает» специализированная инициирующая формилметиониновая (у бактерий) или метиониновая (у эукариот) тРНК. В остальных случаях кодон АУГ «читается» как метиониновый (см. табл. 5.4.). Сигналом инициации может также служить кодон ГУГ. Это взаимодействие происходит на рибосоме в ее аминоацильном центре (^-центре), располагающемся преимущественно на малой субъединице рибосомы.
Взаимодействие кодона АУГ информационной РНК, малой субъединицы рибосомы и формилметионил-тРНК образует комплекс инициации. Суть этого взаимодействия заключается в том, что к кодону АУГ на мРНК присоединяется своим антикодоном УАЦ тРНК, захватившая и несущая молекулу аминокислоты метионина (у бактерий инициаторной является тРНК, которая переносит формилметионин). Затем к этому комплексу, состоящему из малой субъединицы рибосомы (305), мРНК и тРНК, присоединяется большая субъединица рибосомы (505). В результате образуется полностью собранная рибосома, включающая одну молекулу мРНК и инициаторную тРНК с аминокислотой. В рибосоме имеются аминоацильный и пептидиль- ный центры.
Первая аминокислота (метионин) сначала попадает в аминоацильный центр. В процессе присоединения большей субъединицы рибосомы мРНК продвигается на один кодон, тРНК из аминоацильного центра перемещается в пептидильный центр. В аминоацильный центр поступает следующий кодон мРНК, который может соединиться с антикодоном следующей ами- ноацил-тРНК. С этого момента начинается вторая стадия трансляции - элонгация, в ходе которой многократно повторяется цикл присоединения молекул аминокислот к растущей полипептидной цепи. Так, в аминоациль- ный центр рибосомы поступает в соответствии с кодоном информационной РНК вторая молекула тРНК, несущая очередную аминокислоту. Эта тРНК своим антикодоном соединяется с комплементарным кодоном мРНК. Сразу же при помощи пептидилтрансферазы предшествующая аминокислота (метионин) соединяется своей карбоксильной группой (СООН) с аминогруппой (NH 2) вновь доставленной аминокислоты. Между ними образуется пептидная связь (-CO-NH-). При этом выделяется молекула воды:
В результате тРНК, доставившая метионин, освобождается, а в аминоацильном центре к тРНК оказывается присоединенным уже дипептид. Для дальнейшего осуществления процесса элонгации должен быть освобожден аминоацильный центр, что и происходит.
В результате процесса трансляции комплекс дипсптндил-тРНК продвигается из аминоацильного центра в пептидильный. Это происходит благодаря перемещению рибосомы на один кодон при участии фермента транслоказы и белкового фактора элонгации. Освободившаяся тРНК и кодон мРНК, который был связан с ней, выходят из рибосомы. Следующая тРНК доставляет в освободившийся аминоацильный центр аминокислоту в соответствии с поступившим туда кодоном. Эта аминокислота при помощи пептидной связи соединяется с предыдущей. При этом рибосома продвигается еще на один кодон, и процесс повторяется до тех пор, пока в аминоацильный центр нс поступит один из трех терминирующих кодонов (нонсенс-кодонов), т. е. УАА, УАГ или УГА.
После поступления в аминоацильный центр рибосомы терминирующего кодона наступает третий этап синтеза полипептида - терминация. Она начинается с присоединения к терминирующему кодону мРНК одного из белковых факторов терминации, что приводит к блокированию дальнейшей элонгации цепи. Терминация синтеза приводит к освобождению синтезированной полипептидной цепи и субъединиц рибосомы, которые затем диссоциируют и могут принять участие в синтезе следующей полипептидной цепи.
Весь процесс трансляции сопровождается расщеплением молекул ГТФ (гуанозинтрифосфата), причем необходимо участие дополнительных белковых факторов, специфичных для процессов инициации (факторов инициации), элонгации (факторов элонгации) и терминации (факторов терминации). Эти белки не являются интегральной частью рибосомы, а присоединяются к ней на определенных этапах трансляции. В общих чертах процесс трансляции одинаков у всех организмов.
Образующиеся при синтезе белка полипептидные цепи претерпевают постгрансляционные преобразования и в дальнейшем выполняют свои специфические функции. Первичная структура полипептида определяется последовательностью расположения в нем аминокислот. Полипептидные цепи самопроизвольно формируют определенную вторичную структуру, которая определяется природой боковых групп аминокислотных остатков (а-спираль, складчатый P-слой, случайный клубок). Все эти и другие структурные особенности определяют некоторую фиксированную трехмерную конфигурацию, которую называют третичной (или пространственной) структурой полипептида , отражающей способ укладки данной полипептидной цепи в трехмерном пространстве.
Белки могут состоять из одной или нескольких полипептидных цепей. Во втором случае их называют олигомерными белками. Для них характерна определенная четвертичная структура. Под этим термином подразумевают общую конфигурацию белка, возникшую при ассоциации всех входящих в ее состав полипептидных цепей. В частности, структурная модель человеческого гемоглобина включает в себя две a-цепи и две P-цепи, которые связаны между собой и образуют четвертичную белковую структуру.
Точность полипептидного синтеза зависит от правильности образования системы водородных связей между кодонами и антикодонами. До замыкания очередной пептидной связи с помощью рибосом осуществляется проверка правильности образования пары кодон-антикодон. Прямое свидетельство в пользу активной роли рибосом в контроле комплементар- ности кодон-антикодоновой связи - обнаружение мутаций, изменяющих рибосомные белки и таким образом влияющих на точность трансляции.
Сначала, установите последовательность этапов биосинтеза белка, начиная с транскрипции. Всю последовательность процессов, происходящих при синтезе белковых молекул, можно объединить в 2 этапа:
Транскрипция.
Трансляция.
Структурными единицами наследственной информации являются гены – участки молекулы ДНК, кодирующие синтез определенного белка. По химической организации материал наследственности и изменчивости про- и эукариот принципиально не отличается. Генетический материал в них представлен в молекуле ДНК, общим является также принцип записи наследственной информации и генетический код. Одни и те же аминокислоты у про — и эукариот шифруются одинаковыми кодонами.
Геном современных прокариотических клеток характеризуется относительно небольшими размерами, ДНК кишечной палочки имеет вид кольца, длиной около 1 мм. Она содержит 4 х 10 6 пар нуклеотидов, образующих около 4000 генов. В 1961 г. Ф. Жакоб и Ж. Моно открыли цистронную, или непрерывную организацию генов прокариот, которые полностью состоят из кодирующих нуклеотидных последовательностей, и они целиком реализуются в ходе синтеза белков. Наследственный материал молекулы ДНК прокариот располагается непосредственно в цитоплазме клетки, где также находятся необходимые для экспрессии генов тРНК и ферменты.Экспрессия- это функциональная активность генов, или выражение генов. Поэтому синтезированная с ДНК иРНК способна сразу выполнять функцию матрицы в процессе трансляции синтеза белка.
Геном эукариот содержит значительно больше наследственного материала. У человека общая длина ДНК в диплоидном наборе хромосом составляет около 174 см. Она содержит 3 х 10 9 пар нуклеотидов и включает до 100000 генов. В 1977 г. была обнаружена прерывистость в строении большинства генов эукариот, получивший название «мозаичный» ген. Для него характерны кодирующие нуклеотидные последовательности экзонные и интронные участки. Для синтеза белка используется только информация экзонов. Количество интронов варьирует в разных генах. Установлено,что ген овальбумина кур включает 7 интронов, а ген проколлагена млекопитающих – 50. Функции молчащей ДНК – интронов окончательно не выяснены. Предполагают, что они обеспечивают: 1) структурную организацию хроматина; 2) некоторые из них, очевидно, участвуют в регуляции экспрессии генов; 3) интроны можно считать запасом информации для изменчивости; 4) они могут играть защитную роль, принимая на себя действие мутагенов.
Транскрипция
Процесс переписывания информации в ядре клетки с участка молекулы ДНК на молекулу мРНК (иРНК) называется транскрипция (лат. Transcriptio – переписывание). Синтезируется первичный продукт гена- мРНК. Это первый этап белкового синтеза. На соответствующем участке ДНК фермент РНК–полимераза узнает знак начала транскрипции – промотр. Стартовой точкой считается первый нуклеотид ДНК, который включается ферментом в РНК-транскрипт. Как правило, кодирующие участки начинаются кодоном АУГ, иногда у бактерий используется ГУГ. Когда РНК-полимераза связывается с промотором, происходит локальное расплетание двойной спирали ДНК и копируется одна из цепей по принципу комплементарности. Синтезируется мРНК, скорость сборки её достигает 50 нуклеотидов в секунду. По мере движения РНК–полимеразы, растёт цепь мРНК, и когда фермент достигнет конца копирующего участка – терминатора , мРНК отходит от матрицы. Двойная спираль ДНК позади фермента восстанавливается.
Транскипция прокариот осуществляется в цитоплазме. В связи с тем, что ДНК целиком состоит из кодирующих нуклеотидных последовательностей, поэтому синтезированная мРНК сразу выполняет функцию матрицы для трансляции (см. выше).
Транскрипция мРНК у эукариот происходит в ядре. Она начинается синтезом больших по размерам молекул — предшественников (про-мРНК), называемых незрелой, или ядерной РНК.Первичный продукт гена- про-мРНК является точной копией транскрибированного участка ДНК, включает экзоны и интроны. Процесс формирования зрелых молекул РНК из предшественников называется процессингом . Созревание мРНК происходит путём сплайсинга – это вырезания ферментами рестриктаз интронов и соединение участков с транскрибируемыми последовательностями экзонов ферментами лигаз. (Рис.).Зрелая мРНК значительно короче молекул-предшественников про – мРНК, размеры интронов в них варьирует от 100 до 1000 нуклеотидов и более. На долю интронов приходится около 80% всей незрелой мРНК.
В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удалятся в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител.
По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом из ядра. Установлено, что в цитоплазму попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре.
Трансляция
Трансляция (лат. Translatio — передача, перенесение) — перевод информации, заключенной в последовательности нуклеотидов молекулы мРНК,в последовательность аминокислот полипептидной цепи (Рис. 10). Это второй этап белкового синтеза. Перенос зрелой мРНК через поры ядерной оболочки производят специальные белки, которые образуют комплекс с молекулой РНК. Кроме транспорта мРНК, эти белки защищают мРНК от повреждающего действия цитоплазматических ферментов. В процессе трансляции центральная роль принадлежит тРНК, они обеспечивают точное соответствие аминокислоты коду триплета мРНК. Процесс трансляции- декодирования происходит в рибосомах и осуществляется в направлении от 5 к 3 , Комплекс мРНК и рибосом называется полисомой.
В ходе трансляции можно выделить три фазы: инициацию, элонгацию и терминацию.
Инициация.
На этом этапе происходит сборка всего комплекса, участвующего в синтезе молекулы белка. Происходит объединение двух субъединиц рибосом на определённом участке мРНК, присоединение к ней первой аминоацил – тРНК и этим задаётся рамка считывания информации. В молекуле любой м-РНК есть участок, комплементарный р-РНК малой субединицы рибосомы и специфически ею управляемый. Рядом с ним находится инициирующий стартовый кодон АУГ, который кодирует аминокислоту метионин.Фаза инициации завершается образованием комплекса:рибосома, -мРНК- инициирующая аминоацил-тРНК.
Элонгация
— она включает все реакции от момента образования первой пептидной связи до присоединения последней аминокислоты. На рибосоме имеется два участка для связывания двух молекул т-РНК. В одном участке-пептидильном(П) находится первая т-РНК с аминокислотой метионин и с него начинается синтез любой молекулы белка. Во второй участок рибосомы- аминоацильный (А) поступает вторая молекула т-РНК и присоединяется к своему кодону. Между метионином и второй аминокислотой образуется пептидная связь. Вторая т-РНК перемещается вместе со своим кодоном м-РНК в пептидильный центр. Перемещение т-РНК с полипептидной цепочкой из аминоацильного центра в пептидильный сопровождается продвижением рибосомы по м-РНК на шаг, соответствующий одному кодону. Т-РНК, доставившая метионин, возвращается в цитоплазму, амноацильный центр освобождается. В него поступает новая т-РНК с аминокислотой, зашифрованной очередным кодоном. Между третьей и второй аминокислотами образуется пептидная связь и третья т-РНК вместе с кодоном м-РНК перемещается в пептидильный центр.Процесс элонгации, удлинения белковой цепи. Продолжается до тех пор, пока в рибосому не попадёт один из трёх кодонов, не кодирующих аминокислоты. Это кодон — терминатор и для него не существует соответствущей т-РНК, поэтому ни одна из т-РНК не может занять место в аминоацильном центре.
Терминация
– завершение синтеза полипептида. Она связана с узнаванием специфическим рибосомным белком одного из терминирующих кодонов (УАА, УАГ, УГА), когда он будет входить в аминоацильный центр. К рибосоме присоединяется специальный фактор терминации, который способствует разъединению субъединиц рибосомы и освобождению синтезированной молекулы белка. К последней аминокислоте пептида присоединяется вода и её карбоксильный конец отделяется от т-РНК.
Сборка пептидной цепи осуществляется с большой скоростью. У бактерий при температуре 37°С она выражается в добавлении к полипептиду от 12 до 17 аминокислот в секунду. В эукариотических клетках к полипептиду добавляется две аминокислоты в одну секунду.
Синтезированная полипептидная цепь затем поступает в комплекс Гольджи, где завершается построение белковой молекулы (последовательно возникают вторая, третья, четвертая структуры). Здесь же происходит комплексование белковых молекул с жирами и углеводами.
Весь процесс биосинтеза белка представлен в виде схемы: ДНК ® про иРНК ® мРНК ® полипептидная цепь ® белок® комплексование белков и их преобразование в функционально активные молекулы.
Этапы реализации наследственной информации также протекают сходным образом: сначала она транскрибируется в нуклеотидную последовательность мРНК, а затем транслируется в аминокислотную последовательность полипептида на рибосомах с участием тРНК.
Транскрипция эукариот осуществляется под действием трех ядерных РНК-полимераз. РНК-полимераза 1 находится в ядрышках и отвечает за транскрипцию генов рРНК. РНК-полимераза 2 находится в ядерном соке и отвечает за синтез предшественника мРНК. РНК-полимераза 3 –небольшая фракция в ядерном соке, которая осуществляет синтез малых рРНК и тРНК. РНК-полимеразы специфически узнают нуклеотидную последовательность транскрипции-промотор. Эукариотическая мРНК вначале синтезируется в виде предшественницы (про- иРНК), на нее списывается информация с экзонов и интронов. Синтезированная мРНК обладает большими, чем необходимо для трансляции размерами и оказывается менее стабильной.
В процессе созревания молекулы мРНК с помощью ферментов рестриктаз вырезаются интроны, а с помощью ферментов – лигаз сшиваются экзоны. Созревание мРНК называется процессингом, сшивание экзонов называется сплайсингом. Таким образом, зрелая мРНК содержит только экзоны и она значительно короче её предшественницы – про- иРНК. Размеры интронов варьируют от 100 до 10000 нуклеотидов и более. На долю интонов приходится около 80% всей незрелой мРНК. В настоящее время доказана возможность альтернативного сплайсинга, при котором из одного первичного транскрипта могут удаляться в разных его участках нуклеотидные последовательности и будут образовываться несколько зрелых мРНК. Данный вид сплайсинга характерен в системе генов иммуноглобулинов у млекопитающих, что даёт возможность формировать на основе одного транскрипта мРНК разные виды антител. По завершению процессинга зрелая мРНК проходит отбор перед выходом в цитоплазму из ядра. Установлено, что попадает всего 5% зрелой мРНК, а остальная часть расщепляется в ядре. Преобразование первичных транскриптонов эукариотических генов, связанное с их экзон-интронной организацией, и в связи с переходом зрелой мРНК из ядра в цитоплазму, определяет особенности реализации генетической информации эукариот. Следовательно, мозаичный ген эукариот не является геном цистроном, так как не вся последовательность ДНК используется для синтеза белка.
