Биосинтез белка

План:

1.  Генетический код

2.  Этапы биосинтеза белка

3.  Регуляция синтеза белка

Транскрипция трансляция

ДНК → РНК → Белки → Регуляция метаболизма

Транскрипция – это синтез молекулы РНК или это процесс переписывания нуклеотидов гена с ДНК в РНК, всегда происходит на стадии двунитевой молекулы ДНК, при этом матрицей служит одна нить, которая называется антикодирующей.

Основные характеристики процесса транскрипции

1.  РНК – копия содержит в себе весь объем информации определенного участка ДНК.

2.  РНК сохраняет способность к образованию водородных связей между комплементарными основаниями (так как урацил, присутствующий в РНК вместо тимина спаривается с аденином)

3.  Транскрипция отличается от репликации, при этом РНК-копия, после завершения ее синтеза освобождается от ДНК-матрицы, после чего происходит восстановление исходной двойной спирали ДНК.

4.  Синтезирующие молекулы РНК имеют одноцепочечную структуру, она короче ДНК и соответствует длине участка ДНК, который достаточен для кодирования одного или нескольких белков.

Особенности данного процесса

1.  В клетках эукариот – прежде чем превратится в и-РНК и попасть в цитоплазму, РНК претерпевает химические изменения.

2.  В цитоплазме на каждой и-РНК синтезируются тысячи копий. Скорость этого процесса очень высока.

Генетический код

Генетический код – это аминокислотная последовательность белков. Он был расшифрован в 1961 году учеными Миренберпом и Маттеи. Они установили:

Кодирование аминокислот осуществляется триплетами нуклеотидов (кодонами) Из 4-х азотистых оснований можно составить 64 различные комбинации, которых достаточно для кодирования 20 аминокислот.

Кодон – это последовательность трех нуклеотидов, в результате которой кодируется определенная аминокислота.

Необходимо помнить, что:

Точность синтеза полипептидной цепи достигается за счет комплементарного узнавания азотистых оснований двух компонентов:

кодона информационной РНК антикодона транспортной РНК

Последовательность аминокислот в любом белке зависит от последовательности азотистых оснований в ДНК, содержащихся в той клетке, где синтезируется данный белок. Заложенная в ДНК информация считывается в процесс транскрипции матричной РНК (м-РНК) и переносится в белоксинтезирующую систему на рибосомы. Ученый Крик доказал триплетную теорию кодона, которая и объясняет способ перевода четырехбуквенного языка нуклеиновых кислот на 20-буквенный язык белковых молекул.

Кодон-антикодоновое взаимодействие – это способ узнавания триплетом (которым является м-РНК) комплементарного триплета (им является антикодон), входящего в состав соответствующей т-РНК.

Кодон и антикодон спариваются антипараллельным образом (теорий качаний Крика):

1.  Два первых основания кодонов образуют прочные пары с соответствующими азотистыми основаниями антикодона.

2.  Находящиеся в третьем положении азотистые основания кодонов образуют слабые водородные связи с антикодоном.

3.  Вывод Крика: находящиеся в третьем положении основания большинства кодонов имеют некоторую степень свободы при образовании пары с соответствующими азотистым основанием антикодона – это и есть качающиеся основания.

4.  Именно такое взаимодействие кодона с антикодоном обеспечивает включение аминокислоты в соответствующие участки полипептидной цепи синтезирующегося белка.

Этапы биосинтеза белка

1 этап – этап активации аминокислот

Компоненты:

1.  20 аминокислот

2.  20 ферментов аминоацил-т-РНК-синтетаз

3.  20 и более т-РНК, а также АТФ и ионы Мg²+

На этом этапее осуществляется АТФ-зависимые превращения аминокислот в аминоацил-т-РНК.

1 стадия – из аминокислоты и АТФ образуется аминоацил-аденилат – это активированное соединение (ангидрид), в котором карбоксильная группа аминокислоты соединена с фосфатной группой адениновой кислоты.

2 стадия – аминоацидная группа аминоацил-аденилата переносится на молекулу соответствующей т-РНК. В результате образуется аминоацил-т-РНК – это активированное соединение, участвующее в биосинтезе белка. Этот процесс активизируется аминоцаил-т-РНК-синтетазами.

Во всех случаях на 2-ой стадии активированная аминокислота присоединяется к остатку адениловой кислоты, или адениловому нуклеотиду в триплете ЦЦА (ССА) на третьем конце молекулы т-РНК (3’-Т-РНК).

Молекулы т-РНК переводят информацию, заключенную в и-РНК на язык белка.

Таким образом, генетический код расшифровывается с помощью двух адаптаров: это т-РНК и аминоцаил-т-РНК-синтетаза, в результате чего каждая аминокислота может занять место, определенное ей триплетной нуклеотидной последовательностью в и-РНК, т. е. своим кодоном.

Для дальнейшего синтеза необходимы рибосомы. Синтез белков, входящих в состав рибосомной структуры, происходит цитоплазме, самосборка – в ядрышке за счет взаимодействия молекул белков и рибосомной РНК при участии ионов Мg²+.

р-РНК выполняет роль каркасов для упорядоченного расположения рибосомных полипептидов.

Суб-частицы в рибосоме расположены несимметрично, имеют неправильную форму, и соединены друг с другом так, что между ними остается бороздка, через которую проходит молекула и-РНК в процесс синтеза полипептидной цепи, а также 2-ая бороздка, удерживающая растущую полипептидную цепь.

2 этап – Инициация полипептидной цепи

Компоненты:

1.  и-РНК, гуанозинтрифосфат (ГТФ), ионы Мg²+

2.  N-формилметионил-т-РНК

3.  Инициирующий кодон в и-РНК

4.  Рибосомные субчастицы (30S, 50S)

5.  Факторы инициации (IF 1;2;3)

У E. coli и других прокариот N-концевой аминокислотой при сборке полипептидной цепи всегда является остаток N-формилметианила.

Стадии образования инициирующего комплекса

1 стадия

A)  В результате взаимодействия 30S субъединицы (субчастицы) и фактора инициации образуется структура, в которой белок препятствует ее ассоциации с 50S субчастицей.

B)  Присоединение к 30S субчастице и-РНК достигается с помощью инициирующего сигнала, представляющего собой богатую пуриновыми основаниями последовательность, центр которой находится на расстоянии 10 нуклеотидов от 5’-конца инициирующего кодона и-РНК.

C)  Первый транслируемый кодон расположен на расстоянии 25 нуклеотидов от 5’ конца.

D)  Инициирующий сигнал, представленный коротким участком и-РНК, в результате взаимодействия с комплементарной последовательностью нуклеотидов, расположенных с 3-го конца 30S субчастицы, способствует фиксированию и-РНК в нужном для инициации положении.

E)  Это взаимодействие обеспечивает правильное положение инициирующего кодона на 30S субчастице.

2 стадия

A)  К комплексу, состоящему из 30S субчастицы, фактора инициации и и-РНК, присоединяются ранее связавшиеся с N-формилметионилом т-РНК, второй фактор инициации и гуанозин-трифосфат (ГТФ).

B)  Возникновение функционально активной 70S рибосомы а результате присоединения 50S-рибосомной субчастицы к ранее образовавшейся комплексной структуре.

3 стадия – приготовление инициирующего комплекса к продолжению процесса трансляции.

3 этап – Элонгация

На этой стадии происходит синтез полипептидной цепи.

Компоненты:

1.  Инициирующий комплекс – 70S рибосома.

2.  Набор аминоацил-т-РНК

3.  Фактор элонгации, цианозинтрифосфат (ГТФ)

4.  Пептидилтрансфераза, ионы Мg²+

Элонгация – это циклический процесс.

Стадии элонгации

1 стадия – образование аминоацил-т-РНК, которая является комплементарным кодон-антикодоновым взаимодействием, а также специфической связью между участками молекул т-РНК и р-РНК.

2 стадия - подготовка для вступления остатков аминокислот в реакцию образования пептидной связи.

3 стадия (транслокация) – это перемещение рибосомы вдоль и-РНК на один кодон. На образование однопептидной связи затрачивается энергия гидролиза 2-х молекул ГТФ.

A)  Свободная т-РНК отделяется и уходит в цитоплазму.

B)  В дальнейшем аминоацильный участок вновь подготовлен для связывания очередной аминоацил-т-РНК, антикодон который комплементарен следующему кодону и-РНК – начинается новый цикл элонгации.

4 этап – Терминация.

Компоненты:

АТФ Терминирующий кодон и-РНК Факторы освобождения полипептида

1)  Рост полипептидной цепи продолжается, пока один из 3-х терминирующих кодонов (УАА, УГА, УАГ) не поступит в рибосому. В этом случае кодон-антикодо-нового взаимодействия не происходит.

2)  К терминирующему кодону присоединяется ответственный за терминацию фактор, в результате прекращается дальнейший рост белковой цепи.

3)  Синтезируемый белок, и-РНК и т-РНК определяются от рибосомы.

4)  И0РНК распадается до свободных рибонуклеидов, а т-РНК и рибосомы, распавшись на две субъединицы, участвуют в новых циклах трансляции.

5 этап – Процессинг

Компоненты:

1.  Специфические ферменты

2.  Кофакторы

Образующиеся полипептидные цепи формируют более сложные белки или управляют процессами метаболизма в качестве ферментов.

На одной молекуле и-РНК работает несколько и более (до 100) рибосом. Они образуют полисому, и на каждой рибосоме строится своя полипептидная цепь (в биосинтезе гемоглобина участвуют полсомы из 5-6 рибосом).

Отличие биосинтеза белка

1.  У прокариот – транскрипция и трансляция связаны между собой и синтез белка начинается сразу же на продолжающей синтезироваться молекуле и-РНК.

2.  У эукариот – сначала на ДНК синтезируется и-РНК, затем она созревает и только зрелая участвует в трансляции.

Регуляция синтеза белка

В процессе эволюции был создан механизм регуляции действия генов. Геном каждой клетки приобрел характер комплекса, состоящего из:

Структурных генов, которые кодируют синтез белковых молекул (т-РНК и и-РНК); и Генов-регуляторов, которые обеспечивают упорядоченность в действии структурных генов.

Регуляция экспрессии (выражения) генов осуществляется на нескольких уровнях:

Генный – обусловлен изменением количества и локализации генов, контролирующих тот или иной признак. Транскрипционный – отвечает за то, какие и когда включать гены для наработки и-РНК. Трансляционный – обеспечивает отбор и-РНК, транслирующихся на рибосомах. Функциональный – связан с регуляцией активности ферментов.